심리음향학3(Psychoacoustics)-청각의 특성

 

 청각의 경우 몇가지 특성이 있다. 소위 양이효과, 마스킹효과, 칵테일파티효과 등이 그것이다. 물론 양이효과를 제외하고는 대단한 물리적인 의미를 갖는 것은 아니고 그저 사람이라면 누구나 귀를 갖고 있으니 살면서 겪어 보았을 일이지만, 주의를 기울이지 않아 간과하던 청각 효과일 뿐이다. 아무튼 청각은 시각에 비하여 정밀성도 떨어지는 것 같고, 두루뭉실한거 같고, 단색인 듯 단색아닌 단색같은 감각이다. 그래서 어떤 설명을 들어야 그제서야 아하하고 느낌을 갖는다. 

 

  소리의 고저 즉, 높낮이의 변화에 대한 청각의 감지능력도 청각의 특징의 하나라고 볼 수 있다. 보통의 사람은 500Hz 이하의 소리에서는 1Hz의 변화도 구별이 가능하지만 주파수가 높아져서 2000Hz 이상의 음에서는 5Hz 정도는 변화해야 그 변화를 감지할 수 있다. 이 보다 더 좁은 범위의 변화를 감지하는 사람은 절대음감이 있다고도 말하며 황금귀라고도 불려진다.

 

 

1) 양이효과(Binaural effects)

 

  동물이나 사람이나 보통 2개의 귀를 갖고 있기 때문에 나타나는 효과가 양이효과이다. 즉, 귀가 좌우 2개가 있기 때문에 두 귀에 전달되는 소리의 시간차이, 음압의 차이, 위상의 차이 등으로 음원 위치의 방향과 거리를 가늠할 수 있다는 것이다. 음원의 위치에 대한 분해능은 약 3도 정도이다. 다시 말해 정면 12시 방향을 기준으로 음원이 좌 우로 각도 3도만 비껴 있어도 음원이 12시 방향에 대하여 좌측인지, 우측인지를 알아차릴 수가 있다는 의미이다.

 

    [그림 1] 양이효과의 시간차와 음압차를 나타낸 원리도(from http://iosr.surrey.ac.uk/blog/2013-10-14.php)

 

[그림 1]에서 (a)는  좌우 귀에 도달하는 소리의 전달거리 차이(d)로 인한 시간차 (ITD=d/음속)을 나타낸 경우이고, (b)는 머리 때문에 생기는 음향적인 그림자로 인한 두 귀 사이의 음압차(ILD)가 발생하는 상황을 설명하고 있다. 이처럼 시간차와 음압차이로 인한 음원의 위치 감지가 가능함을 주장하던 차에 음향학의 아버지인 Rayleigh는 위상(phase)차도 소위 머리전달함수(HRTF)에 영향을 준다는 사실을 평생에 걸친 연구에서 결론을 내리고 있다.  

 양이 효과를 [그림 1]의 (a)에서와 같이 두 귀 사이의 거리 d로 설명하지 않고 시간차로 해석하는 이유는 물속에서 소리를 듣는 경우를 보면 이해할 수 있다. 물속에서 돌을 부딪히면 어느 방향에서 소리가 났는지를 파악하기가 쉽지 않다. 그 이유는 물속에서의 음속이 공기중에서의 음속의 4배 정도가 되기 때문이다. 다시 말해서 [그림 1]의 (a) 상황이 물속이라면 거리 d는 공기중에서와 같이 변함 없으나 음원의 방향을 알 수는 없다. ITD(공기) 보다 ITD(물)이 작기 때문이다. 따라서 양 쪽 귀에 나팔같은 도구를 대서 나팔 끝간의 거리가 두 귀 사이 거리의 4배로 키우면 ITD가 공기중의 시간차와 같아지기 때문에 음원의 방향을 알 수가 있게 된다.

 

또, 음량의 크기가 같은 두 개 이상의 음원이 놓여 있는 경우나 여러 벽면에서 같은 크기의 반사가 일어나는 경우, 가장 빠른 시간에 귀에 도달하는 소리를 내는 음원이나 반사벽 쪽으로 음상이 치우치는 현상을 하스효과(Haas effect)라고 하는데 이 또한 양이효과에 의한 현상으로 설명 가능하다. 

