KR20090026244A - 임팩트 소음 독성 및/또는 폭발 과압 노출에 대한 나노-이과적 보호 장치 - Google Patents

임팩트 소음 독성 및/또는 폭발 과압 노출에 대한 나노-이과적 보호 장치 Download PDF

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브렌든 클리포드
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하워드 스톤
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Abstract

확장하는 채널을 가지는 소프트 컴플라이언트 물질을 포함하며, 제1 및 제2 끝단을 구비하는 바디, 상기 바디를 관통하여 확장하는 상기 채널 내에 정렬된 홀을 가지며 상기 바디의 상기 하나의 끝단에 인접하게 위치하는 음향 림프 물질, 및 음향 림프 물질에서 입구를 커버하거나 봉인하는 컨포넌트 필름, 디스크 또는 다른 구조를 포함하는 청각 손실 보호 장치가 제공된다. 필름 또는 디스크는 고강도 폴리머 재료로 형성되며 두께에 있어 10 마이크로미터보다 작을 수 있다. 바디를 통하여 확장되는 하나의 채널보다는, 복수의 채널이 바디를 통하여 확장될 수 있고 복수의 해당 홀들이 음향 림프 물질에 제공될 수 있다. 필름, 디스크 또는 다른 구조는 고 에너지 소리파에 근접하게 응답하는 동작을 하는 플랩과 같이 거동하는 방식으로 부착될 수 있다. 플랩은 고 강도 충격파 자체로부터 눌러져서 저지시킨다. 바디는 실린더 형상일 수 있고 인간의 귀도에 적합하도록 다른 형상일 수 있다.
청각 손실 보호, 충격파, 폭발 소음

Description

임팩트 소음 독성 및/또는 폭발 과압 노출에 대한 나노-이과적 보호 장치{NANO-OTOLOGIC PROTECTIVE EQUIPMENT FOR IMPACT NOISE TOXICITY AND/OR BLAST OVERPRESSURE EXPOSURE}
본 발명은 후충격 청각 장애를 보호하는 분야와 관련되며, 보다 상세하게는 청각 기관에 손상을 주는 과도한 충격파를 막아주기 위하여 귀도(ear canal)에 삽입되거나 또는 외이(outer ear)에 고정되는 물리적 장치에 관한 것이다.
전장에서의 군인들에 의해 경험하듯이 폭발 과압(blast overpressure)으로부터 보호를 제공하는 장치들이 필요하다. 통신은 전투력에 있어 공통의 중요한 자산이다. 전투 구성요소들은 팀으로서 기능하며, 예기치 못한 우연한 상황에 대응하여 곧바로 반응할 수 있어야 한다. 즉각적이고 방해받지 않는 통신은 기본적으로 중요하며, 전투 필드의 전술 유닛 사이 또는 내에서 효율적이고 풍부한 통신을 보장하는 지대한 노력이 이루어져 왔다. 하지만, 이러한 통신 네트워크에 대한 결정적인 태도는 폭발에 기인한 청각 손실을 빠뜨리고 간과하였다. 현재 폭발로 부상을 당하는 전장의 부대들은 64% 청각 손실을 경험하며, 곧바로 투입될 수 있는 막사 내의 병상들에도 일시적인 손실을 나타내어, 전체로 체인을 이루는 최전선 병사들에 있어서 가장 결정적 영향을 끼친다.
500년을 넘는 동안, 국가들은 전쟁을 수행하기 위해 폭약을 사용해 왔다. 외과 기술의 개선 및 쇼크 외과 증상 팀의 창설로 인한 최전방 메디컬 자산들은 폭발 충격으로 사망 반경을 현저히 줄였다. 개인적인 방어 장비 및 갑옷의 사용은 전장에서의 효과적인 전력을 장기간 유지하도록 폭발물의 유효 범위 상에서 사지 절단 및 부차적인 사지 손상을 감소시킨다. 충격 지역으로부터 수백 미터 떨어진 소위 고막 파열 지역에서 겪게 되는 청각 데미지는 전장 질병 및 전술 무능화의 알려지지 않은 요소로 남아 있다.
목표에 근접한 영역에서는, 폭발력은 중간 이소골(ear ossicles)을 밀어내어 고막을 파열시키는 것뿐만 아니라 사람간 통신에 있어 가장 유용한 특정 주파수 범위에서의 내귀의 감각세포를 파괴하는 특정 물리적 압력을 가지는 높은 압력파를 생성할 수 있다. 이러한 중대한 청각 손실은 전장 폭발의 근접지에서 생성된 소리파 강도의 갑작스런 임펄스 상승에 의하여 발생한다. 그러한 손실은 즉각적이고 되돌릴 수 없다. 이과적 무력화 지역 내에서의 병사들은 종종 노출 직후에 명령에 반응하지 않는 것을 제외하고는 청각 손실의 외적 신호를 나타내지 않는다. 무력화된 팀 멤버가 명령에 응답할 수 없을 때 효율적인 전력 자산의 전장 관리는 종속적으로 손상된다. 구성원 응집력의 손실은 미션 도달을 방해한다. 귀중한 시간이 효과적인 전력이 이러한 손실된 상황에 적응하고 있을 때 허비된다.
군의관 관청에 의하면, 폭발 부상을 당한 병사들의 청각 손실은 전장 부상의 가장 높은 카테고리보다 훨씬 높은 64% 정도로서 현재의 테러리즘에 대한 전쟁에서 효과적 전력을 심각하게 약화시키는 결과를 발생한다. 20세기 중반으로의 기록이 시작된 이후로 2004년 기록이 전투 부상 청각 손실에 있어 가장 높은 증가율을 가졌다. 예를 들어, 기록에 포함된 기간은 2차 세계대전(WW II), 한국 전쟁, 베트남 전쟁, 레바논 전쟁, 걸프 전쟁, OIF/OEF(Operation Enduring Freedom/Operation Iraqi Freedom) 등이다.
2005년 청각 보호기 효능의 조사에서, 작동 상태하에서, 시험된 모든 기기들은 OIF에서 발생한 폭발에서 경험된 소리의 피크보다 훨씬 낮은, 130dB 보다 낮은 C-가중치 피크 레벨로 약화시켰다. 실제로, 이러한 기기들은 소음을 10-30dB 만큼만을 약화시켰다.
폭발 근접성은 크기보다 더 중요하다. 1 에서 20 킬로그램의 TNT 폭약의 기존의 폭발 범위에 대한 연구는 폭발의 근접성이 폭발력의 크기보다 더 중요하다고 보고한다. 6 미터보다 먼 거리에서 부상자는 아마도 죽을 부상은 가지지 않을 것이다. 군 개인 주택에서의 SCUD 미사일 폭발은 172 명의 귀를 부상시켰다. 86명의 입원자들 중에서 76%가 고막 파열을 가졌다. 폭발의 거리가 측정되고, 폭발의 거리는 산출된 파형의 수학적 모델을 구성하는데 사용되었다. 병사들의 50%가 185dB(15 PSI)에서 고막 파열을 경험할 것이다.
고막 파열과 같은 중이(middle ear) 데미지는 항상 달팽이관 데미지의 표시이다. 중요한 점은 검사를 요구한다. 고막은 외과적으로 고칠 수 있다. 하지만, 달팽이관 손상을 고치는 어떠한 의료적/외과적 기법은 없다.
군사적 어플리케이션으로서, 청각 기관의 보호는 직업적 및 산업적 면에서 중요하다. 산업 분야에서 임팩트 소음은 군사 분야에서 폭발 과압과 유사한 문제를 나타낸다. 미국 노동청에 의하면, 만 명의 노동자당 28.4명은 심각한 청각 손실을 가질 수 있다. 천만 명은 영구적인 청각 손실을 경험하며, 3천만 명은 매일 위험한 소음 레벨(NIOSH)에 노출된다.
전자 귀마개와 같은 산업 기기들은 손상된 청력이 경고벨을 들을 수 있도록 외부 소음을 증폭시킨다. 문제는 산업 기기들이 소음 및 직접 커뮤니케이션을 동일한 강도로 전달하며, 둘 사이에 어떠한 구분도 할 수 없다는 것이다. 산업 기기들은 소정의 dB 범위보다 높은 소음(보통 85 dB로 정해짐)을 전기적으로 전달하지는 않지만, 중이 및 내이로 진행하는 약해지지 않은 해로운 소리 에너지를 가로챌 수 없다.
