음향이론8.귀 (Ear)

 

 

귀 (ear)

 

 

귀는 우리 몸에서 소리를 인지하는 중요한 역할을 합니다. 귀는 크게 외이도, 중이, 내이로 구성되어 있습니다.

우선 외이도는 귀를 보호하고 소리를 집중시켜 중이로 전달하는 역할을 합니다. 그리고 중이는 공기와 고체에 대한 진동을 인지하고, 내부 구조물을 통해 이를 전달하고 증폭시키는 역할을 합니다. 

 

중이는 고체인 청각뼈(해부학적으로는 고유의 이름이 있지만 일반적으로는 청각뼈로 통칭됩니다)의 진동으로 소리를 감지하고, 이를 내이로 전달합니다.

마지막으로 내이는 청각신경을 통해 들어온 신호를 뇌로 전달하는 역할을 합니다. 내이 안에는 소리를 감지하는 감각세포가 있으며, 이들이 진동에 반응하여 신호를 생성합니다. 이 신호는 청각신경을 통해 뇌로 전달되고, 뇌는 이를 해석하여 우리가 듣는 소리로 인식합니다.

따라서, 귀는 소리를 감지하고 전달하는 중요한 역할을 하며, 이를 통해 우리는 소리를 인지하고 들을 수 있습니다.

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귀 (Ear)

 

소리를 듣는 데 가장 중요한 기능을 하는 귀에 대해 알아보겠습니다. 의학적이거나 생물학적인 부분일지라도, 엔지니어로서 기본적인 상식만큼은 알아두는 것이 좋겠죠?

 

청력으로 소리를 듣는 것은 이미 앞에서 설명했던 것과 같이, 공기의 압력을 통해 전달되어 사람의 고막을 움직이는 것을 인식하여 듣는 것입니다. 귀 근처에 손을 놓고 손을 부채처럼 흔들어 보세요. 그러면 바람이 불겠고 바람 소리처럼 느껴지는 소리가 귀에 들리게 됩니다. 손을 흔들면 움직임이 없던 공기를 흔들었다는 것입니다. 그리고 그 흔들어진(과학적으로는 바람을 통해 우리 피부에 증명된) 공기의 이동이 귓바퀴를 통해 귓구멍으로 들어가서 끝에 있는 고막에 부딪히면, 얇은 막인 고막이 같이 진동합니다.

 

https://youtu.be/eQEaiZ2j9oc

 

이 진동은 고막 뒤에 있는 청각소골(Cochlea)이라는 뼈와 난원창(Oval window)을 통해 내이로 전달됩니다. 림프액이라는 액체가 들어 있는 달팽이 모양의 관이 내이인데, 이 진동은 그 액체를 진동시켜 액체 속의 작은 털들에 전달됩니다. 그리고 그 털들에 있는 모세포에서 전기적 에너지로 바꿔주어 신경을 통해 뇌로 전달됩니다.

 

각 부분을 구분하여 알아보겠습니다. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

귀의 구조  (the structure of the ear)

 

 

귓바퀴 (earflap, auricle) : 이어플랩, 아우리컬 

 

귓바퀴는 소리를 모아주는 기능과 소리의 방향성(위, 아래)을 판단할 수 있게 해주는 기능을 가지고 있습니다. 1946년에 F.M. Weiner와 Ross가 발표한 논문에 따르면, 귓바퀴는 대부분의 주파수 대역을 3dB에서 5dB 정도 증폭시켜 주는데, 특히 1.5kHz 대역은 20dB 이상 증폭해 준다고 합니다. 또한, 귀의 생김새는 소리의 위치 및 방향성을 판단하는 데 중요한 역할을 합니다. 좌우상하의 방향성은 두 귀에 들어오는 소리의 정보 차이를 뇌에서 분석하여 위치를 파악하게 합니다.

 

 

 

 

 

 

귓구멍(외이도,Ear Canal) : 이어 커낼

 

귓구멍(외이도)은 재미있는 기능을 가지고 있습니다. 길이는 약 3cm이며, 폭은 약 0.7cm 정도입니다. 이 귓구멍은 고막을 보호하는 가장 중요한 역할을 합니다. 한쪽 끝은 0.1mm 두께의 세 겹 고막으로 막혀 있으며, 반대쪽은 바깥으로 열려 있는 원통 구조를 가지고 있습니다. 이 원통 구조는 내부에서 부드러운 공진을 만들어 대략 3~5kHz 대역을 10dB 정도 증폭시킵니다. 이 주파수 대역은 주로 사람 목소리의 선명도에 해당합니다. 따라서 귓구멍은 다른 소리보다 사람의 목소리를 더 잘 구분하게 만들어 주는 역할을 합니다.

