为什么 20 Hz ~ 20000 Hz 的声音都能引起人耳「共振」？耳膜没有固定的震频吗？
这是一个非常好的问题，涉及到声音传播、人耳的生理结构以及物理学的共振原理。
首先，我们需要澄清一个概念：人耳并不是像一个音叉那样，只有一个固定的“共振频率”来响应所有声音。 相反，人耳是一个非常复杂的、具有频率选择性的听觉系统，它能够感知并对整个可听频率范围（大约 20 Hz ~ 20000 Hz）内的不同频率声音做出反应，并通过内部结构在不同程度上“放大”或“强调”某些频率的声音，这可以被理解为一种广义的“共振效应”。
下面我们来详细解释为什么会这样，以及耳膜本身的情况：
1. 什么是物理学上的“共振”？
在物理学中，共振是指一个系统（例如弹簧上的质量块、弦乐器的弦）在其固有频率附近受到驱动力时，会以更大的振幅振动。每个系统都有一个或多个固有频率 (natural frequencies)，这是它在没有外力作用时倾向于自由振动的频率。当驱动力的频率与系统的固有频率接近时，能量就会高效地传递到系统中，导致振幅迅速增加。
2. 人耳的结构与声学特性
人耳并非一个简单的声学腔体，而是一个经过漫长进化而形成的、高度精密的听觉器官，它主要由以下几个部分组成：
外耳 (External Ear): 包括耳廓 (auricle/pinna) 和外耳道 (external auditory canal)。
耳廓: 具有复杂的形状，可以收集声波并将其导向外耳道。它的形状也对声音的方向感和频率有一定的影响。
外耳道: 大约 2.5 厘米长，是一个圆柱形或轻微锥形的管道。它起到了一个声学管道共振器 (acoustic tube resonator) 的作用。一个开放一端、封闭另一端（人耳情况更复杂，但近似）的管道，在其长度的四分之一波长处会产生共振。对于人耳外耳道，这大约会使其在 2000 Hz ~ 5000 Hz 的频率范围产生一个显著的共振峰，即 “管状共振”。这个共振峰能够显著提高这个频率范围内的声音响度，这非常重要，因为许多重要的语音频率就落在这个范围内。
中耳 (Middle Ear): 包括鼓膜 (tympanic membrane/eardrum)、听小骨 (ossicles: 锤骨 malleus, 砧骨 incus, 镫骨 stapes) 和咽鼓管 (Eustachian tube)。
鼓膜: 这是一个非常重要的接收声波的结构。它是薄膜状的，能够随着传入的外耳道内的空气压强变化而振动。
听小骨: 它们将鼓膜的振动传递到内耳，并且通过“杠杆作用”和“面积减小效应”来放大声音的振幅和声压，以克服内耳液体（淋巴液）的阻力。
鼓膜本身并没有一个单一的、固定的“共振频率”。 它是一个具有一定质量、弹性和阻尼的复杂薄膜。理论上，任何具有一定弹性的膜都可以被驱动在其固有频率上振动。但由于鼓膜的结构和连接方式，它并不是一个简单的振动系统，而是可以被驱动在多种频率上振动。当声波以不同的频率撞击鼓膜时，鼓膜会相应地以相同的频率振动，只是振动的幅度会因频率而异。
内耳 (Inner Ear): 包括耳蜗 (cochlea)、前庭 (vestibule) 和半规管 (semicircular canals)。
耳蜗: 是听觉感知的主要场所。它是一个充满液体的螺旋状管道，内部覆盖着基底膜 (basilar membrane)。基底膜的宽度和张力在根部（靠近镫骨）到顶端（螺旋的中心）是渐变的。
基底膜的频率选择性: 这是人耳对不同频率声音产生“共振”般反应的核心机制。基底膜在靠近耳蜗根部的地方较窄且张力较高，更容易被高频声波驱动产生较大的振动。而在靠近耳蜗顶端的地方则较宽且张力较低，更容易被低频声波驱动产生较大的振动。