데시벨은 소리 압력 레벨이다. 귀속말은 20-30 dB이고, 보통의 연설은 약 50-60 dB이다. 약 30미터에서의 제트 엔진은 150 dB이다. 시끄러운 공장은 90 dB이다. 2 미터에서의 공기 해머는 100 dB이다. 100 마일에서의 크라코토아 화산 폭발은 180 dB 였다. 발사된 라이플 총은 140 dB이다. OSHA는 보통의 주당 40 시간이상 85 dB 이상에서는 위험한 청각 손실을 규정한다. 세계의 다른 파트에서의 기준들은 좀 더 엄격하다.
이스라엘 의료 협회는 시내 버스로의 자살 테로 공격에서 살아 남은 34명의 사람 중에 33명이 청각 데미지를 경험하고, 하지만 모든 환자들은 폭발에 근접 지역에서 영향을 받지 않는다는 정전기능을 나타내는 보통의 전기안전검사를 가졌다. 다시 말해, 좀더 약한 청각 기관이 골고루 손상받는 동안 반고리관의 골성 포장이 폭발 과압력에 대항하여 그것들을 보호하였다.
과거에는, 귀마개 또는 청각 보호기를 제공하기 하려는 다양한 시도들이 있어 왔다. 이러한 과거 시도들은 "수동 청각 보호기"로 명명된 미국등록특허 4,807,612호, "개선된 가청도를 가지는 귀마개"의 미국등록특허 5,113,967호, "큰 소음에 대한 청각 보호기"의 미국등록특허 6,070,693호, "선택적 비선형 감쇄 귀마개"의 미국등록특허 6,148,821호 등을 포함한다. 이러한 과거의 시도들이 시끄러운 소음에 대한 보호 또는 약간의 감쇄를 제공하지만, 그것들은 보통의 청각을 실질적으로 제한하지 않거나 또는 역으로 작용함으로써 본 발명에서 제공하는 보호를 제공하지 못하였다.
관련된 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 발명자 Rick Rogers, Brendan Clifford 및 Oldmixon Eben 이 2006년 1월 10일에 출원된 "Nano-Otologic Protective Equipment for Impact Noise Toxicity and/or Blass Overpressure Exposure"라는 제목의 미국 가출원 60/757,673호 및 발명자 Rick Rogers, Brendan Clifford, Robert Westervelt, John Hutchinson 및 Howard Stone 이 2006년 5월 15일에 출원된 "Sound Aperture Protective Equipment for Impact Noise Toxicity and/or Blass Overpressure Exposure"라는 제목의 미국 가출원 60/747,246 호의 우선권 혜택을 주장합니다.
앞서 언급된 우선된 출원의 내용은 본 출원에 전부 포함됩니다.
해결하고자 하는 과제 및 과제 해결 수단
본 발명은 군사적 또는 산업적 활동에 있어 외이를 커버링하도록 착용하거나 또는 개인의 귀도에 삽입되는 마이크로기기 및 컴포넌트를 활용한 귀 보호 수단에 의하여 청각 손실을 보호한다. 해법은 청각 기관의 해부학적 특징, 청각 생리학의 광범위한 이해, 전투에서 부상당한 병사들에 대한 첫번째 의료적 평가 및 나노 기술과 디자인의 최신 공학적 응용 등을 이해하는 다중 학문에 바탕을 둔다. 본 발명으로부터의 장치는 단순히 선택된 소리를 걸러내거나 증폭시키는 청각 보조기와는 유사하지 않다. 대신에, 본 발명에서의 장치는 고 에너지 음향파를 차단하고 및/또는 귀도로부터 멀어지도록 고 에너지를 반사시키며, 보통의 청취 및 대기 환경에 대한 저 강도의 소리파는 지나치도록 한다.
본 발명의 바람직한 실시예의 청각 손실 보호 장치는 제1 및 제2 끝단을 구비하며, 확장되는 채널을 구비한 소프트 컴플라이언트(soft compliant) 물질을 포함하는 바디; 상기 바디의 상기 하나의 끝단에 인접하게 위치하며 상기 바디를 통하여 확장되는 상기 채널과 정렬된 홀을 포함하는 음향 림프 물질; 및 상기 음향 림프 물질의 입구(opening)을 커버하며, 10 μm두께보다는 작으며 실질적으로 보통의 청각을 손실시키지 아니하고 상기 채널을 통하여 갑작스런 에러의 대량 흐름을 저지시키는 부재를 포함한다.
다른 실시예에서는, 본 발명에 따른 청각 손실 보호 장치가 제공된다. 상기 장치는 파워 공급기; 에너지 활성화 센서; 소리를 수신하는 입력 기기; 고막 쪽으로 신호를 전송하는 출력 기기; 상기 입력 기기 및 상기 출력 기기 사이의 진공 튜브 챔버; 및 적어도 상기 입력 기기, 상기 진공 튜브 챔버 및 상기 출력 기기를 둘러싸는 멤브레인을 포함한다. 상기 입력 기기, 출력 기기, 진공 튜브 챔버 및 멤브레인은 인간의 귀도 내에 맞는 어셈블리의 적어도 하나의 일부를 형성할 수 있다. 상기 에너지 활성화 센서는 하우징 및 복수의 다이오드를 포함할 수 있다. 다른 대안으로, 상기 에너지 활성화 센서는 탄력적 멤브레인, 상기 탄력적 멤브레인에 연결되는 미러 요소(mirrored element), LED, 제1 다이오드 감지 어레이, 제2 다이오드 감지 어레이, 및 스위치를 포함하며, 상기 LED는 제1 감지 다이오드 어레이 방향으로 광을 전송한다. 보통의 동작 동안에는 제1 다이오드 감지 어레이가 상기 LED로부터 광을 수신하여 상기 스위치로 하여금 제1 상태로 있도록 한다. 음향 충격파의 수신 동안, 반사 요소는 위치가 옮겨져 상기 LED로부터의 광을 제1 다이오드 감지 어레이 방향에서 벗어나게 하며, 제2 다이오드 감지 어레이 방향으로 향하도록 하여 상기 스위치를 제2 상태로 있도록 한다.
또 다른 실시예에서의 청각 손실 보호 장치는 제1 및 제2 반사 디스크; 및 상기 제1 및 제2 반사 디스크 사이의 탄성 나노 파티클 벌룬(balloon)을 포함하며, 상기 벌룬(balloon)은 나노 파티클들 및 저점도 유체로 채워지는 멤브레인을 포함하며, 상기 나노 파티클들은 상기 벌룬이 압축될 때 디스크 같은 구조를 형성하는, 어셈블리; 상기 어셈블리를 둘러싸는 멤브레인; 에너지 활성화 센서; 및 상기 어셈블리 및 상기 센서에 에너지를 공급하는 에너지 소스를 포함한다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에서의 청각 손실 보호 장치는 제1 및 제2 끝단(end)를 포함하며, 상기 제1 및 제2 끝단 사이에서 길이가 확장되는 하우징; 상기 하우징의 길이에 실질적으로 평형하며 비어 있는 제1 복수 마이크로 튜브들; 상기 하우징의 길이에 실질적으로 평형하며, 각각은 디스크들의 스택으로 채워지며, 상기 디스크 각각은 바디, 적어도 하나의 소리 개구, 정렬 패트 및 비정렬 패드를 포함하는 제2 복수 마이크로 튜브들; 상기 마이크로 튜브 내의 상기 디스크 스택 내에서 상기 개구들의 정렬시키며 상기 제2 복수 마이크로 튜브들의 각각을 감싸는 제1 감싸개; 및 상기 마이크로 튜브 내의 상기 디스크 스택 내에서 상기 소리 홀들을 정렬시키며 제2 복수 마이크로 튜브들의 각각을 감싸는 제2 감싸개를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예의 청각 손실 보호 장치는 하우징; 파워 공급기; 필드 코일; 에너지 활성화 스위치; 및 안테나를 포함하며, 상기 스위치는 음향 충격파가 상기 스위치에 수신될 때 상기 음향 충격파 동안 상기 달팽이관 상으로 외유모세포(outer hair cell)를 실질적으로 마비시키도록 귀의 달팽이관 쪽으로 상기 안테나에 의해 인도되는 전자기장을 생성하는 필드 코일을 활성화시킨다.
