귀 도표 제공 NASA 귀는 섬세하고 섬세한 감각 기관입니다. 더 많은 인간 감각 사진 보기 . |
귀는 특별한 기관입니다. 그들은 주변의 모든 소리를 포착 한 다음 이 정보를 뇌가 이해할 수 있는 형태로 변환합니다. 이 프로세스의 가장 놀라운 점 중 하나는 완전히 기계적 이라는 것입니다 . 후각, 미각, 시각은 모두 화학 반응을 수반하지만 청각 시스템은 오로지 물리적 움직임에 기반합니다.
이 기사에서는 청각을 가능하게 하는 기계 시스템을 살펴보겠습니다. 우리는 귀의 모든 부분이 어떻게 함께 작동하는지 보기 위해 원래 소스에서 뇌까지 소리의 경로를 추적할 것입니다. 그들이 하는 모든 일을 이해하면 귀가 신체에서 가장 놀라운 부분 중 하나라는 것이 분명합니다!
귀가 소리를 듣는 방식을 이해하려면 먼저 소리가 무엇인지 이해해야 합니다.
물체는 물질에서 진동할 때 소리를 생성합니다. 이것은 지구와 같은 고체일 수 있습니다. 물과 같은 액체; 또는 공기와 같은 가스. 대부분의 경우 우리는 대기 중 공기를 통해 이동하는 소리를 듣습니다.
대기에서 무언가가 진동하면 주변의 공기 입자가 움직입니다. 그 공기 입자는 차례로 공기 입자를 주위로 이동시켜 공기를 통해 진동의 펄스를 전달합니다.
이것이 어떻게 작동하는지 보기 위해 간단한 진동 물체인 종을 살펴보겠습니다. 종을 치면 금속이 진동하여 안팎으로 휘어집니다. 한쪽으로 구부러지면 그 쪽의 주변 공기 입자를 밀어냅니다. 그런 다음 이러한 공기 입자는 앞의 입자와 충돌하고, 앞의 입자와 충돌하는 식입니다. 이것을 압축 이라고 합니다.
벨이 휘어지면 주변 공기 입자를 끌어들입니다. 이것은 압력 강하를 생성하여 더 많은 주변 공기 입자를 끌어들이고 또 다른 압력 강하를 생성하여 입자를 더 멀리 끌어당깁니다. 이 압력 감소를 희박 이라고 합니다.
이러한 방식으로 진동하는 물체는 대기를 통해 압력 변동의 파동을 보냅니다. 우리는 음파 주파수 의 변화로 인해 다른 진동하는 물체에서 다른 소리를 듣습니다 . 더 높은 파동 주파수는 단순히 기압 변동이 더 빨리 앞뒤로 전환된다는 것을 의미합니다. 우리는 더 높은으로이 듣고 피치 . 일정 기간 동안 변동이 적으면 피치가 낮아집니다. 각 변동의 기압 수준, 파동의 진폭 은 소리 의 크기 를 결정합니다. 다음 섹션에서는 귀가 어떻게 음파를 포착할 수 있는지 살펴보겠습니다.
- 음파 잡기
- 고막
- 소리 증폭
- 유체 파동
- 유모세포
음파 잡기
우리는 마지막 섹션에서 소리가 기압의 진동으로 공기를 통해 이동하는 것을 보았습니다. 소리를 들으려면 귀가 세 가지 기본 작업을 수행해야 합니다.
- 음파를 귀의 청각 부분으로 유도
- 기압의 변동을 감지
- 이러한 변동을 뇌가 이해할 수 있는 전기 신호로 변환합니다.
귓바퀴 귀의 바깥 부분 "캐치"음파하는 역할을한다. 외이는 앞쪽을 향하고 있으며 많은 곡선을 가지고 있습니다. 이 구조는 소리의 방향을 결정하는 데 도움이 됩니다. 소리가 뒤나 위에서 들리면 앞이나 아래에서 들리는 것과는 다른 방식으로 귓바퀴에서 튕겨 나옵니다. 이 소리 반사는 음파의 패턴을 변경합니다. 뇌는 독특한 패턴을 인식하고 소리가 앞, 뒤, 위 또는 아래에 있는지 결정합니다.
귀 다이어그램 제공 NASA |
두뇌는 두 귀에서 나오는 정보를 비교하여 소리의 수평 위치를 결정합니다. 소리가 왼쪽에 있으면 오른쪽 귀에 도달하는 것보다 조금 더 빨리 왼쪽 귀에 도달합니다. 또한 오른쪽 귀보다 왼쪽 귀에서 약간 더 크게 들립니다.