行波 (traveling wave): 当声波通过镫骨传递到耳蜗的液体时，会在基底膜上产生一种行波。这个行波的最大振幅会出现在一个特定位置，而这个位置与声波的频率密切相关。高频声波的最大振幅出现在基底膜的根部，而低频声波的最大振幅则出现在顶端。
这种基底膜上的频率选择性振动，实际上是人耳对不同频率声音的“共振”现象的体现。 尽管不是一个单一的共振频率，但基底膜上的不同区域在特定频率下表现出最大的响应（振幅），这与物理学中的共振原理类似，只是这里的系统是连续变化的，因此表现为一系列的“共振区域”。
3. 为什么人耳能感知 20 Hz ~ 20000 Hz 的声音？
驱动力（声波）的存在: 人耳能够感知到 20 Hz ~ 20000 Hz 范围内的声音，是因为在这个范围内，存在着足够强的声波能够驱动人耳的各个部分振动。
结构的响应:
外耳道: 提供了 2000 ~ 5000 Hz 的共振增强。
鼓膜和听小骨: 能够有效地将这些频率的振动传递到内耳。尽管它们本身的响应幅度会随频率变化，但它们在整个可听范围内都能有效地传递能量。
基底膜: 是最关键的频率选择性部件。它通过其在长度上的渐变属性，使得耳蜗的不同区域对不同频率的声波产生最强的响应。这种响应可以被看作是该频率声音在基底膜上引起的“共振”放大效应。
总结：耳膜没有固定的震频，而是整个听觉系统协同作用
耳膜 (鼓膜) 本身是一个薄膜，它会随着声波的压力变化而振动，并且会以声波相同的频率振动。它的振动幅度会受频率影响，但它并不是像一个音叉一样只能在一个特定频率上显著振动。
人耳之所以能对 20 Hz ~ 20000 Hz 的声音产生“共振”般的感知，是由于整个听觉系统（尤其是外耳道和耳蜗内的基底膜）的频率选择性特性。
外耳道在约 25 kHz 频率上有一定的管道共振效应。
基底膜上的不同区域对不同频率的声波产生最强的振动响应，这是最核心的“共振”机制，将声音的频率信息转化为特定位置的振动。
所以，与其说耳膜有固定的共振频率，不如说人耳作为一个整体，拥有一个广泛的频率响应范围，并且在这个范围内，不同频率的声音会通过人耳的各个部分的声学特性（如共振）得到不同程度的“放大”或“强调”，从而被我们感知。
简单来说，当一个 30 Hz 的低频声音传来时，它会驱动鼓膜和听小骨振动，并且在基底膜的顶端引起相对较大的振动。当一个 10000 Hz 的高频声音传来时，它也会驱动鼓膜和听小骨振动，但在基底膜的根部引起最大的振动。这些不同频率的振动模式最终被转化为神经信号传递给大脑，让我们感知到不同的声音。
首先，我们需要澄清一个概念：人耳并不是像一个音叉那样，只有一个固定的“共振频率”来响应所有声音。 相反，人耳是一个非常复杂的、具有频率选择性的听觉系统，它能够感知并对整个可听频率范围（大约 20 Hz ~ 20000 Hz）内的不同频率声音做出反应，并通过内部结构在不同程度上“放大”或“强调”某些频率的声音，这可以被理解为一种广义的“共振效应”。
下面我们来详细解释为什么会这样，以及耳膜本身的情况：
1. 什么是物理学上的“共振”？
在物理学中，共振是指一个系统（例如弹簧上的质量块、弦乐器的弦）在其固有频率附近受到驱动力时，会以更大的振幅振动。每个系统都有一个或多个固有频率 (natural frequencies)，这是它在没有外力作用时倾向于自由振动的频率。当驱动力的频率与系统的固有频率接近时，能量就会高效地传递到系统中，导致振幅迅速增加。
2. 人耳的结构与声学特性
