청각
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1. 개요
청각은 소리를 감지하는 감각으로, 소리는 귓바퀴에서 시작하여 외이도, 고막, 귓속뼈, 달팽이관, 청각 세포를 거쳐 청각 신경 경로를 통해 대뇌의 청각 피질로 전달되어 인지된다. 인간의 청각 시스템은 외이, 중이, 내이로 구성되며, 각 부분은 소리 증폭 및 전달 역할을 한다. 인간은 20~20,000Hz의 가청 주파수를 감지하며, 동물의 청각 범위는 종에 따라 다르다. 청력 손실은 전음성, 감각신경성, 혼합성 난청으로 분류되며, 유전적 요인, 노화, 소음 노출 등이 원인이다. 청력 손실 예방을 위해 소음 감소, 귀마개, 귀덮개 사용이 권장되며, 보청기, 인공 와우 등의 치료 방법이 있다. 최근에는 유모 세포 재생, 유전자 치료 등 청력 손실 치료 연구가 활발히 진행되고 있다.
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청각 | |
---|---|
청각 개요 | |
정의 | 소리를 감지하고 해석하는 감각 |
관련 감각 | 평형 감각 |
메커니즘 | 기계적 감각 수용 |
자극 | 소리 |
청각 과정 | |
소리 감지 | 진동을 감지하여 신경 신호로 변환 |
신경 신호 전달 | 신경 신호가 뇌로 전달됨 |
뇌의 역할 | 뇌에서 소리 해석 |
감각 세포 | 유모 세포 |
담당 기관 | 귀 |
청각의 중요성 | |
의사소통 | 언어 이해 및 표현 |
환경 인식 | 주변 환경 소리 감지 |
생존 | 위험 감지 및 회피 |
청각 관련 용어 | |
청력 | 소리를 들을 수 있는 능력 |
난청 | 청력 손실 |
이명 | 외부 소리 없이 들리는 소리 |
음향 심리학 | 청각의 심리적 측면 연구 |
청각 연구 분야 | |
신경 과학 | 청각 신경 회로 연구 |
심리 음향학 | 소리의 주관적인 인식 연구 |
언어학 | 언어의 음성적 특징 연구 |
기타 감각과의 관계 | |
시각 | 소리와 시각 정보 통합 |
촉각 | 진동 감지를 통한 정보 획득 |
후각, 미각 | 맛과 향을 통해 상황 인식 |
2. 청각의 메커니즘
청각은 소리가 귓바퀴, 외이도, 고막, 귓속뼈(청소골), 달팽이관, 청각 신경 등의 경로를 거쳐 뇌까지 전달되는 복잡한 과정이다.[33] 귓바퀴에 모인 음파는 외이도로 들어가 고막을 진동시키고, 이 진동은 가운데귀의 귓속뼈에서 증폭되어 속귀 달팽이관의 난원창에 전해진다. 난원창의 진동은 림프액을 통해 청세포를 흥분시키고, 이 흥분은 청각 신경을 통해 대뇌로 전달되어 소리를 느끼게 된다.[32]
인간의 청각 시스템은 크게 바깥귀, 가운데귀, 속귀의 세 부분으로 구성되며, 이 기관들은 소리 신호를 신경 활동 정보로 변환하여 소리의 강도, 음높이, 음색, 음원의 방향, 리듬, 언어 등을 인식하는 기능을 수행한다.
청각은 오감 중 하나이며, 단순히 귀로 듣는 것뿐만 아니라 마음으로 듣는 '경청'이라는 적극적인 자세를 통해 더 깊이 소리를 인식할 수 있다. 이러한 청각 메커니즘을 통해 우리는 소리를 인지하고, 소리의 주파수 정보를 신경 세포 흥분이라는 정보로 변환한다.
