2013.12.27 知覺心理學 (十三) Hearing

Sound

• 物理定義：空氣振動產生的壓力變化，為聽覺受器所接收。
• 知覺定義：對於聽覺資訊的經驗。

Sound as Pressure Changes：

• 聲源震動造成氣體產生緊密與疏鬆的波：
• 緊密(condensation)
• 疏鬆(rarefaction)
• 且聲音傳遞的速度依介質而有所不同：
• 空氣媒介：340 m/s。
• 液體媒介：1500 m/s。

Pure Tones：

• Pure tones：只有單一頻率所構成的波，定義上符合sin函數圖形者，稱為pure tone。
• 通常做測驗的時候會使用1000Hz的pure tones。
• 多種頻率加總的情況，則稱為complex tones。
• 描述是否為純頻率，相當於顏色之飽和度的概念，是為音頻(timbre)。
• Amplitude：震幅，代表聲音的能量強度，與聲音的大小有關。
• 相對於知覺層次，其以響度(loudness)描述之。
• 計算單位為分貝(Decibel ,dB)。
• 關於計算：20 log (p/p0)，P0表可以偵測到1000Hz pure tones的閾值，通常為20；而p則為sound pressure level。
• if p=2000, dB=20*log (2000/20)=20*log 100=40。
• if p=20000,dB=20*log (20000/20)=20*log 1000=60。
• Frequency：單位時間內產生的波數。
• 人類平均可以聽到的聲音為100~20000Hz，且與響度有關，在最低與最高頻率的部分需要較高響度，並在2000~2500有最佳敏感(此與相關頻率的毛細胞數量有關)。

Complex tones and Frequency Spectra：

• 大部分生活中的聲音都是複雜的聲波。
• periodic tones：定期的波，指相同波形重複出現的狀況。
• 描述此重複波，單位時間內出現循環次數的頻率，稱為fundamental frequency。
• fundamental frequency：計算periodic tones時候，單位時間內出現的完整波數的頻率。
• harmonics：和諧音，指多種頻率的波疊加後之結果，又稱為complex tones。
• high harmonics：指將fundamental tones與其整數倍加總所得的和諧音。
• fundamental tones：指最原始的pure tone，作為整數倍的基準。
• effect of the missing fundamental：指harmonics已經加總的情況下，即便移除fundamental tone仍不改其fundamental frequency的現象。
• fundamental frequency的計算方式，除了繪圖以了解其重複的狀況外，也可計算個頻率之間固定的最小差值。
• 而經過移除特定頻率後的和諧音，稱為periodicity pitch，顯示其判斷音高的指標不再是fundamental frequency，而是其相關的指標。
• additive synthesis：
• 如fundamental frequency為200Hz，則疊加200,400,600,800的波，都可以得到和諧音，並且其fundamental frequency並不改變。
• 如fundamental frequency為200Hz，但疊加200.300.400.600的波，則會出現不和諧音，從而造成fundamental frequency的改變。
• frequency spectrum：移除任何一個特定的波，但不影響其頻率，因其頻率應為單位時間內出現的總數。。

