聽覺物理學
Physics of Hearing
外耳、中耳、內耳
DSE 學習目標：
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描述中耳的壓強增益的功能
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描述內耳對傳人聲音的反應
圖片：耳朵構造
耳朵構造
外耳
- 耳廓:收集聲波
- 耳道 (Ear canal): 傳送聲波至鼓膜
- 鼓膜 (Ear drum): 振動令聲波傳至聽小骨
中耳
- 聽小骨 (Ear bones): 三塊小骨排成一列，把聲波由鼓膜傳導至卵圓窗
- 卵圓窗 (Oval window): 分隔中耳及內耳的薄膜
內耳
- 耳蝸 (Cochlea):
- 耳蝸負責辨別聲音的頻率及把聲能轉為神經訊號。
- 耳蝸充满液體，聲音令液體振動。
- 耳蝸內有大量毛細胞 (hair cell) 探測振動，把聲能轉為神經訊號/電能。
- 底部(近卵圓窗): 對低頻聲音敏感
- 頂部: 對高頻聲音敏感
- 聽神經 (Auditory nerve): 把神經訊號傳至大腦
圖片：耳蝸，不同位置對不同頻率的聲音敏感。
中耳的壓強增益功能
外耳被空氣包圍、內耳則充滿液體，當聲波從空氣傳送到液體中，會有大量的聲波會被反射，以致內耳無法有效偵測聲音。所以中耳會透過聽小骨將聲波的振動傳送到內耳的卵圓窗，並透過以下兩個機制，將鼓膜所感受到的壓強增強 26倍，並作用在卵圓窗上。
- 耳骨的槓桿原理
作用於卵圓窗的力是作用於鼓膜的力的 1.3 倍。 - 鼓膜與卵圓窗的面積比例
鼓膜的面積約為卵圓窗面積的 20 倍，所以作用於卵圓窗的壓強增加約 20 倍。 - 透過以上兩個機制，壓強總共增強了 \( 20 ×1.3 = 2.6 倍\)。
圖片：聽小骨
聲強度、聲強級、等響曲線
DSE 學習目標：
- 認識聽覺的相對聲強級和用對數標度表達的需要
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應用聲強級 \(L=10\log_{10}(\frac{I}{I_o})\rm dB\)解決有關問題
- 闡釋等響曲線
聲強度(Intensity, \(I\))
- 聲強度的定義是每單位時間通過每單位面積的聲波能量。
- \(I=\frac{E}{At}=\frac{E}{4\pi r^2 t}\)
- r 為聲源的距離 (m);
P 為聲源的功率 (W) - 聲強度的單位 : \(\rm Wm^{-2}\)
- r 為聲源的距離 (m);
聲強級(Intensity Level, L)
因人類聽覺可接收的聲強度範圍很廣，由 \(\rm 10^{-12} Wm^{-2}\) 到\(\rm 100Wm^{-2}\) ，所以科學家定義了聲強級，以對數方式表示聲強度的變化。
- 聲強級定義：
\(L=10\log(\frac{I}{I_o})\)- \(I_0\) 為聽覺閾 (threshold of hearing)，這是人耳可聽到最低的聲強度，量值為 \(\rm 10^{-12} W m^{-2}\)
- 聲強級的單位: 分貝 (decibel,dB)
等響曲線 (Curves of Equal Loudness)
人耳會對相同聲強級但不同頻率的聲音所感受到響度是不一樣的，人類所感受到的聲音響度是同時跟聲波的頻率及聲強級有關。
科學家會將人耳所感受到的同樣響度的聲音，以等響曲線呈現出來。即使聲音的頻率和聲強級不相同，在同一條等響曲線上，人會感到相同響度。
- 響度以「方」 (phons) 作標示。
- 「方」的定義為 1000 Hz 聲音的聲強級。
圖片：等響曲線
噪音對健康的影響
DSE 學習目標：
- 討論噪音對聽覺健康的影響
噪音對聽覺健康的影響
- 巨大的噪音 (Noise) 會破壞 鼓膜 或 耳蝸內的毛細胞 導致 聽力受損 (hearing loss)。
- 聽力受損可以是 短暫 或 永久。 噪音所造成的影響是會累積的。
- 重覆曝露於高噪音 (> 80 dB) 或一次性曝露於高於 140 dB 的噪音下會造成永久聽力受損。