[3학년][1학기][인간공학개론][4w]

4장 청각, 촉각, 후각 표시장치

• 아이의 자연스러운 울음은 직접 정보, 초인종 소리는 간접 정보

듣기

• 귀에서 감지하는 물리적 자극 즉 소리의 진동을 설명하고 귀의 해부학적 구조 검토

소리의 성질과 측정

• 소리는 음원에서 진동에 의해 발생
• 공기를 통해 귀로 전달되는 진동
• 소리의 두 가지 기본 속성은 주파수(진동 수)와 세기(진폭)

음파의 주파수

• 간단한 음원의 진동은 사인파를 만듦
• 1초당 Cycle 수를 소리의 주파수라 하며, hertz라고 발음
• 음계에서 ‘도’의 주파수는 256Hz
• 소리의 주파수는 인간이 감지하는 음높이(pitch)와 관계
• 음높이는 특정 소리의 높낮이를 나타냄
• 주파수가 크면 고음, 낮으면 저음
• 음높이 지각에는 주파수 외에 다른 인자도 영향을 미친
• → 귀가 가지고 있는 능력 중 하나가 음높이, 소리의 물리적 특징 중 하나가 주파수
• 사람의 귀는 20~20000Hz의 가청주파수를 감지 가능, 각 주파수마다 감도 다름
  • 1000Hz 이상은 고음
  • 2000~4000Hz는 귀가 잘 들리지 않는 난청현상이 속하는 영역
  • 100~10000Hz는 사람 목소리

소리 세기, 진폭, 강도

• 소리 세기는 인간이 감지하는 음크기와 관계
• 소리 세기는 단위 면적 당 음향파워로 정의
• 벨(bel, B)를 기본 측정단위로 사용하나, 일반적으로는 데시벨(decibel, dB) 사용
• 음향파워는 음압의 제곱에 비례
• 음압수준(SPL)을 다음과 같이 정의
  • P1은 측정하고자 하는 음압
  • P0는 0dB을 나타내는 기준 음압

• 0dB을 나타내기 위한 가장 일반적인 기준 음압 20uN/m^2
• 이 음압은 건강한 성인이 겨우 들을 수 있는 1000Hz 순음에 해당하는 최저 세기
• 음압은 소음계로 측정, 소음계는 3종의 보정회로가 내장
• 소리 세기를 보고할 때는 그 측정에 사용한 보정회로를 밝혀야함
  • A 가중 음압이 45dB라면 음압(A) = 45dB, SLA = 45dB, 45dbA 등으로 나타냄

전기차

• EU는 전기차와 하이브리드차는 20km/h 이하에서 56dB 이상 배기음을 내도록 함
• 닛산은 30km/h 미만에서 소음으로 인식되지 않는 주파수(600~2500Hz)를 발생시키는 기능 장착
• 우리나라의 경우 20km/h보다 낮은 속도로 주행할 때 최대 75dB 미만의 경고음을 들려줘야 함

복합음

• 복합음은 두 가지 방법으로 묘사 가능
• 하나는 개별 성분의 소리 파형을 합성한 파형으로 나타내는 것
• 또 하나는 소음스펙트럼을 사용, 소리를 주파수대역으로 나누고 각 대역의 소리 세기를 측정

귀의 해부

• 귀는 해부학적으로 세 부분(외이, 중이, 내이)로 나뉨
• 외이
  • 외이는 소리에너지를 수집
  • 귓바퀴 - 바깥귀길(외이도) - 고막으로 구성
• 중이
  • 이소골이라 불리는 세 가지 작은 뼈, 즉 추골, 침골, 등골로 구성
  • 등골은 난원창에 피스톤과 같은 작용을 하여 난원창막 안쪽에 있는 내이액에 음압변화를 전달
  • 22배 정도 증폭
  • 고막장근은 추골에 붙어있고 등골근은 등골에 붙어있는데, 이러한 근육은 큰 소음에 수축하고 소리의 전달을 막아 내이를 보호 → 청각반사
• 내이
  • 내이의 달팽이관은 액으로 차 있는 나선형
  • 중이의 등골이 음압의 변화에 반응하여 전후로 움직이며 이 액에 작용
  • 이 액의 움직임은 얇은 기저막을 진동시키고 이 진동이 코르티기관으로 전달
  • 코르티기관은 달팽이관 내부의 청각수용기로, 이것의 기저막이 위아래로 움직이며 유모세포를 구부러뜨려 수용기전위를 발생
  • 코르티기관에는 유모세포와 신경말단이 있어 음압의 사소한 변화에도 민감하게 반응
  • 이러한 신경말단에서 받아들인 신경충동은 청신경을 거쳐 뇌에 전달
  • 달팽이관 → 코르티기관 → 기저막 → 유모세포 → 청신경

