听觉听觉生理Word格式文档下载.docx
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在空气中传播的声波是纵波，在纵波中，介质分子的振动方向和波前进的方向平行。
根据物理学，声波是一种振动的机械波，它的基本参数是频率f（frequency）和振幅（amplitude）。
频率是某一质点以中间轴为中心，1秒内来回振动的次数（单位为赫兹Hz），而质点完成一次全振动经过的时间为一个周期T，其单位为秒。
显然，f＝1/T。
频率与人耳主观感觉声音的音调有关。
频率越高，音调也越高。
振幅是某一质点振动时距中间轴的位移。
对某一质点而言，振幅随时间周期性变化。
距中间轴的最大位移为最大振幅。
振幅与声音的强度有关。
声波传播时，介质中每个质点都是在自己的平衡位置做往返的简谐运动，所谓简谐运动就是质点的位移幅度与时间变化的关系呈正弦函数关系。
人耳能感觉到的声波频率范围在20～20000Hz，称为音频波。
在这个频率范围以外的振动波，就其物理特性而言与声波相似，但在人类不引起声音感觉。
声速亦称音速，是声波通过介质传播的速度，它和介质的性质与状态（如温度）等因素有关。
在空气中声速为334.8m/s（22℃时），水中声速为1440m/s，在钢铁中声速为5000m/s。
声学与听觉特性声音的种类-纯音
现实世界中有各种各样的声音。
从听觉医学角度来分类，我们常根据声音的周期特性将其分为周期性声音和非周期性声音。
周期性声音包括纯音和复合音，这是由于它们的波型都具有一定的重复性；
而非周期性声音则是由许多频率、强度和相位不同的声音无规律性地组合在一起形成。
比如，日常生活的噪音就是一个例子，相比之下，非周期性声音就不是那么受人欢迎了。
纯音是含单一频率，同时声压随时间按正弦函数规律变化的声波。
在自然界和日常生活中很少遇到纯音，纯音可由音叉产生，也可用电子振荡电路或音响合成器产生。
音叉（tuningfork）是呈“Y”形的钢质或铝合金发声器，各种音叉可因其质量和叉臂长短、粗细不同而在振动时发出不同频率的纯音。
在临床耳科中应用广泛而简便的听力检查方法之一就是音叉试验，这个试验就是利用音叉发出的不同频率的纯音测试患者的听力状况。
临床听力检查多用C调倍频程的一组音叉，即C=64Hz、c=128Hz、c1=256Hz、c2=512Hz、c3=1024Hz、c4=2048Hz、c5=4096Hz，其中以C1和C2最为常用。
512Hz纯音的正弦波曲线
［点击下列音叉听声音］
声学与听觉特性声音的种类-复合音
在自然界和日常生活中很少遇到纯音，绝大部分都是复合音。
复合音是由频率不同、振幅不同和相位不同的正弦波叠加形成的，它也是—种周期性的振动波。
常用的科学波形分析方法是Fourier分析法，纯音和复音可以互相之间合成和分解。
在复合音波中频率最低的成分（分音）称基音。
频率与基音成整倍数的分音称谐音（谐波），2倍或3倍基音的分音分别称二次或三次谐音。
复合波之振幅是由基音的振幅和各组谐音的振幅重叠而成。
若振幅方向相同则可相加；
若振幅方向相反则须要相减。
复合音是多个物理参数不同的正弦波规律性叠加形成的。
任何复杂的周期性振动都可以分解为许多谐波，这称为傅里叶定律。
把复杂的振动分解成各种频率成分的过程称傅里叶分析，也称频谱分析。
声音通过频谱分析仪后分解成许多振幅和频率不同的信号，将这些振幅不同的成分按频率顺序排列所描绘的图形称频谱图。
声学与听觉特性声音的种类-噪音
