【科普資料】十大聲學(xué)分支學(xué)科（六）： 生理聲學(xué)

生理聲學(xué)是聲學(xué)和生理學(xué)的邊緣學(xué)科，它主要研究聲音在人和動物引起的聽覺過程、機(jī)理和特性，也包括人和動物的發(fā)聲。

耳是聽覺器官的統(tǒng)稱。人耳可分為外耳、中耳和內(nèi)耳，連同各級聽覺中樞組成聽覺系統(tǒng)。聽覺的聲學(xué)過程發(fā)生在外耳、中耳及內(nèi)耳的耳蝸一部分，聽覺的神經(jīng)過程發(fā)生在耳蝸的感受器部分、聽神經(jīng)和聽覺中樞。

人耳組成

外耳包括耳廓和外耳道，主要起集聲作用。中耳包括鼓膜、聽骨鏈、鼓室、中耳機(jī)、咽鼓管等結(jié)構(gòu)，主要起傳聲作用。耳蝸主要起感聲作用。

耳蝸是一有骨質(zhì)外殼卷曲呈蝸牛狀的三層平行管道結(jié)構(gòu)，三層管道內(nèi)充滿淋巴液，分別稱前庭階、鼓階和蝸管，后者夾在前二者當(dāng)中，由軟組織分隔。蝸管與鼓階間的分隔稱基底膜，上面排列著聲音的感受器-螺旋器，其感受細(xì)胞為毛細(xì)胞。前庭階和鼓階各有一窗開向鼓室，分別稱卵窗和圓窗，窗上均有膜。卵窗膜與聽骨鏈內(nèi)端的鐙骨底板連在一起。耳蝸靠近窗的一端稱基部，另一端稱蝸頂。

正常耳的傳聲途徑是聲波作用于鼓膜，經(jīng)聽骨鏈傳入耳蝸，稱氣導(dǎo)。鼓膜面積比卵窗膜約大20倍，聽骨鏈的杠桿結(jié)構(gòu)使在鼓膜端振幅大、力小的振動變成在卵窗膜端振幅小、力大的振動，有如一個變壓器，起到阻抗匹配的作用，從而提高了聲音從空氣媒質(zhì)至淋巴液媒質(zhì)的傳播效率。聲波也可通過頭骨的振動直接傳至內(nèi)耳，稱骨傳聲，不過傳播效率較低。

骨傳導(dǎo)原理示意圖

聽覺的機(jī)理包括從聲波的機(jī)械振動至電、化學(xué)、神經(jīng)脈沖、中樞信息加工等一系列過程。當(dāng)聽骨鏈推動卵窗膜產(chǎn)生振動時，聲波便開始在耳蝸內(nèi)的淋巴液媒質(zhì)中傳播，先經(jīng)前庭階，后經(jīng)鼓階。在傳播途徑中的時差造成了二階各段每一瞬間的壓力差，使基底膜上下波動，從耳蝸基部開始，順序移向蝸頂，稱行波。基底膜的運(yùn)動使排列在它上面的螺旋器也相應(yīng)地運(yùn)動。

由于慣性等作用，螺旋器內(nèi)不同結(jié)構(gòu)運(yùn)動的方向差和速度差產(chǎn)生一種力，使感受細(xì)胞上的纖毛彎曲，改變了經(jīng)常存在于蝸管和毛細(xì)胞之間的生物電流回路中的阻抗，從而調(diào)制了通過的電流。電流的變化導(dǎo)致感受細(xì)胞與聽神經(jīng)末梢間的突觸釋放化學(xué)遞質(zhì)，使神經(jīng)末梢興奮，發(fā)出神經(jīng)脈沖。接受不同特性的各種聲音后聽神經(jīng)發(fā)出的脈沖在時間和空間上各有不同的構(gòu)型，它們攜帶有關(guān)聲音的信息，順序傳至各級聽覺中樞，經(jīng)過處理和分析，最后產(chǎn)生反映聲音各種復(fù)雜特性的聽覺。

沿基底膜移動的行波有一振幅最大點(diǎn)(共振點(diǎn))，其位置因頻率而變，高頻靠近基部，低頻靠近蝸頂。不同頻率的聲音因而可使基底膜不同部位受到員強(qiáng)的刺激，這便是耳蝸頻率分析的部位機(jī)理。聽神經(jīng)發(fā)放的脈沖與聲波周期有一定的同步關(guān)系，聽神經(jīng)上許多纖維發(fā)出的脈沖排放因而可以與聲音的頻率一致，這便是耳蝸頻率分析的時間機(jī)理。聲音的強(qiáng)度主要由被興奮神經(jīng)纖維的數(shù)目及每一纖維興奮后發(fā)放脈沖的多少來反映。從不同方位發(fā)出的聲音到達(dá)雙耳的時間差和強(qiáng)度差則是判斷聲源方位的主要依據(jù)。

電活動是聽覺神經(jīng)過程的基礎(chǔ)。耳蝸的振電壓來源于螺旋器，它是上述回路電流調(diào)制的結(jié)果，是從聲音的機(jī)械運(yùn)動轉(zhuǎn)換為神經(jīng)活動的重要環(huán)節(jié)。它的主要特點(diǎn)是準(zhǔn)確地復(fù)制聲音刺激的聲學(xué)波形，與傳聲器的聲-電轉(zhuǎn)換作用相仿，從耳蝸可記到聽神經(jīng)的動作電位，從各級聽覺中樞可記到由聲音引起的多種電變化，統(tǒng)稱誘發(fā)電位，用微電極技術(shù)可記錄聽覺系統(tǒng)各部位單個神經(jīng)細(xì)胞的電活動。電活動規(guī)律是聽覺的基本研究內(nèi)容之一。

發(fā)聲器官在喉頭，由聲帶、軟骨韌帶結(jié)構(gòu)的支架、控制聲帶位置和張力的肌肉群等組成。肌肉的活動由神經(jīng)支配。從氣管經(jīng)喉頭、咽部至嘴和鼻孔的管道稱為聲道。

當(dāng)氣流從氣管呼出時，呈一定張力的聲帶便可振動而發(fā)聲，稱嗓音。嗓音是多諧的，其基頻的高低取決于聲帶的長短和張力，聲音的強(qiáng)度則取決于氣流的大小和速度。說話時基頻范圍約為100到300赫茲。男聲較低，女聲和童聲較高。

人類的語音包含極其大量的信息。發(fā)聲的各種動作受大腦語言中樞的控制，通過學(xué)習(xí)后可以熟練地掌握。講話者可以不斷地通過聽覺對發(fā)出的語音、唇舌等的觸覺、聲道肌肉群的本體感覺等接受反饋信息，這是語言流暢的重要條件。在學(xué)習(xí)通話時聽覺的反饋尤其重要。絕大多數(shù)啞病是因?yàn)槎@，患者的發(fā)聲器官往往是正常的。