人耳的声学特性是什么

更新时间：2019-06-05 13:53:49 96次访问

世界上绝大多数的人都生活在有声世界里，人们离不开声。声音能给人们带来各种各样的信息，是人们交流的主要工具，声音给人类带来无穷无尽的好处；有的声音对人类是有用的；有的声音对人类是有害的。当人们离开了声音又会处于无限寂寞甚至是惶恐之中。
声音是一种物理现象，一切声音都是由振动的物体发出来的，一切声音都是由振动产生的。振动是自然界很普遍的运动形式。声源的振动导致波的形成，并向各个方向辅射出去，正是这些运动着的波，人耳听起来成为声音。
振动的定义：物体在一定位置附近来回往复的运动称为振动，振动的物体就是声波的声源。
波动的定义：当用小锤敲击音叉时，音叉产生振动，由于音叉的振动引起周围空气的振动，从而使附近的一层空气发生压缩和稀疏。由于空气是弹性介质，当受到压缩和稀疏时，有了弹性力发生，因而有引起邻近部份空气的振动，这样振动从音叉又向各方面传播出去，这种振动在介质中传播的过程称为波动。简称波。
振动周期：物体完成一次振动所需要的时间叫周期，用T来表示。
振动频率：单位时间内完成振动的次数叫频率。Freguency用F表示。频率的单位是次/秒，也叫赫或赫兹（Hz）
振幅：振动物体离开平衡位置的最大距离叫作振幅。振幅的大小取决于初始能量的多少。
振动的周期或频率是由振动系统本身决定的。因此常称这种周期为物体的固有周期，这时的频率称为固有频率。
声波的速度：C=λ/T C是声波的速度，入是波长，T是周期。波速等于波长乘以频率，公式C=λ/T= fT是波长、频率、波速的基本关系式，是一个很重要的公式。
频率的大小是由波源来决定的。
波速的大小是由媒质的性质决定的。在一定的均匀媒质中，波速是一定的，波长决定波速和波源的频率。
在空气中声波的速度是344米/秒（20℃标准大气压下）
在水中声波的速度是1450米/秒，
在钢中声波的速度是5000米/秒。
声是一种能量，在运动中声能逐渐转换成热能逐渐消失。在多数情况下，声能产生的热使声场周围的温度上升非常微小，只有通过仪器才能测出来。但是有时侯声能转换成热能也可以造成严重后果， 在一次实验中，暴露在极高强度声音中的老鼠过了不到10分钟，由于动物高吸收性皮毛捕获的声能转换成热能，这些热能居然使老鼠的皮毛燃烧起来。
声波和其它的波动一样，在传播过程中具有反射、折射、衍射等特性。声波在媒质中传播，声能将随着距离的增大而逐渐减小。一种原因是由于声束本身扩散及反射、散射等原因使能量分散，从而降低声能，这种现象叫声能的衰减。另一类是由于媒质的吸收将声能转换成热能使声能减小，这种现象叫做声能的吸收。
声波从振动物体发出来通过媒质传播。物体的振动有快有慢，所以声波的频率有高有低，人耳并不是对所有的声音都能听到，而是只能听到20赫到2万赫的声音范围。在自然界中低于20赫的声音也是存在的，但它们不能引起人们的听觉。低于20赫的声叫次声，高于2万赫的声叫超声，次声对人体有害。自然界中只有人的听力范围是20赫到2万赫之间，有些动物的听力范围比人宽，有的比人窄，青蛙只能听到50赫至1万赫，狗的听力范围是15赫至5万赫，有些声音人是听不到的，狗能听到。地震前狗的反应异常，就是有些声音狗能听到，所以人类观察狗的反应来预测地震，人们还用狗狩猎、侦察等。
人耳听声音的频率范围是20~20000赫，人耳听声音的强度也有一个范围，即最小声和最大声。
听阈、痛阈