 

 

 

 

 

 

 

중이(Middle Ear)

고막(Eardrum)

중이 (Middle ear) : 미덜 이어

 

 

두번째로 중이(Middle Ear) 부분을 알아보려고 합니다. 고막(Eardrum)은 탄력이 뛰어난 얇은 막으로, 귓구멍을 통해 들어온 공기의 아주 미세한 진동까지도 감지할 수 있습니다. 이 고막은 일종의 소모품 개념이기 때문에, 어린아이의 상태와 어른, 그리고 노인의 상태에 따라 많은 차이가 있을 수 있습니다. 고막은 공기의 진동을 바로 뒤에 연결된 세 청각소골(망치뼈(Malleus), 모루뼈(Incus),고리뼈(Stapes))의 기계적인 운동으로 변환합니다.

 

 

세 청각소골은 각기 다른 길이와 비율을 가지고 있어 지랫대 효과를 일으킵니다. 큰 진폭은 줄이면서 작은 진동은 증폭시키는데, 이러한 역할을 수행합니다. 이로 인해 소리가 대략 30dB에서 40dB 정도 증폭됩니다. 고리뼈의 끝은 달팽이관의 난원창에 붙어 증폭된 진동을 달팽이관으로 전달합니다. 출생 시 완성된 이 세 개의 뼈는 평생 같은 크기로 귓속에 자리 잡고 있습니다. 그렇기 때문에 언제나 같은 소리에 대해 동일한 인식을 뇌에서 하게 됩니다.

 

 

 

 

 

 

내이 ((Inner Ear)

내이 (Inner Ear) : 이너 이어

마지막으로 남은 부분은 내이(Inner Ear)입니다. 이 부분은 귀의 가장 안쪽, 눈동자 뒷부분까지 이어집니다. 위 그림에서 보시는 것처럼, 정원창(원형)과 난원창(계란모양)이 있는 달팽이관 내부는 림프액으로 채워져 있습니다. 전달된 진동에 따라 림프액도 같이 진동하게 됩니다

 

달팽이관은 두 바퀴 반 정도로 말려있는 모양을 하고 있습니다. 이 관은 길게 펼쳐보면 림프액이 흐르는 진정계와 고실계, 그리고 가운데에 기저막이 있는데요, 그 위에는 진동을 감지하는 털 세포가 있는 와우각관이 있습니다. 아래 그림과 같이 내부 구조는 이렇습니다.

 

 

 

내부구조

 

 

와우각관에는 약 25,000개의 미세한 털 세포가 있습니다. 가해자는 진동에 따라 움직이며 전기를 발생시킵니다. 그러면 거기에 연결된 청각신경이 그 전기 신호를 뇌에 전달합니다. 위쪽 내이그림 끝 그림처럼 말려져 있는 약 3.5cm 정도 되는 길이의 달팽이관은 중간 그림처럼 기저막을 중심으로 안쪽으로 들어가 바깥쪽으로 진동이 전달하면서 실제 진동 에너지를 전기 신호로 바꾸는 에너지 변환기입니다. 이것은 동시에 표시된 주파수처럼 뛰어난 주파수 감지기의 역할도 합니다.

 

 

 

 

달팽이관

 

 

주파수 감지기는 난원창 입구에서부터 끝까지 늘어져 있는 털세포들이 하게됩니다. 난원창 가까운 쪽부터 고음에서 저음까지를 분석해서 신경 세포로 전달하는 기능을 합니다. 음정을 인식하는 부분은 난원창에 가장 가까운 부분입니다. 이것은 가장 크게 들리는 진동과도 관련이 있습니다. 위쪽 그림의 실제 달팽이관은 달팽이 모양으로 생겼는데, 수학적인 연구에 따르면 이 모양 자체가 저음부의 확성장치 역할을 한다고 합니다. .(Adrian Cho, “Math Clears UP an Inner-Earmystery; Spiral Shape Pumps UP the Bass.” 2006년 2월 Science 지)  이것은 공간을 줄이기 위해 말려있는 것이 아니라 저음 보강이라는 특별한 기능을 위해 있습니다. 몸의 다른 기관보다도 참으로 많은 신기함이 있는 곳이 바로 이 귀라고 생각됩니다.

 

참고서적 -장호준 음향시스템 핸드북

 

 

 

 

정리 

 

구조 이름 기능

귓바퀴	earflap, auricle	소리 모으는 기능과 방향성을 판단할 수 있게 함
귓구멍	outer ear, ear canal	고막을 보호하고 목소리를 더 잘 구분하게 함
중이	middle ear	공기 진동을 청각소골의 기계운동으로 변환하고 소리를 증폭시킴
내이	inner ear	림프액 진동에 따라 털 세포가 전기신호를 발생시켜 뇌로 전달함