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신체 감각
신경계는 우리가 매일 몸에서 느끼는 수많은 감각을 결정합니다. 어떻게 작동합니까? 잠을 잘 때 다리가 저리는 이유는 무엇입니까? 재채기를 하려고 할 때를 어떻게 압니까? 디스커버리 채널의 이 활동은 감각 이 신체에서 어떻게
생성 되는지 설명
합니다 .
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귓바퀴가 정면을 향하기 때문에 뒤에서 듣는 소리보다 앞의 소리를 더 잘 들을 수 있습니다. 개와 같은 많은 포유류는 특정 방향의 소리에 집중할 수 있는 크고 움직일 수 있는 귓바퀴를 가지고 있습니다. 인간의 귓바퀴는 소리에 집중하는 데 그렇게 능숙하지 않습니다. 그들은 머리에 상당히 평평하게 누워 있고 상당한 움직임에 필요한 근육이 없습니다. 그러나 손을 귀 뒤로 감싸면 자연적인 귓바퀴를 쉽게 보완할 수 있습니다. 이렇게 하면 음파를 더 잘 포착할 수 있는 더 큰 표면적을 만들 수 있습니다. 다음 섹션에서는 음파가 외이도를 따라 이동하고 고막과 상호 작용할 때 어떤 일이 발생하는지 볼 것입니다.
고막
파도에 여행 소리되면 외이도 , 그들은 진동 고막을 일반적으로 불리는 고막 . 고막은 폭이 약 10밀리미터(0.4인치)인 얇은 원뿔 모양의 피부 조각입니다. 그것은 외이도와 사이에 위치 중이 . 중이는 유스타키오관을 통해 목구멍과 연결되어 있습니다. 대기의 공기는 입뿐만 아니라 외이에서도 유입되기 때문에 고막 양쪽의 기압은 동일하게 유지됩니다. 이 압력 균형을 통해 고막이 앞뒤로 자유롭게 움직일 수 있습니다.
고막은 단단하고 매우 민감합니다. 약간의 기압 변동에도 앞뒤로 움직입니다. 그것은 지속적으로 그것을 안쪽으로 당기는 tensor tympani 근육에 붙어 있습니다. 이것은 전체 멤브레인을 팽팽하게 유지하여 음파에 의해 어느 부분이 부딪혀도 진동할 것입니다.
귀 그림 예의 NIDCD 정상 귀 해부학 |
이 작은 피부 덮개는 마이크의 진동판과 같은 역할을 합니다. 음파의 압축과 희박은 드럼을 앞뒤로 밀어냅니다. 더 높은 음의 음파는 드럼을 더 빠르게 움직이고 더 큰 소리는 드럼을 더 멀리 움직입니다.
고막은 또한 크고 낮은 음높이의 소음에 장기간 노출되는 것으로부터 내이를 보호하는 역할을 할 수 있습니다. 뇌가 이러한 종류의 소음을 나타내는 신호를 수신하면 고막에서 반사가 발생합니다. 고실 장근과 등골근이 갑자기 수축합니다. 이것은 고막과 연결된 뼈를 두 가지 다른 방향으로 당겨서 드럼이 더 단단해집니다. 이런 일이 발생하면 귀는 가청 스펙트럼의 낮은 끝에서 많은 소음을 포착하지 않으므로 큰 소음이 감쇠됩니다.
귀를 보호하는 것 외에도 이 반사는 청력을 집중시키는 데 도움이 됩니다. 크고 낮은 음의 배경 소음을 가려서 높은 음의 소리에 집중할 수 있습니다. 무엇보다도 이것은 록 콘서트와 같이 매우 시끄러운 환경에 있을 때 대화를 계속하는 데 도움이 됩니다. 말을 시작할 때마다 반사 작용이 시작됩니다. 그렇지 않으면 자신의 목소리가 주변의 다른 많은 소리를 압도할 것입니다.
고막은 귀의 전체 감각 요소입니다. 다음 섹션에서 살펴보겠지만, 귀의 나머지 부분은 고막에서 수집된 정보를 전달하는 역할만 합니다.
소리 증폭
우리는 마지막 섹션에서 음파의 압축과 희박이 고막을 앞뒤로 움직이는 것을 보았습니다. 대부분의 경우 이러한 기압 변화는 극히 미미합니다. 그들은 고막에 많은 힘을 가하지 않지만, 고막은 매우 민감하여 이 최소한의 힘으로 상당한 거리를 이동합니다.
