주파수, 강도 및 음량 인지

주파수와 강도는 단순음의 두 가지 주요 물리적 차원이며, 이는 음고와 음량이라는 지각적 차원에 불완전하게 매핑됩니다. 이 주제는 청취자가 주파수와 레벨의 변화를 얼마나 미세하게 구별할 수 있는지, 물리적 강도에 따라 음량이 어떻게 증가하는지, 그리고 인지된 음량이 주파수와 달팽이관을 가로지르는 에너지 확산에 어떻게 공동으로 의존하는지를 다룹니다. 이러한 관계는 청력 측정 및 보청기가 소리를 형성하는 방식에 핵심적입니다.

Definition

주파수, 강도 및 음량 인지는 소리의 물리적 주파수와 진폭이 청취자의 음고 높이 및 음량 인지를 어떻게 결정하는지, 그리고 이러한 양을 감지하고 변별하는 역치를 포함하여 연구하는 학문입니다.

Scope

이 주제는 주파수 및 강도 변별, 가청 범위 및 절대 역치, 레벨에 따른 음량 증가, 임계 대역을 가로지르는 음량 합산, 그리고 등음량 등고선으로 표현되는 주파수에 대한 음량 의존성을 다룹니다. 이는 지각 측정에 대한 참고 및 교육 자료이며, 임상 지침이 아닙니다.

Core questions

• 주파수 또는 강도의 가장 작은 감지 가능한 변화는 무엇입니까?
• 물리적 강도가 증가함에 따라 음량은 어떻게 증가합니까?
• 고정된 물리적 레벨의 소리가 어떤 주파수에서는 다른 주파수보다 더 크게 들리는 이유는 무엇입니까?
• 주파수에 걸쳐 에너지를 분산시키는 것이 인지된 음량을 어떻게 변화시킵니까?

Key concepts

• 절대 역치 및 가청 범위
• 주파수 및 강도에 대한 차이 역치
• 주파수의 지각적 상관물로서의 음고
• 음량 및 손(sone) 척도
• 음량 레벨 및 폰(phon)
• 등음량 등고선
• 임계 대역 및 음량 합산

Key theories

음량의 멱법칙(sone) 척도화

음량은 비율 척도인 손(sone) 척도로 정량화될 수 있으며, 이 척도에서 인지된 음량은 음향 강도의 멱함수(power function)로 대략적으로 증가합니다. 따라서 음량은 대부분의 범위에서 레벨이 10dB 증가할 때마다 대략 두 배가 됩니다.

임계 대역 음량 합산

소리의 에너지가 임계 대역을 넘어 확산될 때, 전체 에너지가 일정하게 유지되더라도 총 음량은 증가합니다. 이는 청각 시스템이 달팽이관 필터링에 의해 설정된 주파수 대역 내에서 음량을 통합한다는 것을 보여줍니다.

Mechanisms

주파수는 기저막을 따라 최대 여기(excitation) 위치에 의해, 그리고 낮은 주파수에서는 위상 고정된 신경 타이밍에 의해 인코딩됩니다. 이는 미세한 주파수 변별을 지원합니다. 강도는 청신경 섬유의 발화율과 레벨이 증가함에 따라 추가 섬유의 동원에 의해 신호화되지만, 달팽이관의 능동 메커니즘은 넓은 범위의 물리적 레벨을 좁은 범위의 신경 반응으로 압축합니다. 따라서 음량은 강도에 따라 압축적으로 증가하며 청각 필터를 통해 합산되므로, 더 많은 임계 대역을 포함하는 소리는 동일한 에너지의 순음보다 더 크게 들립니다. 달팽이관의 민감도는 주파수에 따라 다르기 때문에 동일한 물리적 레벨은 다른 음량을 생성하며, 이는 등음량 등고선으로 포착됩니다.

Clinical relevance

달팽이관 청력 손실은 일반적으로 주파수 선택성을 감소시키고 음량 증가를 가파르게 만드는데, 이는 역치 이상에서 음량이 비정상적으로 빠르게 증가하는 '음량 보충(loudness recruitment)'으로 알려진 현상입니다. 이는 증폭이 보통의 소리를 불쾌하게 크게 만들지 않으면서 가청도를 회복해야 하는 이유와 보청기가 주파수 형태의 압축을 적용하는 이유를 설명하는 데 도움이 됩니다. 이러한 점들은 청력 손실의 지각적 결과를 설명하며, 개별화된 피팅 또는 치료 지침이 아닙니다.

Evidence & guidelines

음량 및 등음량 관계는 Fletcher와 Munson (1933)에 의해 처음 정량화되었으며, 현재는 ISO 226:2003에서 정상 청력 청취자를 위한 주파수, 레벨 및 음량 간의 폰(phon) 및 참조 관계를 정의하는 등음량 레벨 등고선으로 국제적으로 표준화되어 있습니다. 음량의 손(sone) 척도는 Stevens 전통의 비율 척도화 작업에서 파생되었으며, 임계 대역 합산은 고전적인 정신물리학 연구에서 문서화되어 있습니다.

History

Fletcher와 Munson의 1933년 벨 연구소 측정은 최초의 체계적인 등음량 등고선과 음량 레벨 개념을 제시했습니다. Stevens와 동료들은 1930년대에 음량과 음고의 비율 척도화를 개발하여 손(sone) 및 멜(mel) 척도를 만들었습니다. Zwicker의 20세기 중반 임계 대역에 대한 연구는 음량 합산과 마스킹을 달팽이관 주파수 분석과 연결시켰으며, 등음량 관계는 나중에 정제되고 표준화되었습니다.

Debates

음량은 강도에 따라 정확히 어떻게 척도화되어야 하는가?

단순 멱법칙은 대부분의 범위에서 음량 증가를 포착하지만, 이 함수는 역치 근처에서 평탄해지고 청취자마다 그리고 청력 손실에 따라 달라지므로, 단일 지수는 정확한 법칙이라기보다는 근사치입니다.

Key figures

• Harvey Fletcher
• Wilden Munson
• Stanley Smith Stevens
• Eberhard Zwicker

Seminal works

• fletcher-munson-1933
• stevens-1937
• zwicker-1957

Frequently asked questions

강도와 음량의 차이는 무엇입니까?

강도는 소리가 전달하는 에너지인 물리적 양인 반면, 음량은 청취자가 인지하는 주관적인 크기입니다. 음량은 강도뿐만 아니라 주파수, 대역폭, 청취자의 청력에도 의존하므로 동일한 강도가 항상 동일하게 크게 들리는 것은 아닙니다.

폰(phon)과 손(sone)은 무엇입니까?

폰(phon)은 음량 레벨의 단위입니다. N 폰의 음량 레벨을 가진 소리는 N 데시벨의 1 kHz 톤만큼 크게 들린다고 판단됩니다. 손(sone)은 비율 척도상의 음량 단위로, 손의 수가 두 배가 되면 인지된 음량이 두 배가 되도록 정의됩니다.