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聽到一個音,人能感受到一個音調。這個過程在腦中具體是怎麼發生的呢?網上有說法是人腦會把聲音的頻率數出來,我感覺這個說法欠妥:首先,高頻聲音每秒幾千次甚至上萬次的振動怎麼數的清?其次,今天我測試了在無干擾下,能在440赫茲附近分辨出0.4赫茲偏差的兩個音,這麼小的差別人腦不會數錯嗎?
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  • 1 # 墨穀道

    從解剖學的角度,人耳主要分為三部分:外耳——鼓膜腔體(Tympanic cavity)——內耳;從訊號轉換的角度,聲音被大腦感知走過:機械——神經電訊號——中樞資訊處理這一過程;從機械聲傳播的角度,聲音先後經歷了:空氣傳播——機械傳播——液體傳播

    一、外耳外耳分為:耳廓,耳道和耳骨。耳廓 (Pinna):對聲音的空間感知(Spatial hearing)有重要作用。比如,閉上眼睛,一個高頻聲音分別在前後方播放,由於耳廓的特殊形狀,聲音在耳廓上發生的反射不同,導致傳導到內耳的聲音不一樣,因此人能判定聲音的前後位置。這個叫做spectral cue。當然這只是對於高頻聲音,在低頻由於波長很大,閉上眼睛人很難分清前後。

    耳道 (Ear canal):外側連線耳廓,內部止於鼓膜。成年人的耳道平均長2.7釐米,直徑在6-8毫米之間。類似於1/4共振器,共振頻率在3kHz左右,這也是人耳最敏感的頻率部分。對f>3kHz的聲音,耳道扮演著功放的角色。鼓膜(耳膜, eardrum):類似於音響的振動膜(membrane),只不過小很多,只有85平方毫米,有效面積不過55平方毫米,厚度大約0.1毫米。外耳接收到的聲音,被鼓膜接收併產生振動,傳入下一環節——鼓膜腔。

    二、鼓膜腔 (Tympanic cavity)鼓膜腔中充滿空氣,為了平衡外界大氣壓,與耳咽管相連。從鼓膜到鼓膜腔中,依次連線三塊骨頭(聽小骨,Ossicles):錘骨,砧骨和鐙骨,這三塊骨頭將聲音傳遞給卵圓窗(oval window),進而傳導到內耳的耳蝸處。其中,鐙骨連線鐙骨肌,起到“保險絲”作用。當傳入聲音超過85dBHL (HL為“聽力級”,聲壓級透過個體聽力敏銳度補償之後的值),這塊肌肉透過延遲來保護內耳。

    因為耳蝸中不再是空氣,而是淋巴液。如果鼓膜腔和耳蝸直接相連,那麼人類的世界將會是安靜的——由於阻抗變大,加上鼓膜振動產生的壓力不夠大,聲音幾乎會被完全反射!而經過鼓膜-錘骨-砧骨-鐙骨-卵圓窗這一系列傳導,壓力被放大,以確保聲音能夠進入最後一道工序。這一過程也稱阻抗匹配 。除了透過鼓膜腔傳導聲音至內耳,還有另一種傳導方式——骨傳導。最直觀的例子,把耳朵捂住(假設我們有萬能的大手),還能聽見自己的說話聲音。是不是含糊不清?那是因為骨傳導的聽覺敏感度遠比常規的耳道傳導低得多。

    三、內耳

    如果把人比作聽力系統(Auditory system),那麼內耳的重要程度相當於大腦。聲音將在這裡轉化成電化學訊號,並被中樞聽覺系統處理,分析並感知。內耳,尤其是耳蝸的構造讓我不得不感嘆,人的確是這個星球上最精密的機器。鐙骨連線骨迷路 (bony labyrinth), 裡面充滿淋巴液,最→_→那頭蝸牛就是耳蝸 (cochlea)。把這頭蝸牛抻平,大約有30-35毫米,直徑0.3-0.9毫米。聲音在耳蝸中發生質變,終於從機械訊號變成了電訊號。簡單說,在耳蝸裡面,聲音走過了如下路徑:—— 聲音從基底膜(Basilar membrane)上面的腔體進,下面的腔體出 ,引起基底膜振動—— 毛細胞 (hair cell)上面的纖毛檢測到振動,轉化成電訊號—— 電訊號透過軸突,傳遞給大腦處理—— 咦,我好像聽見了什麼?在柯蒂氏器(Organ of Corti)上面,分佈著近2w個毛細胞,每個毛細胞上面又有50-150個纖毛(有密集恐懼症的就別細想了,耳朵里居然住著這麼個妖怪)。

    耳蝸的另一個牛逼功能,是“傅立葉變換”,不同部位採集不同頻率。耳蝸外部的基底膜剛度較高,因此只有高頻能激起這部分的振動,進而被毛細胞感知;而耳蝸內部相反,剛度較低,因此這部分毛細胞主要檢測低頻。這和音響同理,低音炮往往很大,剛度低; 而高音Tweeter則小很多,剛度高。因此,人類才得以區分各種不同頻率的聲音,比如貝斯比吉他更低沉,女人比男人語調更高等等。

    耳蝸外圍(白框)接收高頻,中心部位(紫色框)接收低頻 [3]另外,在同樣大小的空間,捲曲狀的耳蝸要比直版的耳蝸接收到更低的頻率,才讓人能聽到20Hz的低頻。

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