耳朵 ( 搬家文 move from yahoo blog , Day 7 )

(本篇圖文資料取材自 Hyperphysics 的 Sensitivity of Human Ear 等文)

人耳的靈敏度   Sensitivity of Human Ear

人的耳朵可以察覺空氣中微小的壓力變化，如果這些變化是在可以聽見的頻率範圍，大約 20 Hz – 20 kHz。

 

 

這些變化小至大氣壓力的十億分之一，還是有可能被偵測到。聲音被聽見的起始點（I₀），所對應的空氣振動規模，大約是原子直徑的十分之一大小。這種了不起的靈敏度，被外耳和中耳的結構，將聲音信號有效放大而更加改善。寬廣的聽覺動態範圍，則歸功於人耳的保護機構，降低對極大聲響的反應。在這範圍的聲音強度，通常以分貝（decibels）來表示。

聽覺動態範圍   Dynamic Range of Hearing

除了優異的靈敏度以外，人耳還可以應付極大範圍的感官刺激。實際的動態範圍可以說成，從聽覺起點 （threshold of hearing） 到痛苦的起點 （threshold of pain）：

 

這樣顯著的動態範圍，實在是拜有效的「放大結構」可以延伸到低動態的一端，以及「保護結構」可以延伸到大動態的另一端所賜。

耳朵的前置放大   The preamp of the ear

外耳和中耳的結構，提供了聽覺的優異靈敏度與寬廣的動態範圍。我們可以把它想像成是聽覺過程中，一個前級放大器與一個限制器的組合。

 

外耳 --- 2 倍，耳道的管狀振盪放大，加強 2000 – 5000 Hz 的聲音能量。

鼓膜（tympanic membrane） --- 橢圓窗口（oval window），可以有15 倍的面積放大。

小骨 （ossicles）--- 聆聽柔和聲音時，可以有 3 倍槓桿放大作用。

外耳（耳廓 pinna）比單純用耳道可以蒐集更多的聲音能量，因此提供了某些範圍的放大作用。表中的數字只是典型的代表 … 不是精確數據。外耳與中耳在最理想的情況下，可以有因數 100 或者 20 分貝的放大功用。

音調解析   Pitch resolution

人耳的音調解析，完全由非常微小的耳蝸 （cochlea），和極高解析的音調（pitch = 聲音的頻率）感知，在位置理論 （place theory）中有多吻合來負責。

     

這可能需要每 0.002 公分就偵測到一個音調（pitch），在薄膜上如此振動根本是不合常理的。一般人耳可以察覺到 440 Hz 與 441 Hz 之間的差異，實在很難相信在鼓膜振動中可以達到這樣的解析度。這當中必然有某種尖銳化（sharpening）機制在運作著。

位置理論   Place theory

聽骨（ossicles）與振膜（membrane）結構如圖

 

高頻的聲音在靠近內耳入口（橢圓窗口）的「basilar membrane」選擇性振動，低頻則沿著這個膜（membrane），在造成明顯刺激前，走得更遠一點。 音調（pitch）的決定機制，在於沿著膜上的哪一處，「hair cells 」被引起刺激了。

 

Place theory 圖示如下，拉直後的耳蝸 （cochlea），呈現出靈敏的「hair cells」分佈在「organ of Corti」的情形。壓力波藉由馬鐙骨（stirrup）的力量，傳送穿越內耳的液體。

 

位置理論（place theory）是邁向瞭解音調感知的第一步。不過想到人耳極高的音調靈敏度，勢必有額外的尖銳化（sharpening）機制在協助音調解析。

可聽見的聲音   Audible sound

通常我們說 “聲音”， 是指人耳可以察覺的聲音，也就是說，如果不特別分類， “聲音” 就是指「可聽見的聲音 （audible sound）」 。 給聲音一個合理的定義標準 ： 一個強度（intensity）在聽覺起點 （threshold of hearing）以上、頻率在 20 Hz – 20 kHz 之間的壓力波。 因為耳朵被空氣包圍，或者在水中，聲波就只能是一個縱向波（longitudinal waves）。

正常的聲壓與強度範圍，可以被界定為：

 

在氣溫 20°C 時，聲音速度（sound speed）為 344 m /s，聲波波長（wavelengths）則從 0.0172 m 到 17.2 m。

保護機構   Protective mechanisms

 

為了應付持續的龐大聲響，肌肉張力將鼓膜（tympanic membrane）抓的緊緊的，透過肌腱（tendon）連結錘骨（hammer）與砧骨（anvil），將這些小骨（ossicles）的位置調整，以便將馬鐙骨（stirrup）後拉，使得移轉到內耳橢圓窗口（oval window）的力量減少。這對人耳的寬廣動態範圍有相當的貢獻。

 

音調感知尖銳化   Sharpening of Pitch Perception

只有在每一個可區別的音調（pitch），只和一打的「hair cells」，或者 4 組，每一組 3 束的「cells」產生關聯時，才會造就人耳的高解析度。因為很難相信鼓膜的機械振盪如此犀利，所以我們要尋找解析增強的因素。

 

如圖所示，尖銳化機制將「organ of Corti」的反應曲線集中，對應到相關聯的「cells」，形成每 0.002 公分對應到一個個別的音調（pitch）。