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음악을 들을 때 소리의 크기와 관련해서...참고가 될 것 같아 올려봅니다.



이미지는 직접 링크 주소에서 보시면 될 것 같습니다

http://cafe.naver.com/exactaudiocopy/134





귀와 오디오

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오디오 애호가들이나 음악애호가들이 레코드나 기기에 대해서는 신경을 많이 쓰지만 음악 감상에 가장 중요한 부분인 귀에 대해서는 무관심합니다. 귀는 업그레이드(?)가 물론 불가능하며 한번 손상되면 회복이 거의 불가능한 것인데도 애호가 여러분들께서 소홀히 생각하는 경우가 많습니다. 음악 애호가들께서 알아두셔야 할 귀와 소리의 관계, 그리고 청각의 보호를 위해서 조심하셔야 할 점들을 소개드립니다.



사람이 듣는 소리의 범위

흔히 인간의 가청 한계는 20Hz-20,000Hz라고 합니다. 소리는 공기의 떨림을 사람이 감각하는 것인데 사람이 모든 공기의 떨림을 다 느낄 수 있는 것이 아니고 진동수가 1초에 20번부터 20,000번까지인 공기의 떨림만을 소리로 느낄 수 있다는 말입니다. 사람은 진동수의 높낮이를 음정의 높낮이로 느낍니다. 사람의 귀가 가장 민감하게 들을 수 있는 소리의 진동수는 4000 Hz 부근입니다. 거의 완벽하게 조용한 방에서 가까스로 들을 수 있는 4000 Hz의 소리의 세기(intensity)를 0dB 라고 표시합니다. 여기서 소리의 세기는 소리가 전달하는 에너지의 크기를 LOG 스케일로 표현한 것입니다.("소리" 참조). 이것을 기준으로 하면 비교적 조용하다고 느껴지는 실내의 소음이 약 30~40 dB 정도이며 굴착기 작업을 하는 곳으로부터 1 m 떨어진 곳에서 들리는 소리의 크기는 약 90 dB 정도 됩니다. 이 정도면 거의 대화가 불가능할 정도로 시끄러운 소리입니다. 소리의 크기가 120 dB 정도되면 귀의 통증을 느껴 사람이 더이상 견디기 어려운 상태가 됩니다.

진동수가 4000 Hz 보다 낮거나 높은 소리들은 소리는 세기가 0 dB 보다 커야 들을 수 있습니다. 완벽하게 조용한 방에서 가까스로 들을 수 있을만큼 작은 소리의 세기를 진동수 별로 나열하면 다음과 같습니다.



20 Hz 40 Hz 100 Hz 500 Hz 4000 Hz 15000 Hz 20000 Hz

100 dB 50 dB 30 dB 10 dB 0 dB 20 dB 120 dB





위의 표를 보면 15000 Hz 이상부터 듣는 능력이 급격하게 떨어져서 20000 Hz 소리는 귀에 통증을 느낄 정도의 크기가 되지 않으면 들리지 않는다는 것을 알 수 있습니다. 이런 의미에서 20000 Hz 정도의 소리는 인간이 감지할 수 있는 최고로 높은 진동수라고 할 수 있습니다. 간혹 아날로그 녹음은 20000 Hz 이상의 소리도 나오므로 더 좋다고 하는 말을 들을 때가 있는데 이런 것을 생각한다면 전혀 근거없는 말이라는 것을 알 수 있습니다. 이러한 진동수에 따른 귀의 감도는 사람에 따라 크게 다릅니다. 위의 표에 나타난 감도는 귀의 건강상태가 양호한 사람의 경우에 해당되는 것입니다.



