试重写音响系统XX要 [复制链接]

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图 5
　
在远近距离上，和视觉一样，必须依赖其它讯息来加以推断。例如，声源增加两倍距离，音量减少约6dB；高频音较易被大气吸收，所以越远的声音越多低频声音；如同视觉的movement parallax，越近的声音相对移动较快；最后，远音的非直接低频聲音indirect sound會比較直接聆聽到的低频聲音direct sound多。
　  
direct sound 指的是，由声源直接进入耳朵的声音；indirect sound指的是，经由墙壁、天花板等反射之后才进入耳朵的声音。一般而言，direct sound都比indirect sound 早到达耳朵，声源位置由先到达的声音决定，称为優先效應precedence effect。但后抵达的indirect sound也不是完全没被听到，因为若少了indirect sound，音质听起来就不同了。
　
听觉定位的生理基础
    
在上一章我们谈到，大脑A1区处理不同频率的细胞是呈有规则排列性的；这些处理特定频率的细胞，同时也处理特定频率声音的定位。
    
在猴子的A1及superior olivary nucleus可以找到对不同ITD敏感的细胞；在A1也找到对空间上特定范围声源反应的细胞。
    
在猫的nonprimary auditory cortex，可以看到一组细胞，对不同声源有不同的反应型态，这些细胞被称为panoramic neurons，如图.6。另外，在猴子的nonprimary auditory cortex 找到只对离头30cm以内特定声源位置反应的细胞，不论音量大小都会有反应。

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图 6
    
   (1978)在猫头鹰的Mesencephalicus lateralus dorsalis (MLD) ，找到细胞对听觉刺激的接受域，在空间上呈中央兴奋、周围抑制，如图7；而且接受域在空间位置上相邻的细胞在MLD中位置也相邻，如图8，说明了听觉的定位也有topographic map的特性，不过这个特性必须依赖双耳的讯息才能完成。

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图12                                               图13
　
老鼠inner hair cell的frequency tuning function，如图14；猫的听神经frequency tuning curve，如图15。这两个证据都指出basilar membrane上不同位置的hair cell处理特定频率的声音。

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在心理物理取向上，也可以找到place code的证据。以masking的方法，呈现噪音(noise)视其对test声音阈值的影响。实验的操纵变因是test tone的频率和强度；控制变因是固定噪音的center frequency为410Hz，band-width 为90Hz，强度为80db，如图10.16。实验结果如图17，发现mask只影响特定范围的频率，且对高频的影响较对低频大，因其阈值提高许多。从basilar membrane的振动来看，因其振动感应形成的envelope of traveling wave是不对称的，造成mask与高频音的重迭较大，所以要听到高频的test tone需要强度更强。

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影响音色知觉的来源有两个，一个是声源本身的性质，另一个是环境的特色。

声源的性质
    
声源本身所包含的harmonics成分不同，音色听起来也不同；不同乐器音色的差异来源也是因为harmonics成分不同，如图9。另外，在时序上，某个音出现的attack与decay不同，也会造成音色上的差异。

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图 9
　
环境的特色
    
我们曾提到，同一声源会分成direct sound和indirect sound进入耳朵。indirect sound减少为原声压60分贝的时间称为殘響時間reverberation time。理想的reverberation time相当重要，太短会觉得声音干干的；太长则觉得声音黏黏的，因此reverberation time会决定一个音乐厅中声音的品质。
    
生态学的探索EcologicalApproach
    
在视觉上的ecological approach方式，也有人开始采取这样生态学的的观点應用在听觉上。将声音分乐音(musical listening)与日常生活的声音(everyday listening)。日常生活的声音指的是日常各个事件的声音，又将它们区分为：(1)vibrating solids，如脚步声、铃声等；(2)aerodynamic events，如冷气、风扇的声音；(3)liquid sound，如倒水声。这些声音复杂许多，但人也可以区分其差异，例如，可由脚步声听出其性别；倒水时听声音也知道快倒满了。
　
聆聽意識(Auditory Scene)
    