噪音又称噪声，一般是指不恰当或者不舒服的听觉刺激。
噪音由许多频率、强度和相位不同的声音无规律性地组合在一起形成，其特点为非周期性的振动，它的音波波形不规则，听起来感到刺耳。
一般来说，凡是妨碍人们学习、工作和休息并使人产生不舒适感觉的声音，都叫噪音，如流水声、敲打声、沙沙声，机器轰鸣声等。
噪声又分为白噪声、粉红噪声和褐色噪声等。
它的测量单位是分贝。
白噪声（whitenoise）是指一段声音中的频率分量的功率在整个可听范围（20Hz～20kHz）内都是均匀的。
由于人耳对高频敏感一些，这种声音听上去是很躁耳的沙沙声。
白噪声具有连续的噪声谱，包含有各种频率成分的噪声。
它的功率谱密度与频率无关。
白噪声广泛用于环境声学测量。
粉红噪声（pinknoise）是自然界最常见的噪音，简单说来，粉红噪声的频率分量功率主要分布在中低频段。
粉红噪声在人耳中听到的是平直的频率响应——“非常悦耳的一种噪声”，最常用于声学测试。
从波形角度看，粉红噪声是分形的，在一定的范围内音频数据具有相同或类似的能量。
粉红噪声的电平从低频向高频不断衰减，其幅度与频率成反比（1／f）。
其幅度每倍频程（一个8度）下降3dB。
利用粉红噪音可以模拟出瀑布或者下雨的声音。
褐色噪声（brownnoise）的频率分量功率主要集中在低频段。
其能量下降曲线为1／f2，其波形是非常自相似的。
总体来说，褐色噪声有点和工厂里面的“轰轰隆隆”的背景声相似。
声学与听觉特性声音的强度
在物理学中，声波在单位时间内作用在与其传递方向垂直的单位面积上的能量称声强。
日常生活中能听到的声音其强度范围很大，最大和最小之间可达1012倍。
用声强的物理学单位表示声音强弱很不方便。
当人耳听到两个强度不同的声音时，感觉的大小大致上与两个声强比值的对数成比例。
因此，用对数尺度来表示声音强度的等级，其单位为贝尔（B）或分贝（dB）。
声强级（dB）＝10log（I/I0）
在声学中用1×
10-12watt/m2作为参考声强（I0）。
点击图片可听见512Hz纯音4个级别的声音强度（以次递减10dB）
在听觉医学研究中多采用声压或声压级表示声音的强度。
声压是指声波传播时介质中心的压强与无声波传播时的压强之差。
声压级（soundpressurelevel,SPL）是指某声压P与参考声压P0比值的对数（10为底）。
其单位亦为B或dB。
因声强与声压的平方成正比，故:
SPL（dB）＝10log（P2/P20）＝10log（P/P0）2＝20log（P/P0）
声压级的参考声压规定为2×
10－5Pa（20µ
Pa）。
在1～4kHz内，这个声压强度接近正常人的听阈。
当某声压为参考声压的10倍时，声压级为20dB；
同样如果某声压为参考声压的100、1000或10000倍时，相应的声压级即为40、60、80dB。
须指出的是0dB并不意味着没有声音,而表示该声音的强度与参考声音的强度相等；
－20dB则表示该声音的强度为参考声强的1/10。
当某一环境内有两台机器（声源）单独运转时，每台机器发出的噪声声压强为100dB；
同时运转时声音能量增大1倍，但声压强仅增加了3dB。
因此，总声压强为103dB，而不是200dB。
声学与听觉特性声强与响度的关系
声音的强度是客观的，决定于单位时间内作用于单位面积上能量的大小，可以用物理仪器（如声级计）来测量。
一定强度的声波作用于人听觉器官所引起的一种辨别声音强弱的感觉称为响度。
响度是主观的，它不仅决定于声音的物理强度，而且与声音的频率也有一定关系。
