乐音感知系列(五)时间论

音高感知的时间论是基于这个事实，即具有强烈音高感的声音波形是重复的或周期性的。周期性声源的基频f0可以通过测量波形的周期计算得到。

音高感知的时间论依赖于柯蒂氏器的神经放电时机，它在基底膜发生振动时就会发出神经电脉冲。部位学说的建立是以输入声波的不同频率成分刺 激基底膜不同部位为基础的(见部位学说一期的详细介绍)，而时间论的关键是它详细说明了实际声波沿着基底膜的整个长度刺 激不同部位后的具体性质。基底膜可以用一组带通滤波器模拟，这些滤波器的带宽和中心频率的关系如下图所示。

下图所示为一组电子带通滤波器的输出波形，这是Howard 以及他的伙伴们（1995）用一些晶片机实现的，输入信号是小提琴演奏的C4音，滤波器的带宽是根据临界频带计算公式得出的。C4的标准基频为261.6Hz，滤波器输出的频率刚刚大于200Hz的正弦波的频率就是基频f0，也就是图中最小的那个中心频率，这是因为滤波器可以分辨出基频f0。任何复杂的周期性波形的每个谐波成分都是正弦波。

部位学说认为，基底膜可以分辨前6次谐波。从上图可以看出，第2次（大约为520Hz）、第3次（大约为780Hz）、第4次（大约为1040Hz）和第5次（大约为1300Hz），谐波均能被分辨出来，而且它们的波形都是正弦波。其中的一些正弦波的幅度变化非常明显，尤其是第4次和第5次谐波，能够体现乐器声压输出的动态特性。第6次谐波（大约为1560Hz）的幅度变化更加显著，但是它的周期性与其他有所不同。

在这个例子中，滤波器输出的第6次谐波以上（包括第6次）的波形均不为正弦波，因为这些谐波不能被听觉分辨。两个或两个以上的谐波合成的信号经滤波器输出后，其波形不为正弦波，如上图所示。两个频率比较接近的谐波分量合成在一起后，将形成一个幅度有规律变化的“拍音”波形，拍音的频率等于两个分量的频率差，因此，如果这两个分量是相邻谐波，拍音的频率就等于基频f0，拍音的周期还是（1/f0)，这可以从图中对比拍音周期和基频为f0的正弦波的周期看出。因此，当输入包含相邻谐波成分时，滤波器中心频率大于第6次谐波的输出波形的周期是（1/f0)。

促使柯蒂氏器进行神经放电的所有滤波器输出波形的周期，是音高感知时间论的基础。基底膜上所有部位的神经纤维都可以放电，它们是以这样的方式放电的：某一特定的神经纤维只能在刺 激波形周期的特定相位或特定时间进行放电，这个处理过程称为“锁相 ( phase-locking )”。尽管神经放电过程在每个周期都是锁相的，根据观察可知，没有一根神经纤维能以大于300Hz的频率进行连续放电，也就是说，神经不一定在每个周期都放电，放电的周期往往是随机的。这种不连续放电的现象是Pickles提出的，他认为“也许会少到平均每100个周期只放电1次”。

因为存在锁相，所以每个神经放电的时间间隔都是刺 激波形周期的整数倍（1、2、3、4…），并且在基底膜的每个部位都有一定数目的神经纤维在放电。Wever提出了“群射”理论(“volley firing" principle )，即一组神经纤维同时工作，每一根神经纤维以不同的时间周期放电，由此可产生大于 300Hz 的放电频率。下面将以锁相原理为基础展开进一步的讨论。

在小提琴演奏 C4 时，基底膜不同部位上的神经放电之间的最短时间间隔（刺 激波形的一个周期）可以根据上图推断出，它等于滤波器输出波形的周期。对于那些低于约6次谐波发生响应的部位，其神经放电的最小时间间隔等于该次谐波的周期，对于约6 次以上的谐波激发的部位，神经放电的最小时间间隔等于输入波形的周期（即1/f0)。