我们身处的环境中，所有的声音都同时进入耳朵，这些声音组成聆聽意識；但我们还可以清晰地一一区分：那是汽车喇叭声、那是小孩的嬉戏声、那是朋友正在跟我们说话的声音。我们如何由繁复的声音背景中区分出各个不同的声音呢？虽然声音的来源位置可以帮助我们区分不同声音，但抽掉这个讯息我们还是可以区分不同声音，如同我们听音乐时仍可区分歌声和背景音乐声。
    
我们可以藉由認知歸納(perceptual grouping)的概念来了解，类似于我們的视觉Gestalt laws。首先声源可能位于空间固定位置，或连续平滑移动，因此具有这类特质的声音就会被组织在一起。
    
當聲音呈现时间间隔(Temporal Proximity) 時，与音色的相似性(Similarity of Timbre)，都会影响歸納(grouping)。如图10(a)，若呈现得很快，则会组织成往上的音程，打破音色的相似性，如图10(b)；若呈现得较慢，则会依音色组织，如图10(c)。

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图 10
　
相似的音调也会组织在一起，但也会受时间上快慢的影响。如图11(a)，呈现得慢就会听到高-低-高-低-高-低的旋律；但若呈现得很快，如图11(b)，则会听成两个一高一低的旋律。

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图 13                         图 14
　
最后，经验也会影响我们如何组织声音；我们对于熟悉的旋律会有melody schema，可以帮助我们组织声音。有人将两首大家熟悉的童谣放在一起，受试者就无法听出是什么歌；但若告诉受试者歌名，受试者就可以听出藏在其中的旋律了。

皮肤受器
    
皮肤是人体最重的器官，主要具有保暖、保护体内液体流失、防止外物入侵、并提供与触感有关的消息。
    
皮肤可分两层，表皮(epidermis)是已死的细胞，覆盖在真皮(dermis)外面。真皮内有许多受器，这些受器可由其结构与位置分为下列四种：Merkel receptor，盘状受器，位于表皮与真皮之交界。Mesissner corpuscle，由一堆扁平细胞组成，其中只有神经纤维在细胞间围绕，位于真皮层恰在表皮之下。Ruffini cylinder，呈现圆桶状，神经纤维深入并有许多分支。Pacinian corpuscle，像洋葱的构造，中有神经纤维，位在皮肤深层，而肠子和关节处也有。这些受器分别有不同的大小及接收刺激的范围，如图1、2。

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图 1

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图 2
　
    我们可以用心里物理的方法测量各种受器的最适反应，实验方式是以较低温度的刺激（部分管道对温度敏感）及振动刺激，选择性的降低某些管道的敏感度，结果发现四种受器分别对不同振动频率的刺激有最好的反应，如表1。也可以插入非常细微的电极到人的手里去测一个神经纤维的反应，可区分出 slowly adapting (SA) fibers 和 rapidly adapting (RA) fibers，如表2。

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图 22
　
而对于环境中更复杂的声音， (1995)在猴子的nonprimary auditory cortex找到负责对pure tone反应的细胞、负责对complex tone反应的细胞，甚至还找到对其它猴子特殊叫声的细胞，位置近似于人类大脑的语言区。发现人类负责处理听觉的区域可能涉及更高层的区域。 至于是否有如视觉系统的平行处理路径，以及特化的区域处理不同的刺激特性，则有待进一步的研究。

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听觉定位
    
空间上不同位置的刺激直接投影到网膜的不同位置，因此网膜上就有物体位置的讯息；但是必须藉由其它讯息的帮助来获得。
    
在空间上如何定位声源位置呢？我们以三个坐标轴来定位，这三个坐标轴也依赖不同讯息来判断。第一个轴是水平上的位置(horizontal or azimuth)，指的是位于听者的左或右方；第二个轴是垂直上的位置(vertical or elevation)，指的是位于听者的上或下方；第三个轴是距离远近(distance)。如图1。