청각의 노화와 손상

20-20,000Hz라는 범위는 가장 귀의 상태가 좋은 사람이 들을 수 있는 범위입니다. 귀가 손상된 사람의 감각 범위는 이 보다 훨씬 좁습니다. 별다른 손상을 받지 않아도 나이가 먹으면 감각 범위가 좁아집니다. 연령대로 보면 20세 전후의 사람의 귀가 가장 예민하고 평균적으로 남자보다는 여자의 귀가 더 예민합니다. 그러므로 20-20,000Hz의 가청한계란 귀의 건강상태가 최상급인 20세 정도의 여자가 들을 수 있는 소리의 범위라고 생각해도 될 것입니다. 나이가 들어감에 따라 3000 Hz 이상을 듣는 능력이 감퇴되어 이 대역의 소리를 들을 때 40 대는 20 대가 감지하는 소리보다 10 dB 커야 겨우 들을 수 있고 60대는 20 dB 정도로 커야 겨우 들을 수 있읍니다. 40대이상의 사람들은 10,000Hz이상의 소리를 듣지 못한다고 생각해도 별로 틀리지 않을 것입니다. 그러므로 나이든 오디오의 원로들은 신참들보다 귀의 상태가 훨씬 나쁘다고 할 수 있습니다. 거장, 대가라는 음악가들도 예외가 될 수 없습니다. 그래도 노인 음악가들이 음악계에서 계속 활약하고 있는 이유는 무엇일까요? 음악에 사용되는 소리중에서 에너지가 큰 부분은 대개 진동수가 낮은 쪽에 있기 때문에 그런 노인이라도 음악 소리는 거의 젊은이와 다름없이 들을 수 있습니다. 그렇지만 노인이 되면 심벌이나 트라이앵글을 칠 때 나는 날카롭고 청명한 소리가 훨씬 둔하게 들릴 것입니다. 그러나 그렇게 극단적인 소리를 제외하면 대부분 큰 차이없이 들을 수 있습니다. 그러나 젊은 사람들도 주의하지 않으면 자연스러운 노화때문에 생기는 청력 감퇴와는 비교할 수 없는 손상을 받는 경우가 있습니다.



젊고 신체가 건강하다고 자부하는 사람들도 직업이나 버릇에 따라서 귀의 건강상태가 대단히 다릅니다. 귀는 잠깐이라도 대단히 큰 소리에 노출되거나 비교적 큰 소음(90 dB 이상)에 장기간 노출되면 손상됩니다. 귀에 물리적 충격을 받아 손상되는 경우도 있습니다. 청각의 손상은 대개 높은 진동수의 소리를 못듣게 되는 식으로 일어납니다. 그러나 일상적인 대화에 지장이 없으므로 자신의 귀가 괜찮다고 생각하기 쉽습니다. 청각손상이 더 심해지면 일반 대화도 못듣게 되는 난청이 되는 것입니다. 나이는 젊지만 할아버지보다 귀가 나쁜 사람들이 많습니다. 건축 공사장에서 일하는 분들, 기관실에서 일하는 분들, 록큰롤 연주자, 포병부대의 대원,...등등은 대부분 나이가 젊어도 귀가 대단히 손상되었을 것입니다. 항상 이어폰을 꼽고 다니며 큰 음량으로 음악을 즐기는 사람들도 이미 귀가 상당히 손상되었을 것입니다. 록밴드의 연주는 대부분 엄청난 음량을 내는데 그 이유는 록 연주가들이 난청이기 때문이라고 합니다.(록 연주회의 큰소리는 110 dB에 이릅니다.)



청각의 보호

청각이 손상되면 대부분의 경우 치료가 되지 않습니다. 소리를 크게 해주는 보청기만이 유일한 해결책입니다. 그렇지만 보청기를 끼고 듣는 소리는 이미 건강한 귀로 듣는 소리와는 비교할 수 없는 것입니다. 그러므로 애호가 여러분들은 노화에 따른 귀의 성능 저하는 어쩔 수 없다 하더라도 잘못된 습관이나 환경때문에 생기는 손상은 막아야 합니다. 다음에 나열한 몇가지만 주의하고 사신다면 나이가 들어서도 음악 감상을 하는데 큰 지장이 없을 것입니다.



가능하면 소음이 심한 장소를 피하십시요.



소음이 심한 곳에서 일할 때는 항상 귀마개를 하십시요.(그러나 안전에 주의하십시요.)



너무 큰 음량으로 장시간 음악을 듣지 마십시요. 특히 이어폰으로 음악을 들을 때 주의하십시요.



귓병이 났을 때는 지체하지 말고 적절한 치료를 받으십시요.



