人耳構造與聲學(一)

2021-02-12 聲學講堂

人耳分為外耳、中耳和內耳三個部分。外耳包括耳廓和外耳道兩個部分,主要負責聲音的採集。

耳廓主要由皮膚、軟骨、軟骨膜組成,結構複雜(見圖1)。

圖1

耳廓外側呈捲曲狀的邊緣稱為耳輪,耳輪起自耳輪腳終止接近於耳垂處,耳輪的前方有一與之平行的弧形隆起稱為對耳輪,對耳輪上端分叉為上下兩腳,分別稱為對耳輪上腳和對耳輪下腳。耳甲是位於耳輪前方凹陷部分的中間部位,分為上下兩個部分,其中耳輪腳上方凹陷的部分稱為耳甲艇,耳輪腳下方凹陷的部分稱為耳甲腔。外耳道位於耳輪腳下方,在外耳道的前方有一個突起稱為耳屏。相對於耳屏位於對耳輪下緣有一個小的突起的組織成為對耳屏,對耳屏下方為耳垂。

每個人的耳廓是不一樣的,做聲學實驗用的標準仿真耳廓是通過採集大量的人耳照片,通過大數統計得來(見圖2)。

圖2

耳廓對聲波有濾波調製作用,使人耳得以判斷聲源的方向,這也被稱為耳廓效應或單耳效應。人所聽到的聲音,無不經過耳廓的反射、繞射然後進入耳道。耳廓反射來自不同方向的聲音,聲波疊加後會生成形狀各異的離散頻譜,引起聲音音色、時間(相位)和能量等方面的微小變化,大腦從無數次的經驗積累中判斷這些微小差異,根據這些差異判斷聲音的方向。耳廓效應感受最明顯的就是,你用手扭曲耳朵,立即會覺得聽到的聲音也隨之改變。一般情況下聲源在頭顱前方與頭顱正中狀面成45度角時耳廓的集聲作用最大(見圖3)。

圖3

為了聽到更遠的聲音,我們經常會在耳朵上用手掌捲成漏鬥狀,目的就是為了提高耳廓收集聲波的能力。此外,人耳的耳廓特徵決定了人耳對後方來聲感知較弱,因為當聲音來自耳廓後方,會被耳廓所遮擋,不過只要稍稍轉動頭部,再根據雙耳聲音強弱的輕微變化,就能進行聲源輔助定位。沒有耳廓的人幾乎難以判斷聲音發出的位置。一些哺乳類動物,如狗、袋鼠等,我們覺得它們的耳朵特別靈,主要是因為這類動物耳廓呈喇叭形,肌肉豐富、運動靈活,能在一定範圍內改變方向,有助於聲波的收集從而判斷方向(見圖4)。

圖4

外耳道是從耳甲腔深處的外耳門向內延伸至鼓膜的一端封閉的略呈「S」狀彎曲管道,其外側1/3是以外耳道軟骨為基礎,為軟骨性外耳道,有毛髮覆蓋;內側2/3以骨為基礎,為骨性外耳道。外耳道直徑約為0.5cm,長度約為2.5cm~3.5cm。從聲學角度上看,這樣一個一端封閉的管道起著將聲音傳至耳膜和共振的作用,根據管狀共振原理,人耳對波長為外耳道長度4倍的聲音有共振作用,可計算出共振峰約在3700Hz(見下圖5),所以人耳對3~4KHz的聲音最為敏感(可參考等響曲線,見認識心理聲學)。

圖5

共振時該頻段的聲音在鼓膜附近相比外耳道要高約10dB,再加上耳廓的增益,可達15dB左右(註:外耳對聲音的放大增益為耳廓和外耳道的增益之和)。外耳道對不同頻率的聲音產生不同的增益(見上圖5),起到了對聲波的增壓作用和改變了的不同頻率聲波傳播特性從而提取聲音定位信息。此外,外耳道分泌的耵聹和皮脂形成的蠟狀耳垢具有抑菌作用,能在一定程度上保護外耳道,但是過多會對高頻聲音起到衰減作用,所以需要定期清理耳垢。

《內經》記載:「耳者,宗脈之所聚也。」耳朵不是一個孤立的器官,它和全身經絡及五臟六腑都存在著密切的聯繫,我們的每隻耳朵上,分布著91個穴位(據《耳穴名稱與部位的國家標準方案》)。對耳朵進行按摩也是一種比較好的養生方式,通過按摩特定的耳朵的部位有利於促進身體的血液循環,增強人體的免疫力。例如:1. 耳垂這一區域的耳穴與人的頭腦、面頰關係密切,經常按揉,可以美容養顏、醒神健腦,防痴呆。方法:將食指和中指、拇指3個指頭儘量將耳垂全部捏住揉動。2. 耳輪的耳穴主要對應於人的四肢,長期揉耳輪,可以使四肢強健。方法:用拇指和食指夾住耳朵外緣,來回搓揉。3. 耳背上有一條降壓溝,對應於人的脊背,摩耳背有利於降血壓、通血管,調暢全身的氣血。方法:拇指指腹沿著耳背從上往下摩擦。

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