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一、聽覺剌激

    聲波是聽覺的適宜刺激。它是由物體振動產(chǎn)生的,物體振動使周圍的介質(zhì)(如空氣)產(chǎn)生周期性的壓縮、膨脹的波動,這就是聲波。聲波通過介質(zhì)傳遞給人耳,并在人耳中產(chǎn)生昕覺。

    聲波的物理性質(zhì)包括頻率、振幅和波形。

    頻率指發(fā)聲物體每秒振動的次數(shù),單位是赫茲。人耳所能接受的振動頻率為20~20000赫茲。低于20赫茲的振動叫次聲,高于20000赫茲的振動叫超聲波,是無法引起人的昕覺的。

    振幅是指振動物體偏離起始位置的大小。振幅決定聲音的強(qiáng)度,振幅大,壓力大,我們聽到的聲音就強(qiáng);振幅小,壓力小,我們聽到的聲音就弱。

    聲波最簡單的形狀是正弦波。由正弦波得到的聲音叫純音。在日常生活中,人們聽到的大部分聲音不是純音,而是復(fù)合音,這是由不同頻率和振幅的正弦波疊加而成。

二、基本的聽覺現(xiàn)象

(一)聲音的屬性

    空氣振動傳導(dǎo)的聲波作用于人的耳朵產(chǎn)生了聽覺。

    人們所聽到的聲音具有三個屬性,稱為感覺特性,即音強(qiáng)、音高和音色。
音強(qiáng)指聲音的大小,由聲波的物理特性振幅,即振動的大小所決定。音強(qiáng)的單位稱分貝,縮寫為db。0分貝指正常聽覺下可覺察的最小的聲音大小。

    音高指聲音的高低,由聲波的頻率,即每秒振動次數(shù)決定,常人昕覺的音高范圍很廣,可以由最低20赫茲昕到20000赫茲。日常所說的長波指頻率低的聲音,短波指頻率高的聲音。由單一頻率的正弦波引起的聲音是純音,但大多數(shù)聲音是許多頻率與振幅的混合物。

    混合音的復(fù)合程序與組成形式構(gòu)成聲音的質(zhì)量特征,稱音色。音色是人能夠區(qū)分發(fā)自不同聲源的同一個音高的主要依據(jù),如男聲、女聲、鋼琴聲、提琴聲表演同一個曲調(diào),聽起來各不相同。

(二)聽覺的適應(yīng)與疲勞

    聽覺適應(yīng)所需時間很短,恢復(fù)也很快。聽覺適應(yīng)有選擇性,即僅對作用于耳的那一頻率的聲音發(fā)生適應(yīng),對其他未作用的聲音并不產(chǎn)生適應(yīng)現(xiàn)象。如果聲音較長時間(如數(shù)小時)連續(xù)作用,引起聽覺感受性的顯著降低,便稱作聽覺疲勞。聽覺疲勞和聽覺適應(yīng)不同,它在聲音停止作用后還需很長一段時間才能恢復(fù)。如果這一疲勞經(jīng)常性地發(fā)生,會造成聽力減退甚至耳聾。如果只是對小部分頻率的聲音喪失聽覺,叫做音隙。若對較大一部分聲音喪失聽覺叫做音島,再嚴(yán)重就會完全失聰。

(三)聲音的混合與掩蔽

    兩個聲音同時到達(dá)耳朵相混合時,由于兩個聲音的頻率、振幅不同,混合的結(jié)果也不同。如果兩個聲音強(qiáng)度大致相同,頻率相差較大,就產(chǎn)生混合音。但若兩個聲音強(qiáng)度相差不大,頻率也很接近,則會昕到以兩個聲音頻率的差數(shù)為頻率的聲音起伏現(xiàn)象,叫做拍音。如果兩個聲音強(qiáng)度相差較大,則只能感受到其中的一個較強(qiáng)的聲音,這種現(xiàn)象叫做聲音的掩蔽。聲音的掩蔽受頻率和強(qiáng)度的影響。如果掩蔽音和被掩蔽音都是純音,那么兩個聲音頻率越接近,掩蔽作用越大;低頻音對高頻音的掩蔽作用比高頻音對低頻音的掩蔽作用大。掩蔽音強(qiáng)度提高,掩蔽作用增加,覆蓋的頻率范圍也增加;掩蔽音強(qiáng)度減小,掩蔽作用覆蓋的頻率范圍也減小。

