第十一講：Sound,the Auditory System,and Pitch Perception

出自KMU Wiki

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在2011年12月9日 (五) 22:00所做的修訂版本

目錄 1 Hearing的重要性 2 聲音與情緒 3 人、聲音與環境 4 視力障礙者之聽覺 5 波 6 Sine wave 7 波的能量 8 聲音的能量計算法 9 table11.1 10 聲音的頻率 11 複雜的聲音 12 missing fundamental 13 Loudness 14 tone chroma 15 頻率與音強 16 Audibility curve 17 樂器為何不同音

Hearing的重要性

• 人類在各類辨識中常用的手段
  • 聽，誰在講話？
  • 聽，誰的拖鞋聲？
• 更廣範圍的定位
  • 我們可以聽到360度的聲音
  • 也可以聽到我們「看不到」的地方的聲音

聲音與情緒

• 粉筆與黑板急速磨擦
  • 受不了
• 小溪流水聲
  • 讓人平靜
• 知覺老師上課聲
  • 讓人睡著

人、聲音與環境

• 與環境互動
  • 先注意聲音、再察覺影像
• 與人互動
  • 有聲音的互動效率較高

聲音影響我們的四種方式Julian Treasure

視力障礙者之聽覺

• 優於視力正常者
  • 課本p.260 弱視者之經驗�
• 特殊案例：Helen Keller
  • Blindness isolated her from things, but deafness isolated her from peoples.

波

Figure 11.1

Sine wave

Figure 11.2

波的能量

Figure 11.3

聲音的能量計算法

• dB = 20 X log (p/p0)
  • p0 = 20 microPascals
• sound pressure level (SPL)
  • 若p = 200
  • 則 dB = 20 X log (p/p0)= 20log(200/20)= 20log(10) = 20

table11.1

與p0相對大小..............dB
1.....................................0
10..................................20
100................................40
1000..............................60
100000..........................100
1000000........................120
10000000......................140

聲音的頻率

Figure 11.4

複雜的聲音

Figure 11.5

missing fundamental

Figure 11.6

Loudness

Figure 11.7

• 音量每增加10分貝，我們會覺得音量增大了2倍

tone chroma

Figure 11.8

• 不同的tone height，相差了一個octave，同時頻率也呈倍數增加

頻率與音強

• 在2000~4000Hz是我們最敏感的頻段；中間兩條線是在不同頻率下，我們感受相同音量的強度；最上面一條線是讓我們感受到不舒服的強度，超過這個強度可能會造成聽力受損。
• 衛教
  • 耳機、隨身聽音量一定要放小聲

Audibility curve

Figure 11.9

樂器為何不同音

• 不同的樂器(吉他、巴森管、薩克斯風)即使演奏相同頻率的聲音，聽起來也是相當不同，原因即在於不同樂器所包含的泛音（timbre）不同
• 除了泛音不同
  • 動態上也有所不同

• Timbre
  • Figure 11.10

• Ear
  • Figure 11.11
  • 外耳(outer ear)、中耳(middle ear)、及內耳(inner ear)。

• 中耳
  • Figure 11.12
  • 傳遞方式是由鼓膜

振動開始傳到三小 聽骨(槌骨malleus、 砧骨incus、鐙骨 stapes)，再傳至 卵圓窗(oval window)， 最後進入內耳

• 聲音在耳朶中的傳遞
  • Figure 11.13

• 中耳能量放大原理
  • Figure 11.14

• 內耳（cochlea耳蝸）
  • Figure 11.15

• organ of Corti
  • Figure 11.16

• hair cell
  • 聽覺受器可分為兩種：inner hair cell與outer hair cell。前者數目較少，約3500個，卻有95%的聽覺細胞接受來自此的訊息；後者數目約12000個，卻只處理約5%的訊息。
  • Figure 11.17

• cilia之活動與ion channels
  • Figure 11.18
  • 這個振動只有

100 picometer 相當於Eiffel Tower 頂端天 線搖1 cm如：圖11.19

• temporal theory
  • Figure xx
  • temporal theory（時間論）�frequency theory（頻率論）

volley theory（齊發論）

• place theory（位置論）
  • Figure xx

• place theory 2
  • von Bekesy
  • Figure xx

• Bekesy's experiment
  • peak of vibration（振動高峰）
  • Figure xx

• Bekesy's traveling wave
  • Figure xx

• Helmholtz / Bekesy
  • Resonance

物理性上較「直覺」 生物結構上不可能 traveling wave 物理結構上較複雜 生物結構較「可能」

• basilar membrance
  • tonotopic organization（音調排列結構）�

cochlear emissions（耳蝸傳射） airborne sound->movement of the eardrum-> movement of the ossicles -> movement of the oval window -> fluid-borne pressure wave -> displacement of basilar membrance -> stimulation fo hair cells

• 在耳蝸中如何表現音頻
  • Figure 11.2

• 仔細看von Bekesy
  • Figure 11.21

• Basilar membrane
  • Figure 11.22

• Vibration of the basilar membrane
  • Figure 11.23

• Envelope of the basilar membrane
  • Figure 11.24

• Tonotopic map of the guinea pig cochlea
  • Figure 11.25

• Frequency tuning curves of cat
  • Figure 11.26

• Masking procedure
  • Figure 11.27

• noise masking（噪音遮罩）
  • auditory masking（聽覺遮罩）

幾個名詞 broadband noise（廣域噪音） bandpass noise（域帶噪音） center frequency（中央頻率） critical band（有效帶寬）

• bandpass noise
  • Figure xx

• critical band
  • Figure xx
  • characteristic �frequency�特徵頻率

• Masking 實驗結果
  • Figure 11.28

• 利用basilar membrane振動解釋masking
  • Figure 11.29

• 複雜波的情況
  • Figure 11.30

• outer hair cells的功能
  • Figure 11.31
  • cochlea amplifer

• outer hair cells的功能
  • Figure 11.32

• phase locking and temporal coding
  • Figure 11.33

• 性差與年齡差
  • Figure 11.34
  • 隨著年紀增長而對於高頻音較不敏感，男性的比例比女性高
  • Presbycusis

• Noise-induced hearing loss
  • Figure 11.35

• Auditory pathway
  • Figure 11.36
  • SONIC MG

Superior Olivary Nucleus Inferior Colliculus Medial Geniculate Nucleus

• Auditory cortex
  • Figure 11.37

• Where / What pathway
  • Figure 11.38

• 兩個腦傷的案例
  • Figure 11.39

• 腦照影結果
  • Figure 11.40

• pitch and brain
  • Figure 11.41
  • tonotopic map
  • 從cochlea一直到A1，都有依頻率排列的特性

• 顳葉受損
  • Figure 11.42

• fundamental frequency的腦內表現
  • Figure 11.43

• neuroplasticity
  • Figure 11.44
  • 訓練猴子區辨兩個接近2500Hz的聲音，

訓練後發現猴子A1負責處理2500Hz的區域增加了

• shaping-by-training
  • Figure 11.45

• 人工電子耳
  • Figure 11.46