在强度相等时，1000～4000Hz的声音人耳听起来最响。
在此范围之外，随着频率的降低或升高，响度愈来愈弱，当降至20Hz以下或升至20kHz以上时，则很难听到。
响度的单位为宋（sone）。
频率1000Hz，强度为听阈以上40dB（感觉级）的纯音所产生的响度为1sone。
大体上，声音（1000Hz纯音）增加10dB（声压级），其响度约增加1倍。
由此可见，人耳主观响度的感觉并不与声音所含的能量呈线性关系，声音能量增加近4倍，主观感觉响度增加1倍。
声学与听觉特性声音频率与音调
频率是声音的物理特性，而音调则是频率的主观反映。
一般，音调的高低与频率的高低一致。
频率不变，强度的变化对音调稍有影响。
强度增大时，低频率音调显得更低，而高频率音调显得更高。
例如8192Hz的声音在100dB强度下所产生的音调要比80dB时高，而128Hz在100dB时所产生的音调要比70dB时低。
8192Hz的纯音，前1秒声音比后1秒低20dB，听起来前1秒声音的音调低于后1秒声音的音调
128Hz的纯音，前1秒声音比后1秒高30dB，听起来前1秒声音的音调低于后1秒声音的音调
音调的单位为美（Mel）。
频率1000Hz听阈以上40dB（感觉级）的纯音所产生的音调为1000Mel，音调比它高1倍为2000Mel（大致相当于3000Hz纯音的音调）。
当频率增加1倍时称1个倍频程（octave），相当于音乐中音调增高一个八度音阶。
声学与听觉特性音色
人们在日常生活中所接触到的声音为复合音，其中的基音与谐音成分是声音的客观特性。
人耳对复合音中各种谐音成分总和起来的主观印象即为音色。
基音为100Hz的钢琴声与基音100Hz的黑管声音的基音频率相同，经分析，钢琴声除100Hz振幅最大的基音外，还有15个振幅不同的谐音。
同样，黑管声有9个谐音。
因此人们可以区别同一频率钢琴声与黑管声。
乐器的基音频率决定音调，而谐音的频率与振幅决定音色。
声学与听觉特性听阈与听力
大家都知道，我们把听觉器官感受声音的能力称为听力，而临床上评价听力好坏要找到一个可以用数字来规范的标准，这个就是“听阈”的作用了。
听阈（hearingthreshold）就是听到声音的门槛。
要引起人耳的听觉，不是任何大小的声音都可以，必须在声音的强度达到一定的量值才行。
在人耳听觉可以感受到的20～20000Hz声音频率范围内，能引起人耳听觉的最小声音强度叫做听阈。
听阈直接反映了听觉感受器的灵敏程度，听阈越低，表示很小的声音就能听到，说明听力好，反之，听阈高，表示很大的声音才能听到，说明听力不好。
在临床广泛应用的主观听力检查中，通常用纯音测听的方法来了解一个人的听阈高低。
测试中通过给予只具有单一频率成分的声音即纯音，当能够觉察到一半以上次数时的最小声压级即为该频率的听阈值，从而反映出听力损失程度。
临床上测定听力时，一般是把20岁左右的听力正常人各频率听阈的平均值作为0dB，测定患者的听力损失的分贝数。
若该患者的听力损失达30dB以上，即对该频率的听阈提高了30dB，可诊断为耳聋。
上图的每段频率的下限标线代表的就是听阈值
声学与听觉特性听觉辨别阈
人耳不光具有感受声音刺激的功能，更重要的是还能根据声音频率和强度将不同的声音区别开来。
辨别阈是指听觉系统能分辨两个不同声音在某种特性上最小差异的能力。
能辨别的两个声音的最小频率差称频率辨别阈，在人又称音调辨别阈，它随声音的频率而异。
当声音强度为阈上60dB时，在250～4000Hz的范围内，频率辨别阈为0.1％～0.45％。
并且随声音频率的增加而辨别阈值下降。
