청각기관의 고막을 생체모방한 음향 변환기 개발

초록

포유류 (인간 포함)의 청각 기관 (auditory system) 구조를 살펴보면 외이(outer ear), 외부로부터 전달된 음향 신호를 내이로 전달하는 중이 (middle ear), 그리고 전달된 청각 신호를 분석하여 뇌로 전달하는 내이 (inner ear) 세 부분으로 구성되어 있다. 특히 중이는 Fig. 1에 나타낸 구조와 같이 3개의 매우 작은 뼈인 이소골 (ossicles: malleus, incus, stapes) 로 구성되어 있으며 주 기능은 전달 손실을 최소화하는 임피던스 매칭이다. 즉, 공기 (약 41 Ω) 와 달팽이관내의 림프액 (160,000 Ω) 의 큰 임피던스 차이를 매칭시키는 역할을 담당한다. 고막과 이소골이 달팽이관과 연결된 부분인 난원창 (oval window)의 면적비가 17배 (26 dB)에 달하는 압축 효과 (condensation effect)와 지렛대 작용 (lever action) 으로 인해 임피던스 차이로 인한 음향 에너지 손실을 감소 시켜 약 40 ~ 60 dB 의 증대 효과를 나타내는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 이러한 기능 이외에도 레버 작동에 의한 중이의 반공진 (anti-resonance) 특성을 이용하여 새로운 음향 변환기 (예: 마이크로폰)를 제안하였다. Fig. 2에 나타낸 제안된 시스템의 주파수 응답 함수 (frequency response function, FRF)를 살펴보면 약 50 Hz 근방에서 반공진이 발생하는 사실을 확인하였으며, 이러한 특성을 이용하여 평편하고 광대역 특성을 지닌 주파수 응답 특성을 지닌 새로운 음향 변환기의 개랍 가능성을 제시하였다.