싸우지 마십시요. 귀에 심한 물리적 타격을 받는 경우에 영구적 청각 손상이 일어날 수 있습니다. 화가 나시더라도 평생 후회하실 일은 안하시는 것이 좋겠지요.



음량과 음색 - 등청감 곡선



똑같은 소리를 듣더라도 음량을 달리해서 들으면 음색의 변화가 느껴집니다. 그러한 현상은 왼쪽의 등청감 곡선(等聽感 曲線, Equal-loundness curves)로 설명할 수 있습니다. 사람의 귀는 3,000-4,000 Hz 대역의 소리에 가장 민감합니다. 이 이야기는 소리의 에너지의 크기가 같아도 이 대역의 소리가 가장 크게 들린다는 뜻입니다. 이 그래프는 1933년 미국의 Fletcher와 Munson의 실험 결과를 나타낸 Fletcher-Munson 곡선이 발표된 이후 거듭된 실험 결과들의 종합이라고 할 수 있습니다. 이 그래프의 맨 아래에 점선으로 된 곡선이 있습니다. 이 곡선은 Threshold of audibility라는 코멘트가 붙어있습니다. 이 곡선의 뜻은 50Hz의 소리는 크기가 45dB 정도 되어야 겨우 들리고 100Hz의 소리는 27dB 정도 되어야 들린다는 것을 보여줍니다. 반면에 5,000Hz의 소리는 2-3dB 정도라도 들립니다. 그러나 20,000Hz의 소리는 엄청나게 크지 않으면 들리지 않는다는 것도 보여줍니다. 20Hz의 낮은 소리도 엄청나게 크지 않으면 들리지 않는다는 것도 알 수 있습니다. 그러므로 사람의 가청 한계를 20-20KHz라고 하는 것은 아주 타당하지만 한편으로 생각하면 범위를 너무 넓게 잡은 것이라고 볼 수도 있습니다.

가까스로 들을 수 있는 소리가 아니라 어느 정도 뚜렷이 들리는 소리가 실선으로 표시된 곡선들에 나타나 있습니다. 여기서 10 phon으로 표시된 곡선은 1,000Hz에서 10dB인 소리와 같은 크기로 들리는 소리들을 표시한 것입니다. 이 곡선은 1,000Hz에서 10dB의 소리는 100Hz의 30dB, 200Hz의 18dB, 2000Hz의 8dB, 5,000Hz의 6dB, 10KHz의 22dB등의 소리와 같은 크기로 들린다는 것을 보여줍니다. 그 위의 곡선들도 같은 방식으로 해석 하면 됩니다. 그런데 여기서 중요한 문제는 소리 크기에 따라서 곡선의 모양이 바뀐다는 것입니다. 이러한 현상은 소리 크기에 따라서 대역별로 크기가 같게 들리는 소리의 상대적 크기가 달라지는 것을 보여줍니다. 다시 말하면 소리의 크기에 따라 청각의 대역별 감도가 다르며 따라서 소리의 크기가 달라지면 음색이 다르게 들린다는 것입니다. 그러므로 우리가 주파수 특성이 완벽하게 평탄한 특성을 가진 오디오 기기와 레코드로 음악을 듣더라도 음량이 원음과 똑같지 않으면 오디오 기기로부터 원음과 같은 음색을 들을 수 없다는 것을 알 수 있습니다. 그리고 똑같은 기계와 똑같은 기기로 듣더라도 음량이 조금 달라지면 음색이 달라진 것과 같은 느낌을 받게되는 것입니다. 그래프에서 보듯이 음량이 낮을 수록 낮은 주파수와 높은 주파수의 소리에 대한 감도가 떨어집니다. 이러한 것을 보정하기 위하여 Loudness 콘트롤이 붙어있는 앰프가 있는데 이 콘트롤의 목적은 음량이 작을 때 저음과 고음의 크기를 올려서 알맞는 대역 밸런스를 만들어 주기위한 것입니다. 그러나 스위치 하나로 그러한 목적을 달성할 수는 없는 것이며 가변 Loudness 콘트롤이 붙은 앰프도 있지만 정확히 사용하기는 쉽지 않은 것입니다.