본 발명의 다른 양태, 기술적 특징, 이점은 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명의 다른 실시예 및 세부적인 사항들이 변경될 수 있다. 따라서, 도면 및 설명은 본질적으로 설명을 위한 것이며, 한정하는 것은 아니다. 본 발명의 추가적인 목적 및 이점은 후술하는 설명에 의해 기재되어 있거나 또는 그러한 기재로부터 명확하거나, 본 발명의 실시에 의해 얻어질 수 있다.
도면의 간단한 설명
본 발명의 좀 더 완전한 이해 및 장점들은 다음의 설명 및 후속되는 도면에 의해 이루어진다.
도 1a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 청각 손실 보호 장치의 사시도이다.
도 1b는 본 발명의 바람직한 실시예에서의 도 1a의 청각 손실 보호 장치의 측면도이다.
도 2a는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에에 따른 청각 손실 보호 장치의 사시도이다.
도 2b는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에서의 도 2a의 청각 손실 보호 장치의 측면도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따라 구성된 장치를 도식적으로 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예의 다른 배열을 도시적으로 보여주는 도면이다.
도 5a는 본 발명의 바람직한 제4 실시예에 따른 장치의 사시도이다.
도 5b는 본 발명의 바람직한 제4 실시예에 따른 장치의 측면 및 단면도이다.
도 6a 및 6b는 본 발명의 제4 실시예의 부분을 형성하는 나노 파티클들로 이루어진 압축된 실리콘 멤브레인의 구조를 보여주는 평면 및 측면도이다.
도 7a 및 7b는 본 발명의 제4 실시예의 부분을 형성하는 소리 흡수기로 의도된 나노 파티클들로 채워진 디스크 형상 가방(bag)의 제2 구조를 보여주는 평면 및 측면도이다.
도 7c 및 7d는 본 발명의 제4 실시예에서의 나노 파티클들의 동작을 도식적으로 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따라 인접한 사람의 귀에서의 장치의 배치에 대한 다른 배열을 도식적으로 보여주는 도면이다.
도 9는 본 발명의 제5 실시예를 도식적으로 보여주는 도면이다.
도 10은 본 발명의 제5 실시예에 따른 튜브를 도식적으로 보여주는 도면이다.
도 11은 본 발명의 제5 실시예에 따른 디스크의 구조를 도식적으로 보여주는 도면이다.
도 12는 본 발명의 제5 실시예에 따라 자화용 메탈과 같이 코팅되고 통공이 있는 나노 파티클의 예를 보여주는 도면이다.
도 13은 본 발명의 제6 실시예에 따른 장치를 도시적으로 보여주는 도면이다.
도 14는 본 발명의 바람직한 제6 실시예에 따른 장치의 배치를 도시적으로 보여주는 도면이다.
도 15는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광자 에너지 활성화 스위치를 도시적으로 보여주는 도면이다.
도 16a 및 16b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 소리 에너지 활성화 스위치를 개략적으로 보여주는 도면이다.
발명의 실시를 위한 구체적인 내용
귀도(ear canal)는 인간의 기관 속으로 진입하여 손상을 주는 소리파(sound wave)에 대하여 가장 약한 부분이다. 인간 몸은 뼈의 방어적인 본질에 대하여 이미 충분한 증거를 가지고 있다. 뼈에 완전히 싸여진 유일한 기관은 몸의 균형 및 위치 감지 기관으로 알려진 정전 기관(vestibular system)이다. 세반고리관(semicircular canal)이 청각 기관으로부터 오직 수 밀리미터 정도 떨어져 있고 달팽이관 균형의 손실에 유사한 섬세한 감지 세포를 가짐에도 불구하고, 지각(perception)은 폭발적인 폭음 후에는 좀처럼 무력화된 상해는 아니다.
균형 및 위치 기관(세반고리관 시스템)은 세가지 중요한 면에서 청각 기관과 유사하다:(1) 양자 모두 뼈에 둘러싸여 있다; (2) 균형 기관 및 청각 기관은 서로 수 밀리미터 이내에 있다; (3) 양자는 신경 전달을 위하여 섬세한 감지 세포를 가진다.
본 발명과 관련하여 청각 손실 방지 장치의 바람직한 제1 실시예는 도 1a 및 1b에 도시된다. 이 실시예는 또한 음향 격리 어셈블리(acoustic isolator assembly)로 칭할 수 있다. 도 1a 및 1b는 귀도 내에 위치하는 음향 격리 어셈블리의 사시도 및 측면도이다. 바람직하게는 소프트 컴플라이언트 물질(soft compliant material)로 이루어진 바디(110)는 그곳으로 확장된 복수의 채널들(130)이 제공된다. 채널들은 예를 들어, 소리-전송 폴리머 튜브들일 수 있다. 바디(110)는 바람직하게는 귀도에 맞게 형상화 될 수 있다. 바디(110)의 형상은 예를 들어 실린더 형상일 수 있다. 구별되는 컴포넌트(component) 층(120)을 형성하는 음향 림프 물질(acoustically limp material)은 바디의 끝단(end)에 연결되거나, 밀봉되거나(secured), 또는 부착된다. 복수의 채널(130)은 음향 림프 물질(120)을 통하여 확장된다. 예를 들어, 마일라(Mylar)와 같은 고강도 폴리머로 이루어지는 필름 또는 디스크(140)로서 보이는 컴포넌트(component; 구성)는 음향 림프 물질(120)의 끝단(end) 위에 위치하거나 밀봉되어(secured) 채널(130)의 입구(opening)을 커버하거나 실링(sealing)할 수 있다. 필름 또는 디스크(140)는 평평하거나 둘러싸이는 형상이며, 대략 10 마이크로미터 정도의 두께를 가질 수 있다. 작동하는 필름 또는 디스크(140)는 바람직하게는 음향 림프 물질(120)의 끝단(end)과 직접 접촉한다. 바람직하게는, 필름 또는 디스크(140)는 채널의 입구(opening; 132)를 밀봉한다. 필름 또는 디스크(140) 컴포넌트는 다른 대안으로 고강도 소리 에너지에 대한 응답을 차단시키는 플랩(flap)을 형성하는 한쪽 변에 부착될 수도 있다. 다른 실시예에서는, 폐쇄(closure)는 수동적이며, 이러한 폐쇄는 플랩을 컴포넌트(120)에 대항하여 내리거나, 닫거나 밀봉시키도록 밀어내는 소리 에너지의 물리적 힘으로부터 발생한다.
충격파 차단 필름 또는 디스크(140)는 두 가지 기준을 동시에 만족시켜야 한다. 그것은 대기의 소리 전송을 방해하지 않도록 충분히 얇아야 하며, 그것은 하나 또는 두 공간의 과압(overpressure) 하에서 파괴되지 않도록 충분히 강해야 한다. 모델링 작업은 상업적으로 사용되는 고강도 폴리머들 중의 하나인 마이크론-두께 필름이 이러한 두 요건을 만족시킬 수 있다는 것을 보여준다. 구체적으로는, 10-마이크론 필름의 질량/면적은 보통의 소리 전달에 거의 영향을 끼치지 못할 만큼 충분히 작다. 조정된 반경에 의하여, 그것은 두 개(또는 그 이상)의 공간에서의 과압을 견딜 수 있다. 필름(및 귀마개 실(seal))에 의한 보호의 필수 메커니즘은 고막 필름에서 압력을 유지함에 의하여 귀도를 통한 과도한 공기 흐름을 막는 것이다. 그리하여, 중이의 귓속뼈(ossicles)를 통하여 달팽이관 타원 윈도우(oval window)로 전달되는 파괴력을 최소화하는 것이다. 이러한 기능을 이해하는 핵심은 귀 내부의 압력(한 공간의 과압력에 대응)을 두 배로 하는 것은 내 귀(inner ear)에서의 공기의 질량을 대략 두 배로 증가시킴을 요구하는 것으로 인식하는 것이다. 따라서, 마개/필름이 소리 전송과 관련된 예외적인 소량의 공기 흐름을 방해하지 않으면서 귀도를 통하여 갑작스런 압력 상승의 스텝 함수(step function)에 의해 발생되는 공기의 대량 흐름을 막을 수 있다면, 그것은 현저한 과압력에 대하여 내 귀(inner ear)를 효과적으로 보호할 수 있다.