차폐

• 차폐는 소리 환경에서 한 성분이 다른 성분에 대한 귀의 감도를 감소시키는 현상
• 기능적 정의의 차폐는 한 음(masked sound)의 가청도(가청문턱값)가 다른 음(masking sound, noise)의 존재 때문에 증가
• 청각 표시장치에서 중요, 어떤 환경에서 사용할 특정 청각신호를 선택할 때는 그 신호를 수용하기 위하여 다른 소음의 차폐표과를 고려해야 함
• 피차폐음이 독자적으로 존재할 때의 절대식역(절대문턱값)을 측정하고 이어서 차폐음이 있을 때의 문턱값을 측정하는데 이 차이가 차폐효과에 의한 것이 됨
• → 소음이 있을 때 들리는 신호와 소음이 있을 때 들리는 신호의 차이
• 차폐효과가 가장 큰 것은 차폐음(소음)과 주파수가 비슷할 때
• 한편 차폐음(소음)의 세기가 클 수록 차폐효과가 클 것으로 예상 → 청각표시장치에서는 차폐효과를 줄이는 것이 목적
• ex) 드라이어 소음 때문에 전화 벨소리를 듣지 못하는 경우

청각적 표시장치

1. 검출기: 경고신호와 같은 신호의 존재 유무 판단
2. 절대적 식별: 단독으로 존재하는 특정 신호의 확인
3. 상대적 구별(분간): 같이 존재하는 두 가지 이상의 신호분간 판별
4. 위치 판별: 신호가 오는 방향 판별

• 절대적 식별과 상대적 구별은 여러 자극 차원에 기초하여 구분
  • 세기, 주파수, 지속시간, 방향, 반복률, 점등시간 간격

신호 검출

• 신호+소음과 소음을 구분해야함
• 신호 검출 증가방법: 소음에서 신호 검출을 증가시키는 방법
  • 신호의 주파수 영역대에 해당하는 소음의 세기를 줄임
  • 신호의 세기를 증가시킴, 조용한 환경에서는 절대식역보다 40~50d의 큰 신호면 검출하기 충분(절대식여기 하나의 소리를 들려줬을 때 겨우 들리는 수준, 최소가청수준)
  • 소음 세기가 낮은 영역의 주파수로 신호의 주파수를 바꿈 → 신호 주파수와 소음 주파수를 달리 사용
  • 신호를 최소한 0.5 ~ 1초동안 지속, 청각신호는 최소 0.5초는 들려야 하며 이보다 짧을 경우 줄어든 가청도 보상 가능하도록 세기를 늘여야 함
  • 신호를 위상 변위시킴, 소음은 양쪽에 신호는 한쪽 귀에, 복합음은 차폐가 어려우므로 1000~4000Hz 범위에서 4개 이상의 주요 주파수 성분으로 구성된 신호 사용

청각신호의 절대적 식별

• 통용되는 청각자원 중에서 식별할 수 있는 수준의 수

 

차원	수준의 수
세기	4~5
주파수	4~7
지속시간	2~3
세기와 주파수	9

다차원 코드

• 몇 가지 차원의 조합을 이용
  • 방향, 주파수, 세기, 반복률, 점등시간 간격
  • 다차원 코드를 이용할 때는, 차원의 수는 많고 각 차원의 수준 수가 적을때가 일반적으로 좋음