在可听声范围内能够引起听觉最小声音的强度叫作人耳的听阈，当声音增大时，大到某一个值时会引起人耳疼痛的感觉，这个引起疼痛感觉的最小声音的强度值叫做人耳的痛阈。痛阈对于不同频率的声波并不都一致，听阈值与频率关系曲线叫做听阈曲线，痛阈与频率的关系曲线叫做痛阈曲线。听觉的频率范围和强度范围所包围的区域称为听觉的区域。
声调、响度和音色
声音有三个基本特征；一是频率，专指基音频率；二是振幅；三是倍频成份，又称谐波成份。
基音频率给人耳的感觉是音调的高低，频率低时音调低，频率高时音调高。
振幅的大小给人耳以声音强弱的感觉，振幅大时声音强，振幅小时声音弱，声源发出的强弱叫做声强，声强是描述声音强弱的客观指标，而把人耳对声音强弱的主观感觉叫响度，是对声音强弱感觉的主观指标。
倍频成份决定着声音的品色，是人耳区别基频相同（音调相同）、振幅相同（声强相同）的两个声音的主观能力，即区别不同倍频成份的主观感觉。
基音频率、振幅（或声强）、倍频成份是声音的客观特性。而音调（Pitch）、响度（Londness）、音色（Tone Quality）则是听觉的主观特性，是人耳对声音、客观特性的主观感觉或反映，两者是不同的，但又是紧密关联的。
耳的构造及传声特性
人耳由外耳、中耳、内耳三个部份组成。
外耳由耳廓、耳道、鼓膜三个部份组成。
耳廓：即耳壳。由耳轮、耳甲腔、耳屏、对耳屏、耳垂六个部份组成。
耳廓有收集声音的作用。
耳道：其形状因人而异。有的是窄缝，有的是园管状，耳道的外侧部份是软骨包绕的，内侧部份是骨包绕。
外耳道的平均长度为2.5厘米。一端开口于耳甲腔，另一端为鼓膜所封闭。根据声学共鸣原理，一端开口、一端封闭的管子都有一定的共振特性，其共振频率与管的长度有关，长者共振频率低，短者共振频率高。根据物理学四分之一波长共振原理，管长乘以4刚好等于共振波的波长。如管长2.5厘米，共振频率的波长是10厘米。如果按每秒344米/秒的声速计算，共振频率为3440赫兹。由于外耳道终端负载是弹性骨膜，是非坚硬面，又因为外耳道呈S形的弯曲管道而不是直管，加上耳甲腔也有共振效应，外耳到的实际共振频率不是344赫，但其共振频率的范围应在2600与4000赫之间。各种因素综合起来，耳壳和外耳道使鼓膜处有10~17分贝的声压净增量，耳道共鸣有助于提高语言清晰度。
中耳由鼓膜、三块听小鼓及卵园窗组成。鼓膜是外耳和中耳的边界，连接鼓膜的是槌骨，连接卵园窗的是蹬骨，砧骨连接槌骨和蹬骨，卵园窗是中耳与内耳的边界。由于鼓膜比卵园窗大17倍，所以由鼓膜处的声压传到卵园窗增加了很多倍，像穿高跟鞋一样，由于鞋跟细小经常把地面和地板踩出坑来，而穿平跟鞋的人不会把地面踩出坑来。又由于槌骨柄与砧骨长突的长度比是1.3：1，根据杠杆学原理振动传至砧骨长突时，振幅减小但力量加大，增加的多少取决于臂长短之比，因此声压传至卵园窗时借助于杠杆作用而增加1.3倍。在中耳由于鼓膜比卵园窗大17倍（相当于电学里的变压器效应）加上砧骨和槌骨的杠杆作用使声压增益为17×1.3=22倍，又加上蹬骨的活塞作用导致内耳的液体在开始运动前就放大了800多倍。下图为鼓膜与卵园窗、槌骨与砧骨大小比例示意图。
内耳：
内耳主要是耳蜗（在内耳迷路除耳蜗外还有前庭系），包括球囊、椭园囊及三个半规管。
耳蜗内的螺旋器其毛细胞连接于螺旋神经节的神经纤维，该神经节的向心纤维组成听神经进入延髓，经脑干循一定路线上行直到大脑颞页皮层。这些相当长的神经通路也叫神经传递系统。
外耳把声传到鼓膜，鼓膜的振动又通过听骨链传到卵园窗，卵园窗推动内耳的淋巴液振动，液体的振动使埋在液体里的毛细胞跟着摆动，毛细胞的摆动变成神经冲动，由根部的神经一直传到大脑，当神经冲动传到大脑时人才真正地感觉到声音。
