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为什么人类听觉系统进化为对 20 到 20000 赫兹范围内的声音敏感,而不是其他频率范围? 第1页

  

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这个问题很好玩。涉及的知识十分简单,但脑洞不小,特别适合科普。

我们先来打开脑洞吧。

想象你是一只正在晒太阳的非洲古猿,脑袋上顶了一套相控预警雷达。

相控预警雷达,又名耳朵。

耳朵在你眯着眼睛晒太阳的时候可以警告你:右后方四十度有个“嗷呜~”正在快速接近,估计是狼,快撒丫子跑勒您。

听觉,作为一种高效的预警机制,可以极大地提高生物的存活几率,于是出现在了现存的几乎所有高等动物的技能表中。(有听力的物种被自然选择。)

人类的听力也是一样的,它的存在意义首先是作为躲避危险的预警机制,其次才是那些花里胡哨地东西。

这就很有意思了~(很有意思的意思就是物理部分开始了)作为一种预警机制,除了能听到声音以外,更重要的一点,还必须具备分辨声源方向的能力。不然你跑错方向,人家狼多尴尬?

耳朵分辨方向的原理在中学物理里学过:靠左右耳接受到的声音的时间差,相位差,音色响度大小。

当声波频率比较高,波长小于两耳间距时,由于颅骨、耳廓对声波的遮蔽,加上和频率相关的衍射效应的影响,双耳接受到不同强度和音色的声音。这种差别就成为判断声源方位的主要依据。这也是为什么人戴上耳机欣赏音乐时,就没有了颅骨、耳廓对声波的遮蔽而无法重现音乐厅里的感受,只觉得声音出自自己脑袋里的某个地方。

但对频率低的声波,由于很容易发生衍射绕过你的脑袋,两耳接受的声音很相似。只能通过判断声音到达两耳的时间差来确定声源的方位。但这种方法受神经反应速度和双耳间距的限制,方向辨别并不是很灵敏,这也是为什么家庭影院中的“低音炮”不像其它的音箱那样需要成对放置,一般只有一个,放置的地方也不太讲究,反正人也听不出方位上有什么差别来。

所以为什么人听不到20Hz以下的声音呢,因为室温下空气中声速是340m/s,20Hz意味着波长已经大于10m了,比双耳间距大太多,听到了也无法分辨方向,于是并不能提高物种的生存几率,当然就无法进化出来。(相比之下蓝鲸就可以听到10Hz,因为人家脸大。)

所以对大多数动物来说,能听到多低的声音,跟它的双耳间距是成正比的(并不排除例外,毕竟生物界是个复杂的系统)。同时,耳膜耳蜗是有个最优的频率响应区域的,而且这个响应区域在对数坐标下基本差不多大。就是说想听低频就必须要牺牲高频性能,反之亦然。(比如蝙蝠就无法听到频率低于1000赫兹的声音。)所以耳距事实上也就决定了你能听到的高频极限。人在哺乳动物中有较大的耳距,因而听力的高频极限也是相对较低的,只高过比人耳距更大的比如大象等少数动物。另外海水中的声速是空气中的近5倍,于是同样频率的声音在海水中的波长是空气中的5倍,因而和人耳距差不多的海豚,听力却有跟蝙蝠接近的高频极限。

最后估算个小东西

声速大约取300m/s,20Hz的声波波长是15m, 20000Hz的声波波长是0.015m

0.015*15=0.225

sqrt(0.225)~=0.47m

数量级上差不多就是人的两个耳朵的距离。

也就是说人耳间距大约就处在人耳低频高频极限对应的波长的对数中点上。

看起来并不是那么没有关系呢~

这就是进化的力量。


——————————

(部分引用了2009年陈珂的文章《为什么不能听超声波》,原链已失效)


user avatar   dai-yu-xiao-72 网友的相关建议: 
      

