人耳听觉系统

声压、声压级：

020log(/)L p p dB =

其中p 为声波的声压，而p0为标准声压=20μPa 。L 为声压级。

除了声压和声压级外，还有声强I ，L 和I 之间的关系为：

0010log(/)20log(/)L I I dB P P ==

其中I0=10-12W/m 2。

扬声器、耳机的声学表示

在心理声学试验中，一般利用扬声器和耳机将电振动转换为声波信号。这两种转换器的频率响应和非线性畸变都非常重要。图示为某三种扬声器综合体的频率响应：其中中、低频为电动扬声器，高频为压电式扬声器。这三种扬声器的组合体在消声室中测量其频率响应时，其频响为平坦的(L1)，35Hz ～16kHz 间的波动为±2dB 。

L2/L3分别为2次畸变和3次畸变信号的频谱响应(并且L2、L3曲线向上平移了20dB ，即实际曲线的纵坐标要-20dB)。对于心理声学应用而言，畸变信号要小于或等于0.1%才能保证听音效果，即畸变信号相对于平坦信号之间的幅度差为60dB 。由于图1.3中L1的平均值为85dB ，因此L2、L3应该不能超过25dB(向上平移后应<45dB)。因此该扬声器频响是不能满足0.1%的要求的。当频率>150Hz 时，畸变信号大概为0.3%(比L1小50dB ，即85-50+20==55dB 左右)。

如果声信号不是在消声室环境下通过扬声器进行传播，则房间的频率特性也要加载到扬声器频率特性上。图1.4中虚线为消声室环境下扬声器的频响，实线为相同扬声器在普通房间的频响。

可见房间明显改变了扬声器的频响。

如果声音是通过耳机进行重放的，则上述问题可差不多被克服。心理声学表明在感兴趣的频谱范围内，耳机的非线性畸变很小(小于1%-60dB)。由于心理声学实验中测量的耳机频响呈现一种带通特性，因此需要均衡器。耳机和均衡器的频响近似于自由声场的频响，比较平台(±2dB)。值得注意的是，如果使用的耳机没有加入均衡器，则耳机类似于一带通滤波器，改变了声信号的频谱，即影响了声信号的音调和响度。

2 Hearing Areas

3 Information processing in the auditory system

听觉系统的信息处理分为两部分：外周系统(Peripheral system)的预处理，神经系统(Neural system)的信息处理

外围系统的预处理是非线性的，并且处理后的声振动传给感知细胞，感知细胞中的神经终端将机械/电激励信号转换为感知电压信号，这里，听觉系统的第二部分利用神经处理过程从将声信号激励引起听觉感知。这里我们假设外围系统的结束为第一个神经键。

头和外耳

声场一般认为是自由、渐变、平坦的。任何大的物体，如听者的头，都会造成声场的畸变。

而听者的头部、整个身体对声场的影响作用可以通过测量得到。自由声场中，在任意位置通过麦克分测量得到的声压级，与听者位于同一位置，在听者的耳道测量的声压级是不同的。因此，听者的身体，特别是肩部、头、外耳以及耳道，都会影响到达听者耳鼓膜的声压级造成影响。而基于掩蔽和反射作用，肩部、头部一般影响1500Hz以下的声信号。

耳部结构及其功能

耳通常由外耳、中耳、内耳组成。

外耳：

外耳的作用是收集声信号能量，并通过外耳耳道将声信号能量传送到耳鼓膜。外耳道有两个作用：保护耳鼓膜和中耳以免受到伤害；第二，使得内耳非常接近大脑，减少了神经的长度，从而减少了神经中活动电压的传输时间。

外耳耳道对听觉组织的频率响应有着非常大的影响。外耳耳道类似于一段开放的长度为2cm 的管道，这个长度相当于4kHz附近声频率的1/4波长，从而导致了人耳对该频率范围的声信号特别敏感，在静音环境下，4kHz频率附近的阈值存在一个谷点。这种高的敏感性，也同样是在4kHz附近最容易受到伤害的原因。

中耳

声信号通过空气粒子的振动影响外耳，而内耳中充满了围绕感知细胞的液体，为了能够激励这些细胞，必须使得这些液体振动。空气粒子这种小压力、大位移的振动必须转换为类似于盐水的大压力、小位移的运动。为了防止转换过程中的大部分能量损失，这种转换必须保证中耳能够匹配两种物质的阻抗：外部的空气和内部的液体。转换器的电子系统必须获得阻抗匹配。机械系统中，可以使用‘杠杆’，而这就是中耳的任务。较轻的、但非常牢固的烟斗状的鼓膜(耳鼓膜)类似于一个压力接收器，其频率范围很宽。耳鼓膜和一个长的臂状锤骨紧密相连。耳鼓膜的运动通过中耳骨板(由很长坚硬的锤骨、砧骨和镫骨组成)传送到镫骨的踏板上。镫骨的踏板，以及环形膜(称之为卵行窗)形成了进入内耳的通道。不同的锤骨和砧骨臂长度可以产生2倍的杠杆比例，中耳的转换比例依赖于大的中耳尺寸和小的镫骨尺寸之间的比例，这个比例大概为15。经过杠杆和尺寸比例, 大概在1kHz附近获阻抗极为匹配。

一般而言，中耳与鼓膜相连的一段是封闭的，而另一端与Eustachian tube相连。Eustachian tube 与上喉部组织向量，当处于吞咽状态时，开放的。外部影响如爬山、使用电梯、飞行或者驾驶，都会增加、或者降低外部压力，从而改变鼓膜的静止位置。这样，中耳骨板在转换特性中的工作状态时常会发生变化，从而降低了听觉感知灵敏度-这种情况在飞行中时常发生。正常的听觉状态可以通过吞咽过程得到重新恢复，这是因为Eustachian tube在打开的情况下，中耳的压力和外部的压力得到平衡。

内耳：

内耳结构

内耳实际上有两部分组成：半规管(Semicircular canal)和耳蜗。半规管作为身体的平衡器官，而耳蜗是人体的声音接收组织，将外耳的声压脉冲传唤为电脉冲，并通过听觉神经传送到大脑。

内耳中的耳蜗分为3个充满液体的部分，其中2个负责传送声压，另一个称之为柯蒂器官(Organ of Corti)，检测声压，并将其转换为电脉冲，通过听觉神经传送给大脑。

耳蜗结构

耳蜗的内部结构

耳蜗有三个充满液体的部分组成，Vestibular Canal和Tympanic canal 中的外淋巴(Perilymph)与organ of Corti中的内淋巴(Endolymph)不同。