Anatomy-of-the-human-ear

人耳解剖学

人耳是一个由三个不同部分组成的复杂系统,每个部分在拾取和分析声音的过程中都有特定的作用

作者:Matthias Scholz
用户界面设计师
应用声学博士
Brüel & Kjær

外耳收集声音,内耳将声音的振动转化为可由大脑处理的神经信号,而中耳则在它们之间提供声耦合。在这个问题中,我们跟着声音从耳朵到听毛细胞的尖端,在那里振动变成神经信号。接下来会发生什么是后续章节的内容。

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听小骨
在正常状态下,听小骨具有放大作用,可有效地激发内耳中的流体。然而,中耳的肌肉可以改变这种情况,达到削弱振动的效果,从而在声压过高的情况下提供一种保护机制。但是,这种调整过于缓慢,无法防止冲击事件,如爆炸事件

外耳
外耳包括耳廓和耳道。正如在“3D收听”(Waves,2017年10月)中已经讨论的那样,耳廓在声源定位中起着重要的作用。此外,其像喇叭一样的形状提供了从头部周围“无限”空间的平滑过渡,将声音传送到狭窄的耳道。然后耳道将声音传导到鼓膜(一种将外耳与中耳分开的薄膜)。

中耳
中耳位于外耳和内耳之间,是一个含气的小腔隙。该腔隙的目的有两个。首先,它包含一个三骨结构,称为听小骨,连接着鼓膜和内耳。由于内耳充满流体,这使得鼓膜的直接激发效率低下,因此需要这种类似齿轮箱的机制进行放大。

其次,需要中耳来平衡整个鼓膜的压力。健康的鼓膜是完全密闭的,可防止气流从外耳进入中耳。两个腔隙间的压差将膜片移进和移出,这正是拾取声音的快速压力波动所需要的。

Anatomy-of-the-human-ear外耳尺寸和放大
外耳对1到5 kHz之间的频率特别敏感。无独有偶,这个范围对通信也非常重要,我们听力最敏感的频率就是3 kHz左右。声学上,外耳像管式谐振器一样工作,在3kHz左右具有最强的第一谐振,声音在空气中波长的四分之一(10cm/4 = 2.5cm)与耳道的长度相符。相比之下,在波长大于耳朵大小的较低频率处,灵敏度显著下降。

 

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耳蜗与基底膜
即使被纯音激发,也会使整个基底膜开始运动。但是,与该频率相关的区域反应最大;也就是说,横向振荡将在该区域附近达到峰值

然而,当外耳中的大气(静态)压力与中耳内的压力不同时可能会出现问题。

这种机制在日常生活中并不那么明显,但在飞机起降时很容易经历到 ,因为飞机的环境压力由于高度的变化而显著变化。外耳中的压力随着飞机内的环境压力变化,而鼓膜内的压力保持不变。恒定的压差对膜片施加预张力,将其推入或推出,这会产生不愉快的感觉,并导致听到的声音比较沉闷。

当我们吞咽时,咽鼓管短暂地打开,导致鼓膜内的静压力与外耳的静压力相等。

咽鼓管将中耳连接到咽喉,有助于平衡这种压力。当我们吞咽时,咽鼓管短暂地打开,导致鼓膜内的静压力与外耳的静压力相等,将鼓膜恢复到中间位置。鼓膜将达到其正常的灵敏度,听到的声音会再次变得清脆。

内耳
内耳是整个链条中最复杂的元素。它是一个充满液体的腔隙,由两部分组成:前庭迷路,是人体平衡机制的一部分;耳蜗,包含基底膜和柯蒂氏器,这是一种将声音转换为神经脉冲以便我们的大脑可以处理这些信息的敏感元件。

已经进入耳道的声音会使鼓膜产生运动。中耳听小骨拾取这些振动并将其通过卵圆窗传递给流体,卵圆窗是耳蜗和中耳之间的两个柔性表面之一。激发该膜片在充满流体的内耳中产生波,其沿着基底膜行进,从而使它和柯蒂氏器产生运动。

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电容式传声器中的静压均衡
为了将声压转换成电信号,Brüel & Kjær的电容式传声器使用一个精巧的隔膜在背板之间延伸,其间的间隙很窄,形成一个电容器。撞击声会使隔膜发生偏转,并且与背板距离的变化会产生与声压成比例的电信号。

隔膜将传声器顶部密封,以便静态环境压力的变化会改变隔膜相对于背板的中间位置。耳朵通过咽鼓管解决了这一问题,而电容式传声器也采用了类似的设计。传声器侧面或后面的狭窄空气通道确保内腔的静态压力与环境保持一致。

该器官包含数千个与听神经连通的小听毛细胞。基底膜的振荡模式相当复杂,不同区域或多或少受到不同频率的刺激。对于这些区域中的每一个区域,不同组的听毛细胞将被激活并通过神经传送到大脑。因此,柯蒂氏器将声音分解为各频率成分,类似于雨滴将日光分解为不同的颜色。

好了,这是我们对声音感知的许多现象进行解释的简短的版本。长版本要复杂得多,但也很令人兴奋。它值得用一个单独的章节来介绍,敬请期待...


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