귀와 소리의 입체감

사람은 소리를 듣고 그 소리가 어느 곳에서 나는지 그 방향과 멀고 가까움을 구별해냅니다. 소리의 입체감이란 사람의 방향 감각과 원근 감각이 함께 동원되어 느끼는 것입니다. 물론 이러한 사람의 감각은 본능적으로 타고난 것도 있고 살아가며 경험해서 얻어진 것도 있을 것입니다. 빗나가는 이야기지만 소리의 방향과 원근을 느끼는 능력은 인간의 생존에 큰 역할을 했을 것입니다. 사람의 목숨을 노리는 맹수와 적이 어디에 있는지, 얼마나 멀리 있는지 느끼는 감각은 사람의 안전에 대단히 중요했을 것입니다. 우리가 오디오로 음악을 들을 때 두개의 스피커로 듣는 것이지만 스테레오 셋업이 이상적이라면 실제 연주 상황이 눈앞에 펼쳐진 것처럼 소리가 두 스피커 사이에서 또는 스피커 바깥쪽에서도 들려오는 느낌을 받습니다. 완벽한 스테레오 셋업이라면 스피커의 위치가 느껴지지 않고 눈앞에 각 악기가 좌우로 펼쳐진 느낌이 들어야 하고 각 악기의 방향과 원근이 느껴져야 할 것입니다.

우선 사람은 어떠한 원리로 소리를 내는 발음체(發音體, sound source)가 어느 방향에 얼마나 멀리있는지 알아내는지 알아보기로 하겠습니다.



사람의 귀는 두개이며 이 두귀가 좌우로 약 20cm 정도 떨어져 있습니다. 그리고 사람의 귀에는 귓바퀴가 달려있습니다. 그림과 같이 소리가 왼쪽 전면에서 들려올 때 발음체와 양쪽 두귀 사이의 거리가 다릅니다. 그러므로 양쪽 귀에 도달하는 소리는 시간차가 생기며 소리의 크기도 약간 다릅니다. 그리고 발음체와 오른쪽 귀 사이에는 얼굴이 장애물이 됩니다. 이 장애물 때문에 오른쪽 귀가 듣는 소리는 왼쪽 귀가 듣는 소리보다 크기가 작습니다. 그리고 진동수가 낮은 소리는 장애물을 쉽게 회절하며 넘어가지만 진동수가 높은 소리는 직진성이 강하므로 장애물을 회절하여 넘어가기 어렵습니다. 그러므로 오른쪽 귀가 듣는 소리는 왼쪽 귀가 듣는 소리보다 고역이 감쇠된 것입니다. 정리해서 말하자면 이러한 상황에서 양쪽 귀가 듣는 소리에는 시간차, 음량차, 음색차이가 있으며 이러한 차이를 사람의 두뇌가 데이타 처리하여 방향을 알아낸다고 할 수 있습니다. 소리의 진동수에 따라 어떤 데이타가 가장 유효한지는 달라집니다. 1000 Hz의 소리까지는 시간차(위상차)가 가장 유효하며, 4000Hz 이상의 영역에서는 음량차가 가장 큰 역할을 합니다. 그러나 한쪽 귀만 동작한다해도 발음체의 위치에 따라 음량과 음색이 변화할 것이기 때문에 한쪽 귀만 있어도 발음체의 위치를 어느 정도 식별할 수 있습니다. 물론 이러한 경우 양쪽 귀가 정상적으로 동작할 때보다는 훨씬 방향감각이 떨어질 것입니다. 그러나 5000Hz 이상의 고음의 경우에는 귓바퀴의 역할 때문에 똑같은 발음체에서 나오는 소리가 앞에 있을 때와 뒤에 있을 때 현저하게 다르게 들리므로 이러한 차이가 전후를 느끼게하는데 도움이 됩니다.

