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听力如何运作

耳图
耳图礼貌 美国宇航局
您的 ear is a delicate and detailed sensory organ. See more 人类感官图片.

您的 ears are extraordinary organs. 的y pick up all 的 声音 然后将这些信息转化为您的大脑可以理解的形式。关于此过程最值得注意的事情之一是它完全 机械。您的嗅觉,味觉和视觉都涉及化学反应,但您的听力系统仅基于身体运动。

在本文中,我们将研究使听力成为可能的机械系统。我们将追踪声音的路径,从声音的原始来源一直到您的大脑,以了解耳朵的各个部分如何协同工作。当您了解它们所做的一切时,很明显,您的耳朵是您身体中最不可思议的部分之一!

要了解您的耳朵如何听到声音,您首先需要了解什么是声音。

物体在物质中振动时会发出声音。这可能是固体,例如地球;液体,例如水;或气体,例如空气。大多数时候,我们听到声音在空气中传播。

当某物在大气中振动时,它会移动周围的空气颗粒。这些空气粒子进而使空气粒子在其周围移动,从而通过空气传递振动脉冲。

为了了解其工作原理,让我们看一个简单的振动物体:铃铛。当您敲钟时,金属会振动-弯曲进出。当它在一侧弯曲时,会推动该侧的周围空气颗粒。然后,这些空气粒子与它们前面的粒子碰撞,然后与它们前面的粒子碰撞,依此类推。这就是所谓的 压缩.

铃铛弯曲时,它会吸入周围的空气颗粒。这会产生压力下降,从而吸入更多周围的空气颗粒,而又产生另一压力下降,从而将颗粒吸入更远的地方。这种压力下降称为 稀疏.

以此方式,振动的物体通过大气发送压力波动波。由于声波的变化,我们从不同的振动物体听到不同的声音 频率。较高的波动频率只是意味着气压波动会更快地来回切换。我们听到这是更高的 沥青。当一段时间内的波动较小时,音调较低。每次波动中的气压水平,波浪的 振幅,确定声音的音量。在下一部分中,我们将研究耳朵如何捕获声波。

在最后一节中,我们看到声音随着气压的振动在空气中传播。要听到声音,您的耳朵必须做以下三件事:

  • Direct 的 sound waves into 的 hearing part of 的 ear
  • Sense 的 fluctuations in air 压力
  • 将这些波动转化为大脑可以理解的电信号

品纳,耳朵的外部,用来"catch"声波。您的外耳指向前方,并具有许多曲线。这种结构可以帮助您确定声音的方向。如果声音从您身后或上方发出,则与从正面或下方发出的声音不同。这种声音反射会改变声波的模式。您的大脑会识别出独特的模式,并确定声音是在您的前面,后面,上方还是下方。

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您的大脑通过比较来自两只耳朵的信息来确定声音的水平位置。如果声音在您的左手,它将比您的右耳更快地到达左耳。左耳的声音也会比右耳的声音大。

身体感觉
的 神经系统决定了我们无处不在的感觉 每天都有尸体。这是如何运作的?是什么原因导致您的腿感到 何时入睡你怎么知道什么时候要 喷嚏?探索频道的这项活动说明 怎么样 感觉 被生产 in 的 body.

由于耳廓朝前,因此您听到的声音比后面听到的声音要好。许多哺乳动物,例如狗,都有大型可移动的耳廓,可让它们专注于特定方向的声音。人耳不是那么擅长于声音。它们靠着头部平放,没有必要的肌肉进行明显的运动。但是,您可以将手捧在耳朵后面,轻松补充天然的耳廓。这样,您可以创建更大的表面积,从而可以更好地捕获声波。在下一部分中,我们将看到声波沿耳道传播并与耳膜相互作用时会发生什么。

Once 的 sound waves travel into 的 耳道, 的y vibrate 的 鼓膜, commonly called 的 鼓膜. 鼓膜是一块很薄的圆锥形皮肤,大约10毫米 (0.4 inches) wide. It is positioned between 的 耳道 and 的 中耳. 的 中耳 is connected to 的 throat via 的 咽鼓管. 由于来自大气的空气从您的外耳以及 你的嘴,鼓膜两侧的气压仍然保持 等于。这种压力平衡使您的耳膜可以自由地向后移动, forth

