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耳朵究竟長什么樣？如何處理聲音信號？
2020-09-23 22:25:43· 來源：BK聲學與振動
作者：Matthias ScholzBrelKjr用戶界面設計師、應用聲學博士外耳收集聲音，內耳將聲音產生的振動轉化為可由大腦處理的神經信號，而中耳則在它們之間提供聲耦合。
作者：Matthias Scholz
Brüel & Kjær用戶界面設計師、應用聲學博士
外耳收集聲音，內耳將聲音產生的振動轉化為可由大腦處理的神經信號，而中耳則在它們之間提供聲耦合。在這篇文章中，我們將跟隨聲音從耳朵到聽毛細胞的尖端，在那里振動變成神經信號。
聽小骨
在正常狀態(tài)下，聽小骨具有放大作用，可有效地激發(fā)內耳中的流體。然而，中耳的肌肉可以改變這種情況，達到削弱振動的效果，從而在聲壓過高的情況下提供一種保護機制。但是，這種調整過于緩慢，無法防止沖擊事件，如爆炸事件。
外耳
外耳包括耳廓和耳道，耳廓在聲源定位中起著重要的作用。此外，其像喇叭一樣的形狀提供了從頭部周圍“無限”空間的平滑過渡，將聲音傳送到狹窄的耳道。然后耳道將聲音傳導到鼓膜（一種將外耳與中耳分開的薄膜）。
中耳
中耳位于外耳和內耳之間，是一個含有空氣的小腔隙。
該腔隙的目的有兩個：
- 它包含一個三骨結構，稱為聽小骨，連接著鼓膜和內耳。由于內耳充滿流體，這使得鼓膜的直接激發(fā)效率低下，因此需要這種類似齒輪箱的機制進行放大。
- 需要中耳來平衡整個鼓膜的壓力。健康的鼓膜是完全密閉的，可防止氣流從外耳進入中耳。兩個腔隙間的壓差將膜片移進和移出，這正是拾取聲音的快速壓力波動所需要的。
外耳尺寸和放大
外耳對1到5kHz之間的頻率特別敏感。無獨有偶，這個范圍對通信也非常重要，我們聽力最敏感的頻率就是3kHz左右。聲學上，外耳像管式諧振器一樣工作，在3kHz左右具有最強的第一諧振，聲音在空氣中波長的四分之一（10cm/4 = 2.5cm）與耳道的長度相符。相比之下，在波長大于耳朵大小的較低頻率處，靈敏度顯著下降。
蝸與基底膜
即使被純音激發(fā)，也會使整個基底膜開始運動。但是，與該頻率相關的區(qū)域反應最大；也就是說，橫向振蕩將在該區(qū)域附近達到峰值。
然而，當外耳中的大氣（靜態(tài)）壓力與中耳內的壓力不同時可能會出現(xiàn)問題。
這種機制在日常生活中并不那么明顯，但在飛機起降時很容易經歷到 ，因為飛機的環(huán)境壓力由于高度的變化而顯著變化。外耳中的壓力隨著飛機內的環(huán)境壓力變化，而鼓膜內的壓力保持不變。恒定的壓差對膜片施加預張力，將其推入或推出，這會產生不舒適的感覺，并導致聽到的聲音比較沉悶。
咽鼓管將中耳連接到咽喉，有助于平衡這種壓力。當我們吞咽時，咽鼓管短暫地打開，導致鼓膜內的靜壓力與外耳的靜壓力相等，將鼓膜恢復到中間位置。鼓膜將達到其正常的靈敏度，聽到的聲音會再次變得清脆。
內耳
內耳是整個鏈條中最復雜的元素，它是一個充滿液體的腔隙，由兩部分組成：前庭迷路，是人體平衡機制的一部分；耳蝸，包含基底膜和柯蒂氏器，這是一種將聲音轉換為神經脈沖以便我們的大腦可以處理這些信息的敏感元件。
已經進入耳道的聲音會使鼓膜產生運動。中耳聽小骨拾取這些振動并將其通過卵圓窗傳遞給流體，卵圓窗是耳蝸和中耳之間的兩個柔性表面之一。激發(fā)該膜片在充滿流體的內耳中產生波，其沿著基底膜行進，從而使它和柯蒂氏器產生運動。
電容式傳聲器中的靜壓均衡
為了將聲壓轉換成電信號，Brüel & Kjær的電容式傳聲器使用一個精巧的隔膜在背板之間延伸，其間的間隙很窄，形成一個電容器。入射聲波會使隔膜發(fā)生變形，并且與背板距離的變化會產生與聲壓成比例的電信號。
隔膜將傳聲器頂部密封，以便靜態(tài)環(huán)境壓力的變化會改變隔膜相對于背板的中間位置。耳朵通過咽鼓管解決了這一問題，而電容式傳聲器也采用了類似的設計。傳聲器側面或后面的狹窄空氣通道確保內腔的靜態(tài)壓力與環(huán)境保持一致。
該器官包含數千個與聽神經連通的小聽毛細胞?；啄さ恼袷幠Ｊ较喈攺碗s，不同區(qū)域或多或少受到不同頻率的刺激。對于這些區(qū)域中的每一個區(qū)域，不同組的聽毛細胞將被激活并通過神經傳送到大腦。因此，柯蒂氏器將聲音分解為各頻率成分，類似于雨滴將日光分解為不同的顏色。
好了，以上就是是我們對聲音感知的許多現(xiàn)象進行解釋的精簡版本。完整版本要復雜得多，值得用一個單獨的章節(jié)來介紹，敬請期待......
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