第一節 人耳的構造及功能

1．人耳的構造
外耳：耳廓 外耳道                中耳:鼓膜 聽小骨                   內耳:半規管 耳蝸
耳廓：也叫耳殼，耳廓起收集和向外耳道反射聲音的作用。
外耳道：直徑約0.5厘米，長約2.5厘米的一端與鼓膜封閉的圓形軌道,他的作用是將聲音傳導道鼓膜,是聲音進入骨室的通道。
鼓膜：鼓膜的面積約為0.8平方厘米，厚度約為0.1毫米，是一個淺錐型的軟膜。
聽小骨：它是由錘骨 砧骨 鐙骨三塊小骨組成。三塊聽小骨成杠桿式連接，最后一塊鐙骨與卵型窗相鄰。
半規管：保持人體平衡（人耳內唯一一個與聽力無關的器官）
耳蝸：耳蝸呈螺旋型，形狀象蝸牛，是一骨質腔體，內部充滿淋巴液。耳蝸沿其長度分為兩部分，分別稱為前庭階和鼓階，在基底膜上分布有大量毛細胞，每根毛細胞上都連有末梢神經。
2．人耳的功能
1.外耳道：外耳形狀的不對稱性有聚集聲能的作用，并有一定的定向作用，外耳道的自然諧振頻率約為3400Hz，由于外耳道的共鳴，以及人頭對聲音產生的反射和衍射，使得人耳對2~4kHz的聲音感覺約可提高15~20dB。所以缺少耳廓的人，高頻聽力差。
2.中耳：咽骨管有平衡中耳和外耳的氣壓作用，以保證鼓膜的正常震動。鼓膜將聲能轉換為機械能。
鼓膜的面積比卵型窗的面積約大24~36倍，大面積的力作用在小面積上，從耳加大了卵型窗的作用力，三塊聽小骨的杠桿作用，也對聲能轉換為機械能起到一定的放大作用，另外聽小骨具有一些非線性，使人們對一個頻率的聲音能產生出它的諧音感覺。當遇到瞬時超大的聲壓時，聽小骨會自動脫位，切斷聲音的通道，從而達到保護內耳的作用。
3.內耳：內耳最重要的部分是耳蝸，耳蝸其實就是一個“選頻器”，高頻聲音激勵靠近卵型窗的末梢；中頻聲音激勵中部的神經末梢；末端的神經末梢則被低頻聲激勵，而當聲音激勵卵型窗的某一部分時，相應的神經末梢就會發送信號到大腦。值得一提的是用人而辨別聲音的音調，只需聽到震動的幾個周期就能分辨得一清二楚。在聽覺范圍內人耳能認定和區分大約1500種不同的音調。
人耳聽聲的詳細過程如下：聲音通過耳廓和外耳道到達鼓膜，使鼓膜產生相應的振動。鼓膜的振動經類似杠桿系統的三個聽小骨放大后，傳到耳蝸的卵型窗，并傳遞給耳蝸內的淋巴液，最后發送信號給大腦。
耳殼效應：耳殼的凹凸不平，造成了直接聲和反射聲進入外耳道的時間差和相位差，大腦的聽覺區可對此微小的差別做出方位上的判斷，這就使耳殼效應。
第二節 人耳的聽覺特性

1.聽覺和分貝
由于人的生理特點，人們對聲音大小的感覺與音響系統的對聲功率的大小感覺成對數關系，既人耳聽覺的對數特性，人耳的聽覺感覺與聲功率的變化是一種比率，比率相同感覺才相同。
功率比
分貝數
功率比
分貝數
功率比
分貝數
1.26
1 dB
4
6 dB
31.6
15 dB
1.41
1.5 dB
5
7 dB
100
20 dB
1.58
2 dB
6.3
8 dB
103
30 dB
2
3 dB
7.9
9 dB
104
40 dB
2.5
4 dB
7.9
9 dB
105
50 dB
3.16
5 dB
10
10 dB
106
60 dB
1dB是正常人能分辨的最小聲壓級
當分貝數為3 dB時，人耳聽覺感覺為原聲音響度的1倍，到10 dB時為原聲音響度的2倍，20 dB時為原響度的4倍，30 dB時為原響度的8倍，40 dB時為原響度的16倍，50 dB時為原響度的32倍，60 dB時為原響度的64倍。
2.聲音的三要素
聲音是一種物理現象，人耳聽到聲音后對聲音的感覺卻是一種心理現象，首先應弄清楚人耳的主觀感受與聲音的物理量之間的關系，通常將人耳對聲音的三種主觀感受既響度 音調和音色稱為聲音的三要素。可以認為，響度主要與聲音的振動幅度有關；音調主要與聲音的振動頻率有關；音色主要與聲音的振動頻率有關。
響度[/b]：人耳對聲音強弱的感覺稱為響度。響度的單位是“宋”，記做“sone”，以1kHz的純音，聲壓級為40dB時的響度為1度。 1kHz的聲音以分貝表示的聲壓級，定義為響度級，單位是“方”，記做“phon”。即響度級40方對應的響度為1宋。
2宋=48方      0.5宋=32方
人耳對聲音響度的感覺與聲壓級和頻率有關，將人耳在聽到不同頻率純音（正旋波）時，對所有具有相同音量感的聲壓用一條曲線表示后所得到的曲線圖，稱為等響曲線。
圖中每條曲線上所代表的與聲壓級，頻率相對應的聲音，人耳聽來都時同樣響的，也可理解為對于不同頻率的聲音，人耳聽到同樣響度時所需的聲壓級不同。例如1kHz ，9dB的聲音為基準，人耳聽到與它等響的100Hz聲音所需聲壓級為47dB。
