一、聽覺剌激

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

    聲波的物理性質包括頻率、振幅和波形。

    頻率指發聲物體每秒振動的次數,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。振幅決定聲音的強度,振幅大,壓力大,我們聽到的聲音就強;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、基本的聽覺現象

(一)聲音的屬性

    空氣振動傳導的聲波作用于人的耳朵產生了聽覺。

    人們所聽到的聲音具有三個屬性,稱為感覺特性,即音強、音高和音色。
音強指聲音的大小,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,但大多數聲音是許多頻率與振幅的混合物。

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

(二)聽覺的適應與疲勞

    聽覺適應所需時間很短,恢復也很快。聽覺適應有選擇性,即僅對作用于耳的那一頻率的聲音發生適應,對其他未作用的聲音并不產生適應現象。如果聲音較長時間(如數小時)連續作用,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不同,它在聲音停止作用后還需很長一段時間才能恢復。如果這一疲勞經常性地發生,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,再嚴重就會完全失聰。

(三)聲音的混合與掩蔽

    兩個聲音同時到達耳朵相混合時,由于兩個聲音的頻率、振幅不同,混合的結果也不同。如果兩個聲音強度大致相同,頻率相差較大,就產生混合音。但若兩個聲音強度相差不大,頻率也很接近,則會昕到以兩個聲音頻率的差數為頻率的聲音起伏現象,叫做拍音。如果兩個聲音強度相差較大,則只能感受到其中的一個較強的聲音,這種現象叫做聲音的掩蔽。聲音的掩蔽受頻率和強度的影響。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。掩蔽音強度提高,掩蔽作用增加,覆蓋的頻率范圍也增加;掩蔽音強度減小,掩蔽作用覆蓋的頻率范圍也減小。

三、聽覺的機制

(一)聽覺與耳

    人耳是聽覺器官,包括外耳、中耳、內耳三個組成部分。外耳是外在輔助機構,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入到內耳中。內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基底膜時,它上面的一些長短不同的毛細胞就與聽神經聯系起來,將聲音傳向大腦。由于在和聽神經聯系時,基底膜上各個毛細胞的物理形態變化不同,改變了一些神經細胞的電活動,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的聲音聽覺。

圖3.6 耳的結構

(二)聽覺的理論

    聽覺系統如何對聲波的作用產生出具有音強與音高的聲音聽覺呢?聽覺系統對聲音強度的編碼是按線性方式進行的,聲音的強度越大,相應的神經細胞激起也越快。

    音高是由聲波的頻率決定的。現在基本公認音高編碼通過兩種方式進行,已有的兩個理論一一位置學說和頻率匹配學說共同起作用。

1.位置學說
    位置學說也稱為行波學說,由生理學家貝克西提出。他發現是位于基底膜上的不同部位的毛細胞對不同的特定頻率發生最大反應,基底膜上接近卵圓窗部位的毛細胞反應高頻聲音,越是遠端部分的毛細胞越對于頻率低的聲音發生反應,并且把該頻率的信號傳給聽神經。聽神經中每個神經細胞都對一個特定的頻率最敏感,因此通過聽神經中不同神經細胞的激活,人就聽到了不同音高的聲音。位置學說能夠解釋大多數聲音的聽覺現象,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細胞沖動并傳至大腦。對于1000赫茲以上的中度音高的聲音,不只是由單獨一個神經細胞,而是由一組神經細胞組合起來構成與之相匹配的頻率,也就是說,神經細胞分成數組,各自以輪班的方式發射神經沖動,不同的組分別對聲波壓力產生神經沖動,各組同步發放,產生對高頻聲波的識別功能,稱頻率匹配學說,也稱排發說。

    總之,神經系統似乎不是只用一種方式對各種頻率的聲音進行編碼的。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的神經細胞來編碼,對于從低到中等頻率的聲音由頻率匹配和基底膜上相應部位的毛細胞共同編碼,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胞進行。