소리 채널을 커버하는 필름의 두께 및 성질의 선택에 적합한 세가지 결과가 제시된다. 첫째, 필름을 통한 소리파의 전송에 있어서 필름의 밀도(ρm) 및 두께(t)에 대한 효과에 대한 1-차원 해석의 결과이다. 이 해석에 있어서, 필름은 지지되지 않으며(지지에 대한 효과는 다음 단락을 참조), 자유롭게 진동하며, 오직 필름의 질량이 파의 진행을 방해한다. 주파수(ω) 및 압력 진폭(pI)의 입사 소리파가 필름에 의해 '저지(block)'되는 것을 고려한다. 전송된 압력(pT)은 필름의 나머지면 상으로 공기 중의 필름을 통하여 전송되는 파의 진폭으로 한다. 고전적인 분석은 입사 진폭(incident amplitude;pI) 및 전송된 진폭(transmitted amplitude;pT) 사이에 다음식의 관계를 보여준다.
Figure 112008057138422-PCT00001
여기서, ρair 및 cair는 공기 중에서 소리의 밀도 및 속력이다. 밀도가 (0~103kg/m3)이며, 두께가 1~10 μm인 폴리머 필름에 대하여, 전송파는 본질적으로 주파수 0~104s-1에 대하여는 필름에 의하여 변경되지 않을 것이다.
상기의 계산은 필름이 귀마개를 통하여 채널의 에지 주위로 굳건히 부착될 수 있다는 것을 간과한다. 채널의 반경에 대응되는 반지름 R의 고정 원판의 필름을 고려해 본다. 상기 판의 최소 진동 주파수는 다음식과 같다.
Figure 112008057138422-PCT00002
여기서, Em 및 υm은 필름의 탄성 계수 및 포와송 비이다. 반지름 1 mm 및 두께가 10 μm 정도의 폴리머 필름에 대하여는 최소 진동수는 104s-1 범위(order) 정도이다. 반지름 2 mm이면, 최소 주파수는 4 배 정도 낮아진다. 상기 언급된 두 가지 결과의 의미는 필름은 103s-1 보다 낮은 주파수를 가지는 소리파에 정적에 유사하게 반응할 것임을 보여준다.
디자인에 있어 가장 엄격한 제한은 필름이 채널에서 소리파들의 진폭을 제한하지 않는다는 요건이다. 소리파에서의 공기 파티클 모션의 진폭(δ)는 압력(pI)는 다음 수학식과 같은 연관이 있다.
Figure 112008057138422-PCT00003
압력(pI)를 받는 상황에서 고정된 원형 필름은 다음 수학식(상기의 유사-정적 해석에 바탕을 둔)에 의한 변형(δmembrane)을 거칠 수 있다.
Figure 112008057138422-PCT00004
내귀(inner ear)로의 소리 전파의 감소를 피하기 위하여, 필름 변형은 파티클 모션의 진폭(δ)보다 현저히 작지는 않아야 한다. 반경 1mm 및 두께 10 μm 보다 큰 필름은 이러한 요건을 만족시키지 않지만, 두께 1 μm 인 필름은 쉽게 만족시킨다. 약 6 μm 인 필름 두께는 보통의 청력을 실질적으로 감소시키지 않으면서 갑작스런 과압으로부터 보호를 충분히 제공하는 요건을 만족하지만, 두께 2 μm 인 필름은 현재 최적 값으로 판단된다. 필름 두께의 기능으로서 소리 전파의 실험은 청취의 질이 필름에 의해 현저히 감소되지 않는다는 것을 확립시킬 수 있다.
두께 1~10 μm 정도 및 반경 1 mm 정도의 원형 고분자 필름은 대기의 과압(△p) 또는 그 이상의 압력을 차단할 수 있을까? 두 가지 계산이 잘 선택된 필름 물질이 두 개의 실패 모드(failure mode)에서 이러한 과압을 견딜 수 있다는 것을 보여준다. 첫째, 필름 외주면의 깍임(shear-off)을 고려한다. 기본적인 평형식은 필름의 비틀림 강도(τm)가 다음 수학식을 만족하여야 함을 요구한다.
Figure 112008057138422-PCT00005
대기(0.1 MPa)의 과압을 견딜 수 있도록 1 μm 만큼 얇더라도 필름의 수명을 보장하기 위한 비틀림 강도(~50MPa)가 충분한 박막(thin film) 폴리머 물질이 존재한다. 다음으로, 필름의 외주면에 필름의 인장 강도(tensile strength)를 고려한다. 이 경우, 필름의 인장 강도(σm)는 다음 수학식을 만족시켜야 한다.
Figure 112008057138422-PCT00006
여기서, α는 외주면에서의 필름의 편향각(deflection angle)이다. 일반적인 연성을 가정하면, 필름은 0~30°정도의 편향각을 견딜 수 있어야 한다. 또한 실패 모드에서는 여러가지 대기압의 과압력을 견딜 수 있는 1 μm 또는 그 이상의 얇은 필름(박막)이 선택된다.
압력 펄스 전파에 대한 점성 효과: 소리 전파의 가장 간단한 케이스로서 관심있는 구조에서 파 방정식(wave equation)을 푸는 것으로 충분하다. 예를 들어, 진폭이 작을 때 임의의 신호는 푸리에 시리즈로서 나타낼 수 있고, 각 푸리에 모드(주파수 ω)는 소리 속도(c)로 전파한다. 전파하는 신호의 파장 λ는 c/ω이다.
기체에서의 점성 효과는 파 전파를 감쇄시킨다. 점성 효과는 정지된 벽에서 유체의 속도는 영이라는 노슬립 경계 조건에 의하여 견고한 경계 주위에서 나타난다. 물론 점성 감쇄는 제한된 소리 감쇄만 있다면 필요하지 않다.
점성 효과를 산출하기 위하여, 모든 오실레이션 유체 흐름(작은 진폭 소리 신호는 진동하는(oscillatory) 유체 모션에 대응된다)에서 점성 효과가 전형적으로 나타나는 강성 면(rigid wall) 부근의 경계층의 좁은 영역이 있음을 주목할 필요가 있다. 상기 층(δ)의 두께는 대략 (υ/ω)1/2이고, 여기서 υ는 유체의 동점도이다. 따라서, 제한된 좁은 폭(W)을 통한 소리의 전파에 있어서, 상기 층의 두께 δ= (υ/ω)1/2< W 이기만 하면, 점성 효과는 무시할 수 있다고 예상된다. 상온 및 상압에서의 공기의 동점도 υ는 10-5 m2/sec이다. 일반적인 1000Hz의 가청 주파수에 있어서, 경계층 두께는 약 100 마이크로미터이며, 이것은 약 인간의 머리카락 두께 정도이다.
본 발명의 청각 손실 보호 장치의 바람직한 제2 실시예가 도 2a 및 도 2b에 제시된다. 상기 실시예는 음향 격리 어셈블리로서 칭할 수도 있다. 도 2a 및 2b는 귀도 내에 위치하는 음향 격리 어셈블리의 사시도 및 측면도를 보여준다. 바람직하게는 소프트 컴플라이언트 물질(soft compliant material)로 이루어지는 바디(210)는 그것을 따라 확장되는 채널(230)이 제공된다. 바디(210)는 바람직하게는 귀도에 알맞게 형상화 된다. 예를 들어, 바디(210)의 형상은 실린더 형상일 수 있다. 음향 림프 물질(acoustically limp material; 220)은 바디(210)의 끝단(end)에 연결되거나, 밀봉되거나(secured) 또는 부착된다. 채널(230)은 음향 림프 물질(22)을 통하여 확장된다. 예를 들어 고강도 폴리머로 만들어지는 필름 또는 디스크(240)는 음향 림프 물질(22)의 끝단 상에 위치하거나 실링되어 채널(230)의 입구(opening; 232)를 커버하거나 실링(sealing)한다. 필름 또는 디스크(240)는 평평하거나 둘러싸이며, 수 마이크로미터에서 수십 마이크로 미터의 범위의 두께를 가질 수 있다. 필름 또는 디스크(240)는 바람직하게는 음향 림프 물질(220)의 끝단과 직접 접촉한다.