人耳的一些听觉极限与人耳器官本身是有直接联系的,就例如题主所问的频率范围的极限。

那么我们人类的听觉为什么只能听到大约20~20kHz呢?(纯音)其实国家以及有关人士在上世纪八九十年代的“气功热”时期就曾针对各种与耳朵有关的“特异功能”展开科普。

耳朵不可能认字

1979年3月,当媒体第一次创造出耳朵认字的新闻后,我们表达过自己的意见,但这种新闻在全国被炒得火爆,耳朵认字之类奇闻、奇人迅速在全国泛滥,叫人哭笑不得。

耳朵是听觉器官,它由分化得十分精细的传音系统(外耳和中耳)及感音系统(内耳)组成,它的结构及相应功能决定了它只能感觉20~20000赫兹声波,除此之外它不可能有其他功能。

人的耳廓收集外界声波,从外耳道传至鼓膜引起鼓膜的振动,鼓膜的特殊结构使其振动与声音刺激同始同终,没有残余振动,保证声音能如实地使三块听骨(锤骨、砧骨、镫骨)随之振动,镫骨底板把振动传给内耳。内耳耳蜗形似蜗牛壳,其内有声音感受器(螺旋器),螺旋器有内、外毛细胞,内、外毛细胞由于接受振动刺激(机械能)发生兴奋,使耳蜗神经末稍产生动作电位(电能)向上到达大脑听中枢产生听觉。

熟悉或见到过中耳特别是内耳形态的人都必然被这种精细的环环相扣的结构所折服,他们不再会相信耳朵还会有其他的功能,至少认为这种说法有悖于常识

为何人只能听到20~20000赫兹声波,因为耳蜗从顶部向下,移动相应部位的螺旋器,各自能分别有选择地感受从20-20000赫兹的声波。人耳本是专门感受声波的器官,而频率小于20赫兹,大于两万赫兹的声波,因超过了它的能力范围,就无法感知,若刻意宣传它有认字的功能,不是痴人说梦,就是别有用心

有人把根本不可能存在的耳朵认字命名为“特异功能”,而且随后组建了人体科学学会。若当初他们能认真听取意见,或许不会出现这种很尴尬的局面。

是精神病态,不是特异功能

全国所有的精神病医院和精神科医生都毫无例外地遇到过自称有特异功能的人:

有人说练功后,可以看到常人看不到的景物和人,例如光环、蓬莱仙境、玉宇琼阁、南海观音,西天如来、太上老君、狼虫虎豹、大气功师、死去的亲人等等。

人体科学者称这是天眼通,或开天目,开眼功,并把这作为存在特异功能的重要例证。

有人说练功后听到了一般人听不到的声音,例如听到气功师、菩萨、死人、天外来客在自己脑里、肚子里或耳边说话;或者听到了信息或信息波;或者听到了古代编钟音乐,战鼓齐鸣与人喊马嘶等等。

人体科学者称这是天耳通,或开天耳,开耳功。

有人说他们练出了特异功能,或说能透视人体,能发外气治病,或说能呼风唤雨,遥视火星;能使时间倒转,能使太阳失辉,等等。

说得越离奇,越是有人相信,人体科学学会对这些奇人超人十分有兴趣,给予足够的支持宣传。

人体科学学会刻意寻找、发现、支持和宣传的这些天眼通、天耳通,异能表现等大多数是精神病理现象(少数自编谎话者例外)。

所谓天眼通是幻视,天耳通是幻听,都是幻觉

幻觉是一种精神症状,是在没有现实刺激物的前提下病人出现的虚幻知觉体验,幻觉经过治疗可以消失。

另一些异能性言行,例如肉眼透视、遥视、发外气、直视太阳可使太阳失辉等,则是妄想

妄想是一种病理性的信念,这样的信念严重背离现实,与本人的文化知识不相称,但本人坚信不移,用一般的说理无法纠正,通过适当治疗可以使之改善或放弃。

研究各种各类精神病理现象是我们的专业特长,我们积累了几十年的临床经验和研究成果,对识别和鉴定上述天眼通、天耳通,异能人的精神病理表现自有结论性意见。

人体科学学会一直把这些明显的、严重的精神病态认定为特异功能,我们感到十分痛心。我们并不奢望人体科学学会在精神医学领域有太高的精神病学专业知识,只希望他们认真考虑一个简单的事实:这些自称天眼通、天耳通、有异能的人经过正规治疗之后,幻觉、妄想等精神症状消失了,他们的特异功能也都消失了,事后他们也认识到当时是幻觉或妄想所致