perceptual aspects of sounds

• Loudness：響度，與物理性質的強度有關：
• 首先定義強度為1、響度40的聲波，作為比較的基準點。
• 理論上而言，波的強度與知覺的響度應該呈現性關係，換言之，當響度增加2倍，則知覺到的強度應該增加2倍(實際上沒有)。
• 知覺感受與物理性質相關但不完全吻合，平均而言相較於物理性質來的低，換言之，物理上響度增加2倍，知覺可能僅增加1.5倍，有壓縮的狀況。
• 已知頻率與響度相關，並且以人類為例：
• 低、高頻率需要較大的響度才可以聽到，但而中頻使用較小的響度也可接收。
• 如以頻率為橫軸，響度為縱軸，則人類的聽覺閾值類似U形曲線，代表在低頻與高頻時，需要較高響度才可以聽到。
  note：但記得在過去老人的相關課程中，提及對於聽覺受損的老人，使用中低頻的聲音較能讓他們聽得清楚，此狀況無法以此曲線解釋。推測可能與年齡造成毛細胞退化的影響相關，可能高頻偵測的毛細胞死亡率較高。
• 約120分貝的時候，無論頻率為多少都會造成疼痛與不適的感覺。
• 另外計算知覺響度一致的狀況：
• 80分貝的情況，與其物理特質相似。
• 40分貝的情況，在中頻的波與物理特質相似，但在低頻與高頻的時候，需增強響度才會有相同於40分貝的感受。
• 不同物種對於聲音的知覺：而這些限制來自於個物種的接受器(receptor)。
• 普遍而言，鳥類與人類的頻率相似。
• 通常魚類比較偏向低頻。
• 部分哺乳類可以聽到100000Hz的聲音(高頻)。
• Pitch：音高，與物理性質的頻率相關。其接收的作用上，並非fundamental frequency ，而是periodic frequency，因和諧因即便消去fundamental frequency其頻率仍不變。
• 所謂的高低八度，其實為頻率增加一倍，或者減少一倍。
• 低音do與高八度的do，其頻率差為一倍。
• Timbre：音色，可視為結合頻率的複雜程度，相當於色彩的飽和。

From pressure changes to electricity：

• 至少需有三個程序方能進入知覺：
• 接收：由受器接收相對應的刺激。
• 轉換：將物理訊號轉變為神經電訊號。
• 解讀：處理此電訊號，並且產生不同類型的知覺。
• 聽覺器官：
• 分為外耳、中耳與內耳三部分：
• 外耳：包含耳殼(pinna)及外聽道(auditory canal)。
• 耳殼有助於接收訊息，並且掌握聲音的來向。
• 外聽可避免耳膜直接暴露於刺激下，以減少其耗損，並且對於1000~5000Hz的聲音可產生共振，並且增加其接收的效率。
• 中耳：與外耳中有鼓膜(tympanic membrane, eardrum)及三小聽骨(malleus,incus and stapes)。
• 三小聽骨可調節鼓膜與卵圓窗的連接程度，從而調節聽到的聲音大小。
• 其由外而內的順序依序為：槌骨、砧骨以及鐙骨。
• 如果聽骨肌收縮，將使三者空間分開，以減少其傳導效率。
• 注意到在中、外耳共振的媒介為空氣，相較於內耳的媒介是液體，後者的強度與能量相對較強。
• 換言之從外耳進入後，透過機制持續放大並且增幅，以造成液體的波動，包含骨骼以及匯聚(注意到耳殼與卵圓窗的比例差異)。
• 內耳：與中耳間有卵圓窗(oval window)，並且往內傳送到前庭、半規管與耳蝸。
• 主要與聽覺相關的結構為耳蝸，長度共3.5cm長，但是捲曲成形，並且與鐙骨連接，其底座稱為base，連接stapes；而尖端處稱為apex。而鼓室道與前庭道分散在二側。
• 耳蝸可以分為三個空間：
• 鼓室道(scala tympani)：
• 前庭道(scala vestibuli)：
• Basliar membrane：介於鼓室道與前庭道之間，於柯蒂氏器上可再分為二種毛細胞。
• outer hair cells：排列為三排，約12000個，在較為外界的地方，與覆膜(tectorial membrane)連結，將訊號轉變為電訊號。另外發現outer hair cells具有延展性，可以放大覆膜與基底膜震動之效應，此現象稱為cochlear amplifier，與聲音偵測的區辨能力有關。
• inter hair cells：排列為一排，約3500個，與覆膜(tectorial membrane)連結，在較內側的區域，同樣為聽覺受器，不同地方的inter hair cells對不同頻率有最高敏感度，因此與對不同音高的敏感性有關。
• 神經訊號的傳遞方式：
• 聲波傳導以震動的方式，主要是基底細胞的上下震動，影響毛細胞與覆膜的相對運動。
• 毛細胞靜態排列的時候，有tip link會蓋住特定方向的離子通道，此時未有明顯的離子流動。
• 當毛細胞開始移動時，tip link因為移動而無法遮蔽離子通道，而造成鉀離子的進入，並且於細胞後釋放出神經傳遞物質(glutamine)，傳往底層的神經細胞。
• 神經接受到glutamine後累積電位變化，如達閾值則可產生動作電位。
• Phase locking：指毛細胞上的纖毛擺動，與聲波之波峰波谷具有特定方向性，因此在波峰的時候將使毛細胞去極化，從而釋放神經傳遞物質，而在波谷的時候，毛細胞將再極化，從而抑制神經傳導物質的釋放。此相位固定的狀況，稱為phase locking。
• 在高頻的情況下，單一聽神經可以作用的次數是有限的，當遇到絕對不反應的狀況，則會錯過一些波峰，此時由其他毛細胞(聽神經纖維)遞補。加總所有神經纖維的刺激，則可得到完整的高頻。
• temporal coding：此種不同頻率引起不同聽覺神經興奮的關聯性，稱為temporal coding。
• 但是基於神經纖維數量的上限，此最多僅能處理5000Hz的高頻資訊，因此5000Hz以上的高頻刺激，主要由耳蝸不同區域的毛細胞反應，並由大腦整合判斷之。
• 神經訊號的產生方式：
• 單一神經元並非每次都會有所反應，因其尚有過極化或者不反應期的問題。
• 然而多個神經元，可以綜合彼此訊號，反應出所有聲波的型態與時間(相位)。

