一、听觉剌激
声波是听觉的适宜刺激。它是由物体振动产生的,物体振动使周围的介质(如空气)产生周期性的压缩、膨胀的波动,这就是声波。声波通过介质传递给人耳,并在人耳中产生昕觉。
声波的物理性质包括频率、振幅和波形。
频率指发声物体每秒振动的次数,单位是赫兹。人耳所能接受的振动频率为20~20000赫兹。低于20赫兹的振动叫次声,高于20000赫兹的振动叫超声波,是无法引起人的昕觉的。
振幅是指振动物体偏离起始位置的大小。振幅决定声音的强度,振幅大,压力大,我们听到的声音就强;振幅小,压力小,我们听到的声音就弱。
声波最简单的形状是正弦波。由正弦波得到的声音叫纯音。在日常生活中,人们听到的大部分声音不是纯音,而是复合音,这是由不同频率和振幅的正弦波叠加而成。
二、基本的听觉现象
(一)声音的属性
空气振动传导的声波作用于人的耳朵产生了听觉。
人们所听到的声音具有三个属性,称为感觉特性,即音强、音高和音色。
音强指声音的大小,由声波的物理特性振幅,即振动的大小所决定。音强的单位称分贝,缩写为db。0分贝指正常听觉下可觉察的最小的声音大小。
音高指声音的高低,由声波的频率,即每秒振动次数决定,常人昕觉的音高范围很广,可以由最低20赫兹昕到20000赫兹。日常所说的长波指频率低的声音,短波指频率高的声音。由单一频率的正弦波引起的声音是纯音,但大多数声音是许多频率与振幅的混合物。
混合音的复合程序与组成形式构成声音的质量特征,称音色。音色是人能够区分发自不同声源的同一个音高的主要依据,如男声、女声、钢琴声、提琴声表演同一个曲调,听起来各不相同。
(二)听觉的适应与疲劳
听觉适应所需时间很短,恢复也很快。听觉适应有选择性,即仅对作用于耳的那一频率的声音发生适应,对其他未作用的声音并不产生适应现象。如果声音较长时间(如数小时)连续作用,引起听觉感受性的显著降低,便称作听觉疲劳。听觉疲劳和听觉适应不同,它在声音停止作用后还需很长一段时间才能恢复。如果这一疲劳经常性地发生,会造成听力减退甚至耳聋。如果只是对小部分频率的声音丧失听觉,叫做音隙。若对较大一部分声音丧失听觉叫做音岛,再严重就会完全失聪。
(三)声音的混合与掩蔽
两个声音同时到达耳朵相混合时,由于两个声音的频率、振幅不同,混合的结果也不同。如果两个声音强度大致相同,频率相差较大,就产生混合音。但若两个声音强度相差不大,频率也很接近,则会昕到以两个声音频率的差数为频率的声音起伏现象,叫做拍音。如果两个声音强度相差较大,则只能感受到其中的一个较强的声音,这种现象叫做声音的掩蔽。声音的掩蔽受频率和强度的影响。如果掩蔽音和被掩蔽音都是纯音,那么两个声音频率越接近,掩蔽作用越大;低频音对高频音的掩蔽作用比高频音对低频音的掩蔽作用大。掩蔽音强度提高,掩蔽作用增加,覆盖的频率范围也增加;掩蔽音强度减小,掩蔽作用覆盖的频率范围也减小。
三、听觉的机制
(一)听觉与耳
人耳是听觉器官,包括外耳、中耳、内耳三个组成部分。外耳是外在辅助机构,叫耳廓,作用是收集声音。耳鼓也称鼓膜,将外耳与中耳分开,并通过鼓膜的振动将声音传递给中耳的三块小骨:锤骨、砧骨和镫骨。通过它们将振动送到卵圆窗的小薄膜而进入到内耳中。内耳的蜗牛壳是听觉的主要器官。声波通过液体作用于蜗牛壳内基底膜时,它上面的一些长短不同的毛细胞就与听神经联系起来,将声音传向大脑。由于在和听神经联系时,基底膜上各个毛细胞的物理形态变化不同,改变了一些神经细胞的电活动,因此传向大脑的就是带有对声波的频率和振幅编码的信号,从而形成具有音高和音强的声音听觉。
图3.6 耳的结构
(二)听觉的理论
听觉系统如何对声波的作用产生出具有音强与音高的声音听觉呢?听觉系统对声音强度的编码是按线性方式进行的,声音的强度越大,相应的神经细胞激起也越快。
音高是由声波的频率决定的。现在基本公认音高编码通过两种方式进行,已有的两个理论一一位置学说和频率匹配学说共同起作用。
1.位置学说
位置学说也称为行波学说,由生理学家贝克西提出。他发现是位于基底膜上的不同部位的毛细胞对不同的特定频率发生最大反应,基底膜上接近卵圆窗部位的毛细胞反应高频声音,越是远端部分的毛细胞越对于频率低的声音发生反应,并且把该频率的信号传给听神经。听神经中每个神经细胞都对一个特定的频率最敏感,因此通过听神经中不同神经细胞的激活,人就听到了不同音高的声音。位置学说能够解释大多数声音的听觉现象,但对于低频声音,即对于人能够听到的最低频率,如20赫兹的声音,是找不到与之相对的毛细胞的。因此对于声音如何编码还不能做出圆满的解释。
2.频率匹配学说
频率理论提出,不同频率的声音剌激基底膜,引起不同频率的神经细胞冲动并传至大脑。对于1000赫兹以上的中度音高的声音,不只是由单独一个神经细胞,而是由一组神经细胞组合起来构成与之相匹配的频率,也就是说,神经细胞分成数组,各自以轮班的方式发射神经冲动,不同的组分别对声波压力产生神经冲动,各组同步发放,产生对高频声波的识别功能,称频率匹配学说,也称排发说。
总之,神经系统似乎不是只用一种方式对各种频率的声音进行编码的。人们可以听见的音高范围极大,对于频率最低的声音是以激起频率与之相应的神经细胞来编码,对于从低到中等频率的声音由频率匹配和基底膜上相应部位的毛细胞共同编码,而对高频声音的编码则只由激起基底膜上特定部位的毛细胞进行。
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