第十一講：Sound,the Auditory System,and Pitch Perception
出自KMU Wiki
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
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
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
tone chroma
- 不同的tone height，相差了一個octave，
同時頻率也呈倍數增加
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1cm如：圖11.19
temporal theory
- temporal theory（時間論）frequency theory（頻率論）
- volley theory（齊發論）
place theory（位置論）
- Helmholtz
- Resonance（共鳴）
- von Bekesy
Bekesy's experiment
- peak of vibration（振動高峰）
Bekesy's traveling wave
- traveling wave（行波）Nobelprize.org
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
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
- 聽覺訊息先傳至包括A1的core area，接著傳到圍繞在core area周圍的belt area，最後傳到旁邊的parabelt area
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
- 一位顳葉受損的病人在判斷聲音長短及線段方向的作業與一般人無異，但在判斷聲調的改變方向及聲調高低的區辨作業便表現相當差
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