2. 1. 바깥귀 (외이)
바깥귀는 귀의 보이는 부분인 귓바퀴와 외이도로 구성되며, 외이도는 고막으로 끝난다.[5] 귓바퀴는 소리 파동을 외이도를 통해 고막으로 집중시키는 역할을 한다. 귓바퀴는 파라볼라 안테나처럼 공기 중을 전달하는 음성의 음압을 높여 집음하는 기능뿐만 아니라, 그 복잡한 형태로부터, 음원의 방향에 따라 음향 전달 특성이 변화함으로써 상하・전후・좌우와 같은 음원 국재화에 기여한다.외이도는 약 20-30mm의 길이를 가지고 있으며, 고막에서 끝난다. 귀지는 인간의 외이도 피부에 있는 이구선과 피지선에서 생성되어 외이도와 고막을 물리적 손상과 미생물 침입으로부터 보호한다.[5]
2. 2. 가운데귀 (중이)
고막과 3개의 귓속뼈(청소골)로 구성된다. 외이도를 타고 전달된 공기의 진동은 고막을 진동시키며 강체의 진동으로 그 성질이 변화한다. 고막의 진동이 속귀의 림프액에 전달될 때 3개의 귓속뼈를 거치는데, 이 때 단면적이 줄어들어 물리적인 원리에 의해 압력이 약 22배로 상승한다. 즉 가운데귀는 천연 물리적 변압기 역할을 수행한다. 과도하게 큰소리가 내이를 손상시키지 못하도록 이를 감쇠시키는 잔근육도 청소골을 붙잡고 있다. 루트비히 판 베토벤은 귓속뼈의 움직임이 나빠지는 이경화증을 앓았다고 한다. 청소골이 놓인 공간은 고실(tympanic cavity)이라고도 하며, 유스타키오관이 고실과 코를 이어준다.
중이는 고막 내측에 위치한 작은, 공기로 채워진 공간이다. 이 공간에는 몸에서 가장 작은 세 개의 뼈가 있으며, 이를 통틀어 이소골이라고 한다. 이소골에는 망치뼈, 모루뼈, 등골뼈(각각 망치, 모루, 등자라고도 함)가 포함된다. 이들은 고막의 진동을 내이, 즉 달팽이관으로 전달하는 데 도움을 준다. 중이 이소골의 목적은 임피던스 불일치를 극복하는 것으로, 공기파와 달팽이관파 사이에서 임피던스 정합을 제공한다.[1]
또한 중이에는 등골근과 고막긴장근이 위치해 있으며, 이는 경직 반사를 통해 청각 메커니즘을 보호한다. 등골은 난원창을 통해 내이로 음파를 전달하며, 난원창은 공기로 채워진 중이와 액체로 채워진 내이를 분리하는 유연한 막이다. 또 다른 유연한 막인 정원창은 들어오는 음파로 인해 발생하는 내이 액체의 원활한 변위를 가능하게 한다.[1]
2. 3. 속귀 (내이)
속귀는 관자뼈 안에 위치하며 지름 1cm 정도로 사람의 경우 두 바퀴 반 감은 달팽이 모양의 달팽이관과 반고리관, 전정으로 구성된다.[6] 달팽이관 내부는 3층 구조로 되어 있으며 각각 림프액 등으로 채워져 있다. 귓속뼈의 진동이 달팽이관 입구 쪽 작은 창(난원창)으로 전달돼 내부 림프액을 진동시키고, 코르티기관이 얹혀져 있는 기저막을 진동시킨다. 이때 음의 주파수에 따라 가장 강하게 진동하는 기저막의 위치가 다른데, 높은 음은 입구 부근, 낮은 음은 입구에서 먼 위치의 기저막을 진동시킨다. 이 진동이 코르티기관 안의 청세포를 움직여 이온채널을 열고 세포를 전기적으로 흥분시켜 속귀신경(청신경)으로 전달된다.[7] 이러한 기저막의 물리적 주파수 특성과 더불어 내유모세포의 특정 주파수로의 '튜닝'이라는 생물학적 요소에 의해 우리는 감각기관에서부터 주파수 차원으로 변환된 신호를 받아들인다. 기저막 주파수 특성을 발견한 게오르크 폰 베케시는 그 업적으로 1961년 노벨 생리의학상을 수상했다.반고리관 역시 속귀의 구성요소로서 척추동물은 3개의 반고리관을 가지고 있다. 반고리관 안에는 림프액이 들어있어 몸을 회전하게 되면 관성의 법칙에 의해 림프액 위의 감각모가 회전을 감지하여 회전을 느끼게 된다.
