귀 속에서 일어나는 임피던스 매칭

물과 공기 처럼 밀도가 다른 두매질의 경계에서 일어나는 파동의 전파

- 보다시피 일부는 반사되어 돌아가고 파동의 전달이 약해지거나 왜곡됩니다.

- 매질 간에 임피던스 매칭이 안되면 이렇게 됩니다. 신호전달의 왜곡과 손실이 발생하죠.

 

굵기가 다른 매질의 경계에서 일어나는 파동의 전파

- 여기서도 마찬가지 입니다. 매질 변화가 공간이 아닌 선상에서 일어난다는 차이만 있을뿐 동일하게 왜곡이 발생하죠.

소리나, 전파, 그리고 진동과 같은 동적인 신호를 수신하는 거의 모든센서는 임피던스 매칭(Impedance Matching) 회로가 필요합니다.

임피던스(impedance) 는 변하는 신호에대한 일종의 교류저항(신호 전달저항)을 말하죠. 말은 교류라고 했지만 실은 교류는 주파수에 따라 직류도 될수 있습니다.

요즘은 아두이노(arduino) 라는 편리한 오픈소스 하드웨어 덕분에 각종 센서를 위한 임피던스 매칭회로를 손쉽게 얻을수 있는 세상이 되었습니다만.,, 과거엔 임피턴스 매칭은 아주 어려운 기술에 속했었죠.

여하튼, 그건 그렇고 ..

성격이 다른 두 매질 사이의 경계면에서 임피던스가 서로 안맞으면 경계면에서 신호일부가 반사되어 위의 움짤 그림들처럼 그 센싱 효율이 떨어지게 됩니다. 즉, 신호가 작게 들어오거나 왜곡되서 들어온단 소리죠.

우리가 건강검진 시에 복부에 바르는 젤이 바로 초음파의 임피던스를 매칭하는 역할을 합니다. 공기와 배속 유체들 사잉의 임피던스 차이를 줄여주어 초음파신호가 목표장기에 잘 도달하게 하고 반대로 반사된 초름파신호가 수신기에 잘 도달하도록 하는 역할도 하는거죠.

우리 몸속 귀의 구조: 소리는 겉귀 > 가운데귀 > 속귀 순으로 전파됩니다.

그런데, 더 놀라운건 인간의 청각기관인 귀의 중이(middle ear, 가운데귀)의 청소골이 공기로 음파을 전달하는 외이(바깥귀)와 액체가 가능찬 내이(달팽이관, 속귀) 간의 매질차를 극복하기위한 임피턴스매칭을 해주는 기관이라고 한다는 사실입니다!

전에도 언급했듯이 내이의 달팽이관에선 마치 푸리에변환 처럼 주파수별로 다르게 소리를 센싱한다고 합니다. 달팽이관 입구쪽일수록 저주파의 소리를 센싱하고, 달팽이관 안쪽일수록 저주파의 소리를 센싱한다고 알려져있죠.

살면서 전자적인 임피던스 매칭은 많이 보았지만, 저런 생물학적인 임피던스 매칭은 저도 처음봅니다.

생물학적 감각기관이 진화에 의해 스스로 임피던스 매칭까지 해 내다니, 인체는  그리고 진화는 참으로 놀랍습니다. (참고로 중이는 매칭 외에 밴드패스필터링(BandPassFiltering)도 한다고 합니다.)

서로다른 매질의 경계면에서 의 손실전파를 기계적으로 시뮬레이션 한예

- 좌측엔 막대기에 너트가 채워져있고 우측엔 없습니다. 그 차이가 불연속적인 매질 차이를 만드는 겁니다.

기계적인 막대기로 중이속 임피던스 매칭을 흉내내는 모습

- 앞으로의 인공지능은 분류나 검출같은 인식을 넘어서서 데이타-드리븐 최적 센서설계 같은것도 해내게 될까요?