感觉神经科学：听觉和言语/声音/物理学

声音的本质

声音是感知振动在介质中传播时的感觉。没有介质，就没有声音。传播速度取决于介质的弹性和密度，介质本身并不需要移动，重要的是它只需要支持振动的传播。

声音不仅取决于振动开始点（起源），因为介质可能会吸收或改变振动波的传播，它还取决于感知位置和传感器处理这些声波的能力，因为波可能具有不同的频率。

不同频率的正弦波；底部的波比上面的波频率更高。水平轴表示时间。纯音具有这种类型的波形。

纯音。

纯音具有正弦波，如左侧所示。

平方反比定律

这些线表示来自声源的声能。线的总数取决于声源的强度，并且随着距离的增加保持不变。线密度越大，能量就越多。线密度与距离声源的距离平方成反比，因为球体的表面积随半径的平方而增加。因此，场强与距离声源的距离平方成反比。

平方反比定律指出，声能的大小反比 比例 于从声音来源到声音测量位置的平方 距离。因此，该定律描述了声音强度如何通过一个简单的方程式随着距离声音源的距离而降低。

• r 是半径 = 从声源到测量位置的距离

$A=4\pi r^{2}$

因此，当半径增加三倍时，振幅下降 9 倍。

阻抗失配问题

当两种介质的阻抗不匹配时，只有部分能量会传播，这与左边的公式一致。

$\%{\text{amplitude transmission}}=4{\frac {Z_{1}\cdot Z_{2}}{[Z_{1}+Z_{2}]^{2}}}$

如果您使用该公式进行运算，您会发现 $Z_{1}$ 和 $Z_{2}$ 的值越不同，从介质 1 到介质 2 的振幅传递越少。没有传递到下一种介质中的能量会从界面反射回来。

振幅会根据上面的公式缩小 - 所有其他属性保持不变。

衍射

有四种情况

情况 1：开口小于波长。

1. 小开口
   • 开口小于波长。
   • 一个新的声源在开口处“循环利用”能量，并以球面形式辐射出去。
2. 大开口
   • 开口大于波长。
   • 波继续沿着直线穿过开口 - 没有辐射。
3. 小障碍物
   • 障碍物小于波长。
   • 波绕过障碍物传播。
4. 大障碍物
   • 在另一侧存在障碍物的“阴影”。

干涉

当单个波形的相位发生变化时，组合波形也会发生变化。这交替地显示了相长干涉和相消干涉。

当波形相互作用时，它们会线性相加。

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  相长干涉：组合波形的振幅大于任何一个初始波形。
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  相消干涉：组合波形的振幅小于（此处为零）任何一个初始波形。

驻波

• 存在驻波的最低频率是基频，$f_{0}$，其波长是长度的两倍。
  • 其他驻波具有$f_{0}$波长的倍数。

• 对于一端封闭的管子，只有 $f_{0}$ 的奇数倍可以支持驻波，而 $f_{0}$ 等于 $4L$。
  • 这是耳道的模型。

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测量振幅

振幅对应于响度——它测量波形包含多少能量。

对于纯音，测量很容易，但对于复杂的声音，必须进行重复测量并使用我们不会介绍的方法进行平均。用压力直接测量响度不是很有用，因为我们处理的数值范围很大（百万个数量级）。相反，我们使用分贝刻度：$dB=20\cdot log_{10}{\frac {P_{A}}{P_{R}}}$

拥有多个标准是变态的，但我们还是这样做

• 作为标准，$P_{R}$ 通常为 $20\mu Pa$——这被称为“声压级”（30dB SPL）。这对于物理测量最为有用。
• 作为另一种标准，听力学家通常将 $P_{R}$ 设置为该声音的正常人类听阈——这被称为听力级（30dB HL）。这对于听力学家来说最有用，因为它表明你能否正常听到。
• 作为另一种标准，研究人员通常将 $P_{R}$ 设置为听众对该声音的自身阈值——这被称为敏感度级（30dB SL）。例如，如果你想比较正常听力和听力障碍者区分两种声音的能力，这将很有用。

外部链接

• 驻波小程序