2) 칵테일 파티 효과(Cocktail party effect) 

 칵테일파티효과 즉, 잔치집효과는 항공관제사가 여러 항공조종사의 대화음을 한 개의 확성기를 통하여 들으며 업무 처리를 하던 시절에 소리의 지각에 대한 연구를 수행하면서 알게된 음향심리학적인 효과이다. 연구를 통하여 여러 사람이 파티에서 시끄럽게 동시에 말을 할지라도 듣는 사람은 자기가 집중하는 한 사람의 말에 반응한다는 사실이 뇌사진을 통해 알게 되었다. 이런 결과로 잔치집효과를 선택적 지각(selective perception) 또는 선택적 주의(selective attention)라고 한다. 

 

 실제로 여러사람이 시끄럽게 대화하는 파티장에서 모노나 스테레오로 녹음을 한 후에 재생해 보면 어떤 소리도 구별하지 못한다. 그러나 현장에서는 시끄러울지라도 상대방과 대화가 가능하다. 어떤 원리로 대화가 가능한지는 밝혀지지 않은 상태이지만 대략 두뇌 움직임에 따른 양이효과에 의한 집중이 아닌가 추정할 뿐이다. 

3) 마스킹 효과(Masking effect) 

  

 마스킹효과는 말 그대로 큰소리에 작은 소리가 뭍혀서 들리지 않는 현상을 말한다. 이때 큰 소리를 마스커(masker)로 부르기도 한다.

                       

                                      [그림 2] 마스킹 효과(from www9.dw-world.de)

 

 [그림 2]에 500Hz, 60dB 소리가 주어지면 보통의 청각 문턱값이 실선과 같이 문턱값이 변하게 되고 실선 그래프 아래의 소리는 500Hz, 60dB의 소리에 마스킹되어 들리지 않게 된다. 예를 들어 500Hz, 60dB의 소리가 있는 곳에 900Hz, 20dB의 소리가 나면 [그림 2]에서 보는 바와같이 마스킹되어 들리지 않는다. 

 

 마스킹효과는 복합음의 음색을 왜곡 시키는 효과가 있다. 악기음과 같은 복합음은 배음구조에 따라서 음색이 결정되며, 이미 {청각의 원리}에서 살펴 본 바와같이 인간의 청각은 복합음의 성분을 분해한 스펙트럼으로 듣는다.  이 때 모든 배음은 기본음보다 음량이 작다. 다음 [그림 3]에 400Hz 음의 마스킹 커브를 주었다. 만일 어느 복합음의 주파수 성분이 400Hz, 800Hz, 1600Hz, 2400Hz이고, 각 성분음의 음압레벨이 80dB,, 60dB, 50dB, 50dB라면 [그림 3]에서 

                     [그림 3] 400Hz 마스킹 음의 마스킹 그래프(from 강성훈저 음향튜닝과 측정)

보는 바와같이 80dB를 기준으로 800Hz, 60dB 성분과 1600Hz, 50dB 성분음은 기본음 400Hz에 의해 마스킹되어 들리지 않고 2400Hz, 50dB 성분음과 기본음의 합성음으로만 듣게 된다. 이런 이유로 음악을 재생할 경우에는 적절한 음량의 셋팅도 매우 중요하다 할 수 있다. 물론 청각의 라우드니스 특성 때문에라도 적절한 음량의 선정은 중요하다. 적절한 음악의 재생 음량은 90 내지 100dB로 알려져 있다.

 

4) 하스효과와 선행음 효과(Haas effect & Precedence Effect) 

 

 하스효과와 선행음효과는 반사면이 있는 공간음향에서 나타나는 심리음향학적인 효과이다. 한 밀폐된 공간에 음원과 청자가 같이 있을 때 [그림 4]에서와 같이 직접전달하는 소리가 가장 일찍 들리게 되고 다음으로 첫번째 반사음이 들리게 되고 다음으로 경로가 더 긴 반사음이 들리고 또 그 다음, 그 다음 두 세번 이상의 반사를 반복한 반사음이 들리게 될 것이다.  이때 직접음이 들린 후에 30ms 이내(10m 경로차에 해당)에 들어오는 소리는 직접음과 같은 하나의 소리로 듣게 된다. 이를 하스효과라 한다.   그러므로 청각에서의 30ms는 시각에서의 잔상시간(1/16s = 60ms)과 유사한 청각잔상시간으로 볼 수 있다. 

 

                                                     [그림 4] 밀폐공간의 소리 전파

 

또, 동일 음원에서 나온 소리가 반사되어 서로 다른 방향에서 청자의 귀로 들어올 때 나중에 들어오는 소리가 더 클지라도 먼저 들어온 소리의 방향에서 들리는 것으로 인지하게 된다. 이를 선행음 효과라고 한다. 보통은 직접음이 가장 빨리 청자에게 도착하기 때문에 밀폐된 공간에서도 우리는 음원의 위치를 인지할 수 있는 것이다. 

 

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