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

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-*Timbre+===Timbre===
-**Figure 11.10+Figure 11.10
-*Ear+===Ear===
-**Figure 11.11+Figure 11.11
-**外耳(outer ear)、中耳(middle ear)、及內耳(inner ear)。+*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
-*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
-*聲音在耳朶中的傳遞 
-**Figure 11.13 
 +===中耳能量放大原理===
 +Figure 11.14
-*中耳能量放大原理 
-**Figure 11.14 
 +===內耳（cochlea耳蝸）===
 +Figure 11.15
-*內耳（cochlea耳蝸） 
-**Figure 11.15 
 +===organ of Corti===
 +Figure 11.16
-*organ of Corti 
-**Figure 11.16 
- +===hair cell===
-*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。 **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 **Figure 11.17

在2011年12月9日 (五) 22:38所做的修訂版本

目錄

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
取自"http://wiki.kmu.edu.tw/index.php/%E7%AC%AC%E5%8D%81%E4%B8%80%E8%AC%9B%EF%BC%9ASound%2Cthe_Auditory_System%2Cand_Pitch_Perception"