人耳并非一个简单的声学腔体，而是一个经过漫长进化而形成的、高度精密的听觉器官，它主要由以下几个部分组成：
外耳 (External Ear): 包括耳廓 (auricle/pinna) 和外耳道 (external auditory canal)。
耳廓: 具有复杂的形状，可以收集声波并将其导向外耳道。它的形状也对声音的方向感和频率有一定的影响。
外耳道: 大约 2.5 厘米长，是一个圆柱形或轻微锥形的管道。它起到了一个声学管道共振器 (acoustic tube resonator) 的作用。一个开放一端、封闭另一端（人耳情况更复杂，但近似）的管道，在其长度的四分之一波长处会产生共振。对于人耳外耳道，这大约会使其在 2000 Hz ~ 5000 Hz 的频率范围产生一个显著的共振峰，即 “管状共振”。这个共振峰能够显著提高这个频率范围内的声音响度，这非常重要，因为许多重要的语音频率就落在这个范围内。
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鼓膜: 这是一个非常重要的接收声波的结构。它是薄膜状的，能够随着传入的外耳道内的空气压强变化而振动。
听小骨: 它们将鼓膜的振动传递到内耳，并且通过“杠杆作用”和“面积减小效应”来放大声音的振幅和声压，以克服内耳液体（淋巴液）的阻力。
鼓膜本身并没有一个单一的、固定的“共振频率”。 它是一个具有一定质量、弹性和阻尼的复杂薄膜。理论上，任何具有一定弹性的膜都可以被驱动在其固有频率上振动。但由于鼓膜的结构和连接方式，它并不是一个简单的振动系统，而是可以被驱动在多种频率上振动。当声波以不同的频率撞击鼓膜时，鼓膜会相应地以相同的频率振动，只是振动的幅度会因频率而异。
内耳 (Inner Ear): 包括耳蜗 (cochlea)、前庭 (vestibule) 和半规管 (semicircular canals)。
耳蜗: 是听觉感知的主要场所。它是一个充满液体的螺旋状管道，内部覆盖着基底膜 (basilar membrane)。基底膜的宽度和张力在根部（靠近镫骨）到顶端（螺旋的中心）是渐变的。
基底膜的频率选择性: 这是人耳对不同频率声音产生“共振”般反应的核心机制。基底膜在靠近耳蜗根部的地方较窄且张力较高，更容易被高频声波驱动产生较大的振动。而在靠近耳蜗顶端的地方则较宽且张力较低，更容易被低频声波驱动产生较大的振动。
行波 (traveling wave): 当声波通过镫骨传递到耳蜗的液体时，会在基底膜上产生一种行波。这个行波的最大振幅会出现在一个特定位置，而这个位置与声波的频率密切相关。高频声波的最大振幅出现在基底膜的根部，而低频声波的最大振幅则出现在顶端。
这种基底膜上的频率选择性振动，实际上是人耳对不同频率声音的“共振”现象的体现。 尽管不是一个单一的共振频率，但基底膜上的不同区域在特定频率下表现出最大的响应（振幅），这与物理学中的共振原理类似，只是这里的系统是连续变化的，因此表现为一系列的“共振区域”。
3. 为什么人耳能感知 20 Hz ~ 20000 Hz 的声音？
驱动力（声波）的存在: 人耳能够感知到 20 Hz ~ 20000 Hz 范围内的声音，是因为在这个范围内，存在着足够强的声波能够驱动人耳的各个部分振动。
结构的响应:
外耳道: 提供了 2000 ~ 5000 Hz 的共振增强。
鼓膜和听小骨: 能够有效地将这些频率的振动传递到内耳。尽管它们本身的响应幅度会随频率变化，但它们在整个可听范围内都能有效地传递能量。
基底膜: 是最关键的频率选择性部件。它通过其在长度上的渐变属性，使得耳蜗的不同区域对不同频率的声波产生最强的响应。这种响应可以被看作是该频率声音在基底膜上引起的“共振”放大效应。
