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Chapter 11 聲音，聽覺系統與音調知覺

Chapter 11 聲音，聽覺系統與音調知覺. 聽覺可以感知視覺系統某些不及之處. 聽覺之功能. 訊號（ signaling ） 過街時的導盲鈴 、 身後的腳步聲 溝通（ communication ） speech Blindness isolates you from things, but deafness isolates you from people. Helen Keller 樂趣（ pleasure ） 音樂. 什麼是聲音？ -- 物理或知覺屬性.

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Chapter 11 聲音，聽覺系統與音調知覺

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Presentation Transcript

  1. Chapter 11 聲音，聽覺系統與音調知覺

  2. 聽覺可以感知視覺系統某些不及之處

  3. 聽覺之功能 • 訊號（signaling） • 過街時的導盲鈴、身後的腳步聲 • 溝通（communication） • speech • Blindness isolates you from things, but deafness isolates you from people. Helen Keller • 樂趣（pleasure） • 音樂

  4. 什麼是聲音？--物理或知覺屬性 • 森林中一棵大樹倒下，但沒有人聽到，這樣算有聲音嗎？

  5. Yes,聲音來自空氣或其他介質中的壓力變動 • No,聲音是來自於「聽」的經驗 聲波

  6. 聲音的物理與知覺屬性 • 聲波 • 速率340m/sec (light 1,500m/sec) • 振幅（Amplitude）

  7. 振幅愈大，響度愈大 Fig. 11-3, p. 236

  8. 振幅測量 • 反映最大與最小的差距，但壓縮較大值端，以模擬心理響度 • 分貝（dB）- after A. G. Bell • 20 log (p/p0) • p-聲源聲壓 • p0 - 比較基準（1000Hz純音恰可被聽到的閾值水準，約為20 micropascals） • eg., p=20 20 log (20/20)=20 x 0=0 dBSPL p=2000（100倍）20 log (2000/20) = 20 x 2=40 dB SPL 100倍 +40 dB 10倍 →+20 dB 100倍→ +40 dB 1000倍→ +60 dB

  9. 響度隨強度（dB）呈線性增加

  10. 頻率（Frequency）與音調（pitch）有關 • Hertz-cycles/sec 500 Hz 1000 Hz 4000 Hz Fig. 11-5, p. 237

  11. Complex Tones • The repetition rate of a complex tone : Fundamental Frequency = First Harmonic Ex. 200 Hz First harmonic Second harmonic Third harmonic Fourth harmonic

  12. Removal of the first harmonic results in a sound with the same perceived pitch, but affect perception of the tone. • The repetition rate is still 200 Hz.

  13. 八度（octave） • A0=27.5, A1=2xA0, A2=4xA0,………..

  14. 20~20000 Hz為人類可聽範圍(range of hearing) • 可聽曲線（audiblity curve） • 最敏感2000-4000 Hz—與speech有關 聽覺反應區（auditory response area）

  15. Threshold for feeling • OSHA 不可大於90 dB (8hr/day) • 其他動物 • 更低頻：大象，鴿子 • 更高頻：海豚，狗

  16. 響度由聲壓水準及頻率共同決定 • eg., 40dB, 100Hz -- B 40dB, 1000Hz --C • B與C並未落在同一條等響曲線上—響度不同（C>B） • 等響曲線（equal loudness curve）

  17. eg., 與40dB1000Hz相等響度的音構成“40” 曲線 • 音強時，各種頻率的感受性相近；但音弱時，最高或最低頻音都不易聽見 • 「LOUDNESS」鍵

  18. Perceiving sound: pitch, loudness, and timpre. • 音色（Timbre） • 純音vs.複合音 • 單一vs. 多種頻率組成 • White noise • Complex sound • 樂器的差異 • 樂音多由若干頻率純音組合而成，但其他日常生活中常見的聲音則更為複雜

  19. 純音440Hz 2nd harmonic 880Hz 3rd harmonic 1320Hz • 相加合成（additive synthesis） • 由fundamental frequency加上harmonics（是fundamental frequency 的倍數） • 組合方式界定每種樂音的獨特性 Fig. 11-8, p. 240

  20. Frequency spectrum

  21. Fig. 11-10, p. 240

  22. 聽覺系統的結構與功能 • 聽覺系統需要達成三項功能 • 將聲波傳達至受器 • 將聲波所傳達的氣壓變動轉換為電訊號 • 設法使電訊號傳遞如音調，響度，音色，定位等聲音的屬性