본 발명에 따른 장치는 바깥 입구(132, 232)를 커버하는 고강도 필름(140, 240)을 구비한 소리 전파 튜브 또는 튜브들(130, 230)을 활용함으로써 귀도에 수직하는 방향으로 충격파 에너지를 선택적으로 가로채고 반사시킬 수 있다. 튜브(130, 230)는 고강도 음향 림프 물질(120, 220)로 둘러싸이며, 외이 커널에 삽입될 수 있다. 필름(140, 240)은 고 에너지 음향파를 반사할 것이지만, 보통의 소리및 대기중의 소리에 대하여는 낮은 강도 소리파로 투과될 것이다.
수 마이크론 정도의 두께를 가지며 고 에너지 음향파를 반사할 수 있는 고강도 폴리머 필름(140, 240)은 최전선 통신을 위하여 무해한 소리 전송이 허용되도록 디자인된 하나 또는 그 이상의 작은 반지름 홀(130, 230)을 덮는다. 어셈블리는 컴플라이언트 메디컬 그레이드 실리콘(150, 250)에 완전히 싸여질 수 있고, 귀도속 또는 연골/뼈의 인터페이스 근방으로 삽입될 것이다.
작동에 있어서, 충격파 차단 필름(140, 240)은 두 가지 필수적 기준을 만족하여야 한다: 그것은 대기의 소리 전송을 방해하지 않도록 충분히 얇아야 하며, 그것은 하나 또는 두 공간의 과압 하에서 파괴되지 않도록 충분히 강해야 한다. 모델링 작업은 상업적으로 사용되는 고강도 폴리머들 중의 하나인 마이크론-두께 필름이 이러한 두 요건을 만족시킬 수 있다는 것을 보여준다. 구체적으로는, 10-마이크론 필름의 질량/면적은 소리 전달에 거의 영향을 끼치지 못할 만큼 충분히 작다. 조정된 반경에 의하여, 그것은 두 개(또는 그 이상)의 공간에서의 과압을 견딜 수 있다. 필름(및 귀마개 실)에 의한 보호의 필수 메커니즘은 고막 필름에서 압력을 유지함에 의하여 귀도를 통한 과도한 공기 흐름을 막는 것이다. 그리하여, 중이의 귓속뼈를 통하여 달팽이관 타원 윈도우로 전달되는 파괴력을 최소화하는 것이다. 이러한 효과를 이해함에 있어서, 두 공간의 과압은 대략적으로 귀도 영역 내에서 공기의 질량을 순간적으로 두 배로 하는 것을 요구함을 인식하여야 한다. 따라서, 마개/필름이 귀도를 통하여 갑작스런 압력 상승의 스텝 함수에 의해 발생하는 공기의 대량 흐름을 막을 수 있다면(소리 전송과 관련된 예외적인 소량의 공기 흐름을 방해하지 않으면서), 그것은 현저한 과압력에 대하여 내귀(inner ear)를 효과적으 로 보호할 수 있다.
본 발명의 몇 실시예가 군사적인 문구상에서 서술되지만, 모든 실시예들은 군사적 상황 외의 다른 많은 환경 또는 상태에도 적용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 제3 실시예에서는, "진공 삽입"으로 칭해질 수 있는 개념이 도입될 수 있다. 일반적으로 말하면, 제3 실시예는 귀도 내의 진공 챔버의 끝단들에 부착되는 마이크로 회로(circuitry)를 구비하여 실리콘 고무로 봉인된 캐버티들(silicone rubber-covered sealed cavities)로 구성된 청각 보호 기법을 사용한다.
도 3에서 보는 바와 같이, 본 발명의 바람직한 제3 실시예는 파워 공급기(310), 에너지 활성화 센서 또는 스위치(320), 및 실리콘 멤브레인(330)을 포함하며, 실리콘 멤브레인(330)은 내부에 입력 기기 또는 수신기(340), 진공 튜브 챔버(350) 및 출력 기기 또는 전송기(360)를 포함한다. 에너지 활성화 센서 또는 스위치는 다양한 구조 또는 배열 중에 하나이며, 이러한 것 중에 두 개는 도 15 및 도 16a 및 16b와 관련하여 논의된다. 예를 들어, 에너지 활성화 센서는 30 마이크로초 단위보다 작은 응답시간 간격을 가진다. 다른 응답 시간은 다양한 환경하에서 적절하고 유용할 수 있으며, 본 발명에서는 어떠한 특정 센서 또는 스위치 또는 어떠한 특정 응답 시간으로 한정하지 않는다.
입력 기기(340)는 상기 기기를 통하여 신호를 전달 또는 전송하는 회로 또는 다른 수단(미도시)를 구비한다. 신호는 예를 들어 진공을 통한 양자, 전기적 선, RF-에너지 선 등의 임의의 수단을 통하여 전달 또는 전송될 수 있다. 출력 기 기(360)는 입력 기기로부터 신호를 수신하며 고막으로 소리를 유도한다.
입력 기기는 특정한 주파수 범위에서 소리를 전송하도록 디자인된다. 예를 들어, 말하기 명령 및 다급한 상황에서의 소리의 500에서 4000 Hz 주파수 범위가 유선, 전자기장 또는 레이저 전달 광 에너지에 의하여 진공 챔버를 통하여 고막에 인접한 수신기에 전달될 수 있다. 전자기장 브로드캐스트가 활용되면, 전송기(350)의 효율적인 전송 범위는 10cm 보다 작아질 수 있고, 한 쪽 편에 시스템 손실을 발생하지 않는다면 불필요한 반대측 청각을 가동시킬 수 있다. 에너지 활성화 센서 또는 스위치(320)는 유입되는 음속 광풍(blast)에 반응하며, 기기의 소리 전송 컴포넌트를 꺼지게 할 것이다. 청각 손상을 제한하기 위하여, 스위치 반응 시간은 대략 30 마이크로초로서 1 밀리초보다 짧을 것이다. 리셋 시간 간격은 30 마이크로초보다 짧을 것이다. 도청을 막기 위하여, 전송기(350) 및 수신기(330)는 예를 들어, 소수 암호화를 사용하는 쌍으로 될 수 있다. 본 발명은 암호화된 신호 또는 임의의 암호화된 신호의 특정 타입으로 한정되지 않는다.
본 실시예는 군사용, 산업용 또는 기타 등의 다양한 환경에 대하여 기기의 민감도 또는 센서들을 변경하여 조정함으로써 다른 구성을 가질 수 있다. 예를 들어, 군사용 구성에서는, 3 dB 허용치 구성이 사용될 수 있다: (1) 잠자는 구역; (2) 레크리에이션 지역; 및 (3) 대기중의 소음을 수용하는 혼합 구역. 더 작거나 큰 허용치 구성이 본 발명에서 제공될 수 있다. 동작 구성은 전투 모드, 이동 모드(트럭, 험비, 헬리콥터), 정적 모드. 바람직한 실시예의 다른 접근으로는 진공을 통한 양자적 소리를 전송하는 마이크로 성형(microfabricated) 양자 다단 레이저를 사용할 수 있다.
도 3에서는, 상기 장치는 고막(372) 및 귀도 입구(opening; 374) 사이의 귀도로 삽입되어 구성되는 것을 보여준다. 이러한 장치에서는 실리콘 멤브레인(330)이 통상의 귀도에 꼭 맞게 디자인되는 것이 바람직하다. 다른 배열로서는, 제3 실시예에서의 장치는 귀싸개(ear muff)와 같이 귀(380) 위로 맞게 구성될 수 있다. 머리 밴드, 헬멧, 모자, 머리 또는 바디 용기 또는 그와 같은 제3 실시예의 많은 다른 배열이 가능하며, 그러한 배열은 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
바람직한 제4 실시예는 도 5 내지 8과 관련하여 서술될 것이다. 예비적으로, 내귀와 접촉하지 않는 귀도 벽 폐쇄증을 가진 유아는 90 dB 청각 손실을 기록하는 것으로 알려진다. 이러한 지식을 이용하여, 본 발명의 제4 실시예는 폐쇄증 귀를 자극하는 귀도에서의 "인스턴트 뼈"를 형성하여 유입되는 압력 힘으로부터 청각 기관을 보호하는 개선된 폴리머 젤 화학 및 나노 스케일 구조를 활용한다.