2. 4. 청각 신경 경로
달팽이관으로 들어온 소리 정보는 청신경을 따라 뇌줄기의 와우핵으로 전달된다.[33] 이후 신호는 중간뇌에 있는 아래둔덕(inferior colliculus; IC)으로 전달된다. 아래둔덕은 다른 뇌 부위로부터의 제한된 입력과 청각 입력을 통합하며 청각 놀람 반응과 같은 잠재 의식 반사에 관여한다.[34]이후 청각신호는 시상에 있는 내측슬상핵(MGN)으로 이동한다. 내측슬상핵으로 들어간 신호는 측두엽에 있는 일차청각피질로 전달된다.[34] 학자들은 청각 인지의 첫 단계가 여기서 이루어진다고 본다. 일차 청각 피질 주변에는 베르니케 영역이 있는데, 이 영역은 말의 이해에 필요한 소리를 해석하는 데 관여하는 피질 영역이다. 일차청각피질을 지난 신호는 상측두회(STG)에서 후처리를 거친 뒤 베르니케 영역 등으로 전달된다.[34]
이때 섬유띠경로(lemniscal pathway)와 비섬유띠 경로로 나뉜다. 섬유띠경로는 IC에서 복측MGN와 일차청각피질의 3/4번째 레이어로 뉴런을 뻗친 반면, 비섬유띠경로의 경우 배측IC에서 배측MGN 및 이차청각피질의 3/4번째 레이어로 뉴런을 뻗치는데, 이 때 상측두회로도 뉴런이 뻗어있다.[34] 섬유띠경로는 단순한 정보를, 비섬유띠경로는 맥락이나 신호의 차이 등 보다 복잡한 정보를 보낸다.[35]
뇌졸중이나 외상으로 인해 이 경로에 문제가 생기면 청각에 문제가 발생하는데, 특히 양측반구에 모두 문제가 발생할 경우 문제가 더 심각해진다. 때로는 환청이 생기기도 한다.
3. 가청 범위
사람이 들을 수 있는 주파수는 가청 주파수 또는 음파라고 하며, 일반적으로 20Hz에서 20,000Hz 사이로 간주된다.[16] 가청 주파수보다 높은 주파수는 초음파, 낮은 주파수는 저주파수라고 한다.
박쥐는 비행 중 동물 음파 탐지를 위해 초음파를 사용하며, 개는 초음파를 들을 수 있어 '무음' 개 호루라기에 활용된다. 뱀은 턱으로 저주파수를 감지하고, 수염고래, 기린, 돌고래, 코끼리는 통신에 저주파수를 사용한다. 일부 물고기는 귀와 부레 사이의 연결을 통해 민감하게 소리를 듣는데, 잉어와 청어 등이 이에 해당한다.[17]
가청 범위는 나이, 성별, 환경에 따라 달라질 수 있다. 20,000Hz보다 높은 주파수는 내이에서 차단되지만, 가청 주파수 범위 내 소리와 함께 들으면 뇌가 반응한다.[23] 저주파음은 소음 피해를 유발할 수 있다.[23]
나이가 들면서 가청 주파수 영역은 좁아지며, 고주파 청력부터 손실되는 경향이 있다. (→ 모스키토 음) 20세를 넘으면 개인차는 있지만, 점차 청력이 저하되어 노인성 난청이 된다. 그러나 노인성 난청에서도 낮은 주파수대의 소리에 대한 청력은 비교적 잘 유지된다.
3. 1. 한국인의 가청 범위 및 청력 검사
사람은 보통 20Hz에서 14,000Hz~20,000Hz 정도까지의 고막 진동을 소리로 느낄 수 있으며, 이 주파수 대역을 '''가청 주파수'''(:en:Hearing range)라고 한다.[23] 한국인의 가청 범위는 서양인과 유사하지만, 생활 환경 및 유전적 요인에 따라 차이가 있을 수 있다.한국의 건강 검진에서는 1,000Hz와 4,000Hz의 사인파를 이용한 간이 청력 검사를 실시한다.[23] 일상 대화에서 540Hz에서 4,000Hz 사이의 대역이 사용되기 때문이다.[24] 소음성 난청 위험이 있는 곳에서 일하는 사람들을 위한 정밀 검사에서는 250Hz, 500Hz, 1,000Hz, 2,000Hz, 4,000Hz, 8,000Hz 주파수를 사용한다.[25]
3. 2. 음악에서의 가청 범위