0方以下的聲音，人耳是聽不見的，所以0方曲線可稱為聽閾；120方以上的聲音會使人感到疼痛，所以120方曲線可稱為痛閾
分析等響曲線可得出以下結論
1.人耳對不同頻率聲音的靈敏度不同，在1 kHz到5 kHz頻率范圍內，人耳的聽覺靈敏度最高，最敏感的是3 kHz左右（這是由外耳道的共鳴引起的）。
2.在1 kHz以下5 kHz以上，人耳聽覺靈敏度下降很多，尤其在低頻端，想要使其達到等響程度，必須在兩端（高頻和低頻），尤其是在低頻端加大聲功率。
3.響度越高，曲線越趨于平滑，即響度越小受頻率影響越大，在80方時基本平直。
根基上述分析可知，當改變重放音量時，各個頻率的聲音的響度級也將改變，所以人們會感到聲音的音色由變化。即使是一個高級的放音裝置，在低聲級放音時，也會感到放音頻帶變窄，聲音單薄；相反，即使時一個低級的放音裝置，在提高放音音量時，也會感到放音音量展寬，聲音較豐滿。為了減小等響曲線的影響，可以在放置放大器部分安裝響度控制器，使在低聲級放音時，能根據等響曲線自動地將低聲頻段和高聲頻段聲音的聲級進行反校正，將它們相應提高。
音色[/b]：音色是聽覺上區別具有同樣響度和音調的兩個聲音的主觀感覺，也稱為音品。音色主要是由聲音的頻譜結構決定，即由聲音的基頻和諧波的數目以及它們的相互關系來決定。
由于各種發生體的材料和形狀結構不同，發聲機理也不盡相同，即使它們發出相同的音調相同的響度的聲音，在基頻相同的情況下，諧波的成分和幅度也會由所區別，人耳聽到的主觀感受便是音色不同。
另外，音色還與發聲體振動的起振，穩定和衰減的時間過程有關。
起振階段（也稱為建立階段）指在激發弦或空氣柱使振動開始的瞬間，即開始振動而振幅還不大，并且還不穩定的那段時間。例如銅管樂器激發的時間一般為40ms左右，強激發時最長為80 ms，但在弱激發時最長可達180 ms。
穩態階段是樂音過了起振階段以后，振幅增至最大并保持恒定不變的階段。例如弦樂器中的提琴，二胡，管樂器的長笛，小號等有穩態階段，而板鼓，梆子等打擊樂器則基本上沒有穩態階段。
衰減階段是振幅開始減小直到完全停止振動的階段。有的樂器衰減階段很短，有的卻很長。例如揚琴，豎琴的衰減時間就很長，可達1~2s以上。一般樂器的衰減時間，高音較短，底音較長。
下圖為風琴和鋼琴的時間過程圖
風琴的時間過程是：起振較緩慢，在短時間保持一定的穩態聲級，然后較緩地衰減。
鋼琴的時間過程是：起振較快，然后逐步衰減。
音調[/b]：人耳對聲音高低的感覺稱為音調。音調主要與聲音的基音頻率有關，基音頻率高則音調高，基音頻率低則音調低，但不成正比，而是一種對數關系。十二平均律等程音階是將一個倍頻程的頻帶按照頻率的對數關系劃分成十二個等份而構成的，相隔一個倍頻稱的兩個音成為八度。例如鋼琴調音時，低音區要向下調，高音區要上調，最大會差幾音分之多。這樣，聽起來才有正確的音階感。要不然，如果完全按八度同音音程定弦，鋼琴的低音鍵聽起來就偏高，高音鍵聽起來就偏低。
音調的單位是“美”（Mel）。頻率為1000Hz的純音音高在聽閾上40dB為1000美。
另外影響音調的因素還有聲音的聲壓級和聲音的持續時間等。例如，即使是物理上相同頻率的聲音，如果改變音量，音調的高低感覺也會有微小的變化。這種音量變化對音調感覺的影響，純音比由許多純音合成后的復音更為顯著。特別是當低頻聲減小音量時，會感到音調升高；增大音量時，會感到音調變低。高頻聲正相反，減小音量時，會感到音調降低；增大音量時，會感到音調變高。因此，在小音量情況下，必須將低頻聲的音調調低一些，而將高頻聲的音調調高一些才能得到應有的音調。
倍頻程[/b]：音階中頻率比為2 ：1的頻率間隔的聲程，在電聲學中被稱為倍頻程，通常用“oct”表示，而在音樂學中被稱為8度。
3.人耳聽覺的幾個效應
掩蔽效應：[/b]在寂靜的環境里，人耳能分辨出輕微的聲音，但在嘈雜的環境中，輕微的聲音完全被淹沒掉了。要想聽到原來輕微的聲音，就必須使它增強才行。這種由于第一個聲音的存在而使第二個聲音提高聽閾的現象，稱為掩蔽效應。
當聲級較低時，窄帶噪聲的掩蔽只限于中心頻率附近較窄的范圍，聲級越高掩蔽區也越寬，并且高與中心頻率的聲音掩蔽作用大。從頻率角度來看低頻聲容易掩蔽高頻聲。
當掩蔽聲作用在被掩蔽聲之前時，稱為前掩蔽；掩蔽聲作用在被掩蔽聲之后時，稱為后掩蔽。總稱為非同時掩蔽。
（1）.掩蔽聲在時間上越接近掩蔽聲，掩蔽效應越大。掩蔽現象常發生在掩