人耳辨向能力分析(1).doc

人耳的辨向能力分析棕北中学 张心怡摘要 本文分析了人耳辨向的几种解释，以及这些解释的不足，提出了人耳具有方向追踪能力的假设及实现原理，合理地解释了人耳的辨向能力。1引言人耳是我们的重要器官，它能够让我们领略自然界的不同声音，感受这丰富多彩的有声世界。借助双耳，我们可以分辨语音，进行语言交流；可以根据发声体发出的声音，辨别发声体的远近、方向，甚至发声体的大小、材质等特征。关于人耳对声音的接收、辨识处理的机理，人类进行了不懈的探索，同时也创造出很多仪器或装置（如录音机，助听器等），部分替代或弥补人耳的功能， 但是人耳对声音的接收、转换、处理过程及机理仍然有很多未解之谜，等待我们去破解。2人耳辨向机理人耳没有眼睛那样的转动能力，但人耳对声源具有方向分辨能力，我们不但可以分辨声音来自空间哪个方向，我们还可以“竖起耳朵”专注倾听某个方向的声音。那么，人耳是如何实现这样的能力的呢？21 双耳效应英国物理学家瑞利于1896年通过实验发现人的两只耳朵对同一声源的直达声具有时间差（0.44-0.5微秒）、声强差及相位差，而人耳的听觉灵敏度可根据这些微小的差别准确判断声音的方向、确定声源的位置，但依据时间差，只能局限于确定声源到我们的直线距离，不能解决三维空间声源的定位。如图1，同一声源，如果在以双耳连线为轴线的同一圆周上移动，在上下前后位置处，声源在双耳形成的时间差、声强差等是一样的，仅仅根据时间差、声强差，我们只能确定声源到我们的直线距离，无法分辨声音来自上、下、前或后，但事实上我们是能够分辨的。图12.2 耳廓效应人的耳廓对声波的反射以及对空间声源的定向有重要的定向作用。借此效应，可判定声源的三维位置。虽然耳廓对上下左右不同方向声音的收集效果不一样，但即使我们能够根据两耳间细微的声强差异，再配合时间差，区分声源的三维空间位置，但无法解释我们的主动指向某一方向，有方向选择性的倾听的能力。2.3 人耳的频率滤波效应人耳的声音定位机制与声音频率有关，对20-200赫的低音靠相位差定位，对300-4000赫的中音靠声强差定位，对高音则靠时间差定位。据此原理可分析出重放声音中的语言、乐音的差别，经不同的处理而增加环绕感。相位差、时间差实际上等效为，声强差类似于前述耳廓效应，仍然无法解释主动指向倾听能力。2.4头部相关传输函数人的听觉系统对不同方位的声音产生不同的频谱，而这一频谱特性可由头部相关传输函数HRT（HeadRelated Transfer Function）来描述。严格地讲，人的听觉系统对不同方位的声音的确会产生不同的频谱，人脑对同一声源在不同方向频谱是否能够有效区别，难于验证，但如果基于频谱差异辨别方向，那是在双耳接收到信号后，对信号的分析比较结果，在声音发生前，我们是如何“竖起耳朵”，把接收方向调到我们专注的那个方向的呢？3听骨链辅助辨向人耳由外耳、中耳和内耳组成。声波经外耳传入鼓膜，引起鼓膜振动，通过听小骨传导到耳蜗椭圆窗口上，刺激耳蜗的听觉神经，使我们听到了声音。从这一过程来看，外耳仅仅对声音起收集作用，中耳传导振动，耳蜗感知振动，而单纯的振动无法包含声音来自那个方向的信息，单只耳朵只是单点传导响应，不具备人眼那样的多像素感知单元，无法感知方向信息。如果人耳没有方向性，即使利用双耳也只能确定声源到我们的直线距离，不能解决三维空间声源的定位。要解释耳朵听力的指向性，人耳需要象眼睛那样有方向性，根据需要聚焦不同的方向。从耳朵的生理结构看，外耳几乎没有调节能力，不能像卫星天线，指向特定方向，耳蜗只能接收镫骨底传导来的振动也无法指向特定方向，如果人耳有方向指向能力的话，那么就只有中耳存在可能性了。31 听骨连功用分析中耳的听骨链构造特殊，由三块听小骨锤骨、砧骨和蹬骨构成，如图21，2，锤骨将来自鼓膜的振动传给砧骨，砧骨传给蹬骨，最后由耳蜗接收。从传导效率上讲，直接由一块骨头将鼓膜与耳蜗连接，将来自鼓膜的振动传导给耳蜗，效率更高些。那么听骨链构造如此复杂，究竟有什么功用呢。图2 听鼓链另一方面，鼓膜呈圆形，大部分借助于锤骨呈绷紧状态，但不是全部绷紧，如图3。为何我们的鼓膜会以这样的方式张紧，而不是从圆心处用力绷紧呢？ 图3 鼓膜实际上，中耳的听骨链构造如此复杂，是大自然的神奇造化，它是用于接收振动强弱调节以及方向感知控制。来自外界的声音强弱差异很大，如果直接传导到耳蜗，过强振动会引起内部器官变形甚至损坏，过弱的信号无法感知，因此在外耳与内耳间不仅仅只是需要振动传导，还需要缓冲调节机构。中耳是通过听骨链上的蹬骨肌和鼓膜张肌调节砧骨与锤骨间的耦合，控制鼓膜的张弛，改变接收信号强度，从而起到缓冲调节作用的，如图4。大脑根据声音强弱以及听力指向需求调节鼓膜张肌、蹬骨肌，控制传导至耳蜗的振动的强弱，以及通过控制鼓膜的主要张紧方向，实现声源方位跟踪，或指向性接收。图4 听骨链结构示意图32 听力指向机理 从人的耳朵结构看，人耳是不可能像人眼或雷达天线一样旋转，指向某一方向，人耳之所以可以有意识的指向某一方向，选择性倾听特定方向，奥妙就在鼓膜的张紧方式。如图6，鼓膜好比很多弦安装在锤骨柄与鼓膜周缘，通过锤骨柄我们可以有意识地控制这些弦的张弛，当需要重点倾听某一方向的声音时，大脑会有意识的调节某方向的弦的张紧程度，从而提高这一方向的灵敏度，实现对该方向的指向性接收，这样我们的耳朵就有了指向倾听的能力。图5 鼓膜张紧示意图 由于锤骨柄很小，位于鼓膜中央，通过锤骨柄有选择性的控制这些弦的张弛，并不需要锤骨作大范围的移动，因此对不同方向声源可以快速作出响应；同时由于锤骨柄受周围弦的共同制约，调节范围有限，对方向的选择、分辨能力不会太高；另外即使我们把注意力专注在某一方向，我们也只是改变了相应方向的弦与其他弦间的张弛程度差异，而其他的弦仍然同时在起作用，因此我们可以接收四面八方来的声音，而且随时可以追踪声音的方位。33 人耳辨向机制如上所述，由于人耳对声源具有指向功能，我们对声源的定向，就容易解释了。首先，当有声音发生时，大脑根据人耳接收声源信号的强弱，迅速调节耳膜的张弛程度，以及主要的张弛方向，当接收到的信号最强时，耳膜主要的张弛的方向就代表了声源的方向，大脑根据左右耳跟踪锁定的方向，我们就可以大致确定声源的空间方位了。4 结束语本文分析了几种人耳听力辨向原理的不足，提出了人耳通过听骨链控制鼓膜的主要张弛方向对声源方位进行辨向的假设，合理地解释了人耳的辨向能力问题。人耳可以在不需要象卫星或雷达天线那样做旋转扫描的条件下，迅速锁定