随着声音刺激强度的增加，人耳辨别频率的能力也下降，频率辨别阈提高。
［点击下列图片，可分别听见每段声音分别由前0.7秒和后0.7秒的两片段纯音组成，试判断前后两片段声音是否为同一频率的声音，如不易判断，则将音箱声音调大或调小些看看。
答案在最下方］
A
B
C
能辨别两个声音的最小强度差称为强度辨别阈，在人又称响度辨别阈，当声音为中等强度时（阈上50dB），强度辨别阈为0.5～0.8dB。
此外，听觉系统还具有辨别声音时间特性的能力，例如辨别两个长短不同的声音和辨别两个声之间的时间间隔距离等。
这种功能对语言的识别、通讯以及音乐等领域具有一定意义。
［答案：
A，前段为512Hz，后段为516Hz；
B，前后片段声音均为512Hz；
C，前段为512Hz，后段为514Hz］
外耳与中耳生理
外周听觉器官就是耳。
我们把耳分为3个部分，从生理功能来看，外耳起集音作用；
中耳起传音作用，将空气中的声波传入内耳；
内耳具有感音功能。
从外耳集声、中耳传声至耳蜗基底膜振动及毛细胞纤毛弯曲为物理过程或称声学过程。
毛细胞受刺激后引起细胞生物电变化、化学递质释放，神经冲动传至各级听觉中枢，经过多层次的信息处理，最后在大脑皮层引起听觉，可统称为生理过程。
下面我们将深入探讨外耳和中耳是如何发挥生理功能的。
外耳与中耳生理声音传入内耳的途径-空气传导
声音一般是通过空气传导进入内耳，这是我们感知声音的主要途径；
另一种次要的途径是通过颅骨传导。
声波的振动被耳廓收集，通过外耳道达鼓膜，引起鼓膜和听骨链的机械振动，后者之镫骨足板的振动通过前庭窗而传入内耳外淋巴。
这种途径称空气传导（airconduction），简称气导。
声波传入内耳外淋巴后转变成液波振动，后者引起基底膜振动，位于基底膜上的螺旋器毛细胞静纤毛弯曲，引起毛细胞电活动，毛细胞释放神经递质激动螺旋神经节细胞轴突末梢，产生轴突动作电位。
神经冲动沿脑干听觉传导径路达大脑颞叶听觉皮质中枢而产生听觉。
此外，鼓室内的空气也可先经圆窗膜振动而产生内耳淋巴压力变化，引起基底膜发生振动。
这条径路在正常人是次要的，仅在正常气导的经前庭窗路径发生障碍或中断，如鼓膜大穿孔、听骨链中断或固定时才发生作用。
外耳与中耳生理声音传入内耳的途径-骨传导
骨传导（boneconduction），简称骨导，指声波通过颅骨传导到内耳使内耳淋巴液发生相应波动进而引起基底膜振动并产生听觉的过程。
在正常听觉功能中，由骨导传入耳蜗的声能甚微，所以对听觉产生的意义不大，但骨导在耳聋鉴别诊断中具有意义。
声波经颅骨直接传导到耳蜗时使耳蜗壁发生振动，而耳蜗壁振动又可通过下列两种方式引起内耳感受器的兴奋。
移动式骨导：
声波作用于颅骨时，颅骨包括耳蜗作为一个整体反复振动，即作移动式振动。
由于内耳淋巴液的惰性，故在每个振动周期中，淋巴液的位移稍落后于耳蜗骨壁。
当耳蜗骨壁在振动周期中向上位移时，耳蜗淋巴液的位移暂时跟不上骨壁的位移，而使圆窗膜向外凸出；
当耳蜗骨壁向下位移时，淋巴液使镫骨足板向外移位。
在振动周期中，两窗相间地外凸，引起基底膜发生往返的位移而产生振动。
另外，在移动式骨导时，听骨链的惰性也参与了类似的作用。
听骨链悬挂在鼓室与颅骨的连接并不牢固，当颅骨移动时，由于惰性，整个听骨链的位移稍落后于耳蜗骨壁，因而镫骨足板的获得类似通常气导引起的振动。
声波频率低于800Hz时，移动式骨导起主要作用。
压缩式骨导：
当声波振动通过颅骨达耳蜗壁时，耳蜗壁随声波的疏密相呈周期性的膨大和压缩。
在密相时，耳蜗壁被压缩，但淋巴液的可压缩性很小。