的 鼓膜 is rigid, and very sensitive. Even 的 slightest 气压波动会使其来回移动。附属 to 的 张鼓鼓室肌肉, 不断地将它向内拉。这样可使整个膜绷紧 因此无论声波撞击到哪一部分,它都会振动。

正常的耳朵解剖
耳朵插图礼貌 疾病预防控制中心
正常的耳朵解剖


This tiny flap of skin acts just like 的 diaphragm in a 麦克风。声波的压缩和稀疏性推动了 drum back and 向前. Higher-pitch sound waves move 的 drum more rapidly, and louder sound moves 的 drum a greater distance.

的 鼓膜 can also serve to protect 的 inner ear from 长时间暴露于低调大声的声音中。当大脑收到一个 signal that indicates this sort of noise, a reflex occurs at 的 eardrum. 的 张鼓鼓室肌肉 and 的 骨肌 突然签约。这将鼓膜和连接的骨头拉入 两个不同的方向,因此鼓变得更加坚硬。当这个 发生这种情况时,耳朵在低音的低端听不到太多的声音 audible spectrum, so 的 loud noise is dampened.

In addition to protecting 的 ear, this reflex helps you 集中您的听力。它掩盖了大声,低音的背景噪音,因此 您可以专注于音高较高的声音。除其他外,这有助于 在嘈杂的环境中进行对话 就像一场摇滚音乐会。每当您开始时,反射也会启动 说话-否则,您自己的声音会淹没很多 of 的 other 声音 around you.

的 鼓膜 is 的 恩tire sensory element in your ear. As we'll 在接下来的部分中看到,其余的耳朵只能通过 along 的 information gathered at 的 鼓膜.

We saw in 的 last section that 的 声波的压缩和稀疏将您的鼓膜移回并 向前。在大多数情况下,这些气压变化非常严重 小。他们没有在鼓膜上施加太大的力,但是鼓膜是 非常敏感,以至于最小的力使它移动了一段很长的距离

As we'll see in 的 next section, 的 耳蜗 内耳中的声音通过液体而不是通过空气传导声音。这种液体具有更高的 惯性 比空气要难-也就是说,很难移动(想想 推水)。鼓膜上的小力不强 足以移动这种流体。在声音传到内耳之前, the total 压力 (单位面积的力)必须放大。

This is 的 job of 的 小骨, 一种 group of tiny bones in 的 中耳。小骨实际上是您体内最小的骨头。它们包括:

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声波使鼓膜振动,从而使锤骨,砧骨和moves骨移动。


槌骨连接到鼓膜中心,在内部 侧。鼓膜振动时,槌骨从一侧移到另一侧 像杠杆一样。锤骨的另一端连接到the骨, 附着在the骨上骨的另一端-其 面板 -- rests against 的 耳蜗, through 的 椭圆形的窗户.

当气压压入耳膜时,小骨 移动,以便骨的面板推入耳蜗 体液。当气压稀疏在鼓膜上拉出时, ossicles move so that 的 面板 of 的 sta骨 pulls in 上 的 体液。从本质上讲,the骨起着活塞的作用,在 内耳液代表声音的气压波动 wave.

的 小骨 amplify 的 force from 的 鼓膜 in two ways. The main amplification comes from 的 size difference between 的 eardrum and 的 镫. 的 鼓膜 has a surface area of 大约55平方毫米,而the骨的面板 具有约3.2平方毫米的表面积。施加声波 向耳膜的每平方英寸施加力,然后耳膜转移 所有这些能量都给骨。当您将精力集中在 较小的表面积,压力(每单位体积的力)很大 更大。进一步了解 水力乘法, 查看 液压机如何工作.

骨的构型提供了额外的扩增。锤骨比砧骨长,形成一个基本 杠杆 between 的 鼓膜 and 的 sta骨. 的 槌骨 moves a greater 距离,并且砧骨以更大的力移动(能量=力x distance).

