第二章 感知聽覺系統與模型
2.1 人耳生理解剖學上的構造
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! 圖 2-1：人耳生理解剖學上的構造
資料來源：張斌耳鼻喉科學!
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2.1.1 外耳
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耳廓到鼓(耳)膜這段屬於外耳，耳廓用來判斷聲音來源的方向；耳廓到鼓膜 間的通道叫做耳道，耳道是個共振腔，第一個共振頻率大約 3KHz，共振的作用造 成此頻率附近的聲波被放大，因此人耳聽覺對 3kHz 附近的頻率聲音特別敏感。
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2.1.2 中耳!
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從耳道傳進來的聲波會碰擊鼓膜，鼓膜會以和聲波相同的頻率內外震動，鼓 膜的震動會啟動三小聽骨(錘骨、砧骨和鐙骨)的運動，三小聽骨扮演著槓桿和壓 力波交換器的角色，將低壓的鼓膜振動轉換成在表面積很小的卵圓窗上的高壓聲
音振動，這種壓力波的轉換是必要的，因為聲波在外耳時是在空氣中傳送，過了 卵圓窗後來到內耳，是在組織液(液體)中傳送。在中耳時，聲音資訊仍以壓力波 的形式存在，傳到內耳的耳蝸，聲波會被轉換成神經衝動再向上傳至中腦。
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2.1.3 內耳!
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內 耳 最 重 要 的 聽 覺 構 造 就 是 耳 蝸 (Cochlea) ， 耳 蝸 內 的 基 底 膜 (basilar membrane)可對傳送進來的聲波做頻率成份分析，基底膜上的柯蒂氏器(Organ of corti)有內毛細胞和外毛細胞，可將聲波資訊轉換成神經衝動傳至大腦。
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! 圖 2-2：基底膜的位置及其隨著不同頻率的聲波以行進波方式震動
資料來源：Hearing Physiology Handouts
基底膜是一個貫穿整個耳蝸的膜狀結構。由圖 2-2 可以看到，壓力波從卵圓 窗(Oval window)進來，內耳的液體壓力產生變化，基底膜因為液體壓力產生行進 波(travelling wave)的震動，基底膜的震動會在和聲波頻率共振的位置上形成最大的 波動幅度。最後，壓力波傳到圓窗導致其突起，得到壓力的釋放。基底膜總長度 大約 35mm；在靠近中耳進來的地方，比較狹宰和僵硬，相反的，在內耳深處，
會比較寬闊有彈性。比較狹宰和僵硬的地方，可以感受較高頻率的聲波；比較寬
闊 有 彈 性 的 地 方 ， 感 受 到 較 低 頻 率 的 聲 波 。 基 底 膜 的 共 振 頻 率 範 圍 大 約 20-20kHz，即人類的正常聽覺的頻率範圍。
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圖 2-3：基底膜外窄內寬的形狀及其感受不同頻率聲波的位置
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資料來源：Hearing Physiology Handouts
毛細胞(Hair cells)規則分佈於基底膜上面，靠近耳蝸中心的稱為內毛細胞 (Inner hair cells)，遠離耳蝸中心的稱為外毛細胞(Outer hair cells)。內毛細胞是感受 器細胞，和聽神經纖維形成突觸相連，其主要的功能在將內耳液體機械震動的壓 力波轉換成神經訊號的動作電位，再由聽神經傳至大腦。
基底膜行進波的運動會在和聲波頻率共振的位置上產生受激態，但在此位置 前面(較高頻率位置)也會形成壓抑態；人耳接收到的聲波通常是許多頻率所組 成，因此複雜頻率的聲波造成基底膜上連續的行進波，導致相鄰近位置的內毛細 胞其功能有彼此互相壓抑的現象，這種現象正可以說明人耳有頻率遮蔽的效應。
例如：一個頻率 800Hz、音強(intensity)80dB 的聲音會在其頻率附近形成遮蔽曲線，
這條曲線左右並不對稱，往高頻下降慢但往低頻下降快，此頻率聲音會拉高附近 頻率聲音的聽覺閥形成遮蔽閥，導致其它聲音必須有更高音強才聽的到。
圖 2-4：單頻率的聲音和聽神經細胞發射神經衝動關係圖 資料來源：Hearing Physiology Handouts
當內毛細胞將聲波資訊由壓力波轉成動作電位後，聲音訊息變成電位訊號沿 著聽神經繼續傳到大腦；但當某神經元在維持一段時間的動作電位後，神經元需 要休息才能繼續發射神經衝動。從圖 2-4 我們可以看到，某個單頻率的聲波經由 基底膜的振動讓內毛細胞接收到訊息後，在正常情況下，內毛細胞會在聲波的同 一相位發射神經衝動，但若聲波的頻率太高，內毛細胞發射神經衝動的速度便無 法跟的上聲波頻率，因此在某些週期，便會遺失一部份神經衝動。內毛細胞是否 會正常發射神經衝動不僅和聲波的頻率有關，也和聲波的音強有關，若聲波的振 幅不夠大，神經細胞感受到的刺激不夠強，也不會發射神經衝動。
我們從生物學上已經發現，人的聽覺對於聲波在時間上變化的解析度或敏感 度越來越低。在耳朵的階段，內毛細胞神經衝動發射速率最高約 5 kHz，這也正 可解釋我們人耳大多對~5 kHz 以下的聲音有較強的反應。到了中腦的聽神經細 胞，大概只能處理頻率最高 1kHz 的訊號；最後到了大腦，只能處理頻率 100 多 Hz 的訊號了。而所有這些人耳感知特性在我們的感知聽覺模型中都有考慮進去。
在下一章節裡，將詳細介紹我們的感知聽覺模型。