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图 11
　
也由于相似音高会组织在一起的特性(similarity of Pitch)，发现scale illusion (或melodic channeling)的现象：当左右耳分别呈现高-低-高-低...的音，如图12(a)时，左右耳应分别听成如图12(b)的旋律，但是却会听成左右耳都是两条圆滑的旋律，如图12(c)。

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图 12
　
声音的开始与结束不同(Onset and Offset)，也会自然地被知觉为不同的来源。同时，具有良好连续性(Good Continuation)的声音也会被组织在一起。如图13，会被知觉为一条平音，一条先上升再下降的旋律。此外，如图14，若在一个声音中插入杂音，即使插入杂音时真的中断这个声音(图(b))，我们也会觉得这个声音是连续的(图(c))。

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图 7
　
内耳，主要构造是耳蜗（cochlea），内部充满液体，卷成约2.75圈的螺旋外形。Organ of Corti 位在 basiler membrane 上，有听觉受器hair cell。hair cell上的纤毛弯曲时会在细胞内产生电流讯号，讯号传送到大脑的听觉接受区，使我们听到声音。如下图，听觉受器hair cell又可分为两种：inner hair cell与outer hair cell。前者数目较少，约3500个，但是有95%的听觉细胞接受来自此的讯息；后者数目约12000个，但只处理约5%的讯息 。outer hair cell有一项主要的功能是藉由改变其长度（称为motile response）来增加inner hair cell纤毛振动的幅度。如图8。

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图.8
　
听觉的传递路径由cochlea开始，依序为cochlear nucleus、superior olivary nucleus、inferior colliculus、medial geniculate nucleus、temporal lobe(A1)。从superior olivary nucleus开始才是双耳讯息。如图9。

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图 9
    
音调认知(Pitch Perception)
　
我们曾经提到音调由频率决定，现在我们要来看听觉系统如何登录不同频率的声音。频率地域码（place code for frequency）认为不同频率是由听觉系统中不同位置的神经反应来表示，也就是说在耳蜗中不同位置的受器连结到不同位置的神经，同时代表不同的频率；频率时间码（timing code for frequency），认为不同的频率是 由神经的反应频率来表示。接下来我们分别介绍这两个理论各自的证据。
　
不同频率的声音由不同位置的发细胞（hair cell）收录，如图10，basilar membrane的 base 比 apex 窄了三到四倍，如下图左，且base的硬度是apex的100倍。而basilar membrane的振动是一种traveling wave，如图11，透过这种振动方式使耳蜗内的液体振动同时引发hair cell的反应。

图 1
　
在水平方向上，不同位置的声源到达双耳的时间，因耳朵之間的距離，而每只耳朵對聲音的認知彼此差异不同(interaural time difference, ITD)，如图2。声源位在正前方(点A)时，声音到达双耳的时间相同；声源位在正右方(点B)时，声音到达左耳比到达右耳慢了约0.6ms，此为最大的时间差。除此之外，由于声波经过头部时会被减弱，形成聲學陰影(acoustic shadow)，如图3，位在两旁的声源到达两耳时的强度就有差异(interaural level difference, ILD)。但这个讯息只适用于一定频次以上，愈高频的声音双耳ILD愈大，如图4。这样的技术可应用于指引盲人的设备上，利用呈现双耳不同差异的讯息来告知盲人附近物体的位置。

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图4
　
耳壳(pinna)反射声音进入听道，随着不同频率，反射率也不同，称为方向功能性傳送(directional transfer function DTF)，也称为(head-related transfer function, HRTF)。在垂直方向上，由于不同位置的DTF不同，所以可以藉此判断声源垂直方向上的位置，如图5。