귀도는 인간의 기관 속으로 진입하여 손상을 주는 소리파에 대하여 가장 약한 부분이다. 인간 몸은 뼈의 방어적인 본질에 대하여 이미 충분한 증거를 가지고 있다. 뼈에 완전히 싸여진 유일한 기관은 몸의 균형 및 위치 감지 기관으로 알려진 정전 기관(vestibular system)이다. 세반고리관이 청각 기관으로부터 오직 수 밀리미터 정도 떨어져 있고 달팽이관 균형의 손실에 유사한 섬세한 감지 세포를 가짐에도 불구하고, 지각은 폭발적인 폭음 후에는 좀처럼 무력화된 상해는 아니다.
균형 및 위치 기관(세반고리관 시스템)은 세가지 중요한 면에서 청각 기관과 유사하다:(1) 양자 모두 뼈에 둘러싸여 있다; (2) 균형 기관 및 청각 기관은 서로 수 밀리미터 이내에 있다; (3) 양자는 신경 전달을 위하여 섬세한 감지 세포를 가진다.
도 5a 및 5b는 귀도가 위치하는 음향 격리 어셈블리의 측면도 및 단면도를 보여준다. 복수의 소리 전달 폴리머 튜브들(510)은 높은 스프링 상수를 가진 젤을 사이에 두는 쌍으로 이루어진 양면 오목 디스크들(530, 540)에 의해 경계진 젤 또는 유체가 채워진 스페이서들(515)을 관통한다. 젤 스페이서들(515)은 팽창 또는 작동 시에 귀 속에 적합하도록 음향 격리 어셈블리로 하여금 채우는 용량(filling capacity) 및 보존 용량(reserve capacity) 형태로 변형을 주는 외부 표면에 표면 홈(peripheral groove)을 가질 수 있다. 작은 디스크들(520)은 스페이서들의 젤보다 밀도가 높은 나노 파티클들(710) 및 탄성 마이크로 벌룬(balloons; 720)을 포함한다. 디스크들(530, 540)은 바람직하게는 단단한 소리 반사 물질로부터 형성된다. 예를 들어, 디스크들은 도 6(a) 및 6(b)와 같이 달팽이 덮개처럼 형상화될 수 있고, 디스크들은 평판, 양면 오목, 볼록/오목 또는 양면 볼록의 형상이 될 수 있다.음향 격리 어셈블리는 실리콘 멤브레인(550)으로 덮힌다.
제4 실시예의 음향 격리 어셈블리는 구두 명령어 범위 및 즉각적인 동작 환경에서 보이는 에너지 범위와 같이 에너지 500에서 10000 Hz 범위의 소리 전달 채널들(212)을 닫으면서 귀도에서 뼈 같은 일관성을 가진 물질을 변형시켜 소리 압력에 있어 갑작스런 변화에 즉각적으로 응답한다. 모든 소리는 젤/나노 파티클 매트릭스를 통하여 외이 영역으로부터 고막에 전달된다. 젤(520)은 청각 기관에 손상을 주는 레벨에서의 에너지 전송을 감쇄시키도록 디자인된다. 도 5에서의 입사 압력파는 귀도 내부 방향으로 디스크를 옮기면서 외부 디스크(530)에 충격을 준다. 양면 오목 디스크들(530, 540)의 쌍은 도 5에서 보는 바와 같이 젤 공간(520)의 압축 유체를 실리콘 멤브레인(552) 속으로 압축시키는 음속 에너지로부터 압축된다. 남은 충격 에너지는 모든 소리의 파워 레벨이 낮아질 때까지 순차적으로 각 젤-나노 파티클 구조로 압축시키면서, 아래의 고무 같은 젤 공간들(520)을 통하여 다음 양면 볼록 디스크 쌍(530, 540)으로 나아간다. 바깥 실리콘 고무 멤브레인(550)은 내부 실린더 형상 기기로부터 옮겨진 유체 및 나노 파티클들의 저장소 역할을 한다. 젤(520)의 탄성 계수는 30 마이크로초 이하에서 다시 감겨지고 되돌아 오도록 조정된다. 도 7a, 7b 및 7d에서 보듯이, 젤 공간(520)이 압축될 때 나노 파티클들은 뼈같은 구조를 형성하며 서로 뭉친다. 이러한 방식으로, 젤은 에너지를 흡수하고 뭉친 나노 파티클들은 귀도의 장축에 수직인 각도로 소리를 전달한다. 바람직한 제4 실시예들은 수동 컴포넌트들로 구성되기에 에너지 활성화 센서 또는 스위치가 필요하다. 상기의 센서 또는 스위치의 범위는 본 발명의 기술분야에 속하는 자들에게 자명하다.
도 7a, 7b 및 7c에서와 같이, 젤 공간(520)이 압축될 때 나노 파티클들은 뼈같은 구조를 형성하며 서로 뭉친다. 이러한 방식으로, 젤은 에너지를 흡수하고, 뭉친 나노 파티클들은 귀도의 장축에 수직인 방향으로 소리를 전달한다. 바람직한 제4 실시예들은 수동 컴포넌트들로 구성되기에 에너지 활성화 센서 또는 스위치가 필요하다. 상기의 센서 또는 스위치의 범위는 본 발명의 기술분야에 속하는 자들에게 자명하다.
도 5 및 6에서의 제4 실시예서와 같이 장치가 귀도에 위치할 동안, 본 발명의 기술분야에 속하는 자는 많은 다른 대안이 있음을 인식할 수 있다. 도 8에서와 같은 귀싸개를 제4 실시예에 병합하거나 또는 귀도 외부의 다른 디자인 등이 대안이 될 수 있다.
본 발명의 바람직한 제5 실시예는 도 9 내지 12와 관련하여 개시된다. 본 발명의 바람직한 제5 실시예는 음향파의 편향 표면(deflector surface) 또는 나노 천공(nanoperforation)들을 형성하도록 전자기적으로 재배열(reorient)시킬 수 있는 다이폴 모먼트(dipole moment)를 가지는 나노 파티클들을 활용함으로써 음향파(acousitc waves)를 선택적으로 반사시킨다.
도 9에서와 같이, 컨테이너(910)의 장축을 따라 나열된 폴리머 마이크로 튜브들(920, 930)을 구비한 실린더 형상 컨테이너(910)는 고막(372) 및 입구(374) 사이에 위치하는 사람의 귀도(370) 내에 맞게 안착된다. 예를 들어, 마이크로 튜브(920, 930)는 직경에 있어서 10에서 100 마이크론 정도이다. 마이크로 튜브들은 작은 철 재질의 링 또는 외주면을 따라 강성체를 구비한 소프트(soft) 및 컴플라이언트(compliant) 폴리머로 구성될 수 있다. 도 10 및 11에서 보는 바와 같이 마이크로 튜브들(930)이 쌓여진(stacked) 디스크들(950)로 채워지는 반면에, 다른 마이크로 튜브들(920)은 대기의 소리 전송을 허용하도록 텅비게 된다. 채워지지 않은 마이크로 튜브들(930)은 상기 어셈블리들의 소리 에너지 변형을 종료시킬 것이다. 또는 장치의 민감도 및 동작 모드에 따라 열린 상태를 유지할 것이다. 마이크로 튜 브들(930)의 각각은 정렬 필드 코일(922) 및 비정렬 필드 코일(924)로 감겨진다. 다른 안으로, 마이크로 튜브(930)는 연결된 다수의 링 또는 트랙으로 만들어질 수도 있다. 바람직하게는 디스크들(950)은 뼈와 같은 밀도 및 소리 반사 및/또는 소리 흡수 특성을 가지는 물질로 만들어진다.
