[인간공학] Auditory Sense (소리, 청각)

● Motivation : Auditory Display for Fire Alarm

- 정보 자체가 있다는 것을 인지하는 방식은 청각이 100%이다. 정보 전달력이 가장 빠르다.

- 시각보다 더 빠르게 반응한다.

- 사람에게 각성을 해주게 한다. (아드레날린 분비)

- 사람에게 이런 자극이 부작용을 일으키기도 한다.

 

● Sound Characteristics : Auditory Transduction

귀의 모식도

- 듣게 되는 과정

- Pinna(귓바퀴)에서 소리가 몰려 들어온다.

- 이후 Auditory canal(외이도)를 따라 고막까지 이동하게 된다.

- Eardrum(고막)에서 공기의 진동 형태가 기계적 진동으로 바뀌게 된다.

- 고막에서 Ossicles(소골)로 가서 그 진동을 약 22배 정도 증폭시켜 준다.

- 이 진동은 Ovar window(난원창)에 부딪혀 달팽이관 안으로 들어가는 물을 진동시켜주게 된다.

- 이 달팽이관 내 기저막에 있는 융털에 의해 신경으로 전달되어 소리를 듣게 되는 것이다.

 

● Outer Ear : Resonance(공명)

- 사람은 3000Hz에서 가장 잘 듣는다.

C는 외이도의 공명, P는 귓바퀴의 공명을 나타낸다.

- 신기하게도 노화가 진행되어 난청이 시작되면, 우리가 자주 듣던 3000Hz의 소리부터 못 듣게 된다.

 

● Middle Ear : Sound Transmission

- 소리 파동을 유체 파동으로 바꿔주는 곳

- 소리 파동을 22배 증폭시켜 준다. (바꿔주는 이유는 공기 파동에서 물의 파동으로 넘어갈 때의 손실을 최소화시키기 위함이다.)

 

● Middle Ear : Acoustic Reflex(음향 반사)

- 내이 보호를 위해 큰 파동이 올 경우, 등골근과 고막 장근이 잡아주어 떨림을 줄여준다.

- 큰 소음(80dB 이상)에서는 두 개의 근육이 조여져 소리 전달이 감소한다.
- 광대역 소리와 낮은 주파수에 더 반응한다(Kryter, 1985).
- 영향: 20dB 감소한다. 그러나 근육에 전달되는 약 35~150밀리 초의 딜레이가 있다.
- 지속시간 : 근육은 강한 안정상태의 소음이 있을 때 최대 15분 동안 구부러진 상태를 유지한다.
- 이완 시간 : 충격 후 2~3초 후에 이완이 진행된다. 2~3초 뒤에도 큰 소음이 없다면 0.5초 이내에 회복된다.

 

● Inner Ear : Hair Cell 

- Hair Cell은 소리 탐지 기능을 수행한다.

- 달팽이관 입구에서부터 고주파의 소리를 잘 캐치한다.

- 헤어셀이 움직이며 진동을 전달해 원래는 잘 서있던 hair cell이 충격을 계속 받으며 꺾인 채로 돌아오지 않아 제기능을 하지 못해, 어른이 될수록 고주파의 소리를 듣지 못하게 된다. 

 

● Sound Wave Properties (소리 파장의 특성)

- 소리는 진폭과 파장으로 결정이 된다.

소리의 크기는 진폭이 결정

소리의 높낮이는 파장이 결정

- 소리의 속도 공식

음속은 파장 x 진동수 이다.

    - 이곳에서는 c는 음속이 결정되어 있기 때문에, 진동수와 파장은 반비례하다고 할 수 있다.

 

- 사람이 들을 수 있는 진동폭 : 20 ~ 20,000Hz (나이가 들어가며 50 ~ 8,000Hz)

- 사람이 잘 들을 수 있는 진동폭(with 공명) : 2,000 ~ 5,000Hz

 

● Sound Unit (소리의 크기)

- 소리의 밀집도 : Sound Pressure Level(SPL: unit = dB)

- SPL의 공식

P는 측정된 소리의 압력, P0는 사람이 들을 수 있는 가장 작은 소리. 20마이크로파스칼

*1PA는 1제곱미터에 1뉴턴만큼 힘을 줬을 때를 말함.

dB의 예시

- 데시벨은 2배가 차이나지만, 소리의 기준으로 봤을 때, 2배는 10배가 차이나는 소리이다. (로그가 10이기 때문)

 

- 데시벨의 큰 문제점

1. 같은 소리도 위치마다 크기가 다르다.

2. 데시벨의 크기 차이가 소리 크기 차이는 아니다. (데시벨 기준 2배가 실제론 10배)

 

● 소리 측정기의 종류

● Limitations of SPL (SPL의 단점)

- 절대적이지 않다.

: 같은 dB은 언제나 같은 시끄러움 정도를 갖지 않는다.*

- 비례적이지 않다.

