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我喜欢“人脑会把声音的频率数出来”这种说法。话糙理不糙。 从解剖学的角度,人耳主要分为三部分:外耳——鼓膜腔体(Tympanic cavity)——内耳(下图1,2,3); 从信号转换的角度,声音被大脑感知走过:机械——神经电信号——中枢信息处理这一过程; 从机械声传播的角度,声音先后经历了:空气传播——机械传播——液体传播。 听个声音,也挺不容易的。 一、外耳 外耳分为:耳廓,耳道和耳骨。 耳廓 (Pinna):对声音的空间感知(Spatial hearing)有重要作用。比如,闭上眼睛,一个高频声音分别在前后方播放,由于耳廓的特殊形状,声音在耳廓上发生的反射不同,导致传导到内耳的声音不一样,因此人能判定声音的前后位置。这个叫做spectral cue。当然这只是对于高频声音,在低频由于波长很大,闭上眼睛人很难分清前后。YouTube上面有人做了个非常有趣的实验:把他儿子的眼睛蒙上,他在周围拍手,孩子总能指向正确的方向;之后,他用橡皮泥贴到孩子的耳廓上,然后孩子就迷失了。 ![]() 二、鼓膜腔 (Tympanic cavity) 鼓膜腔中充满空气,为了平衡外界大气压,与耳咽管相连。从鼓膜到鼓膜腔中,依次连接三块骨头(听小骨,Ossicles):锤骨,砧骨和镫骨,这三块骨头将声音传递给卵圆窗(oval window),进而传导到内耳的耳蜗处。 其中,镫骨连接镫骨肌,起到“保险丝”作用。当传入声音超过85dBHL (HL为“听力级”,声压级通过个体听力敏锐度补偿之后的值),这块肌肉通过延迟来保护内耳。 从下图可以看到,从鼓膜到三块骨头再到卵圆窗,他们从尺寸上是逐渐变小的。为什么呢?因为耳蜗中不再是空气,而是淋巴液。如果鼓膜腔和耳蜗直接相连,那么人类的世界将会是安静的——由于阻抗变大,加上鼓膜振动产生的压力不够大,声音几乎会被完全反射!而经过鼓膜-锤骨-砧骨-镫骨-卵圆窗这一系列传导,压力被放大,以确保声音能够进入最后一道工序。这一过程也称阻抗匹配 (Impedance matching)。 除了通过鼓膜腔传导声音至内耳,还有另一种传导方式——骨传导。最直观的例子,把耳朵捂住(假设我们有万能的大手),还能听见自己的说话声音。是不是含糊不清?那是因为骨传导的听觉敏感度远比常规的耳道传导低得多。 三、内耳 如果把人比作听力系统(Auditory system),那么内耳的重要程度相当于大脑。声音将在这里转化成电化学信号,并被中枢听觉系统处理,分析并感知。 内耳,尤其是耳蜗的构造让我不得不感叹,人的确是这个星球上最精密的机器。 镫骨连接骨迷路 (bony labyrinth), 里面充满淋巴液,最→_→那头蜗牛就是耳蜗 (cochlea)。把这头蜗牛抻平,大约有30-35毫米,直径0.3-0.9毫米。声音在耳蜗中发生质变,终于从机械信号变成了电信号。简单说,在耳蜗里面,声音走过了如下路径: —— 声音从基底膜(Basilar membrane)上面的腔体进,下面的腔体出 ,引起基底膜振动 —— 毛细胞 (hair cell)上面的纤毛检测到振动,转化成电信号 —— 电信号通过轴突,传递给大脑处理 —— 咦,我好像听见了什么? 在柯蒂氏器(Organ of Corti)上面,分布着近2w个毛细胞,每个毛细胞上面又有50-150个纤毛(有密集恐惧症的就别细想了,耳朵里居然住着这么个妖怪)。耳蜗的另一个牛逼功能,是“傅里叶变换”,不同部位采集不同频率。 耳蜗外部的基底膜刚度较高,因此只有高频能激起这部分的振动,进而被毛细胞感知;而耳蜗内部相反,刚度较低,因此这部分毛细胞主要检测低频。这和音响同理,低音炮往往很大,刚度低; 而高音Tweeter则小很多,刚度高。因此,人类才得以区分各种不同频率的声音,比如贝斯比吉他更低沉,女人比男人语调更高等等。 另外,在同样大小的空间,卷曲状的耳蜗要比直版的耳蜗接收到更低的频率,才让人能听到20Hz的低频。 扯了这么多,回到题主的问题: 听到一个音,人能感受到一个音调。这个过程在脑中具体是怎么发生的呢?已解答。 网上有说法是人脑会把声音的频率数出来,我感觉这个说法欠妥:首先,高频声音每秒几千次甚至上万次的振动怎么数的清?数的清,只不过不适用大脑来数,它还有更重要的事情去做,这种糙活儿交给基底膜和毛细胞就可以了。 其次,今天我测试了在无干扰下,能在440赫兹附近分辨出0.4赫兹偏差的两个音,这么小的差别人脑不会数错吗?Psychoacoustics(心理声学)这本书告诉我们 [4]: 500Hz一下,人耳能区分差别1Hz的纯音;500Hz以上,这个区分值(有专业称呼,Just-Noticeable Frequency Differences,简称JNFD)为0.002*频率值。比如,在1000Hz能听出2Hz的区别。不过这些都是基于平均值。题主很可能基底膜刚度的gradient比较细分,外加多长了一些毛细胞;) 刚好赶在2018年的尾巴写完这个回答。祝大家2019新年快乐! 想了解更多声学的科普/猎奇/冷知识/工业应用/前景,欢迎围观我的专栏 以及我的公众号 子鱼说声学 参考: [1] Janina Fels. RWTH Course: Medical Acoustics [2] Brandon Pletsch: https://www.youtube.com/watch?v=PeTriGTENoc (和交响乐结合的动画演示非常生动) [3] Jennifer Kincaid: https://www.youtube.com/watch?v=epjV4bD_8rU (分解图做的很细致) [4] Zwicker, E., & Fastl, H. (2013).Psychoacoustics: Facts and models(Vol. 22). |
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