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
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
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
- 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
- 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