심리 음향학(psychoacoustics)을 연구하는 학자들의 보고에 의하면 양쪽 귀가 좌우로 떨어져있기 때문에 사람은 수평방향에 대한 방향 감각은 뛰어나지만 상하 전후를 식별하는 감각은 비교적 둔하다고 합니다. 왜냐하면 사람의 머리를 고정시켜놓았을 때 상하 전후를 구별하는데 사용할 수 있는 데이타는 음색변화나 음량변화 밖에 없기 때문입니다. 심리 음향학자들이 발견한 사실은 사람들이 소리를 들을 때 무의식적으로 머리의 방향을 조금씩 움직인다는 것입니다. 즉 머리의 자세를 바꾸어 양쪽 귀 사이의 소리 차이를 들어 정확한 데이타를 얻으려고 한다는 것입니다. 머리를 수평 방향으로 돌리면 우리 몸의 전후에서 나는 소리의 시간차(또는 위상차), 음량차, 음색차에 대한 데이타를 얻을 수 있으며 머리를 수직으로 기울이면 상하의 위치를 명확히 구별할 수가 있게 된다는 것입니다. 거리의 멀고 가까움을 느끼는 감각은 발음체와 귀 사이의 거리가 변화하면 음량의 변화, 음색의 변화, 잔향의 변화가 생기기 때문에 이러한 데이타를 처리하여 얻는 감각입니다.



대부분의 Acoustic 악기(앰프의 도움을 받지않는)들은 거의 무지향성입니다. 즉 악기로부터 사방으로 비교적 균일하게 소리가 방사됩니다. 일부 관악기와 타악기의 고음 성분은 비교적 지향성이 강한 것으로 알려져 있습니다. 전기 악기들은 사용하는 스피커에 따라 지향성이 다를 것입니다. 그러므로 악기의 지향성에 따라 다소 차이가 있지만 음악 연주회장에서 청취자가 듣는 소리는 악기에서 직접 귀로 도달하는 직접음(直接音, direct sound) 뿐만 아니라 연주회장의 벽에서 반사되어 귀에 도달하는 반사음(反射音, reflected sound)도 많습니다. 이러한 반사음도 직접음과 비슷한 패턴을 가진 것이고 이러한 반사음들은 청취자의 방향감을 교란 시킬 우려가 있을 것 같지만 사람은 비슷한 패턴의 소리가 순차적으로 들릴 때 최초로 도달한 소리에 대한 방향을 느낍니다. 반사음과 직접음 사이의 시간차, 음색차이등은 원근감과 연주회장의 크기나 구조를 귀로 느끼는데 큰 몫을 합니다. 이러한 시간차, 음색차등은 피아노나 기타, 타악기등과 같이 강한 Attack이 있는 악기들의 attack 패턴을 바꾸기도 하고 이러한 패턴의 변화로 연주회장의 크기나 구조가 느껴질 수도 있습니다. 이처럼 연주회장의 기하학적 구조나 크기는 반사음의 성격에 절대적인 영향을 미치며 연주자도 자신이 내는 소리를 들어가며 연주하는 것이기 때문에 연주회장의 성격에 따라 자연스럽게 연주 스타일이 변합니다. 이러한 점들을 생각해보면 레코딩 스투디오가나 연주회장이거나 녹음을 할 때 직접음과 반사음을 남김없이 기록하고 가정에서 재생할 때 남김없이 재생할 수 있다면 우리가 가정에서도 대단히 현실감있는 소리를 들을 수 있을 것입니다. 레코딩 프로듀서나 기술자들은 이러한 목적을 달성하기 위하여 많은 노력을 하지만 아직도 설비나 기술면에서 불확실한 점들이 많고 음악 애호가의 입장에서 보면 앞쪽에 스피커 두개만 사용하는 2 채널 스테레오의 한계와 가정에서 음악을 들을 때 어쩔 수 없이 실내의 반사음이 추가된다는 문제때문에 현실감있는 소리를 가정용 오디오로 느끼기에는 아직도 부족한 점이 많다고 할 수 있습니다.