三、聽覺的機(jī)制

(一)聽覺與耳

    人耳是聽覺器官,包括外耳、中耳、內(nèi)耳三個組成部分。外耳是外在輔助機(jī)構(gòu),叫耳廓,作用是收集聲音。耳鼓也稱鼓膜,將外耳與中耳分開,并通過鼓膜的振動將聲音傳遞給中耳的三塊小骨:錘骨、砧骨和鐙骨。通過它們將振動送到卵圓窗的小薄膜而進(jìn)入到內(nèi)耳中。內(nèi)耳的蝸牛殼是聽覺的主要器官。聲波通過液體作用于蝸牛殼內(nèi)基底膜時,它上面的一些長短不同的毛細(xì)胞就與聽神經(jīng)聯(lián)系起來,將聲音傳向大腦。由于在和聽神經(jīng)聯(lián)系時,基底膜上各個毛細(xì)胞的物理形態(tài)變化不同,改變了一些神經(jīng)細(xì)胞的電活動,因此傳向大腦的就是帶有對聲波的頻率和振幅編碼的信號,從而形成具有音高和音強(qiáng)的聲音聽覺。

圖3.6 耳的結(jié)構(gòu)

(二)聽覺的理論

    聽覺系統(tǒng)如何對聲波的作用產(chǎn)生出具有音強(qiáng)與音高的聲音聽覺呢?聽覺系統(tǒng)對聲音強(qiáng)度的編碼是按線性方式進(jìn)行的,聲音的強(qiáng)度越大,相應(yīng)的神經(jīng)細(xì)胞激起也越快。

    音高是由聲波的頻率決定的。現(xiàn)在基本公認(rèn)音高編碼通過兩種方式進(jìn)行,已有的兩個理論一一位置學(xué)說和頻率匹配學(xué)說共同起作用。

1.位置學(xué)說
    位置學(xué)說也稱為行波學(xué)說,由生理學(xué)家貝克西提出。他發(fā)現(xiàn)是位于基底膜上的不同部位的毛細(xì)胞對不同的特定頻率發(fā)生最大反應(yīng),基底膜上接近卵圓窗部位的毛細(xì)胞反應(yīng)高頻聲音,越是遠(yuǎn)端部分的毛細(xì)胞越對于頻率低的聲音發(fā)生反應(yīng),并且把該頻率的信號傳給聽神經(jīng)。聽神經(jīng)中每個神經(jīng)細(xì)胞都對一個特定的頻率最敏感,因此通過聽神經(jīng)中不同神經(jīng)細(xì)胞的激活,人就聽到了不同音高的聲音。位置學(xué)說能夠解釋大多數(shù)聲音的聽覺現(xiàn)象,但對于低頻聲音,即對于人能夠聽到的最低頻率,如20赫茲的聲音,是找不到與之相對的毛細(xì)胞的。因此對于聲音如何編碼還不能做出圓滿的解釋。

2.頻率匹配學(xué)說
    頻率理論提出,不同頻率的聲音剌激基底膜,引起不同頻率的神經(jīng)細(xì)胞沖動并傳至大腦。對于1000赫茲以上的中度音高的聲音,不只是由單獨(dú)一個神經(jīng)細(xì)胞,而是由一組神經(jīng)細(xì)胞組合起來構(gòu)成與之相匹配的頻率,也就是說,神經(jīng)細(xì)胞分成數(shù)組,各自以輪班的方式發(fā)射神經(jīng)沖動,不同的組分別對聲波壓力產(chǎn)生神經(jīng)沖動,各組同步發(fā)放,產(chǎn)生對高頻聲波的識別功能,稱頻率匹配學(xué)說,也稱排發(fā)說。

    總之,神經(jīng)系統(tǒng)似乎不是只用一種方式對各種頻率的聲音進(jìn)行編碼的。人們可以聽見的音高范圍極大,對于頻率最低的聲音是以激起頻率與之相應(yīng)的神經(jīng)細(xì)胞來編碼,對于從低到中等頻率的聲音由頻率匹配和基底膜上相應(yīng)部位的毛細(xì)胞共同編碼,而對高頻聲音的編碼則只由激起基底膜上特定部位的毛細(xì)胞進(jìn)行。