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

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(hair cell)
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(Noise-induced hearing loss)
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===Noise-induced hearing loss=== ===Noise-induced hearing loss===
-*Figure 11.35+Figure 11.35
-*Auditory pathway+===Auditory pathway===
-**Figure 11.36+Figure 11.36
-**SONIC MG+*SONIC MG
-Superior Olivary Nucleus+**Superior Olivary Nucleus
-Inferior Colliculus+**Inferior Colliculus
-Medial Geniculate Nucleus+**Medial Geniculate Nucleus
-*Auditory cortex+===Auditory cortex===
-**Figure 11.37+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 *Where / What pathway

在2011年12月15日 (四) 09:41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.


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