<출처 : http://www.enjoyaudio.com/study/sound/earaudio.html >



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과학 칼럼

이수영 KAIST 바이오 및 뇌공학과 교수 2008.02.01



이비인후과 의사가 제일 좋아하는 사람은 MP3 이어폰을 귀에 꽂고 다니는 젊은이다. 미래의 고객이니까. 웃자고 만든 말이지만, 반은 사실이다. 사람의 귀는 매우 넓은 가청영역을 가지고 있어서 귀에 통증을 느끼는 소리의 크기는 가까스로 듣는 최소 소리의 100만 배에 이른다. 소리가 작을수록 더 크게 증폭시켜 주는 기능이 청각에 있기 때문이다. 조용한 데서 시끄러운 데로 옮기면 증폭률이 커서 순간적으로 시끄럽게 느끼지만 곧 증폭률이 작아져 크게 불편을 느끼지 못하게 된다. 이러한 환경 적응 기능은 대부분의 감각기관이 갖는 기본 특성의 하나로, 이 기능이 없다면 많은 곳에서 눈을 감고 귀를 막고 코를 감싸고 다녀야 할지 모른다.



음파가 귀에 도달하면 고막을 진동시키고, 이는 마이크와 음성신호처리기를 통합한 기능을 수행하는 달팽이관으로 전달된다. 사람의 달팽이관은 약 3㎝ 정도 길이의 원뿔을 말아 놓은 모양인데, 원뿔 속에 진동을 신경신호로 바꾸는 섬모세포가 있다. 원뿔의 축을 따라 배열된 약 2500개의 내부섬모세포는 각각 특정한 주파수의 기계적 진동을 전기적 신경신호로 바꾼다.



바깥쪽에 3, 4열로 배열된 약 8000개의 외부섬모세포가 소리의 세기에 따라 증폭률을 조정하는 핵심 기능을 수행한다. 외부섬모세포는 직경이 약 9미크론이고 길이가 수십 미크론인 원통 모양의 세포로서, 전기적 신경신호에 따라 길이가 바뀌어 기계적 진동을 만들어 낸다. 따라서 작은 소리의 세기가 신경신호로 바뀐 후 다시 더 큰 소리 진동으로 증폭될 수 있게 된다. 일반적으로 기계적 소자는 전기적 소자보다 내구성이 약하다고 알려져 있는데, 수 미크론짜리 정밀기계가 일 초에 수천 번의 진동을 하며 80년 이상을 작동해야 한다. 매우 힘든 일이다. 따라서 외부섬모세포는 망가지기 쉽고, 잘 보호돼야 할 필요가 있다. 실지로 노령기 청력 장애의 많은 경우 고주파 영역의 외부섬모세포 증폭 기능의 상실이 원인이다.



이어폰에서 나오는 소리가 옆 사람에게도 들릴 정도로 커지면 증폭할 필요성이 없을 뿐더러 세포에 무리가 가기 시작한다. 사람이 느끼는 소리의 세기는 비선형적이어서 실지로는 10배 크기의 소리가 2배 정도로밖에 느껴지지 않는다. 이런 상태가 오래 지속되면 결국 외부섬모세포는 기능이 약화돼 작은 소리를 증폭하지 못하게 된다. 보청기는 작은 소리를 증폭해 들려주지만 크기와 소비전력의 제약조건으로 인해 아직 인간의 귀와 같이 자연스러운 증폭률 조정을 하지 못한다. 나중에 이비인후과를 찾아가기 싫다면 MP3의 볼륨을 작게 하여 귀를 단련시키는 것이 좋다.



반대로 외부섬모세포의 증폭률이 너무 큰 상태로 머물면 아무 소리가 없어도 주위의 미세한 잡음을 증폭해 귀에서 이상한 소리가 난다고 느끼게 된다. 이러한 이명증의 경우 순간적으로 큰 소리를 들려주면 외부섬모세포의 증폭률이 정상으로 돌아가기도 한다. 일종의 충격요법이다. 각각의 섬모세포들은 특정한 주파수 영역에서만 동작하므로, 증폭률의 조정도 주파수 대역별로 일어난다.



새로운 시대의 전환기에는 다양한 목소리가 들리고, 소리별로 증폭률을 적절히 조정해 많은 소리를 골고루 듣는 것이 중요하다. 음성신호를 변환하는 내부섬모세포보다 증폭률을 조정하는 외부섬모세포의 수가 3배나 된다는 사실은 그 중요성을 대변한다. 또 경우에 따라서는 변화를 위해 충격요법이 필요할 수도 있다. 다만 충격 후에 자연복원력이 동작할 수 있도록 적절한 충격을 짧게 주는 것이 치유 가능성을 높인다.



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