다음 섹션에서 살펴보겠지만, 내이 의 달팽이관 은 공기가 아닌 액체를 통해 소리를 전달합니다. 이 유체는 공기보다 훨씬 더 높은 관성을 가지고 있습니다. 고막에서 느껴지는 작은 힘은 이 액체를 움직일 만큼 충분히 강하지 않습니다. 소리가 내이로 전달되기 전에 전체 압력 (단위 면적당 힘)이 증폭되어야 합니다.
이것은 중이 에 있는 작은 뼈 그룹인 이소골 의 역할입니다 . 소골은 실제로 신체에서 가장 작은 뼈입니다. 여기에는 다음이 포함됩니다.
- 추골 , 일반적으로 불리는 망치
- 침골 , 일반적으로 호출 모루
- 등골은 , 일반적으로 호출 등자
음파는 고막을 진동시켜 추골, 침골 및 등골을 움직입니다. |
추골은 내측에서 고막의 중심에 연결됩니다. 고막이 진동하면 지렛대처럼 추골이 좌우로 움직입니다. 추골의 다른 쪽 끝은 등골에 부착된 침골과 연결되어 있습니다. 등골의 다른 쪽 끝( 면판) 은 타원형 창을 통해 달팽이관에 닿아 있습니다 .
공기압 압박이 고막을 밀어 넣으면 이소골이 움직여 등골의 면판이 와우를 밀어 넣습니다. 기압 희박이 고막에서 당겨지면 이소골이 움직여 등골의 면판이 유체를 잡아당깁니다. 본질적으로 등자는 피스톤 역할을 하여 내이액에 파동을 만들어 음파의 기압 변동을 나타냅니다.
이소골은 두 가지 방식으로 고막의 힘을 증폭합니다. 주요 증폭은 고막과 등자 사이의 크기 차이에서 비롯됩니다. 고막의 표면적은 약 55제곱밀리미터인 반면 등골의 면판은 약 3.2제곱밀리미터의 표면적을 가지고 있습니다. 음파는 고막의 모든 평방 인치에 힘을 가하고 고막은 이 모든 에너지를 등골로 전달합니다. 이 에너지를 더 작은 표면적에 집중시키면 압력(부피 단위당 힘)이 훨씬 더 커집니다. 이 유압 곱셈 에 대해 자세히 알아보려면 유압 기계 작동 방식을 확인하십시오 .
소골의 구성은 추가 증폭을 제공합니다. 추골은 침골보다 길며 고막과 등골 사이에 기본 지렛대 를 형성합니다 . malleus는 더 먼 거리를 이동하고 incus는 더 큰 힘으로 움직입니다(에너지 = 힘 x 거리).
이 증폭 시스템은 매우 효과적입니다. 달팽이관액에 가해지는 압력은 고막에서 느껴지는 압력의 약 22배입니다. 이 압력 증폭은 소리 정보를 내이로 전달하기에 충분하며, 여기에서 뇌가 이해할 수 있는 신경 자극으로 변환됩니다.
유체 파동
달팽이관은 귀에서 단연코 가장 복잡한 부분입니다. 그 역할은 음파로 인한 물리적 진동을 뇌가 독특한 소리로 인식할 수 있는 전기적 정보로 변환하는 것입니다.
달팽이관 구조는 민감한 막에 의해 서로 분리된 3개의 인접한 튜브로 구성됩니다. 실제로 이 튜브는 달팽이 껍데기 모양으로 감겨 있지만 펼쳐져 있다고 상상하면 무슨 일이 일어나는지 더 쉽게 이해할 수 있습니다. 또한 두 개의 관, 전정계열 과 중계계 를 하나의 방으로 취급하면 더 명확해집니다 . 이 튜브 사이의 막은 너무 얇아서 음파가 튜브가 전혀 분리되지 않은 것처럼 이동합니다.
등골의 피스톤 작용은 달팽이관의 유체를 움직입니다. 이로 인해 진동파가 기저막 아래로 이동합니다. |
등골은 앞뒤로 움직여 달팽이관 전체에 압력파를 생성합니다. 중이에서 달팽이관을 분리하는 둥근 창 막은 액체가 어디로 갈 수 있도록 합니다. 등골이 안으로 밀릴 때 밖으로 움직이고, 등골이 당겨질 때 안으로 움직인다.
