声音与听觉系列知识 Part 1—人耳与听觉

作为专业的声品质解决方案公司，埃库特在做市场推广的时候发现，新兴的汽车主动声品质控制解决方案实际上是一个跨学科、跨领域的概念。当前的专业划分大多没有全面覆盖这个概念所涉及的基础知识。

本公众号将分多期为大家讲解一些基本知识点。以帮助大家理解声品质为目标，共同学习、共同成长。

我们不是这些理论的创造者，但我们想作为它们的传播者的同时，基于这些知识的学习，总结出一些生理与心理之间潜在的联系与规律，帮大家提升产品的声品质，不断优化用户体验感。

本系列知识点完整图谱如下: 

本期，我们主要讲解听觉产生的机理。即图谱中绿色的部分。

1. 人耳结构概述

人要有听觉，就必须要有完善的“听觉感知系统”——人耳，它就像是长在我们身体上的换能器，将声波转换为我们大脑能够接受的信号。上图是人耳的结构示意图。从生理上分，人耳包括耳廓(Pinna)、耳道(Auditory canal)、鼓膜(Tympanic membrane)、听小骨(Ossicles)、半规管(Semicircular Canals)、听觉神经(Auditory nerve)、耳蜗(Cochlea)、耳咽管(Eustachian tube)。

2. 耳廓

对于点声源，声音向外传播的时候遵循反平方定律(关注我们，后续将在介绍声音传播的时候会介绍此定律)。这就意味着，对于给定的声强，耳廓越大，接收到的声能就越大。耳廓扮演着人耳的预放大器的角色，用于增强听音的灵敏度。大家现在明白了吧，耳大不仅招风，还可以招声。

P.S.： 

• 有人曾经跟我们咨询人工头哪家强，我们的参考答案里有一个判据就是对比假人的耳廓哦。

• 另外，耳廓还有一个非常重要的作用，帮助人感知声源的空间位置。

3. 耳道

上图是听觉曲线，也就是我们常说的等响度曲线。从这个图可以看出，在2000-5000Hz之间有一个明显的凹陷，其中3500-4000Hz之间有峰值，这是由耳道共振引起的。在13500Hz附近有另外一个峰值，这是由耳道的三阶谐振引起的。2000-5000Hz之间的高灵敏度响应是感知人声的重要条件。

如果将耳道建模为上图所示的封闭圆柱体，等响度曲线上3700Hz出现峰值，可推算出正常体温条件下，管道的长度应该为2.4cm。13kHz附近的峰值就是该共振频率的3次谐波。

在人体听觉感知系统中，耳道扮演着封闭管道振荡器的作用，用于放大2000-5000Hz之间的声音。

4. 鼓膜

鼓膜是介于耳道和内耳之间的重要器官，它接收来自于耳道的振动，并将其通过听小骨传递给卵圆窗(卵圆窗是内耳的门户)。鼓膜的面积是卵圆窗的15倍大，也就意味着大约15倍的放大系数。

5. 听觉灵敏度与动态范围

实际上，外耳和中耳的结构决定了人的听觉系统的卓越的灵敏度与宽阔的动态范围。

外耳与中耳对信号的预放大倍数如下(以下数据是约数，不是精确数值)：

• 耳道对于2000-5000Hz范围声音放大2倍；

• 鼓膜对声音放大15倍；

• 听小骨对声音放大3倍。

  
  

在可听频率(20-20kHz)范围内，人耳可以对声波的波动产生实时的响应。人耳可感知的最小压力变化是大气压的十亿分之一(听阈)，这种难以置信的灵敏度依赖于外耳和中耳的结构产生的放大倍数。

另外一个值得一提的是人耳的动态范围，也就是听阈与痛域之间的比值关系，最高可达130dB。痛域是由人耳的自我保护结构决定的。

上图是人耳保护结构的示意，当很大的声音传入耳道时，肌肉张力拉紧鼓膜，并通过连接着听小骨锤骨与砧骨的肌腱，复位听小骨使镫骨回撤，以减小作用在内耳门户卵圆窗上的力。镫骨肌和鼓膜张肌起着保护人耳避免受到大声音伤害的作用。随着年龄的增长，这些肌肉会变硬，将镫骨往回来的幅度变小，所以一般情况下，老年人对大声音的忍耐程度不如年轻人。所以，一般老年人不喜欢听音量较大的音乐。

听小骨由锤骨(Hammer)、砧骨(Anvil)和镫骨(Stirrup)组成，它可以简化为一个杠杆模型。在最佳条件下，这个杠杆的放大倍数是3倍左右，但是也会受到肌肉动作的影响而发生变化(保护人耳受伤害)。

6. 内耳(半规管与耳蜗)

上图是内耳的示意图。内耳包括半规管和耳蜗两个重要的器官。半规管时刻探测三维的振动信号，根据这些信号来控制身体平衡。耳蜗是人体的麦克风，将外耳传进来的声压转换为电信号，并通过听觉神经传递给大脑。耳蜗的形状就像是一个蜗牛壳。这个形状决定了人能听到的音高的分辨率。

2.75圈的耳蜗，总长度大约3.2cm，利用16k-22k个毛细胞，可以解析大约1500个独立的音高。也就是说每0.002cm的耳蜗可以解析一个音高，这是非常惊人的本领。

以上，就是本期为大家带来的基本知识，简单讲解了人耳的结构，以及这些结构跟听觉之间的关系，希望对大家有帮助。

下一期，我们为大家介绍音高、响度、音色的概念。敬请关注。

欢迎大家持续关注我们，跟我们一起开拓未来。

更多汽车整车声品质控制与管理解决方案的信息，可以联系埃库特，相互探讨。

原创文章，首发埃库特 ACOUTEC公众号，禁止私自转载，如需转载请联系我，欢迎下方留言与我讨论。