[이은경의 과학산책] 음파 자극과 소리, 그리고 이어폰/전북대 과학학과 교수

이은경 전북대 과학학과 교수

“이걸 끼고 있어야 안정감이 듭니다.”

웹예능 프로그램인 ‘SNL코리아’의 ‘MZ오피스’ 편에서 신입사원이 업무시간 중 이어폰 사용을 지적받았을 때 대사다. 이어폰은 소리를 내면 곤란한 때와 장소에서 소리를 듣기 위한 장치다. 그러나 요즘에는 주변 소음을 막을 때 또는 말 걸지 말라는 신호를 보낼 때도 이어폰을 사용한다. 시끄러운 곳에서 조용한 곳으로 옮기면 이어폰에서 들리는 소리가 너무 커서 놀랄 때도 있다. 이렇게 우리 귀에 집중적으로 자극이 계속되고 있는데 귀의 건강은 괜찮을까?

사람의 감각에 대한 정량적ㆍ물리화학적 연구는 19세기 중반 실험과학이 발전하면서 시작됐다. 독일 과학자 헤르만 폰 헬름홀츠는 그 연구의 선구자 중 한 사람이다. 어릴 때부터 과학에 관심이 많았던 헬름홀츠는 대학에서 물리학을 공부하고 싶어 했다. 그렇지만 집안 형편이 나빴던 그는 부모 권유로 프로이센 군대의 빌헬름 의학연구소에서 의학을 공부했다.

헬름홀츠의 박사학위 논문은 생리학과 물리학을 결합한 연구였다. 19세기 초에는 생명체의 생리, 대사 현상을 초자연적인 ‘생기의 힘’이 작용한 결과라고 믿었다. 그러나 헬름홀츠는 척추동물의 신경계를 연구해 근육 작용이 일어날 때 힘이 없어지는 것이 아니라 열이 발생한다는 것을 실험으로 확인했다.

이 연구는 의도하지 않았지만 의학자 헬름홀츠의 이름을 물리학계에 알렸다. 그는 1847년 베를린 물리학회에서 ‘힘의 보존에 관하여’라는 논문을 발표했다. 이전 연구를 더 확장해 근육수축 외에도 기체 팽창처럼 힘이 손실되는 것처럼 보이는 현상에서 사실은 열이 발생하므로 힘이 열로 전환되면서 보존된다고 설명했다. 그의 주장은 에너지 개념이 확립되기 전에 착안한 에너지보존법칙의 여러 버전 중 하나였다.

1870년까지 그는 여러 대학에서 생리학 교수로 있으면서 측정할 수 있는 물리 자극과 그에 반응하는 사람의 지각 현상을 연구했다. 특히 시각과 청각 연구가 주목할 만하다.

1851년에 눈의 내부를 관찰할 수 있는 검안경을 발명했다. 검안경은 안과 진단과 시각 연구에 큰 혁신을 가져왔고, 의학 분야에서 헬름홀츠에게 명성을 안겨 주었다.

청각 분야 연구에선 소리의 압력 진폭과 사람이 지각하는 소리 크기의 관계를 밝혔다. 단순하게 말하면 사람이 소리를 2배, 3배 크게 들으려면 음파의 압력 진폭은 각 4배, 8배로 높아진다. 이 원리는 음향기기 설계에 이용된다. 생리학 교수인 헬름홀츠의 연구는 실험물리학에서 광학과 음향학 영역으로 확장됐고, 1871년 베를린 훔볼트대학은 그를 물리학 교수로 초빙했다.

이어폰이 신체의 일부처럼 자연스러워진 요즘 170여년 전 헬름홀츠의 연구를 다시 살펴보는 것은 귀의 건강 때문이다. 점점 커지는 일상 소음을 뚫고 이어폰으로 소리를 들으려면 볼륨을 높여야 한다. 우리는 볼륨을 조금 높이지만 귀는 그보다 훨씬 큰 지수함수 값의 진폭 압력을 받게 된다. 이런 사실을 알면 난청으로 이어지지 않도록 귀의 건강을 챙길 수 있을까?

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