(以上部分摘自百度百科)

其实在很多声学与心理声学书籍的开篇一般都会讲解人耳的构造以及其我们对声音的感知相关内容,而这些内容并不是凭空凑字数的,而是有着重要的意义——让我们从生理的角度去了解我们所听到的。

大家经常可以看到麦文学的回答中讽刺一些人的基因与染色体,其实这句话虽然听着可能让一些人不舒服,甚至也有些滑稽,但却是句有科学依据的话。

人类的DNA/染色体决定了人耳器官的大致形状、结构和大小。人耳器官的结构、形状和大小决定了人耳对于声音一些方面的听觉极限。

至于为什么我们的器官会进化成这样的结构,我本人不是生物学家,我不知道,但肯定不是“定向进化”,没准就是个巧合。至于其他某些回答的一些观点,我持保留态度。

最后,并不是每个人都能听到20kHz,通常只有年轻人才能听到,年龄达到一定的阶段,听力往往会出现不可逆的衰退。


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直觉告诉我们:20Hz和20kHz是两条非黑即白、犀利的分界线。频率降到20Hz以下,哪怕是一点点,就会像掉下悬崖,立即突然听不到。然而,事实情况并不是这样。数字信息处理理论告诉我们理想带通滤波器并不存在,因为这种理想情况与因果性(causality)相悖。


图中的蓝线大致表现了人耳对于不同频率声音的响度感知。100Hz和1000Hz之间差20dB,也就是说要用100倍的能量(10倍的幅度)播放100Hz的单音,才和1倍能量播放的1000Hz听起来一样响。听起来一样响的20Hz和1000Hz之间,能量相差10000倍,是不是很夸张?

从临界点附近出发,频率逐渐升高或降低,人们只会感觉音量越来越小,而不是突然间的截止。


另外一个事实是人耳的频率响应曲线是存在个体差异的。之前设计过一个实验测试人耳的低音阈值。每轮挑战有三个时间窗,每个时间窗持续2秒,但其中只有一个会播放声音。志愿者需要指明哪一个时间窗听到了声音,哪怕是猜测。答案正确,则频率下行迎接更难的挑战;答案不正确,则频率上行难度降低。经历几轮振荡之后,曲线会逐渐收敛,此时的频率即为阈值。

实验结果是有的志愿者可以听到15Hz,而我只能听到21Hz。这种差异是现实存在的,但是绝对的数值取决于音量。如果整体提高音量,有的人也许可以听到12Hz。

20 Hz is considered the normal low-frequency limit of human hearing. When pure sine waves are reproduced under ideal conditions and at very high volume, a human listener will be able to identify tones as low as 12 Hz. Below 10 Hz it is possible to perceive the single cycles of the sound, along with a sensation of pressure at the eardrums.


此外,人耳对于音高差异的感知同样不是线性的。

假设图片最左侧的A是A4,则右边的A依次是A5、A6。在键盘上A4~A5和A5~A6距离是相等的。然而A4、A5之间相差440Hz,A5、A6之间相差880Hz(A4 440Hz、A5 880Hz、A6 1760Hz)。不过取对数之后再作差,A4、A5、A6之间则是等距(log(2))。


因此不同个体21Hz和20Hz之间1Hz的差异,放到20kHz附近就是1kHz的差异。20000Hz,有效数字位数这么多,绝对是故意的。




  

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