Vibration of the Basilar Membrane：

• 對應性的關係：
• 視覺上其對於特定的空間定點有專一對應性。
• 在聽覺，其特定的定點對於頻率有專一對應性。
• 二個神經作用的問題：
• 頻率：不同區域的毛細胞，對於不同頻率的刺激有其專一性。
• Place Theory：特定區的毛細胞，對於特定頻率的刺激有最佳的反應。
• 在最敏感區及其附近的毛細胞會產生反應，其他毛細胞反應程度明顯較弱，因此產生頻率-位置的專一關係。
• 在靠近apex的區域，對於低頻的刺激最有反應。
• 在靠近base的區域，對於高頻的刺激較有反應。
• Tonotopic map：在整個捲曲的耳蝸中，定義區不同區域接收的頻率高低，可見在base區域的頻率最高，而往apex的頻率越來越低。
• 自Base 到Apex，不同位置的毛細胞對於不同頻率、響度的反應敏感性不同，而將所有毛細胞的表現加總，可構成人類對於頻率響度的影響。
• A Practical Application：如將外界刺激的頻率編碼，是否給予不同區域的神經刺激，可跳過聽覺受器將聽覺訊號傳遞到大腦？
• 透過外接轉換器，並且將刺激物置入內耳神經區，可透過編碼方式將訊號傳遞，並為毛細胞受損者所聽到。
• 相關的資訊：
• 近期的研究相信，人對於不同頻率的刺激可以有更精確的定位。
• 此可能受技術影響，如過往只能將器官移出後刺激，而現在可使用活體進行研究。
• 最近得到的結果，其曲線更尖銳且敏感。
• 對於Harmonics：
• 會將其拆解為不同頻率的刺激，並且有各自對應的區域產生震動。

Next one：聽覺的神經訊號傳遞，不同於視覺，會傳到許多次區域後再彙整到大腦聽覺區。

• 看起來A1區與耳蝸間仍有空間對應關係。
• 無論出現於哪個頻率的刺激，出現於大腦的時間都相似，約在600~900毫秒間。
• 老年性耳聾及其他聽覺損傷。
• 造成毛細胞損傷的因子。