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图 6
　
接收皮肤刺激的神经细胞由周围神经（peripheral nerve）进入背根神经（dorsal root），再到脊髓。进入脊髓之后，感觉神经分为两路：medial lemniscal pathway，纤维较粗，负责触觉和本体感觉；spinothalamic pathway，纤维较小，负责温觉和痛觉。大部分的神经会接到视丘中的ventral posterior nucleus。从视丘讯号再送到顶叶的somatosensory receiving area(S1)，也可能送至secondary somatosensory cortex (S2)，从左侧来的会传到右脑；右侧来的会传到左脑。
    
皮肤的每个部份在大脑皮层里有map对应，且具有高敏锐度的部位所分配到的大脑皮层也较大，这点很像视觉的magnification factor，也因此我们假设大脑中有一个「小人(homunculus)」，来代表我们身体各部的触觉；但是这个小人的手、脸等都很大，但身体很小，如图7。

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图.7
　
在猴子身上，我们可以找到模拟于视觉细胞的接受域的触觉细胞，有中央兴奋、周围抑制的神经细胞、也有对特定方向现段敏感以及特定运动方向敏感的细胞。
　
触觉的物体知觉
    
前面我们所提到的两点觉阈实验，受试者是「等着被刺」，称为passive touch；但是在生活中，我们通常都是主动地去摸东西，称为active touch。Active touch包含了三个成分：第一是皮肤感觉，第二是动作的部分，第三是我们认知系统如何解释这些动作与知觉的讯息。J.J. Gibson认为active touch的重要性质是有意图的。如果要求你摸出一个物体的形状，你会选择性的搜寻有关形状讯息的部分，所以意图对active touch经验来说是很重要的。
    
在主动地藉由触觉辨识物体时，我们有四种特定动作来帮助，称为exploratory procedures (EPs)，如图8；但是在不同的作业要求下，会策略性地采取其中一两个动作，来完成作业。

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图 8
    
当我们主动去触摸物体，生理上的神经细胞反应又是如何呢？在皮肤上受器的部分，我们可以做下面的模拟：摸到小球，皮肤上的受器在单位面积内会有较大的感觉差异；而摸到大球则差异较小，如图.9。

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人类能听到的声音，在不同频率的阈值也不同，如图5最下面的线；中间两条线是在不同频率下，我们感受相同音量的真实强度；最上面一条线是让我们感受到不舒服的强度，超过这个强度可能会造成听力受损。

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图 5 图中Threshold of feelint可闻痛域；Equal loudness curve等响度曲线；conservational speech语言适合区；Audibility curve(threshold of hearing) 可闻域起始(虚线以上区域)
　
听觉系统的构造
　
听觉系统主要有三个功能：
第一是将外在物理刺激传送至接收器；
第二是将物理能量转为电能；
第三是讯息处理后必须可还原声源的音色、音调、音量及位置。在构造上可分为三部分：外耳（outer ear），中耳（middle ear），内耳（inner ear）。如图10.6。

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图 6
　
外耳部分包括：耳壳、外听道及鼓膜。透过耳壳让我们可以知道声音的方向；外听道约2.5-3公分长，可保护鼓膜（tympanic membrane，eardrum）也可维持鼓膜和中耳的温度恒定。除此之外，透过外耳的共振作用可以提高声音2000~5000Hz的强度。
    
中耳包括三块小听骨，传递方式是由鼓膜振动开始传到三小听骨（锤骨malleus ，砧骨incus，镫骨stapes），再传至卵圆窗（oval window）最后进入内耳。外耳与中耳都充满空气，而内耳是充满液体，如图7。当振动从空气传入液体时会造成传送不佳，这时候三小听骨便能解决这个问题。当振动由鼓膜传入到 镫骨输出时，可增加单位面积压力17倍；其次，根据杠杆原理三小听骨可增加约1.3倍的振动；因此在中耳的传送过程可增加振动约22.1倍。此外，中耳的三小听骨上附有身体最小的骨骼肌，当有非常强大的巨响传入时，它会收缩以减低三小听骨的振动，可保护耳朵。