这种放大系统非常有效。压力 施加到耳蜗液的压力大约是在 鼓膜。这种压力放大足以传递声音 信息传递到内耳,在此转化为神经 impulses 的 brain can understand.

迄今为止,耳蜗是耳朵中最复杂的部分。它的工作是吸收声波引起的物理振动,并将其转换为大脑可以识别为独特声音的电子信息。

耳蜗结构由三个相邻的管组成,这些管彼此之间被敏感膜隔开。实际上,这些管子被缠绕成蜗牛壳的形状,但是如果您想象它们会伸出来,会更容易理解发生了什么。如果我们处理其中两个管, 斯卡拉前庭 and 的 斯卡拉媒体,作为一个房间。这些管之间的膜是如此薄,以至于声波传播时,好像根本没有分开。

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sta骨的活塞作用使耳蜗中的液体运动。这会导致振动波向下传播至基底膜。


骨来回移动,在整个耳蜗中产生压力波。将耳蜗与中耳分开的圆形窗膜使液体流到了某个地方。当the骨推入时,它移出;当骨拔出时,它移入。

的 middle membrane, 的 基底膜是在整个耳蜗长度上延伸的刚性表面。当the骨移入和移出时,它会推拉椭圆形窗口下方的基底膜部分。该力开始沿膜表面移动的波。波浪从池塘的椭圆形窗口一直向下延伸到耳蜗的另一端,沿着池塘表面传播着像涟漪一样的东西。

基底膜具有特殊的结构。它是由20,000至30,000芦苇状纤维制成,延伸到整个耳蜗的宽度。在椭圆形窗口附近,纤维短而硬。当您移向试管的另一端时,纤维变得更长且更弯曲。

This gives 的 fibers different 共振频率。特定的波频率将在特定点与纤维完美共振,从而使它们快速振动。这与使音叉和kazoos起作用的原理相同-特定的音调将开始音叉响起,以某种方式嗡嗡作响将导致kazoo簧片振动。

当波沿着膜的大部分移动时,它不能释放太多的能量-膜太紧。但是,当波以相同的谐振频率到达光纤时,波的能量突然释放。由于纤维长度的增加和刚度的降低,较高频率的波使靠近椭圆形窗口的纤维振动,而较低频率的波使膜另一端的纤维振动。在下一节中,我们将研究细小的头发如何帮助我们听到声音。

在上一节中,我们看到较高的音高会振动基底 椭圆形窗口附近的膜最强烈,较低的音调振动 the 基底膜 most intensely at a point farther down 的 耳蜗。但是大脑如何知道这些振动在哪里发生?

This is 的 皮质器官's job. 的 皮质器官 是一个包含数千个微小结构的结构 毛细胞。它位于基底膜的表面,并延伸到整个耳蜗的长度。

直到波以共振频率到达光纤,它才开始 大量移动基底膜。但是当浪潮终于到来时 到达共振点,膜突然释放出 在那个区域的能量。这种能量足以移动器官 此时,皮质毛细胞。

当这些毛细胞移动时,它们会通过 耳蜗神经. 耳蜗神经将这些冲动传递到大脑皮层, 大脑解释它们的地方。大脑决定音高 根据发送电脉冲的单元的位置发出声音。 大声的声音在沿共振点的共振点释放更多的能量。 膜,从而在该区域移动更多的毛细胞。的 大脑知道声音更大,因为更多的毛细胞被激活 an area.

耳蜗仅发送原始数据-复杂的模式 的电脉冲。大脑就像一台中央计算机, 此输入,并使其具有某种意义。这是一个非同寻常的 操作复杂,距离科学家还有很长的路要走 了解一切。

实际上,听力对于我们来说仍然是非常神秘的。基础的 在人耳和动物耳朵中工作的概念非常简单,但是 具体结构非常复杂。科学家正在迅速发展 然而,他们的进步却发现了新的听力元素 年。令人惊讶的是,听力过程中涉及了多少 所有这些过程都发生在这样一个 small area of 的 body.

有关听力和相关主题的其他信息,请查看下一页上的链接。

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