聲音是由物體振動所產生,它具有三個基本物理參量,即頻率、振幅和相位(圖1)。
頻率的單位是赫茲(Hz),1 Hz表示1秒內來回振動1次,人耳能感覺到20-20 000 Hz的聲音。
振幅代表聲音的強度,有物理量度和等級量度。物理量度有聲強和聲壓。聲強是指聲波在單位時間內作用在與其傳遞方向垂直的單位面積上的能量,聲壓是指傳遞媒介(如空氣、水、固體等)中心在有聲波傳播和無聲波傳播時的壓強之差。由於人耳能聽到的聲音強度範圍很大,最大值和最小值之間相差1012倍,且人耳感覺聲音的大小與兩個聲強比值的對數成比例。因此,用對數尺度來表示聲音強度的等級更加方便,其單位是貝爾(B)或者分貝爾(dB)。
相位是振動質點在特定的時刻處於振動週期中的位置,為質點是否在波峰、波谷或它們之間的某點的標度。通常以度(角度)作為單位,也稱作相角。 當振動波形以週期的方式變化,波形循環一週即為360o ,各相位的質點的振幅不同。發聲源傳遞的振動到達左右耳的相位不同,從而分別對左右耳產生不同的刺激,我們因此而定位聲源。
圖1. 聲波的三個參量。
圖2. 人聽覺系統示意圖。
聽覺系統由外耳、中耳、內耳和聽覺中樞組成(圖2)。外耳包括耳廓、外耳道和鼓膜。耳廓的形狀有利於聲波能量的聚集、收集聲音及聲源位置的判斷。外耳道是聲波傳導的通道,一端開口於耳廓中心,一端終止於鼓膜,長約25 mm,同時它也是一個有效的共鳴腔,能使較弱的聲波振動得到加強,並引起鼓膜振動。人外耳道共振頻率為3kHz-4kHz。由於空氣和液體的特性差異,聲波如果直接從空氣直接傳遞到內耳淋巴液將會造成能量損失30-36dB。中耳內有三塊起槓桿作用的聽小骨(包括錘骨、砧骨和鐙骨),增壓1.3倍,鼓膜的面積是鐙骨底板振動內耳淋巴液麵積的18.6倍,二者總計增壓27.6dB,基本消除了聲波直接從空氣接傳遞到內耳淋巴液造成的能量損失。內耳包括耳蝸和前庭,耳蝸的Corti氏器實現聲-電轉化過程,淋巴液的振動刺激Corti氏器的毛細胞,將機械振動能轉化為變化的電信號,通過神經細胞及其纖維傳遞至聽覺中樞(圖3)。聽覺中樞(大腦顳葉)對電信號進行精確分析,並賦予各種意義。
圖3.從耳蝸到中樞的聽覺傳導通路。