谈谈耳的物理原理

关键词：

按声波的传导途径, 耳可分为外耳、中耳和内耳三个部分。外耳和中耳是传导声波的部分, 内耳是接受声波的部分。在正常情况下, 声音通过空气经外耳和中耳传入内耳, 并使内耳中淋巴液发生波动, 引起耳蜗基底膜振动, 刺激毛细胞, 经神经中枢系统作用而感音。

经过漫长的进化, 人耳在结构和功能方面均已达到高度分化水平。其结构之精巧, 功能之完善, 感受之灵敏, 几乎达到了令人难以想象的地步。

从感受声波的强度来看, 一个声强仅为10～12W/m2 (此值称作闻阈) , 频率为1kHz的声波作用在鼓膜上即可引起听觉, 此时鼓膜的振幅仅为10～11m, 而此时内耳耳蜗基底膜的振幅则更小, 仅为10～13m, 只相当于氢原子直径的1/100左右。不仅如此, 耳还能耐受很强的声响, 对频率为1kHz的纯音, 耳能接受的声强的上限可达1W/m2 (此值称作痛阈) 。作为一种机械感受器官, 人耳所能够感觉的声强范围如此之广, 从最小到最大竟达12个数量级, 这对于通常的电子仪器来说也是很难做到的。

人耳除了能接受声波刺激 (听觉) 作用外, 还具有接受位觉刺激 (平衡觉) 的作用。本文主要讨论听觉。在听觉过程中, 神经中枢系统所起的重要作用是不言而喻的。下面从物理学的原理出发对耳的结构和功能作一概要分析。

1 外耳的集音 (共振) 作用

外耳具有收集声音作用, 它不仅是声波的传导通路, 并能对某些频率的声波产生共振, 以起到增强声压的作用。这是因为, 一端封闭的管腔能与波长为其管长4倍的声波产生共振。外耳道的长度约为2.0～2.5cn, 若以2.2cm为例, 波速取331m/s331m/s, 其共振频率约为

由于外耳的这一共振作用, 使得频率为4000Hz左右的声波在鼓膜附近产生的声压可提高大约10dB (分贝) 。

2 中耳听骨链的杠杆作用

听觉功能的高度完善, 一方面取决于内耳对声波所特有的敏感性, 另一方面也有赖于中耳的精巧的机械装置, 它能把空气振动的能量极为有效地传递到内耳。

中耳以鼓膜与外耳相接, 对声波的传导具有重要作用。鼓膜为一近似椭圆的薄膜, 平均直径约9mm, 厚度约0.1mm。声波经外耳使鼓膜振动, 引起三个听小骨振动。听小骨由锤骨、砧骨、镫骨三骨构成听骨链杠杆 (这是一套弯曲的结构精巧的力学杠杆) 。听骨链的连串运动使镫骨底在卵圆窗上来回振动, 将声波传入内耳。听骨链杠杆系统的支点 (或称转轴) 刚好位于听骨链的重心上, 这样在传递声能的过程中惰性最小、效率最大。

根据力学中的杠杆原理, 当听骨链杠杆系统工作时, 杠杆两边的力矩相等。杠杆长臂 (锤骨柄长度) 为L1, 短臂 (砧骨长突的长度) 为L2, L1与L2之比约为1.3比1。与长臂端相连的鼓膜的有效面积S1约在59mm2, 与短臂端经镫骨底相连的卵圆窗膜的有效面积S2约为3.2mm2。设鼓膜和卵圆窗上的压强分别为p1和p2。

由力学的杠杆原理F1×L1=F2×L2, 可知P1×S1×L1=p2×S2×L2

将上面的有关数字代入, 可得

这时相对声压级约为

上面的计算表明, 在传声过程中, 经听骨链杠杆系统的作用, 在卵圆窗上的声压约增加24倍, 这相当于声压级为27.6dB。听骨链杠杆系统的这种精巧的结构和完美的功能, 充分体现了在漫长的进化过程中, 人与自然的和谐。

3 内耳的辨音 (对响度、音调和音色的分辨) 作用

内耳结构比较复杂, 弯弯曲曲, 故称迷路。迷路有两个部分, 一套骨质管腔 (称骨迷路) 和一套膜性管腔 (称膜迷路) 。两者之间充满淋巴液。内耳中的耳蜗具有感音、传音以及对声音响度、音调和音色的初步分析功能。