总结：耳膜没有固定的震频，而是整个听觉系统协同作用
耳膜 (鼓膜) 本身是一个薄膜，它会随着声波的压力变化而振动，并且会以声波相同的频率振动。它的振动幅度会受频率影响，但它并不是像一个音叉一样只能在一个特定频率上显著振动。
人耳之所以能对 20 Hz ~ 20000 Hz 的声音产生“共振”般的感知，是由于整个听觉系统（尤其是外耳道和耳蜗内的基底膜）的频率选择性特性。
外耳道在约 25 kHz 频率上有一定的管道共振效应。
基底膜上的不同区域对不同频率的声波产生最强的振动响应，这是最核心的“共振”机制，将声音的频率信息转化为特定位置的振动。
所以，与其说耳膜有固定的共振频率，不如说人耳作为一个整体，拥有一个广泛的频率响应范围，并且在这个范围内，不同频率的声音会通过人耳的各个部分的声学特性（如共振）得到不同程度的“放大”或“强调”，从而被我们感知。
简单来说，当一个 30 Hz 的低频声音传来时，它会驱动鼓膜和听小骨振动，并且在基底膜的顶端引起相对较大的振动。当一个 10000 Hz 的高频声音传来时，它也会驱动鼓膜和听小骨振动，但在基底膜的根部引起最大的振动。这些不同频率的振动模式最终被转化为神经信号传递给大脑，让我们感知到不同的声音。
网友意见
感谢
@杨庆林补充，鼓膜本身没有固定的振动频率，所以有较好的频率响应，也就是说外界的声波，可以使鼓膜产生相近频率的振动，从而有较小的失真度。
一个声音能够让我们感知到，经历了下面几步。
振动先由外耳道传进来，外耳道倒是有固有频率的（3KHz~4KHz），这个频率也是人类说话声音的频率。所以人声在我们听来是被特别放大的。之后到了鼓膜（eardrum），鼓膜随着振动产生压力，带动三块听小骨（Ossicles）振动。听小骨一边连着鼓膜一边连着内耳的耳蜗（cochlea）的卵圆窗（oval window），它就像一个杠杆，把振动统统放大了传入内耳的淋巴液里。
（在这个过程中，如果振动频率过大，连接听小骨的肌肉会把听小骨拉回来，不让它因为振动过大而破坏内耳）
振动进入耳蜗内淋巴液后，就遇到了基底膜，基底膜在离入口卵圆窗的地方比较硬，而在离入口远的地方比较松软，这导致了它每一段的固有频率不一样，外层的频率高，内层的频率低。当特定的振动正好是某一段的固有频率，基底膜就会剧烈共振起来，连着上面的毛毛（stereocilia）也会弯曲摇摆，毛连着神经细胞，所以就会产生电位差拉。而不同位置的基底膜产生电位差，我们就感知到了不同的声音。（所以并不是鼓膜共振，而是耳蜗内部的共振）
我们平常能够听到的声音都在20hz到20000hz内，是因为耳蜗能共振的就是这个范围。而由于神经细胞和基底膜的老化，人一生中听力的下降也是不可逆的，这一现象由我们失去对高音的知觉开始。
猫咪就不同了，它能听到60-65000hz的声音，比我们能听见的范围广多了。这也许就能够解释为啥有时候我觉得啥都没发生啥都没听见，它忽然会跳起来殴打我吧。（错误请指正）
感谢匿名知友提供翻译_(:3 」∠)_
reference
http:// droualb.faculty.mjc.edu /Course%20Materials/Physiology%20101/Chapter%20Notes/Fall%202011/chapter_10%20Fall%202011.htm The Ear's Protective Mechanisms类似的话题
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