  23. 聲音如何抵達受器？ • 外耳（outer ear） • Pinna • Auditory canal • 約3cm，保護耳膜，中耳 • 對2000-5000 Hz有放大效果（resonant frequency of the canal）

  24. Fig. 11-11, p. 242

  25. Tympanic membrane  malleus（槌骨）  incus（砧骨） stapes（鐙骨）  oval window • 中耳（middle ear） • 耳膜（tympanic membrane） • 聽小骨（ossicles）

  26. 為何需要三塊聽小骨？ • 由外耳/中耳低密度的空氣至內耳較高密度的液體時，聲波的震動只能傳遞極少的部分 • 聽小骨協助放大訊號以解決這個問題 • 魚就不需要「中耳」的功能

  27. 如何放大？ • 將較大面積的耳膜振動集中於較小面積的鐙骨以增加單位面積接收的壓力 • 聽小骨的槓桿運作 • Acoustic reflex • Middle-ear muscles 與聽小骨連結，在音量極高時收縮來牽制聽小骨的動作 增加22倍

  28. 鐙骨振擊卵形窗造成內耳（inner ear）液體振動 • 內耳結構 • 耳蝸（cochlea） • 充滿液體 • scala vestibuli（上半） • scala tympani (下半) • Cochlea partition

  29. organ of Corti 有hair cell—聽覺受器Inner hair cell vs. outer hair cell耳蝸內液體振動造成cochlea partition 上下運動，hair cell頂端纖毛彎曲，傳送電訊號 • basilar membrane • tectorial membrane

  30. stapes oval window liquid in scala vestibuli basilar membrane stapes pulls back, then basilar membrane Organ of Corti Tectorial membrane 

  31. Cilia bend in a specific direction  Ion channels opening  Ions flow across the cell membrane Electrical signals The release of neural transmitter from the inner hair cell

  32. Inner hair cell 之纖毛彎曲造成depolarize 或 hyperpolarize （釋放神經傳導物質或停止傳導），傳送電訊號 • 可以產生電訊號的纖毛彎曲幅度不大—敏感度高

  33. Place theory of hearing • 聽覺系統如何代表頻率訊息？

  34. Bekesy’s theory(1961諾貝爾生理與醫學獎得主） • traveling wave motion of the basilar membrane

  35. Basilar membrane的基部（base）較窄，較緊

  36. Envelope of the traveling wave可以顯示不同部位hair cell受到最大影響的幅度 • P點附近的hair cell送出最強的神經訊號 • P點的位置受聲音頻率的影響

  37. P點的位置受聲音頻率的影響 • 低頻-apex高頻-base

  38. 位置編碼的生理證據 • tonotopic map • 低頻.-apex高頻.-base

  39. 測量恰可引發神經元反應的dB SPL，可得頻率調適曲線（tuning curves） • 該神經元最為敏感的頻率稱為characteristic frequency

  40. 貓聽神經的 frequency tuning curve

  41. 心理物理證據 • auditory masking pp. 275

  42. Envelope的重疊程度解釋何以有不對稱的遮蔽效應Envelope的重疊程度解釋何以有不對稱的遮蔽效應

  43. tuning curve 為何很窄？ • Outer hair cells產生的運動影響basilar membrane的運動 • 依頻率使特定範圍的basilar membrane 活動受強化高頻音—base低頻音--apex

  44. Basilar membrane上的頻率分析 • Cochlea包含多組濾波器（filters），每組處理特定的頻率範圍

  45. Fig. 11-30, p. 251

  46. 一系列的tuning curve，低點連起來恰符合audibility curve 的型態 • 顯式有一系列的頻率分析器，各自負責很窄的範圍，而產生整體的可聽曲線 • 也符合聽覺神經元的tuning curve

  47. Basilar membrane對複合音的反應 Basilar membrane 對不同的頻率組成產生反應 --在進行Fourier analysis ? 複合音的不同組成造成對不同頻率反應的f濾波器產生反應

  48. Updating Békésy’s Place Theory • 心理物理實驗發現一般人區辨頻率的能力很強 • 但是鄰近頻率的vibration pattern卻有很大的重疊 Fig11.24 The action of the outer hair cells: cochlear amplifier

  49. New research • Using “live membranes” shows that there is less overlap in vibration patterns between nearby frequencies. • Outer hair cell elongation and contraction as the cilia bend in different directions - increase the motion of the basilar membrane and sharpen its response to specific frequencies.

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