声波由卵圆窗传入内耳, 使迷路管内的淋巴液振动, 引起耳蜗基底膜的相应振动。在基底膜的不同部位, 发生位移的相位不同, 形成一种行波形式位移。

人耳基底膜长约31.5mm, 在每一不同位置上具有不同的共振频率 (或称固有频率)

此式表明, 一个系统的共振频率取决于它的劲度 (k) 和它的质量 (m) 的比值。当劲度逐渐增大则共振频率增高;当质量增大则共振频率降低。由于从基底膜的底端伸延到顶端的劲度逐渐减小, 而负载在其上的质量是逐渐增加的, 这就决定了基底膜的每个不同位置上具有不同的共振频率。也就是说, 不同频率的声波, 在基底膜上引起的最大振幅的相应部位是不同的。高频声波引起的最大振幅的相应部位比较靠近卵圆窗, 即高频声波易与近卵圆窗的基底膜发生共振;中频声波引起的最大振幅的相应部位在基底膜的中部, 即中频声波易与基底膜的中间部位发生共振;而低频声引起的最大振幅的相应部位则在靠近蜗顶的基底膜处。这些构成了耳蜗成为一个声波分析器的力学机制。因此, 耳蜗基底膜对声音的频率和强度具有分析能力, 可把一个复音分解为各个成份。由此可知, 耳蜗基底膜具有感受声响和分辨音调、音色的能力, 这是人耳能够分辨不同声音的一个重要方面。

进一步的实验研究表明, 基底膜是一个宽频带的机械波滤波器, 这个滤波器可以起到一部分将复合声音分为其各个频率成份的作用。需要指出, 仅靠这种机械作用来进行分析的能力是比较有限的, 更重要的是要靠中枢神经系统对声音的分辨作用。还应指出, 声波在人耳中除了空气传导这一途径外, 还有一种途径就是骨传导 (如通过颅骨传导) 来实现。但骨传导与正常的空气传导相比较, 在效能则要低得多。

综上所述, 正常听觉的声传导的途径是:外耳道→鼓膜→听骨链杠杆→卵圆窗→内耳→听神经→听觉中枢。仅从力学角度来看, 外耳道具有集音和共振作用, 中耳的听骨链杠杆能起增压扩音作用, 内耳耳蜗 (靠淋巴液和基底膜毛细胞的波动) 具有初步的分辨声音 (响度、音调和音色) 的作用。

另外, 这里有必要谈谈声强级的表示和计算。在物理研究中, 把单位时间内通过垂直于声波传播方向单位面积的平均声能, 称为声强。声强用I表示, 单位为W/m2。由于能引起听觉的声强从闻阈到痛阈, 两者的上、下限之间相差1012倍。因此, 以声强来表示人耳对声音强弱的感觉就显得十分不便, 也与人的实际感觉不符。

听觉是一个物理、生理和心理活动的综合过程, 实际上最终还是要归结为心理活动。心理物理学的研究表明, 当用高于阈刺激的强度刺激感受器时, 感觉强度与刺激强度之间并不是简单的线性关系, 而是当刺激强度以101, 102, 103, ……递增时, 感觉强度则以1, 2, 3, ……的形式递增。即感觉强度跟刺激强度与阈强度之比的对数成正比。因此, 人们引入声强级来表示声音的强弱。声强级常用符号LI表示, 其公式表示为

在上式中, 声强级LI的单位为贝 (符号是B) 。在实际应用中, 常用分贝 (dB) 作为声强级的单位, 1B=10dB。于是, 上式改写为

为什么要这样表示声强级, 主要原因有二:第一, 便于表示声强。使用分贝 (dB) 数为单位来表示声强级后, 可把耳闻的最小到最大的声强分为120个等级, 而不是1012个等级。第二, 更重要的是心理物理学的实验表明, 人耳对声强的感觉近似地与声强级的分贝数成正比。这就是为什么要采用对数形式来表示和计算声强级的道理。

摘要：本文讨论了耳的物理原理。主要包括, 外耳的集音作用;中耳的听骨链杠杆作用;内耳的辨音作用, 以及声强级的表示和计算。

关键词：听觉,医用物理,教学研究