각 디스크(950)은 예를 들어, 마이크로 리소그라피 공정으로 형성된 스핀들 홀(spindle hall; 954) 내에 바디(952) 및 바디 내에 형성된 복수의 소리 개구(sound aperture)를 가진다. 작은 마이크로 성형 기둥 또는 와이어는 스택(stack) 상의 디스크들의 스핀들 홀을 통하여 확장된다. 각 디스크는 자기적 정렬 패드(958) 및 자기적 비정렬 패드(960)를 더 포함한다. 고 탄성의 튜브들 사이의 바닥 물질인 젤은 마이크로 튜브 어레이를 둘러싼다. 본 발명의 이전 실시예에서와 같이, 이 실시예에서도 귀의 바깥 주위를 감싸는 커버링으로서 다른 형태를 가질 수 있다.
도 11은 나노 디스크들을 보여주지만, 로드, 사각형, 사다리꼴 또는 불규칙 디스크들과 같이 나노 파티클들의 다른 타입들이 사용될 수도 있다. 예를 들어, 마이크로 튜브들은 도 12에서와 같이 소리를 감쇄시키는 나노 디스크들로 채워질 수 있다. 도 12에서의 나노 디스크는 소리 감쇄 물질(972)로 이루어지거나 코팅되고, 예를 들어 10nm 홀들이 있는 복수의 나노 천공(974)을 포함할 수 있다. 대안 또는 추가적으로, 도 12의 나노 디스크는 표면에 나노 돌기를 포함할 수 있다. 많은 다른 대안들이 해당 기술분야의 자들에게 자명할 것이다.
이 실시예의 추가적인 변화는 방탄복에 잡힌 총알과 같이 추진체의 궤적 끝 을 초과하여 가로지르는 고속의 소리파로부터 바디 캐버티를 보호하기 위한 보호막 또는 보호 코팅을 생성하는데 사용될 수 있다. 이러한 층은 방탄복 아래의 소리 개구(sound aperture)로 고려될 수 있다. 활성화(activation)는 스위치의 형태이거나 또는 자기장에 의한 나노 파티클들의 재배열에 따른 부분적 충돌일 수 있다.
압력 충격파에 의해 활성화된 스위치는 도 15 및 16과 아래 언급된 전자기장 생성 코일(980)을 켜고(turn on), 귀도의 장축에 수직인 음향 에너지를 재배열시켜 배열된 디스크들(950)을 소리 편향면(sound deflecting surface)들이 되도록 한다. 음향 충격파를 수신하는 동안, 채워진 튜브들은 그들의 길이에 수직인 방향으로 벗어날 수 있고, 이에 따라 빈 튜브를 통하여 발생하는 소리의 전송을 제한하거나 막을 수 있다. 컨테이너(910)는 외주면 상으로 세 개의 코일(980)을 가지며, 1 테슬라의 전자기장까지 생성할 수 있다. 상기 장치는 디스크들을 비정렬시키는 전자기장(Electro-Magnetic Field; EMF) 극성을 반전시킬 수 있다. 본 실시예에서는 회전하는 디스크들이 개시되지만, 분할된 원통, 실린더, 사다리꼴, 마름모, 정사각형, 직사각형, 원반, 타원 등의 형상을 가지는 나노 파티클들에 대한 디자인 등이 가능하다. 본 발명의 바람직한 실시예의 가능한 단점은 작동하지 않을 때 대기중의 소리 일부를 막을 수 있다는 것이다.
본 발명의 바람직한 제6 실시예는 외유모 세포(outer hair cell)는 바깥으로부터 전기적으로 자극될 수 있다는 연구 결과에 바탕을 둔다. 달팽이관 감지 셀의 전기적 자극 억제는 제6 실시예에서 소리 에너지가 내귀에서의 구조적 멤브레인을 따라 전달되는 것을 감쇄시키는데 사용된다. 상기 장치는 외유모 세포를 과분극시 키고(hyperpolarize), 소리 에너지의 구조적 멤브레인으로의 기계적 전달을 감쇄시킬 수 있다. 최종적인 효과는 달팽이관의 바깥 머리 셀에 소리 에너지 입력을 부여하는 것이다.
도 13 및 14에서 보듯이, 피부 또는 외귀(376)에 고정되는 귀 패치(400)는 파워 소스(710), 소리 압력 감지 스위치(720), 전자기장(EMF) 생성 코일(730), 광센서(740) 및 안테나(750)를 포함한다. 상기 장치는 도 13 및 14에서와 같이 외귀에 착용된 귀 패치의 형태일 수 있다. 또는 상기 장치는 두골(skull)의 돌기 영역과 인접하는 헬멧의 안쪽으로 돌출될 수도 있다. 귀도에 삽입되는 정전계가 아닌 균형 및 위치 감지 기관의 달팽이관으로 지적되며, 앞서의 본 발명의 제3, 제4 또는 제5의 실시예에서 귀도에 삽입되는 필드 코일 안테나에 대한 또 다른 디자인이 요구된다.
제6 실시예에서, 압력 충격파로 활성화된 스위치는 전자기장 생성 코일(730)을 켜며(turn on), 그리하여 달팽이관의 외유모 세포를 마비시켜 소리를 전달하지 못하도록 막는다. 머리카락 세포에서의 프레스틴(Prestin) 단백질이 수축성이 있고(Anders Fridberger, 2004), 그러한 수축이 감각기관(수용체) 전위로부터 세포의 길이 및 단단함으로 빠르게 변동시켜 일반적인 청각 민감도를 천 배 정도 상승시킨다. 상기 장치는 갑작스런 충격파를 더 이상 만나지 않을 때에는 전자기장 전송을 정지시킬 수 있다.
제6 실시예에서, 강하게 자극된 외유모 세포의 전위가 보통의 휴식 상태로 전환될 때까지 상기 장치는 청취를 간섭할 것이다. 안테나의 정렬은 중요하다. 상 기 장치는 중이의 말리우스 뼈(mallius bone)의 낮은 면에 전자기장 안테나를 가리키기 위하여 반사된 광 신호 또는 유사한 것을 이용할 수 있다.
도 15는 본 발명의 다양한 실시예와 관련하여 사용될 수 있는 양자 에너지 활성화 스위치의 실시예를 보여준다. 스위치는 하우징(322) 및 적외선 스펙트럼에서 상당히 먼 적색의 다이오드를 감지하는 복수의 작은 광(약 100 마이크론)을 포함한다. 다이오드(326)는 병렬 또는 직렬로 연결된다. 하우징(322)은 상기 언급한 어떠한 실시예와도 동작 가능한 적절한 형태, 형상, 물질이 될 수 있다.
다른 안으로, 도 16a 및 16b는 본 발명의 다양한 실시예와 연결되어 사용될 수 있는 소리 에너지 활성화 스위치를 보여준다. 도 16a는 켜진(ON) 상태의 장치(670)에 대응되는 위치에서의 스위치를 보여준다. 도 16b는 꺼진(OFF) 상태의 장치에 대응되는 위치에서의 스위치를 보여준다. 멤브레인(610)에 미러 콘(mirrored cone; 620)이 위치한다. 다이오드 광감지기의 두 어레이(640, 650)는 LED(630)가 배열된 하나의 어레이(640)에 서로 수직으로 직교하여 배열되며, 다른 어레이(650)는 LDE(630)가 수직으로 배열된다. 예를 들어, LED는 대략 직경 300 마이크론 정도이다. 어레이(640, 650)의 출력은 스위치(660)에 연결된다. 멤브레인 및 콘은 다이오드 어레이 및 LED에 상대적으로 배열되며, 보통의 상태에서는 미러 콘(620)은 어레이(630)에서 LED로부터 광 수신을 방해하지 않지만, 소음 또는 충격파가 멤브레인의 위치를 이동시키는 때에는 미러 콘은 장치 상태(device state)를 켜짐(ON)에서 끄짐(OFF)로 전환시킴으로 어레이(640) 상으로 LED로부터의 광의 방향을 변화시킨다. 충격파가 사라질 때, 멤브레인 및 콘은 다시 원 상태로 복귀하여, 다시 LED 로부터 광을 어레이(630)에 의해 수신되도록 하여 상기 장치를 OFF 상태로 복귀시킨다. 멤브레인(610)의 장력은 동작 모드의 감도 및 상태에 따라 조정될 수 있다. 다양한 타입의 스위치(660)가 적용될 수 있고, 다이오드 및 미러된 콘의 다양한 변화는 당업자에게 자명할 것이다. 추가적으로, 콘을 제외한 다른 형상도 빛의 방향 전환을 위해 사용될 수 있고, 다이오드의 다른 배열도 사용될 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예는 군사적 문구 상으로 개시되어 있지만, 본 발명의 모든 실시예는 군사적 상태가 아닌 다른 많은 상황하에서도 적용될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 바람직한 실시예의 상기 서술은 해설 및 기술(description)의 목적으로 제공되었다. 본 발명에서 개시된 정확한 형태로 본 발명을 과도하게 제한하거나 확장하려는 의도는 아니며, 상기의 시사 및 본 발명의 적용에 이해 얻어질 수 있는 관점에 의하여 변경 및 변화는 가능할 수 있다. 상기 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 설명하기 위하여 선택되어 기재되었으며, 본 발명의 속하는 당업자에게는 본 발명의 다양한 실시예를 활용하려는 실제적인 적용이 숙고된 특정한 사용에 적합할 수 있다. 본 발명의 범위는 청구항에 기재된 범위 및 이와 균등 범위로 정해지도록 한다.