由于圆窗的活动度大于卵圆窗5倍，且前庭阶与鼓阶的容量之比为5：
3，故在声波密相时，被压缩的骨壁促使半规管内的外淋巴被挤入容量较大的前庭阶，再流入容量较小的鼓阶，而圆窗膜活动度又大于镫骨足板，故基底膜向鼓阶（向下）位移。
在声波疏相时，迷路骨壁弹回，淋巴液恢复原位，基底膜向上位移复原。
声波疏、密相的反复交替作用导致基底膜振动，形成对耳蜗毛细胞的有效刺激。
80OHz以上之声波的骨导主要采取此种方式。
外耳与中耳生理耳郭的集音作用
外耳包括耳郭（或耳廓）和外耳道。
低等动物的耳郭呈喇叭形，并有丰富的肌肉使其灵活运动，能竖起向四周转动，以探测声源的方向。
某些动物如猫、犬及鼠等，能感受较高频率（20～40kHz）的声波，其耳郭的动作更为灵敏，这可能是因高频声波传播过程中容易被遮挡，而耳郭的定向运动则有利于高频声波传入到耳内。
人耳郭的运动能力已经退化，但前方和侧方来的声音可直接进入外耳道，且耳郭的形状有利于声波能量的聚集，引起较强的鼓膜振动；
同样的声音如来自耳郭后方，则可被耳郭遮挡，音感较弱。
因此，稍稍转动头的位置，根据这时两耳声音强弱的轻微变化，可以判断音源的位置。
耳郭中间舟状的耳甲具有集音功能，它将传至的声波会聚性反射至外耳道口。
这种集音作用使进入外耳道口的声波密集，强度增大。
一些实验表明，耳甲可使频谱峰压点在5.5kHz的纯音提高10dB的增益。
耳郭边缘部亦对较宽频谱范围的声波有1dB～3dB的增益效应。
外耳与中耳生理外耳道的扩音功能
外耳道为一端由鼓膜封闭的盲性管道，是声波通过气导途径传入内耳的主要通道。
根据物理学原则，一端封闭的充气管道可与波长4倍管长的声波产生最大的共振作用。
外耳道长约2.5cm，其共振频率约为3500Hz。
因此，外耳道作为一个共鸣器（resonator），3500Hz左右频率范围的声波进入外耳道后，与之形成共振，起到最大的放大声压效能。
实验也证明，在外耳道口与鼓膜外侧表面分别测量传入外耳道的不同频率声波的声压，频率3～5kHz的声波在鼓膜附近比在外耳道要高约10dB。
由于鼓膜具有一定的阻尼性，同时又吸收较多的能量，因此，外耳道的共振曲线（即频率响应曲线）比较宽，不很陡，4kHz附近的频率的声压都有所提高。
除此之外，外耳道还具有清洁作用和保护作用，外耳道内侧皮肤的耵聍腺和皮脂腺分别分泌耵聍和皮脂形成蜡状耳垢，具有抑菌杀菌、保护外耳道的作用，而且可以防止外耳道过于干燥。
外耳道皮肤上很多有自主运动的纤毛，能够将耳垢等物向外排出。
外耳与中耳生理中耳的阻抗匹配功能
中耳包括鼓膜、鼓室、听小骨、中耳肌肉、韧带和咽鼓管等结构。
中耳的主要功能是将外耳道内空气中的声能传递到耳蜗的淋巴液。
这种由气体到液体的声能转换是通过鼓膜与听骨链的振动来偶联的。
声波在传播过程中，振动能量引起介质分子位移时所遇到的抵抗称声阻抗（acousticimpedance）。
声波从一种介质传到另一种介质时，一部分声波会在界面反射，一部分透过界面进入第二种介质。
声波的反射量和透入量决定于两种介质的声阻抗比值。
声阻抗值相差越大，则反射量越大而透入量越小。
当两种介质的声阻抗相等时，这两种介质之间的声能传递最有效，两种介质声阻抗相差愈大，则声能传递效能愈差。
水的声阻抗大大高于空气的声阻抗。
空气与内耳淋巴液的声阻抗相差约3800倍，当声波由空气传到淋巴液时约有99.9％的声能被反射而损失了，仅约0.1％的声能可透射传入淋巴液中，故在空气—液体界面的传递中，约损失了30dB的声能。
