귀의 소리증폭: 물리학적 접근
동물이 흔히 소리(sound)라고 인식하는 자극의 원형은 물리학의 음향학 분야 전반을 관통하는 주제인 공기압력의 파동이다. 청각계(청각체계, 청각계통, auditory system)는 기계수용기를 이용해 이 압력 파동을 수용기전위(receptor potential)로 변환시킨다. 청각계는 특별한 구조로 음파를 모으고, 이를 감각기관에 증폭시킬 수 있다.
- 귀(ear)는 크게 외이, 중이, 내이의 세 부분으로 구분한다.
① 외이(outer ear)
· 역할: 외부의 음파와 직접 상호작용하는 부위로 소리를 모아 고막(eardrum)으로 전달
· 구성: 귓바퀴(pinna), 외이도(external auditory canal: 귀의 입구에서부터 고막까지의 약 2.5cm의 통로, 4,000Hz 부근에서 공진피크가 형성됨), 고막외피
② 중이(middle ear)
· 역할: 소리 진동을 내이에 다시 증폭 후 전달
· 구성: 고막(eardrum, tympanic membrane: 압력파 진동을 유체운동으로 변환), 이소골(ossicles: 관절로 이어진 중이 내부의 3개의 작은 뼈들, 기계적 신호로 내이에 소리 정보를 전달) ⇒ 추골(malleus hammer), 침골(incus anvil), 등골(stapes)
③ 내이(inner ear)
· 역할: 감각세포가 존재하는 공간으로 실제 소리의 인식이 일어나는 매우 중요한 부위
· 입사된 소리의 주파수에 따라 각기 다른 신경섬유로 신호가 전달됨
· 구성: 달팽이관(cochlea), 기저막(basement membrane), 반고리뼈(균형감각과 가속운동감각을 담당하는 기관)
사람의 청각계는 청각 시스템의 전반적인 기능을 알 수 있는 좋은 사례로, 귀가 그 역할을 담당한다. 외관상 뚜렷한 구조물로 외이영역(outer ear)의 귓바퀴가 있으며, 이것의 모양은 음파를 수집하여 외이도로 유도하는데 적합하다.
- 개나 고양이가 특정한 소리를 듣기 위해 그 방향으로 귓바퀴를 쫑긋 세운다.
- 귀의 각 부분은 물리학적인 원리를 이용하여 소리에너지를 적절한 크기(가청(可聽) 크기는 20-20,000Hz)로 증폭시키고 해석하는데 구체적인 내용은 다음과 같다.
소리지각요소와 청각모델링
① 높이(pitch): 소리의 높낮이, 또는 음정으로 소리가 갖는 주파수 또는 파장에 의해 결정된다.
- 주파수가 높은 소리는 고음으로 들린다.
- 주파수가 낮은 소리는 저음으로 들린다.
- 음악에서 음정이란, 두 가지 음이 갖는 상대적인 비를 의미한다.
② 세기(loudness): 소리의 강약, 또는 세기로 음파의 세기(intensity)와 주파수로 결정된다.
③ 음색(timbre): 소리에 함유된 파형의 시간적 변화에 따른 차이로, timbre의 요소로 인해 같은 주파수를 갖는 피아노의 440Hz과 바이올린의 440Hz의 중앙음을 구분할 수 있다. timbre는 시간에 따른 음파의 상대적 세기 변화 및 파형개수에 의해 결정된다.
④ 음표(musical notes)
⑤ 톤(tone): 일정시간에 걸친 일정한 음의 조화
1. 외이도: 공진기(resonator)의 역할 ⇒ 공진현상을 이용해 특정 주파수의 파나 진동을 끌어낸다.
외이 모델(partially closed pipe resonator model)
- 의미: 귀의 외이도는 한쪽 끝이 닫힌 관으로 취급된다.
- 인간의 외이도 길이는 평균적으로 L=28[mm]이다. 따라서 기본진동수 F_1=3,000[Hz]로 계산된다.
2. 중이도: 임피던스 매칭(impedance matching) ⇒ 외이로부터 들어온 음파는 림프액이 가득 찬 내이로 향할 때 매질의 특성 차로 인해 그 세기가 상당량 손실되는데, 중이의 구조적 특성으로 인해 손실률이 극도로 줄어든다.
- 고막(ear drum)과 난원창(oval window)의 면적비에 의한 압축효과
고막과 난원창 표면적비
- 의미: 고막은 난원창에 비해 매우 크며, 해부학적으로 음원에 더욱 가깝게 배치되어 있다.
음파의 압력이 기본적으로 식 p=F/A를 따른다면 두 구조물의 표면적 비를 적절히 대입할 수 있다.
- 위 식에서 표면적을 A_drum에 대한 것으로 변형했기 때문에, F_oval과 F_drum의 관계를 알면 p_oval을 구할 수 있다.
소리의 세기는 음파의 압력에 제곱배로 비례(I∝p^2)한다. 따라서 고막에서보다 난원창에서의 음파세기가 약 625배 증가한다.
- 추골과 침골의 길이에 의한 지렛대 효과
- 버클링효과(buckling effect): 소리에너지가 고막에 전달되면 고막의 원뿔형 꼭짓점으로 음파 압력이 집중된다.
이때 얇은 세 겹의 막인 고막은 고실(tympanic cavity)에 대해 감쇠조화운동을 하는데, 꼭짓점과 연결된 추골병(manubrium of malleus)로 음압이 전달되면 본래의 파동 세기보다 2~3배 증가한다.
3. 내이도: 푸리에 급수(Fourier series) 분석기 ⇒ 대부분의 소리는 비사인형의 음파모양을 갖는데, 내이의 여러 기관은 이들의 분석(analysis)에 도움을 준다.
- 악기를 비롯한 여러 가지 음은 기본진동수의 정수배 진동수들이 결합해 만든 결과이다.
· 악기에 의해 생성된 파동모양은 기본진동수의 정수배인 진동수의 중첩 결과 ⇒ 파동의 중첩에 의해 음색(tone)이 나타나며, 사람은 지각 반응(perception)을 통해 음질(quality) 혹은 음색(timbre)로 인지한다.
· 비슷한 유형의 악기는 진동수들이 유사하게 혼합하므로 귀만으로 구별하기 어렵다.
'고급물리학' 카테고리의 다른 글
| 지진파 Seismic Wave – 지진파의 이해 (0) | 2021.11.26 |
|---|---|
| 신경세포와 근육세포 (0) | 2021.11.21 |
| 피부감각세포 (0) | 2021.11.21 |
| 벡터의 연산 (0) | 2021.11.20 |
| 전기장과 전기력 (0) | 2021.11.07 |