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杭州惠耳听力:声学基础知识 

时间:2009-01-13 19:31来源: 作者: 点击:
  一、 声音   

声音是空气分子的振动。物体的振动(我们称之为"声源")引起空气分子相应的振动,传入人耳导致鼓膜振动,通过中耳、内耳等一系列听觉器官的共同作用使人听到了声音。

二、 声波   

把石头扔进平静的水面,会形成一组向四周扩散的水波,这是我们所能见到的比较直观的"波",空气分子振动形成的声波要复杂一点,它是从声源向四周立体扩散的一组疏密波,空气分子并不是从声源一直跑到您的耳朵,而是在它本来的位置振动,从而引起与它相邻的空气分子随之振动,声音就是这样从声源很快地向外传播的,声音在空气中的传播速度是331米/秒。举一个简单的例子,麦浪的运动跟声波很相似,粒子的振动方向与波的运动方向是平行的。波需要通过介质来传播,麦浪的运动到田埂边就自然停止了,声波的传播介质是空气分子,所以,真空里声音是不能传播的。

三、 声音的频率   

声波每秒的振动次数称为频率,频率在20hz~20khz之间称为声波;频率大于20khz称为超声波;频率小于20hz称为次声波。超声波和次声波人耳是听不到的,地震波和海啸都是次声波。有些动物的耳朵比人类要灵敏得多,比如蝙蝠就能"听到"超声波。

世界上很少存在单一频率的 "纯音",我们所听到的声音大都是各种频率的复合音,如乐器发出的单音就是周期性的复合音,语音则是非周期性的复合音。 让我们对声音的频率有一个比较直观的概念:大鼓的"蓬蓬"声频率很低,大约在数十赫兹左右;人的语音频率范围主要在200 hz到4000 hz之间;锣声、铃声的频率大约在2000 hz到3000 hz左右;在人类语音中,女声比男声频率要高一点;童声要比成人频率高一点;"啊啊"声频率较低,"咿咿"声频率稍高,"嗤嗤、嘶嘶"声频率最高。知道这一点很有用,在实际选配中,你可以经常用来测试病人戴助听器前后对声音频率的反应。

高频和低频是相对的,在语音范围中,通常把1000 hz以上的区域称为高频区,500 hz -1000 hz的区域称为中频区,低于500 hz的区域称为低频区。而在讨论音乐的时候

四、 声音的强度   

其一是从物理上来描述:我们知道由于空气分子本身固有的不规则运动及相互排斥会形成一个静态的压力,这个压力就是我们所熟知的大气压。前面我们讲过,声音是空气分子的振动,振动的空气分子对它通过的截面就会产生额外的压力,这种额外的压力我们就称之为声压。声压比之大气压要小得多得多,举个例子,一个声压仅仅相当于大气压的一万分之一的声音就足以把人的耳朵振聋。 物理学家引入了声压级(spl)来描述声音的大小:我们把一很小的声压p0=2х10-5帕作为参考声压,把所要测量的声压p与参考声压p0的比值取常用对数后乘以20得到的数值称为声压级,声压级是听力学中最重要的参数之一,单位是分贝(db)。

其二我们要了解的概念是听力级(hl),前面所讨论的声压级是比较客观的声学参数,而在听力学中我们经常要讨论的是人耳听到了什么,而不仅仅是测量到了什么。人耳不是一个很好的测量声音的仪器,因而听力学家引入了听力级这个概念来更好地解释人耳听到的声音的大小。

前面我们讲过声压级是基于一个参考声压p0=2х10-5帕来定义的,即每个不同频率上的零分贝声压级(0dbspl)对应的声压都是2х10-5帕。而零分贝听力级(0dbhl)的定义则不同,听力学家通过大量的实验把正常人耳在某个频率上刚刚能听见的声音大小的平均值定义为零分贝听力级(0dbhl)。

声压级(spl)和听力级(hl)两个概念单位都是分贝,但概念却不同,声压级描述的是声音的物理特性,听力级描述的是人耳感觉的声音。很多电声学的概念如助听器的增益、信噪比、听阈值、听力损失等,单位都是用分贝,但概念都不同。许多用分贝来作测量单位的参数都是拿一个参数与另外一个参数比较得来的。比如,助听器的增益gain是把放大后的声压跟输入的声压作比较;信噪比是把信号的强度跟噪声的强度作比较。这些概念都是在听力学中都是非常重要的。

五、 噪声   

谈到助听器,必然谈到噪声,下面就一些与噪声有关的概念作一个解释:

噪声的定义:

1.从主观需要的角度来看:所有不希望存在的声音都可称之为噪声。比如,在寂静的考场中,再动听的音乐也是噪声;在你看电视的时候,他人的谈话即是噪声;在你与他人谈话的时候,电视声也就变成噪声了。

2.从物理分析的角度来看:一切不规则的或随机的声信号或电信号都可称之为噪声。

信噪比:

很多领域都涉及到信噪比,这里仅指听力学中的含义。   

在测量环境中信号与噪声的声压级之差为信噪比,单位是分贝。比如在你看电视的环境中,电视机的声音就是信号,他人的谈话和其他声音就成为噪声,如果电视音量为60 dbspl,噪声总的音量是50dbspl,那么此时信噪比就是10 db。同样在这个环境中,如果你此时是在和他人谈话,假如你朋友说话(此时是信号)的音量是60 dbspl,电视声音关小后和其他声音总和(此时是噪声)的音量是55 dbspl,那么此时信噪比就是5 db。   

信噪比的大小对你是否能听清你想听的信息很重要。 环境噪声是指测试环境所有近处和远处噪声的总和。   

本底噪声(背景噪声)一般指电声系统中除有用信号以外的总噪声。比如电视声中除节目声音外的"沙沙"声等。 掩蔽噪声是指听力测听中用来掩盖信号声的特定噪声,包括白噪声(white noise)、宽带噪声(wide noise)、窄带噪声(narrow band noise)等。

人耳结构    
人耳结构可分成三部分:

外耳、中耳和内耳。在声音从自然环境中传送至人类大脑的过程中,人耳的三个部分具有不同的作用。

一.外耳   

外耳是指能从人体外部看见的耳朵部分,即耳廓和外耳道。耳廓对称地位于头两侧,主要结构为软骨。耳廓具有两种主要功能,它既能排御外来物体以保护外耳道和鼓膜,还能起到从自然环境中收集声音并导入外耳道的作用。将手作杯状放在耳后,很容易理解耳廓的作用效果,因为手比耳廓大,能收集到更多的声音,所以这时你所听到的声音会感觉更响。   

当声音向鼓膜传送时,外耳道能使声音增强,此外,外耳道具有保护鼓膜的作用,耳道的弯曲形状使异物很难直入鼓膜,耳毛和耳道分泌的耵聍也能阻止进入耳道的小物体触及鼓膜。

外耳道的平均长度2.5cm,可控制鼓膜及中耳的环境,保持耳道温暖湿润,能使外部环境不影响和损伤到中耳和鼓膜。    外耳道外部的2/3是由软骨组成,靠近鼓膜的1/3为颅骨所包围。

二.中耳   

中耳由鼓膜、中耳腔和听骨链组成。听骨链包括锤骨、砧骨和镫骨,旋于中耳腔。中耳的基本功能是把声波传送到内耳。

声音以声波方式经外耳道振动鼓膜,鼓膜斜位于外耳道的末端,呈凹型,正常为珍珠白色,振动的空气粒子产生的压力变化使鼓膜振动,从而使声能通过中耳结构转换成机械能。 由于鼓膜前后振动使听骨链作活塞状移动,鼓膜表面积比镫骨足板大好几倍,声能在此处放大并传输到中耳。由于表面积的差异,鼓膜接收到的声波就集中到较小的空间,声波在从鼓膜传到前庭窗的能量转换过程中,听小骨使得声音的强度增加了30db。

为了使鼓膜有效地传输声音,必须使鼓膜内外两侧的压力一致。当中耳腔内的压力与体外大气压的变化相同时,鼓膜才能正常的发挥作用。耳咽管连通了中耳腔与口腔,这种自然的生理结构起到平衡内外压力的作用。

三.内耳   

内耳的结构不容易分离出来,它是位于颞骨岩部内的一系列管道腔,我们可以把内耳看成三个独立的结构:半规管、前庭、耳蜗。前庭是卵圆窗内微小的、不规则形状的空腔,是半规管、镫骨足板、耳蜗的汇合处。半规管可以感知各个方向的运动,起到调节身体平衡的作用。耳蜗是被颅骨所包围的象蜗牛一样的结构,内耳将在此将中耳传来的机械能转换成神经电冲动传送至大脑。

为了便于理解耳蜗的功能,我们用右图来显示镫骨足板与耳蜗的前庭窗的连接。耳蜗内充满着并被基底膜所隔开、位于基底膜上方的是螺旋器,这是收集神经电脉冲的结构,耳蜗横断面(见下图)显示了螺旋器的构造。

当镫骨足板在前庭窗处前后运动时,耳蜗内的液体也随着移动。耳蜗液体的来回运动导致基底膜发生位移,基底膜的运动使包埋在覆膜内的毛细胞纤毛弯曲,而毛细胞与听神经纤维末梢相连接,当毛细胞弯曲时神经纤维就向听觉中枢传送电脉冲,大脑接收到这种电脉冲时,我们就听到了"声音"。

四.小结   

听觉功能涉及到多种形式的能量转换,环境中的声能经传送通过鼓膜后被转换成机械能,而机械能又被听小骨增强之后通过前庭窗传给耳蜗,耳蜗中的液体流动则属于液体能,这一液体运动使位于基底膜的毛细胞弯曲,毛细胞又把机械/液体能转换成电脉冲传输给大脑,大脑最后将接收电脉冲信号并解释为"声音"。

                                      本文源于《杭州惠耳听力网站》

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