청각

시각은 망막에 들어오는 광파의 공간적 패턴에 기초하고 있다. 대조적으로 청감각은 음파, 즉 시간에 걸쳐서 펼쳐지는 공기 압력의 변화에 전적으로 관련된 것이다. 많은 것들이 음파를 낳는다. 숲의 바닥에 부딪히는 나무의 충돌, 손뼉 치는 두 손의 충격, 감동적인 연설을 하는 동안 성대의 진동, 록 콘서트 중 베이스 기타 줄의 공명 등. 색깔을 듣는 공감각자를 제외하면 대부분의 사람의 청각 경험을 이해하기 위해서는 우리가 공기 압력의 변화를 지각된 소리로 어떻게 변환시키는가에 대한 이해가 필요하다. 

 

 

소리의 감지

 

기타 줄을 튕기거나 소리굽쇠를 치는 것은 순수음을 만들어 내는데, 이것은 먼저 공기 압력을 증가시켰다가 그다음 상대적인 진공을 낳는 단순한 음파를 가리킨다. 이 주기는 음파가 음원에서 모든 방향에서 바깥으로 전파되는 동안 1초에 수백 번 혹은 수천번 반복된다. 시지각의 세 차원에 상응하는 광파의 세 차원이 있듯이, 음파의 세 물리적 차원들이 있다. 주파수, 진폭 및 복합성이 우리가 음높이, 음량 및 음질로 듣는 것을 결정한다. 

 

음파의 주파수, 혹은 그 파장은 공기 압력의 정점이 얼마나 자주 귀나 마이크를 통과하는가에 달려 있는데, 초당 주기의 수 혹은 헤르츠로 측정된다. 음파의 물리적 주파수의 변화는 음높이, 즉 소리가 얼마나 높은지 혹은 낮은지의 변화로 인간에게 지각된다. 

 

음파의 진폭은, 인간 청력의 역과 비교할 때의 음파의 높이를 가리킨다. 진폭은 음량, 즉 음의 강도에 상응한다. 진폭과 강도의 개념을 설명해 보면, 부드러운 바람에 바스락거리는 잎은 약 20dB이며, 정상적인 대화는 약 40dB로 측정되며, 고함은 70dB을, 그룹 슬레이어의 콘서트는 약 130dB을, 1마일 떨어져서 이륙하는 우주왕복선의 소리는 약 160dB 혹은 그 이상의 소리를 낳는다. 그것은 청각 시스템에 영구적인 손상을 충분히 입힐 정도로 크며, 통증 약보다 월등히 높다. 사실 85dB 이상의 어떤 소리도 노출되는 시간과 유형에 따라 청력 손상을 일으킬 만하다. 

 

음파의 복합성, 즉 주파수의 혼합에서의 차이는 음색에 상응하는데, 이것은 소리의 질 혹은 공명에 대한 청자의 경험을 가리킨다. 음색은 소리의 본질에 관한 정보를 준다. 같은 음량으로 연주된 같은 음표도 그것이 플루트로 연주되었는지 혹은 트럼펫으로 연주되었는지에 따라 지각적으로 다른 경험을 낳는데, 이는 전적으로 음색에 기인하는 현상이다. 많은 자연적인 소리도 역시 파장의 복합성을 보여 주는데, 예를 들면 윙윙거리는 벌떼 소리, 말의 음조, 혹은 개울물이 졸졸 흐르는 소리 등이 그렇다. 소리굽쇠가 윙윙거리는 소리의 순도와는 달리 매미가 윙윙거리는 소리는 중첩되는 주파수들이 내는 함성이다. 

 

음파의 세 차원 중에서 주파수는 소리를 식별하는 데 필요한 정보를 가장 많이 제공한다. 진폭과 복합성은 청각에 결을 제공하나, 그 의미를 전달하는 것은 바로 주파수이다. 음파의 주파수는 서로 섞여서 수없이 많은 소리를 만들어 내는데, 마치 여러 파장의 빛이 섞여서 우리가 보는 풍부한 색의 세계를 만들어 내는 것과 같다. 

더욱이 공간 지각이 시각에 중요한 만큼이나 음파의 주파수는 청각에 중요하다. 시간에 걸쳐서 일어나는 주파수의 변화는 생존에 결정적으로 중요한 소리의 위치를 파악할 수 있게 해 주며, 말을 이해하고 음악을 감상할 수 있게 해 주는데, 이들은 우리의 문화적인 생존에 매우 가치가 높은 기술이다. 

 

 

인간의 귀

 

청각 시스템은 음파를 신경 신호로 어떻게 전환하는가? 그 과정은 시각 시스템과 매우 다른데, 빛이 일종의 전자기적 방사인 반면에 소리는 시간에 걸친 공기 압력의 물리적 변화라는 점을 고려할 때 이것은 그다지 놀라운 일이 아니다. 여러 형식의 에너지는 여러 가지 변환 과정이 있음을 시사한다. 인간의 귀는 세 개의 분명한 부분들로 나뉘는데, 외이는 음파를 모아 중이로 집중시키고, 중이는 소리 진동을 내이로 전달한다. 내이는 두개골 안에 들어가 있는데, 소리 진동들이 신경 충동으로 변환되는 곳이다. 

 

외이는 머리 바깥에서 볼 수 있는 부분, 귓구멍, 귀청으로 구성되는데, 귀청은 공기가 통하지 않는 피부 판막으로서 귓바퀴가 모아서 귓구멍으로 보낸 음파들에 반응하여 진동한다. 중이는 귀청 뒤에 공기가 채워진 작은 방인데, 이소골이라 불리는 몸에서 가장 작은 세 개의 뼈를 포함한다. 그 모양에 따라 추골, 침골, 등골이라 불리는 이소골은 서로 지렛대 모양으로 잘 꿰맞춰져 귀청에서 내이로 가는 진동을 기계적으로 전달하고 강화한다. 

 

내이는 나선 모양의 달팽이관을 포함하는데, 이는 액체가 채워진 관으로서 청각 변환의 기관이다. 달팽이관은 길이 방향을 따라 기저막에 의해 구분된다. 기저막은 내이에 있는 한 구조물로 이소골에서 온 진동이 달팽이관 액에 닿을 때 출렁거린다. 그것의 파도 같은 운동은 수천 개의 작은 융모 세포, 즉 기저막에 들어가 있는 전문화된 청각 수용기 세포들을 자극한다. 그다음 융모 세포들은 신경전달 분자들을 방출하여 청신경에서 신경 신호를 유발하고 이것은 뇌로 전달된다.