사람은 다양한 아날로그 악기에서 나오는 음파를 소재로 널리 음악에 활용하며 청각의 범위를 개척해 왔다. 악기가 낼 수 있는 음파의 특징과 주파수 대역은 다양하지만, 특히 저음역에 대해서는 가청역의 한계를 넘어선 시도가 이루어지고 있다. 그에 비해 고음역에 대해서는 초음파에 가까워질수록 물리적으로 발생이 어려워지는 이유도 있어, 소재로서 개척의 여지가 아직 많이 남아있다.[23]저음역에 관해서는, 서양 음악에서의 콘트라베이스보다 낮은 특수한 음역을 대고나 징과 같은 타악기로 낼 수 있다는 것은 오래전부터 세계 각지에서 알려져 있었으며, 이는 피부에 진동을 느끼게 하는 특수한 효과를 가지고 있어, 독특하게 취급받아 왔다. 그 외에, 일반적으로 대형으로 여겨지는 파이프 오르간에서는, 거대한 32' 스톱이 상설되어 있어, 약음에서 강음에 이르기까지 전신에 진동을 느끼게 하는 효과는 어떤 의미에서는 청각의 한계를 추구하려는 도전이지만, 더 나아가 현대에는 애틀랜틱 시티 컨벤션 홀(Atlantic City Convention Hall)이나 시드니 타운 홀에서 64' 스톱도 등장하여, 소리라고 말하기 어려울 정도로 초저음의 공기 진동을 내는 거대한 관을 통해 더욱 청각을 넘어선 음 소재의 효과를 활용하려는 도전이 계속되고 있다.[23]
3. 3. 음향 기기와 가청 범위
음악 CD는 샘플링 주파수로 44,100Hz를 채택하고 있는데, 이는 이론상 22,050Hz까지 재현할 수 있기 때문이다. (표본화 정리) 실제로는 음성 출력 시 로우패스 필터를 통과시키기 때문에 22,050Hz보다 대역이 좁아지지만, 필터에 의한 감쇠역을 제외하더라도 사람의 가청 주파수 대역을 충분히 커버할 수 있다고 생각했기 때문이다.[26] 하이 레졸루션 오디오나 고음질을 표방하는 음악 스트리밍 서비스에서는 샘플링 주파수나 양자화 비트 수를 CD 이상으로 함으로써 가청 주파수를 초과하는 주파수를 수록한 음원도 존재한다. 또한 스피커나 헤드폰에서도 고가 제품은 재생 가능한 주파수 대역이 가청 주파수를 초과하는 제품이 판매되고 있다.[26]4. 청력 손실
난청은 전음성 난청, 감각신경성 난청, 그리고 이 두 가지가 혼합된 혼합형 난청으로 나뉜다. 최근에는 난청 대신 '청각 다양성'이라는 용어를 사용하기도 한다.[10][11]
난청의 정도는 다음과 같이 구분된다.
난청 정도 | 설명 | 더 잘 들리는 귀로 들을 수 있는 가장 작은 소리 (dB HL) |
---|---|---|
경도 난청 | 특히 시끄러운 환경에서 대화에 어려움을 겪음 | 25~40 dB HL |
중도 난청 | 보청기 없이는 대화가 어려움 | 40~70 dB HL |
고도 난청 | 보청기를 사용해도 입술을 읽어야 하는 경우가 많음 | 70~95 dB HL |
심도 난청 | 청력이 매우 약하며, 주로 입술 읽기나 수화를 사용함 | 95 dB HL 이상 |
4. 1. 원인
난청은 전음성 난청, 감각신경성 난청, 혼합형 등 여러 종류가 있다. 최근에는 난청과 차이점을 덜 부정적인 용어로 전달하기 위해 청각 다양성이라는 용어가 더 많이 사용되고 있다.[10][11]난청의 원인은 다음과 같다.
- 유전
- 선천성 질환
- 노인성 난청
- 후천적 요인
- 소음성 난청
- 이독성 약물 및 화학 물질
- 감염
4. 2. 예방
청력 손실을 예방하기 위해 사람들이 노출되는 소음 수준을 줄이는 다양한 방법이 사용된다. 음향 소거와 같은 환경 개선을 통해 소음 노출을 줄일 수 있는데, 방에 커튼을 설치하는 것과 같은 기본적인 조치나 거의 모든 소리를 흡수하는 무반향실을 사용하는 것과 같은 복잡한 조치가 있다. 또 다른 방법으로는 소음을 차단하기 위해 귓구멍에 삽입하는 귀마개나 사람의 귀를 완전히 덮도록 설계된 물체인 귀덮개와 같은 장치를 사용하는 것이다.[10][11]4. 3. 관리 및 치료
신경 손상으로 인한 청력 손실은 현재 치료가 불가능하다. 대신 보청기, 인공 와우와 같은 청각 보조 장치를 사용하여 그 영향을 완화할 수 있다. 이러한 관리는 이과 의사와 청각사가 제공한다.[10][11]5. 청각 관련 질환
- 청각 장애인
- 고실 성형술: 만성 중이염 등으로 이소골의 기능이 상실되면 중이의 임피던스 정합이 제대로 이루어지지 않아 난청이 발생한다. 이때 이소골 대신 인공 뼈를 외과적으로 이식하여 난청을 경감시킨다.
- 인공 와우: 내이에 장애가 있어 난청이 있는 환자에게 인공 와우를 이식하는 수술이 시행되기도 한다. 이는 마이크로폰으로 수집한 소리를 소형 컴퓨터로 전기 신호로 변환하여 내이에 삽입된 전극에서 소리의 높이에 따라 다른 부위를 자극하여 청각을 보조하는 것이다.