而中耳的主要功能则是通过阻抗匹配作用，使液体之高声阻抗与空气之低声阻抗得到匹配，从而可将空气中的声波振动能量高效地传入内耳淋巴液体中去，这种功能是通过鼓膜和听骨链作为声波变压增益装置来完成的。
外耳与中耳生理鼓膜的生理功能
人的鼓膜就是一片弹性薄膜，它的四周边缘相对绷紧地镶嵌于骨性鼓环上，具有一定的紧张度和劲度。
鼓膜好比一个振动膜，它的两边分别与外耳道和鼓室内的空气接触。
声波机械性撞击时，必然引起鼓膜振动。
鼓膜具有良好的频率响应特性和较小的失真度。
鼓膜的振动完全跟随声波，其振动的振幅虽然极小，但能随声波的振幅精细变化。
可以利用全息摄影技术观察声波引起鼓膜振动和位移的图形。
振动的面积具有频率依赖性，当频率在4kHz以上时，只有锤骨柄及其附近的鼓膜才能成为传递声音的有效振动部位。
Bé
ké
sy于1960年研究人鼓膜振动时观察到，鼓膜不同部位的振幅大小不同，以锤骨柄下方近鼓膜底部处振幅最大。
振幅小时，在鼓膜上等振幅范围面积大；
振幅大时，等振幅面积小。
外耳与中耳生理听骨链的传导功能
三块听小骨通过关节连接形成一弯形的杠杆系统，构成鼓膜与前庭窗之间的机械联系装置，其主要的生理功能是将声波由鼓膜传至内耳，实现有效的阻抗匹配。
听骨链这个杠杆系统的运动轴相当于通过锤骨颈部前韧带和砧骨短突之间的连线上。
以听骨链的运动轴为支点，可将锤骨柄与砧骨长突分别看成是杠杆的长、短两臂。
在运动轴的两侧，听小骨的质量大致相等。
鼓膜的振动传至锤骨柄的尖端时，当锤骨柄向内移的瞬间，锤骨头与砧骨体因其在转轴以上的位置而向外转；
砧骨长突及镫骨因位于转轴的下方，故其运动方向与锤骨柄一致而向内移。
sy于1951年在实验中观察到，在中等强度声压作用时，镫骨足板沿其后脚的垂直轴（短轴）振动，故足板的前部振幅大于后部，呈类似活塞样运动，可有效地推动前庭阶中的外淋巴来回振动。
当声强接近于痛阈时，镫骨足板沿其前后轴（长轴）呈摇摆式转动，此时，外淋巴液只在前庭窗附近底板的上下缘之间振动，因而避免了强声引起的基底膜过度位移所造成的内耳损伤。
然而，Guinan和Peake（1967）观察猫的镫骨足板运动形式，发现在一般声强范围（甚至在130dBSPL）的低频纯音刺激，镫骨呈活塞式运动而无明显的沿轴枢式摇动。
这种轴枢式摇动仅发生在声强极大时。
外耳与中耳生理中耳传音的增压功能
声波作用于鼓膜，通过听骨链之镫骨足板作用于前庭窗。
根据物理学原理，若不考虑微量机械摩擦损耗，则作用于鼓膜上的总压力应与作用于前庭窗上的总压力相等。
由于鼓膜的面积大大超过镫骨足板的面积，故作用于镫骨足板（前庭窗）单位面积上的压力大大超过作用于鼓膜上的压力。
人的鼓膜有效振动面积约为59.4mm2，镫骨足板面积约为3.2mm2，两者之比等于18.6倍，即作用于鼓膜的声压传至前庭窗时，单位面积压力增加了18.6倍。
另外，听骨链杠杆系统中锤骨柄（长臂）与砧骨长突（短臂）的长度之比为1.3:
1，因此，通过中耳的增压作用使前庭窗膜单位面积的压力增加到18.6×
1.3＝24.1倍，相当于27.6dB（20log24.1/1＝27.6）。
这样，整个中耳的增压作用基本上补偿了声波从空气传入内耳淋巴液时，因两种介质之声阻抗不同所造成的30dB的能量衰减。
此外，中耳结构也具有共振特性。
研究发现，听骨链对500Hz～2000Hz的声波有较大的共振作用，呈带通功能。
由此可见，通过中耳、外耳道及耳廓对声波的共振作用以及中耳
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