: 데시벨의 크기 차이가 소리 크기 차이는 아니다. (데시벨 기준 2배가 실제론 10배)

 

* 아까는 위치마다 dB이 다르다 했는데, 이번엔 같은 dB이 시끄러운 정도가 다르다고? 의문이 들 것이다.

이 때, Perceived loudness라는 인지 소음의 개념이 나타난다.

이것은 SPL과 pitch(frequency, 진동수)를 합친 것으로, 사람이 기준이 되어 얼마나 소음 정도를 느끼는지 연구한 것이다.

 

각각의 선은 사람이 느끼기에 같은 크기의 소리로 인식한다.

- 따라서 같은 데시벨이라도 진동수에 따라 사람에게 들리는 소음의 정도는 다르다는 것을 알 수 있다.

*참고로 Threshold선은 사람이 처음으로 들을 수 있는 최소한의 소리이다.

 

● Percieved Loudness Unit : Phon

- 위 사진에서 1000Hz를 기준으로 n데시벨일 때를 n phon으로 기준을 잡은 것이다. (보통 말하는 크기 : 40 phon)

- phon은 기존 데시벨의 소음의 절대적인 정도의 한계를 극복했으나, 데시벨 기준을 가져와 씀으로써 비례적이지 못한 한계는 극복하지 못했다.

 

● Percieved Loudness Unit : Sone

- 이것 또한 Perceived loudness 기반으로 만들어진 unit이다.

Sone의 공식

- 단지, phon을 회귀해서 2배씩 크게 되도록 만들었다. 기준은 40 phon을 1로 잡았다.

 

● Hearing Frequency(들을 수 있는 진동수)

- Hearing range : 20 - 20,000Hz(나이먹으면 50-8,000Hz)

- Sensitive range : 2,000 - 5,000Hz(pinna와 ear canal의 공명 때문에)

*참고로 남자의 목소리는 100-150Hz(max:900Hz) 여자의 목소리는 200-250Hz(max:3KHz)이다.

- Binaural hearing : 양쪽 귀로 들을 수 있다. 하나로 듣는 것 보다 더 낫다. (15데시벨 정도 threshold가 낮아진다.)

- Sound localization : 양쪽에서 스피커가 왔을 때, 소리는 더 크게 들린다.(0.7데시벨 정도 더 크게 들린다. 귀가 두개이기 때문)

 

● Loss of Auditory Sensitivity : Effect of Age(청각의 손실 : 노화의 영향)

y축 : 데시벨, x축 : 나이; 나이에 따른 청각 손실

- 나이를 먹음에 따라 청각은 줄어든다.

- 난청은 고주파에서 더욱 심하다.

● Complex Sounds

- 하나의 Pure tone은 거의 없다.

- 대부분의 complex sound는 주파수가 다 다르다.

- 노이즈 캔슬링능 이와 같은 복잡한 소리의 파동을 반대로 넣어주어 소음을 방지해 준다.

 

● Sound Masking

- Noise의 개념은 굉장히 주관적이다. 내가 원하는 소리 외에 모든 것은 소음이다. 소음에 의해 내가 관심있어하는 소리를 듣지 못하는 것을 sound masking이라고 한다.

- Sound masking은 Threshold를 올리게 한다.(헤어드라이기가 돌아갈 때 전화소리가 안들리는 것과 같이)

 

● Multidimensional Coding

- 복잡한 소리 안에서도 귀(뇌)는 내가 가장 중요하다고 생각하는 소리에 집중한다.(cocktail effect)

- 많은 차원과 적은 레벨을 구분하는 것이 적은 차원과 많은 레벨을 구분하는것보다 낫다.(고양이와 강아지를 구분하는게 낫지, 고양이와 강아지 울음의 높낮이로 구분하는것은 힘들다)

- 사람이 절대적인 기준으로 구별할 수 있는 레벨의 수(평균값)

1) 주파수를 고정 시켰을 때 데시벨을 구분할 수 있는 것 : 4-5개

2) 주파수가 다를 때 : 4-7개

3) 소리의 길이가 다를 때 : 2-3개

4) 소리의 방향이 다른 것 : 2개

5) 주파수와 데시벨이 다를 때 : 9개

 

● Hearing Loss by Noise

- 소음에 의한 청력 손실은 음성 주파수(250~5,000Hz)를 포함하고 3000~6000Hz 사이에서 심각하다.

(가장 많은 소리를 듣기 때문)

- Noise

    - 본인이 정보로 인식하지 않는 소리

    - 수행하는 것을 방해하고, 청각 손실을 발생한다

- Hearing loss

    - 일시적 : 갑자기 큰 소리가 들렸을 경우 청각 손실이 일어난다. 보통 1-2시간 내로 돌아온다.

    - 영구적 : 오래된 노출로 인하여 청각손실이 발생한 경우.

 

● Allowable Exposure Time to Noise (소음에 노출 될 수 있는 시간)