- 청각 피질의 토노토피: 내이의 기저막에서 소리가 주파수 분해되는 것과 대응하여, 청각 피질에서도 소리의 고저에 대응하는 배열이 있다는 것이 이전부터 전기 생리학적으로 알려져 있으며, 최근 뇌 기능 영상 연구에서도 확인되고 있다. 이 주파수에 대응하는 중추 신경계의 배열을 "토노토피"(tonotopy ← tono: 소리의, topos: 장소)라고 한다.
- 절대 음감: 어떤 소리를 단독으로 듣고 그 소리의 높이(음고)를 기억에 기초하여 절대적으로 인식하는 능력이다.[27]
- 공감각: 소리가 색채 등 다른 감각으로 느껴지는 것이다.[28]
- 환청(Auditory hallucination): 환각의 하나이다.[29]
- 귀벌레(Earworm): CM의 구절이 반복되는 것과 같이 음악이 끈질기게 귀에서 떠나지 않는 상태이다.[30]
- 양이 청취 효과: 양쪽 귀로 들음으로써 얻을 수 있는 청각상의 효과이다. 방향 지각, 거리 지각, 음상 정위, 마스킹 효과, 양이 가산, 칵테일 파티 효과, 선행 음향 효과 등이 있다.
6. 인간 외 동물의 청각
동물들은 종에 따라 들을 수 있는 소리의 범위가 다르다. 박쥐는 초음파를 사용하여 비행 중 위치를 파악하고 사냥한다. 개는 초음파를 들을 수 있어 '무음' 개 호루라기가 가능하다. 뱀은 턱으로 저주파수를 감지하며, 수염고래, 기린, 돌고래, 코끼리는 저주파수로 의사소통을 한다. 일부 물고기는 귀와 부레 사이의 뼈 연결을 통해 더 민감하게 소리를 듣는데, 잉어와 청어가 대표적이다.[17]
찰스 헨리 터너는 개미를 대상으로 한 실험을 통해 무척추동물도 소리를 감지할 수 있음을 보였다.[20] 많은 곤충은 몸에 난 털이 공기 진동에 휘어지는 방식으로 소리를 감지하며, 특정 애벌레는 말벌의 윙윙거리는 소리에 공명하는 털을 진화시켜 적의 존재를 감지한다.[21]
일부 곤충은 고막 기관을 가지고 있는데, 이는 다리에 있는 공기 주머니를 덮은 "고막"이다. 고막은 음파에 반응하여 진동하고, 내부 수용체가 이 진동을 전기 신호로 바꿔 뇌로 보낸다. 동물 반향 정위를 하는 박쥐에게 잡아먹히는 곤충들은 초음파를 감지하여 초음파 회피 반응을 보인다.
개구리의 일부는 고막이 없지만, 피부나 뼈를 통해 전달되는 진동을 내이에 받아 소리를 감지한다고 알려졌다.[31] 깡충거미 등은 다리에 난 민감한 털로 소리를 감지하며,[31] 예쁜꼬마선충도 소리에 반응하는 것이 확인되었다.[31]
수생 동물들은 물속에서 소리를 잘 들을 수 있도록 귀가 적응되어 있다.[14][15]
7. 최신 연구 동향
내이는 나선형의 액체로 채워진 관인 달팽이관으로 구성되어 있다. 달팽이관은 길이 방향으로 코르티 기관에 의해 나뉘는데, 코르티 기관은 기계적 신호에서 신경 신호로의 변환을 담당하는 주요 기관이다. 코르티 기관 내부에는 기저막이 있는데, 기저막은 중이에서 온 파동이 달팽이관 내 액체인 내림프액을 통해 전파될 때 진동하는 구조물이다. 기저막은 음조적으로, 각 주파수에 따라 기저막을 따라 공명하는 특징적인 지점이 존재한다. 특징적인 주파수는 달팽이관의 기저부 입구에서 높고, 정점에서는 낮다. 기저막의 움직임은 코르티 기관 내에 위치한 특수 청각 수용기인 유모 세포의 탈분극을 유발한다.[6] 유모 세포는 자체적으로 활동 전위를 생성하지 않지만, 청신경 섬유와의 시냅스에서 신경 전달 물질을 방출하며, 청신경은 활동 전위를 생성한다. 이러한 방식으로, 기저막의 진동 패턴은 소리에 대한 정보를 뇌간으로 전달하는 발화의 시공간 패턴으로 변환된다.[7]
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