工程声学/听觉的传导机制

人耳的解剖

在本节中，我们将讨论声波传导到内耳的路径。我们将介绍两种传导方法；首先，我们将介绍通过外耳和中耳传导到内耳，然后介绍通过骨传导传导到内耳。如果没有这些传导途径，传递声音的声波将无法到达内耳，因此我们将无法听到声音。

外耳

声音第一次进入耳朵的区域是外耳，外耳可以分为两个部分：耳廓（耳朵的可见部分）和耳道。

耳廓

曾经认为耳廓将声音导入耳道，但耳廓的主要功能是帮助声音来源定位。耳廓上的各种脊状结构会根据声音方向滤除 4000 Hz 以上频率的信号。由此产生的频谱变化使我们的大脑能够确定声音的高度，并根据我们的位置定位声音。

耳道

耳道可以被建模为一个大约 2.8 厘米长的管子，一端被鼓膜封闭。与在谐振频率处具有尖锐振幅峰值的刚性管不同，耳道具有大约 2-5 kHz 的宽谐振峰。 重要的是要记住耳道既不坚硬，也不是一个直管，因此会引入阻尼。虽然阻尼被引入系统，从而改变了谐振频率，但重要的是耳道可以将耳朵的声压级（SPL）提高多达 15 dB，这将放大传入的声学信号。

拇指

中耳

中耳的主要目的是充当阻抗匹配变压器，它允许声能有效地从充满空气的外耳传递到充满液体的耳蜗。知道耳蜗中的液体与空气的阻抗比 r 为 4000:1，我们可以使用以下等式来确定在没有中耳的情况下能量传输系数 T 将是多少。

$T={\frac {4r}{\left(r+1\right)^{2}}}$

这使得我们获得 0.001 或 0.1% 的传输。此传输值相当于大约 40 dB 的 SPL 下降。

为了克服这种阻抗失配，中耳采用了三种机械放大系统：鼓膜与镫骨之间的面积比，镫骨与卵圆窗之间的面积比，听小骨链的杠杆效应。

面积比

虽然听骨链有助于提高传入声波的压力，但中耳的大部分增益是由于鼓膜和镫骨的面积比。鼓膜的平均面积为 66 $mm^{2}$，而镫骨的面积为 3.2 $mm^{2}$。因此，这两个面积之间的面积比应约为 20:1，但如前所述，鼓膜的有效面积仅为 65%，所以 66 $mm^{2}$ x 65% = 42.9 $mm^{2}$。这导致面积比为 13.4。

拇指

鼓膜

鼓膜在声音传导中起着重要作用。它作为 传感器，将声压波转换为机械运动。实验表明，鼓膜不是均匀的，而是具有空间变化的刚度。由于这些变化，鼓膜的有效面积仅为 65%。 需要注意的是，鼓膜的刚度对于能量的有效传递也很重要，因为太硬会导致大量能量反射回耳道，而太松弛会导致鼓膜吸收过多的能量。

鼓膜的另一个重要贡献是弯曲膜原理带来的增益。该模型将鼓膜分成两部分，锤骨柄位于中心。由于弯曲膜原理，锤骨柄上的力大于鼓膜上的力，因此传入信号的强度增加了 2 倍。 包括这些影响，我们发现面积比和鼓膜的总增益将为 26.8。利用这个压力比，我们可以计算出相应的增益（以分贝表示）

${\text{dB Gain}}=20\,log(26.8/1)=28.6\,dB\$

类似于鼓膜和镫骨之间的面积比，镫骨和耳蜗的卵圆窗之间的面积比为 20:1

${\text{dB Gain}}=20\,log(20/1)=26\,dB\$

这导致压力增益为 26 dB。

听骨链

听骨链的功能就像一个基本的杠杆。锤骨的锤骨柄比砧骨的长突起长 1.3 倍，这两块听骨通过韧带连接在一起，因此它们可以一起运动。它们在中耳的连接使它们围绕旋转轴均匀分布质量，这使得它们可以很容易地被传入的声波信号激发运动。此外，听骨的阻尼足够大，当传入信号停止时，锤骨和砧骨也会停止，这是理想的，因为听骨的持续运动会导致回声。这两块听骨长度的差异也对应于砧骨处的压力增益，相当于这两块听骨的长度比。这可以通过将这两块骨骼建模为一个简单的杠杆来最好地展示

人耳的解剖

了解这个压力比，我们就能计算出相应的增益（以分贝表示）：

${\text{dB Gain}}=20\,log(1.3)=2.3\,dB\$

虽然压力增益很小，但它仍然有助于声音传导到内耳。

中耳总增益/理想变压器预测

利用听骨链的压力增益、鼓膜到镫骨的面积比以及镫骨到卵圆窗的面积比，我们发现中耳的总增益为

${\text{Middle Ear dB Gain}}=2.3\,dB+28.6\,dB\ +26\,dB=56.9\,dB$

这种中耳的增益被称为“理想变压器预测……补偿了空气到耳蜗的阻抗不匹配”，并且已在对移除中耳的尸体进行的测试中得到证实。

骨传导

骨传导是指声音通过颅骨传递到耳蜗。为了使声音在颅骨中传导，声音的气传导阈值必须超过 50-60 dB，这通常是通过直接振动颅骨（主要是颞骨）实现的。当超过这个阈值时，耳蜗中产生的行波类似于镫骨引起的那些。 由于阻抗不匹配，骨传导在听觉中起着不重要的作用，但它通常用于测量听力，以确定中耳是否存在损伤，或测试内耳的活力。

骨传导的一种应用是针对中耳受损但内耳功能正常的患者。对于这类患者，传统助听器无法使用，但由于内耳健康，骨传导助听器可以。对于这些助听器，可以将钛螺钉植入头骨，外部设备包含麦克风和接收器，可以通过颞骨将声波传导到内耳。虽然通过骨传导听觉并不完美，但它确实可以实现清晰且可理解的聲音辨識。