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      【验配专栏】声音想要进入耳内,需要经历哪些过程? 2018-07-30

人的耳朵是一个非常敏感的器官。低水平的1000赫兹纯音也是可听到的,即使它产生的耳膜位移不到氢原子宽度的十分之一。

声音通过耳廓的开口进入耳朵,耳道以耳膜结束。耳膜的振动通过三根微小的骨头:锤骨、砧骨、镫骨传递,转化为耳蜗内液体中的压力变化。

自然选择成功地设计了一种如此优雅和复杂的仪器,与之相比,我们在录音和处理方面的最大努力似乎是极其粗糙的。

在经典电影《奇妙的航行》中,一群勇敢的科学家乘坐一艘微型潜水艇绕着垂死的人的血管旅行,通过各种感兴趣的器官和地点。在旅程中,我们将跟随一道声波进入耳中,传导、继而转化为电信号,随之传递到大脑。做好准备,我们必看见许多奇妙的事情…

耳廓是耳朵的外部结构,它是一种奇怪的软骨瓣,你可以把太阳镜挂在上面。当我们说某人的耳朵被割掉时,其实说的就是耳廓。虽然听力感觉不会受到这种切除手术的很大影响。

相较于在人体中的作用,耳廓在其他动物(蝙蝠、狗等)中的作用更重要。

然而,当声音进入耳朵时,它们确实会对声音造成影响,而这些影响内容取决于声音来自哪个方向,有助于听觉系统确定声源的位置。
耳廓内的开口--耳道口,引伸向外耳道,这是一条短而弯曲的管道,末端是鼓膜。外耳道总长约2.5厘米,具有共振特性,如一端开口的官腔。 

另一种思考方法是,耳道的作用就像一个宽调谐的带通滤波器。由于耳道的共振因素,我们对大约1000到6000赫兹之间的声音更敏感。
耳廓和外耳道共同构成外耳。传播耳道下的声音是听力的最后阶段,声波是通过空气传播的。声音沿外耳道继续向内传播,是声波是由空气传播最终形成听力的最后一个阶段。

耳膜是一张紧绷的、容易刺穿的薄膜,随外耳道内压力变化而振动。鼓膜分隔开了外耳道和另一面的中耳。中耳充满空气,并通过咽鼓管连接到咽喉。吞咽或打呵欠时咽鼓管打开,使中耳中的压力与外部气压平衡。

例如


飞机上快速上升时,我们所经历的压力变化会造成鼓膜两侧空气压力的不平衡,导致我们的耳朵产生不舒适的感受。吞咽有助于缓解这个问题。

虽然中耳充满了空气,声音振动从鼓膜传递到耳蜗,却是通过三根微小的骨头——身体中最小的,分别称为锤骨、砧骨和镫骨(字面意思而言,形似:“锤子”、“铁砧”和“马蹄”)。这些骨头统称为听小骨。他们的工作是尽可能有效地将充满空气的耳道中的压力变化转化为充满液体的耳蜗中的压力变化。


这种传输并不像看起来那么微不足道。如果你在陆地上对着水下游泳的人大喊大叫,大部分声音都是从水面反射回来的,因为水的阻抗比空气高得多。如果要求鼓膜将振动直接传递给充满水的耳蜗,也会发生类似的情况。
中耳中的听骨链通过将声波作用于鼓膜上产生的力集中到一个较小的区域(耳蜗上的卵圆窗)来解决这个问题。因为压力等于除以面积的力,这种转变的效果是使压力增加大约20倍。
听骨链也是一个杠杆系统,使鼓膜上受力面积大但强度较弱的振动在卵圆窗处转化为受力面积更小却更强有力的振动。

最后,耳膜本身会产生屈曲运动,以增加振动力,减小声传播的位移和速度。所有这些部件的整体效果是将卵圆窗处的压力提高到耳膜处的20-30倍左右。(见Rosowski&Relkin,2001)整个中耳系统就像一个阻抗匹配的变压器。
附着在听小骨上的肌肉,它们在受到大声(超过75dB SPL)刺激时会发生收缩。这增加了听骨链的刚度,减少了传递到耳蜗的振动。该机制最有效地降低低频声(低于1000Hz)的作用,因此,其作用就像一个高通滤波器。
这种反射对于保护耳朵免受高频声音影响的作用不大,但高频声影响通常是最具破坏性的。因为反射涉及脑干中的神经回路,所以该机制发生太慢(潜伏期为60到120毫秒),而无法保护我们的耳朵免受突发的冲击声,例如枪声。


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