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

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目錄 1 Hearing的重要性 1.1 聲音與情緒 1.2 人、聲音與環境 1.3 視力障礙者之聽覺 2 波 2.1 Sine wave 2.2 Frequency 2.3 波的能量 2.4 聲音的能量計算法 2.5 TABLE11.1 3 複雜的聲音 3.1 missing fundamental 3.2 Loudness 3.3 tone chroma 3.4 頻率與音強 3.5 Audibility curve 3.6 tone chroma 3.7 樂器為何不同音 3.7.1 Timbre 4 Ear 4.1 中耳 4.2 聲音在耳朶中的傳遞 4.3 中耳能量放大原理 4.4 內耳（cochlea耳蝸） 4.5 organ of Corti 4.6 hair cell 4.7 cilia之活動與ion channels 4.8 hair cell 活動 5 temporal theory 5.1 temporal coding 5.2 place theory（位置論） 5.3 Bekesy's experiment 5.4 Bekesy's traveling wave 5.5 Helmholtz / Bekesy 6 basilar membrance 6.1 在耳蝸中如何表現音頻 6.2 仔細看von Bekesy 6.3 Basilar membrane 6.4 Vibration in basilar membrane 6.5 Vibration of the basilar membrane 6.6 Envelope of the basilar membrane 6.7 Tonotopic map of the guinea pig cochlea 6.8 Frequency tuning curves of cat 6.9 Masking procedure 7 noise masking（噪音遮罩） 7.1 critical band 7.2 Masking 實驗結果 7.3 利用basilar membrane振動解釋masking 7.4 複雜波的情況 7.5 outer hair cells的功能 8 Physiology of pitch perception 9 Primary auditory cortex 9.1 Auditory pathway 9.2 Auditory cortex 9.3 Where / What pathway 9.3.1 兩個腦傷的案例 9.3.2 腦照影結果 9.3.3 pitch and brain 9.3.4 顳葉受損 9.3.5 fundamental frequency的腦內表現 9.4 neuroplasticity 9.5 shaping-by-training 9.6 性差與年齡差 9.7 Noise-induced hearing loss 9.8 Development 10 Mother's voice

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

• 參照第263頁 figure 11.1

Sine wave

• 參照第264頁 figure 11.2

Frequency

• 參照第264頁 figure 11.3

波的能量

• 參照第264頁 figure 11.4

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

• 參照第266頁 figure 11.5

missing fundamental

• 參照第266頁 figure 11.6

Loudness

• 參照第267頁 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

• 參照第268頁 figure 11.8

tone chroma

• 參照第267頁 figure 11.9
• 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

• 參照第270頁 figure 11.10

Ear

• 參照第271頁 figure 11.11
• 外耳(outer ear)、中耳(middle ear)、及內耳(inner ear)。

中耳

• 參照第272頁 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

• 參照第272頁 figure 11.13

中耳能量放大原理

• 參照第272頁 figure 11.14

內耳（cochlea耳蝸）

• 參照第273頁 figure 11.15

organ of Corti

• 參照第273頁 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。

• 參照第274頁 figure 11.17

cilia之活動與ion channels

• 參照第274頁 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

hair cell 活動

• 與音波的協調
• 參照第275頁 figure 11.19

temporal theory

• temporal theory（時間論）frequency theory（頻率論）
• volley theory（齊發論）

temporal coding

• 參照第275頁 figure 11.20

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

仔細看von Bekesy

• 參照第276頁 figure 11.21

Basilar membrane

Vibration in basilar membrane

• 參照第276頁 figure 11.22

Vibration of the basilar membrane

Envelope of the basilar membrane

Tonotopic map of the guinea pig cochlea

• 參照第277頁 figure 11.23

Frequency tuning curves of cat

• 參照第277頁 figure 11.24
• 人工耳
• 參照第278頁 figure 11.25

Masking procedure

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）

critical band

• characteristic frequency 特徵頻率

Masking 實驗結果

利用basilar membrane振動解釋masking

複雜波的情況

• 參照第279頁 figure 11.28

outer hair cells的功能

• 參照第278頁 figure 11.26
• 參照第279頁 figure 11.27

Physiology of pitch perception

• Sti. Physiology Perception
• 參照第280頁 figure 11.29

Primary auditory cortex

• 參照第281頁 figure 11.30

Auditory pathway

• SONIC MG
  • Superior Olivary Nucleus
  • Inferior Colliculus
  • Medial Geniculate Nucleus

Auditory cortex

• 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

兩個腦傷的案例

腦照影結果

pitch and brain

• 參照第281頁 figure 11.31
• tonotopic map
• 從cochlea一直到A1，都有依頻率排列的特性

顳葉受損

• 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

• 參照第282頁 figure 11.32

neuroplasticity

• 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

性差與年齡差

• 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
• 參照第283頁 figure 11.33

Noise-induced hearing loss

• 參照第284頁 figure 11.34

Development

• Thresholds
• 參照第285頁 figure 11.35

Mother's voice

• sucking rate
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