感覺神經科學：聽覺和言語/聲音/物理學

聲音的本質

聲音是感知振動在介質中傳播時的感覺。沒有介質，就沒有聲音。傳播速度取決於介質的彈性和密度，介質本身並不需要移動，重要的是它只需要支援振動的傳播。

聲音不僅取決於振動開始點（起源），因為介質可能會吸收或改變振動波的傳播，它還取決於感知位置和感測器處理這些聲波的能力，因為波可能具有不同的頻率。

不同頻率的正弦波；底部的波比上面的波頻率更高。水平軸表示時間。純音具有這種型別的波形。

純音。

純音具有正弦波，如左側所示。

平方反比定律

這些線表示來自聲源的聲能。線的總數取決於聲源的強度，並且隨著距離的增加保持不變。線密度越大，能量就越多。線密度與距離聲源的距離平方成反比，因為球體的表面積隨半徑的平方而增加。因此，場強與距離聲源的距離平方成反比。

平方反比定律指出，聲能的大小反比 比例 於從聲音來源到聲音測量位置的平方 距離。因此，該定律描述了聲音強度如何透過一個簡單的方程式隨著距離聲音源的距離而降低。

• r 是半徑 = 從聲源到測量位置的距離

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

因此，當半徑增加三倍時，振幅下降 9 倍。

阻抗失配問題

當兩種介質的阻抗不匹配時，只有部分能量會傳播，這與左邊的公式一致。

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

如果您使用該公式進行運算，您會發現 $Z_{1}$ 和 $Z_{2}$ 的值越不同，從介質 1 到介質 2 的振幅傳遞越少。沒有傳遞到下一種介質中的能量會從介面反射回來。

振幅會根據上面的公式縮小 - 所有其他屬性保持不變。

衍射

有四種情況

情況 1：開口小於波長。

1. 小開口
   • 開口小於波長。
   • 一個新的聲源在開口處“迴圈利用”能量，並以球面形式輻射出去。
2. 大開口
   • 開口大於波長。
   • 波繼續沿著直線穿過開口 - 沒有輻射。
3. 小障礙物
   • 障礙物小於波長。
   • 波繞過障礙物傳播。
4. 大障礙物
   • 在另一側存在障礙物的“陰影”。

干涉

當單個波形的相位發生變化時，組合波形也會發生變化。這交替地顯示了相長干涉和相消干涉。

當波形相互作用時，它們會線性相加。

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  相長干涉：組合波形的振幅大於任何一個初始波形。
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  相消干涉：組合波形的振幅小於（此處為零）任何一個初始波形。

駐波

• 存在駐波的最低頻率是基頻，$f_{0}$，其波長是長度的兩倍。
  • 其他駐波具有$f_{0}$波長的倍數。

• 對於一端封閉的管子，只有 $f_{0}$ 的奇數倍可以支援駐波，而 $f_{0}$ 等於 $4L$。
  • 這是耳道的模型。

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測量振幅

振幅對應於響度——它測量波形包含多少能量。

對於純音，測量很容易，但對於複雜的聲音，必須進行重複測量並使用我們不會介紹的方法進行平均。用壓力直接測量響度不是很有用，因為我們處理的數值範圍很大（百萬個數量級）。相反，我們使用分貝刻度：$dB=20\cdot log_{10}{\frac {P_{A}}{P_{R}}}$

擁有多個標準是變態的，但我們還是這樣做

• 作為標準，$P_{R}$ 通常為 $20\mu Pa$——這被稱為“聲壓級”（30dB SPL）。這對於物理測量最為有用。
• 作為另一種標準，聽力學家通常將 $P_{R}$ 設定為該聲音的正常人類聽閾——這被稱為聽力級（30dB HL）。這對於聽力學家來說最有用，因為它表明你能否正常聽到。
• 作為另一種標準，研究人員通常將 $P_{R}$ 設定為聽眾對該聲音的自身閾值——這被稱為敏感度級（30dB SL）。例如，如果你想比較正常聽力和聽力障礙者區分兩種聲音的能力，這將很有用。

外部連結

• 駐波小程式