중간막인 기저막 은 달팽이관의 길이를 가로질러 확장되는 단단한 표면입니다. 등골이 안팎으로 움직일 때 타원형 창 바로 아래의 기저막 부분을 밀고 당깁니다. 이 힘은 멤브레인의 표면을 따라 이동하는 파동을 시작합니다. 파도는 연못의 표면을 따라 잔물결 같은 것을 이동하여 타원형 창에서 달팽이관의 다른 쪽 끝으로 이동합니다.
기저막은 독특한 구조를 가지고 있습니다. 달팽이관의 너비를 가로질러 확장되는 20,000~30,000개의 갈대 모양의 섬유로 이루어져 있습니다. 타원형 창 근처의 섬유는 짧고 뻣뻣합니다. 튜브의 다른 쪽 끝으로 이동함에 따라 섬유가 더 길고 유연해집니다.
이것은 섬유에 다른 공진 주파수를 제공합니다 . 특정 파동 주파수는 특정 지점에서 섬유와 완벽하게 공명하여 빠르게 진동합니다. 이것은 소리굽쇠와 카주를 작동시키는 동일한 원리입니다. 특정 음높이가 소리굽쇠 울림을 시작하고 특정 방식으로 윙윙거리는 소리가 카주 갈대를 진동하게 합니다.
파동이 막의 대부분을 따라 움직이기 때문에 많은 에너지를 방출할 수 없습니다. 막이 너무 팽팽합니다. 그러나 파동이 동일한 공진 주파수의 섬유에 도달하면 파동의 에너지가 갑자기 방출됩니다. 섬유의 길이가 증가하고 강성이 감소하기 때문에 고주파수 파동은 타원형 창에 더 가까운 섬유를 진동시키고 저주파파는 멤브레인의 다른 쪽 끝에서 섬유를 진동시킵니다. 다음 섹션에서는 작은 머리카락이 소리를 듣는 데 어떻게 도움이 되는지 살펴보겠습니다.
유모세포
마지막 섹션에서 우리는 고음이 난원창 근처에서 기저막을 가장 강하게 진동시키고, 더 낮은 음이 달팽이관 아래로 더 먼 지점에서 기저막을 가장 강하게 진동시키는 것을 보았습니다. 그러나 뇌는 이러한 진동이 발생하는 위치를 어떻게 알 수 있습니까?
이것은 코르티의 역할을 하는 기관입니다. 코르티 기관은 작은 수천 포함하는 구조입니다 유모 세포를 . 그것은 기저막의 표면에 있으며 달팽이관의 길이를 가로질러 확장됩니다.
파동이 공진 주파수로 섬유에 도달할 때까지 기저막을 많이 움직이지 않습니다. 그러나 파동이 마침내 공명점에 도달하면 막은 갑자기 그 영역에서 폭발적인 에너지를 방출합니다. 이 에너지는 그 지점에서 피질 유모 세포의 기관을 움직일 만큼 강력합니다.
이 유모 세포가 움직이면 달팽이관 신경을 통해 전기 자극을 보냅니다 . 달팽이관 신경은 이러한 충동을 뇌가 해석하는 대뇌 피질로 보냅니다. 뇌는 전기 충격을 보내는 세포의 위치에 따라 소리의 높낮이를 결정합니다. 더 큰 소리는 막을 따라 공명 지점에서 더 많은 에너지를 방출하므로 해당 영역에서 더 많은 수의 유모 세포를 움직입니다. 뇌는 한 영역에서 더 많은 유모 세포가 활성화되기 때문에 소리가 더 크다는 것을 알고 있습니다.
달팽이관은 전기 충격의 복잡한 패턴인 원시 데이터만 보냅니다. 두뇌는 중앙 컴퓨터와 같으며 이 입력을 받아 모든 것을 이해합니다. 이것은 매우 복잡한 작업이며 과학자들은 이에 대한 모든 것을 이해하려면 아직 멀었습니다.
사실, 일반적으로 듣는 것은 여전히 우리에게 매우 신비합니다. 인간과 동물의 귀에서 작동하는 기본 개념은 상당히 간단하지만 특정 구조는 매우 복잡합니다. 그러나 과학자들은 급속한 발전을 이루고 있으며 매년 새로운 청력 요소를 발견합니다. 청각 과정에 얼마나 많은 것들이 관련되어 있는지 놀랍고, 이 모든 과정이 신체의 작은 영역에서 일어난다는 것은 더욱 놀랍습니다.
청력 및 관련 주제에 대한 추가 정보는 다음 페이지의 링크를 확인하십시오.
최초 발행일: 2001년 3월 30일