脑具有声音的记忆中枢，人类几乎从一生下来就开始积累声音；当这个中枢受损或毁坏时就呈现出所谓的听觉失辩证，这种患者能够听，但声音不再具有什么意义。正常人能分辩几千万个声音，耳聋以后就分辩不了这么多了。
声压、声压级 （Sound Pressure Level）
我们生活在一个标准大气压下，当声波的疏密波传来时，疏波的压强就稍低于1个大气压，密波的压强就稍高于1个大气压。声音就是大气压下压强的波动，这个压强波动称为声压。声压准确的定义是：有声波时媒质中的压力与静压的差值。单位为帕斯卡（Passcal），简称帕（Pa）。
1Pa=牛顿/米2
在老的声学标准中用巴、微巴表示声压，现今的声学标准已不再用，而改用帕（Pa），帕斯卡和微巴的换算关系如下：
1Pa=牛顿/米2=N/m2
1vb=达因/厘米2
1牛顿=1000000达因
1米=100厘米
1Pa=1牛顿/米2=1000000达因/（100厘米）2=1000000/100000达因/厘米2=10达因/厘米2
∴1Pa=10vb
声压级：声压与基准声压之比以10为底的对数乘以2。单位为贝尔，贝尔单位较大，常用贝尔的1/10称为分贝尔，简称分贝（dB）
声压为 Lp=2lgP/Po 单位为贝尔
Lp=20lgP/Po 单位为分贝（dB）
Po为基准声压；在空气中Po=20vPa，在水中Po=1vPa
Po=20vPa
=0.0002vb
声功率、声功率级
声功率:单位时间内同过某一面积的声能,单位为瓦(W).
声功率很小，蟋蟀的叫声的声功率是10的负9次方瓦，在台上演讲的声功率最多10的负4次方瓦，40万人同时大声讲话的声功率，如果不损耗，集中起来也只能点亮一只40W的灯泡。
声功率级Sound Power Level
声功率与基准声功率之比的以10为底的对数，单位为贝（尔），B，但通常用dB为单位。
Lw=lg（W/Wo）
基准声功率：Wo=1PW=（10的负12次方W）
声强、声强级 Sound Intensity
声强：声场中某点处与质点速度方向垂直的单位面积上，在单位时间内通过的声能为瞬间声强。
声强级：声强与基准声强之比以10为底的对数，单位为贝尔。
基准声强Io=1PW/m2=10的负12次方W/m2
Io是人耳刚刚能听到的声音，称为听阈的声强；人耳感觉到声音有感觉、不适、发痒、压、痛的感觉，人耳可容忍的最高声压称为感觉阈，感觉阈I=1W/m2=11w/m2。
人耳听到的最小声和最大声之间相差10的12次方倍。事实上人耳不能把这样一个范围内的声音由弱到强分辩出10的12次方个等级来。
为了度量不同声音的相对强度，科学家研究了响的声音与较弱的声音的比率。科学家用的单位是分贝（decibel），deci是十分之一的意思，贝尔（bel）取自电话发明家亚力山大.格.贝尔(Bell)的姓。一个声音比另一个声音强十倍，就叫作10分贝，强度的10次幂项每增加一次，声级就再增加10分贝，一个声音是另一个声音的1000倍，则强30分贝，一个声音强达100，000倍，就是大50分贝，如此类推。分贝的度量，在声音的物理学强度和声音引起的主观响度之间建立了粗略关系，近似3分贝的强度变化，会引起平常的人耳能感觉到的响度最小变化。在测量日常生活中的声音时，零分贝代表正常人耳能听到的最微弱的声音，在130分贝以上，声音使得人体痛苦难受。对于绝大多数人来说，谈话的声级为60~80分倍。