청각신호의 상대적 구별

• 가장 통용되는 구별성의 척도는 차이역임(JND, just-notiveable different)
• JND는 사람이 50%의 횟수를 검출할 수 있는 자극차원의 최소한의 변화 또는 차이
• JND가 작다는 것은 피검자가 작은 변화를 검출할 수 있으며 JND가 크다는 것은 큰 변화가 있어야만 사람이 변화를 검출할 수 있음
• 세기 차이의 구별
  • 세기가 큰 신호에서 가장 작은 차이 식별 가능
  • 60dB 이상인 신호의 JND는 중간 주파수 1000~4000Hz 일 때 최소
  • → 신호 검출 증가방법의 복합음 1000~4000Hz과 동일
  • 유럽은 전기차, 하이브리드 차 56dB 이상 내야함, 우리나라는 최대 75dB
• 주파수 차이의 구별
  • 주파수가 약 1000Hz 이하일 때는 JND가 작지만, 그 이상이면 커짐
  • 주파수에 기초하여 신호를 식별하려면 저주파 신호를 사용하는 것이 바람직
  • 주변 소음은 주로 저주파이므로 저주파 신호를 차폐할 것이므로 절충안으로 500~1000Hz의 신호를 사용하면 좋음
  • → 닛산은 600~2500Hz 소음 사용
  • 세기가 낮은 신호보다는 높은 신호에서 JND가 작으므로 주파수 식별이 필요할 때는 신호가 절대식역보다 최소한 30dB 이상이어야 함
  • → 신호 검출 증가방법에서 논의한 조용한 환경에서는 절대식역보다 40~50dB 큰 신호면 검출하기 충분
  • 주파수 차이의 식별에서는 지속시간도 중요, 지속시간이 0.1초 이상일 때 식별이 좋아짐

소리 위치 판별

• 입체음향능: 소리가 들리는 방향을 판별하는 능력
• 사람이 음원의 방향을 판별하는데 이용하는 단서는 음세기와 위상차이
• 음원이 머리 한 쪽에 가까우면 가까운 귀에 도달하는 시간이 먼 귀에 도달하는 시간보다 0.8ms 정도 빠름
• 저주파수(1500Hz 이하)에서는 소리가 한 쪽에 있어도 머리를 잘 넘어가지만 두 귀에 들리는 음세기는 차이 없음 → 위상차 사용, 시차를 두고 소리 들림
• 위상차를 사용할 때 문제점은 머리를 돌리지 않으면 앞에서 오는 소리와 뒤에서 오는 소리 구분 어려움
• 주파수가 높을 때(3000Hz 이상)는 세기 차이가 뚜렷하게 차폐됨 → 세기차 사용, 소리 크기 다름
• 중간 주파수(1500~3000Hz)소리는 위치판단이 상대적으로 어려움
• 최소가청이동각(MAMA)
  • 청취자가 음의 이동을 검출할 수 있는 음원의 최소 이동각으로 정의
  • 청각장에서 음의 이동속도와 초기 위치에 따라 달라짐

청각표시장치의 원리

일반원리

• 양립성: 가능한한 사용자가 알고있거나 자연스러운 신호차원과 코드 선택
• 근사성: 복잡한 정보를 나타낼 때는 2단계 신호를 고려(주의를 끄는 주의신호와 정확한 정보를 지정하는 지정신호)
• 분리성: 청각 신호는 계속 진행 중인 기존 입력과 쉽게 식별
• 검약성: 필요한 정보 이상으로 정보 제공하지 않음
• 불변성: 동일한 신호는 항상 동일한 정보를 지정

표현원리 → 어떻게 소리를 들려줄거냐의 원리

• 극단적인 청각자원을 피함
• 주변 소음수준 때문에 차폐되지 않도록 세기를 설정
• 간헐적인 또는 다양한 신호를 사용
• 청각 채널이 과부하되지 않게 함, 임의 상황에서는 몇 가지 신호만 사용

설치원리

• 사용할 신호는 사용 전에 시험
• 신규 신호는 기존 신호와 상충되지 않도록 함
• 기존 표시장치를 다른 장치로 전환하기 쉽도록 함, 표현 양식이 다른 것을 청각신호로 대체할 때는 당분간 두 양식을 모두 사용

특수목적의 청각적 표시장치

경고 및 경보신호

• 경고 및 경보 신호의 선택이나 설계에 관한 일반적 권장사항은 다음과 같음
• 200~5000Hz의 주파수 사용, 500~3000Hz이면 더욱 좋음 → 닛산 600~2500Hz
• 멀리 보내는 신호는 1000Hz 이하의 주파수, 고주파는 멀리 이동하지 않음
• 큰 장애물이나 칸막이를 넘어서 휘어가는 신호는 500Hz 이하의 신호
• 변조신호를 사용(1~8 deep/sec, 또는 1~3회/sec의 떨림음)
• 차폐효과를 줄이기 위해 배경소음과 다른 주파수의 신호 사용
• 상황에 따라 다른 경고신호를 사용, 이에 따라 상이한 반응이 요구될 때는 서로 구별되는 것
• 가능하면 별도의 통신시스템을 경고등으로 사용, 다른 목적으로 사용되지 않는 확성기, 경적 등의 기구 사용