Claims (18)

  1. 제1 및 제2 끝단을 구비하며, 확장되는 채널을 구비한 소프트 컴플라이언트(soft compliant) 물질을 포함하는 바디;
    상기 바디의 상기 하나의 끝단에 인접하게 위치하며 상기 바디를 통하여 확장되는 상기 채널과 정렬된 홀을 포함하는 음향 림프 물질; 및
    상기 음향 림프 물질의 입구(opening)을 커버하며, 10 μm두께보다는 작으며 실질적으로 보통의 청각을 손실시키지 아니하고 상기 채널을 통하여 갑작스런 에러의 대량 흐름을 저지시키는 부재를 포함하는, 청각 손실 보호 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 부재는 마일라(mylar)를 포함하는, 청각 손실 보호 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 필름은 고강도 폴리머를 포함하는, 청각 손실 보호 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 필름은 6 μm보다 같거나 작은 두께인, 청각 손실 보호 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 필름은 2 μm보다 같거나 작은 두께인, 청각 손실 보호 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 멤버는 디스크를 포함하는, 청각 손실 보호 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 디스크는 고강도 폴리머를 포함하는, 청각 손실 보호 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 소프트 컴플라이언트 물질을 관통하여 확장되는 복수의 채널;
    상기 바디 내의 상기 복수의 채널과 정렬된 복수의 홀을 포함하는 상기 음향 림프 물질; 및
    상기 음향 림프 물질 내에서 상기 복수의 홀을 커버하는(cover) 상기 필름을 포함하는, 청각 손실 보호 장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 바디는 실린더 형상인, 청각 손실 보호 장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 바디는 사람 귀도(ear canal)에 적합하게 형성된, 청각 손실 보호 장 치.
  11. 파워 공급기;
    에너지 활성화 센서;
    소리를 수신하는 입력 기기;
    고막 쪽으로 신호를 전송하는 출력 기기;
    상기 입력 기기 및 상기 출력 기기 사이의 진공 튜브 챔버; 및
    적어도 상기 입력 기기, 상기 진공 튜브 챔버 및 상기 출력 기기를 둘러싸는 멤브레인을 포함하는, 청각 손실 보호 장치.
  12. 제 11항에 있어서,
    적어도 상기 입력 기기, 상기 출력 기기, 상기 진공 튜브 챔버 및 상기 멤브레인은 적어도 사람의 귀도 내에 알맞게 끼워지는 어셈블리의 부분을 형성하는, 청각 손실 보호 장치.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 에너지 활성화 센서는 하우징 및 복수의 다이오드를 포함하는, 청각 손실 보호 장치.
  14. 제 11항에 있어서, 상기 에너지 활성화 센서는
    탄력적 멤브레인;
    음향 충격파 동안 제1 방향으로 옮겨지도록 상기 탄력적 멤브레인에 연결되는 미러 요소(mirrored element);
    LED;
    제1 다이오드 감지 어레이;
    제2 다이오드 감지 어레이;
    스위치를 포함하며,
    상기 LED는 상기 제1 다이오드 감지 어레이 방향으로 광을 전송하며,
    보통의 동작 동안에는 상기 제1 다이오드 감지 어레이는 상기 LED로부터 상기 빛을 수신하여 상기 스위치를 제1 상태로 있도록 하며,
    음향 충격파 동안에는 상기 미러 요소는 상기 LED로부터의 상기 광을 상기 제1 다이오드 감지 어레이로부터 벗어나게 하고 상기 제2 다이오드 감지 어레이 방향으로 편향시켜 상기 스위치를 제2 상태로 있도록 하는, 청각 손실 보호 장치.
  15. 제1 및 제2 반사 디스크; 및
    상기 제1 및 제2 반사 디스크 사이의 탄성 나노 파티클 벌룬(balloon)을 포함하며,
    상기 벌룬(balloon)은 나노 파티클들 및 저점도 유체로 채워지는 멤브레인을 포함하며, 상기 나노 파티클들은 상기 벌룬이 압축될 때 디스크 같은 구조를 형성하는, 어셈블리;
    상기 어셈블리를 둘러싸는 멤브레인;
    에너지 활성화 센서; 및
    상기 어셈블리 및 상기 센서에 에너지를 공급하는 에너지 소스를 포함하는, 청각 손실 보호 장치.
  16. 쌍으로 형성된 제1 디스크들 및 제2 디스크들;
    상기 쌍으로 형성된 제1 디스크들 사이에 제1 젤 스페이서;
    상기 쌍으로 형성된 제2 디스크들 사이에 제2 젤 스페이서;
    상기 쌍으로 형성된 제1 디스크들 중 하나 및 상기 제2 디스크들 중 하나 사이의 탄성 나노 파티클 벌룬(balloon)을 포함하며,
    상기 벌룬은 나노 파티클들 및 저점도 유체로 채워지는 멤브레인을 포함하며, 상기 나노 파티클들은 상기 벌룬이 압축될 때 디스크 같은 구조를 형성하는, 어셈블리;
    상기 어셈블리를 둘러싸는 멤브레인;
    에너지 활성화 센서; 및
    상기 어셈블리 및 상기 센서에 에너지를 공급하는 에너지 소스를 포함하는, 청각 손실 보호 장치.
  17. 제1 및 제2 끝단(end)를 포함하며, 상기 제1 및 제2 끝단 사이에서 길이가 확장되는 하우징;
    상기 하우징의 길이에 실질적으로 평형하며 비어 있는 제1 복수 마이크로 튜브들;
    상기 하우징의 길이에 실질적으로 평형하며, 각각은 디스크들의 스택(stack)으로 채워지며, 상기 디스크 각각은 바디, 적어도 하나의 소리 개구, 정렬 패트 및 비정렬 패드를 포함하는 제2 복수 마이크로 튜브들;
    상기 마이크로 튜브 내의 상기 디스크 스택 내에서 상기 개구들의 정렬시키며 상기 제2 복수 마이크로 튜브들의 각각을 감싸는 제1 감싸개; 및
    상기 마이크로 튜브 내의 상기 디스크 스택 내에서 상기 소리 홀들을 정렬시키며 제2 복수 마이크로 튜브들의 각각을 감싸는 제2 감싸개를 포함하는, 청각 손실 보호 장치.
  18. 하우징;
    파워 공급기;
    필드 코일;
    에너지 활성화 스위치; 및
    안테나를 포함하며,
    상기 스위치는 음향 충격파가 상기 스위치에 수신될 때 상기 음향 충격파 동안 상기 달팽이관 상으로 외유모세포(outer hair cell)를 실질적으로 마비시키도록 귀의 달팽이관 쪽으로 상기 안테나에 의해 인도되는 전자기장을 생성하는 필드 코일을 활성화시키는, 청각 손실 보호 장치.
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