人体听觉的形成过程(听觉的形成过程为什么不属于反射)

人体听觉的形成过程(听觉的形成过程为什么不属于反射)

人体听觉的形成过程(听觉的形成过程为什么不属于反射)

137亿年前的声音

声音的起源可以追溯到很久以前,即大爆炸后不久。不幸的是,大爆炸本身是无声的。事实上,声波是在媒体出现时形成的。那是宇宙诞生30万年后的事,但直到130亿年后,才出现了能够聆听它的人类。

原始声音的频率很低,但它含有巨大的能量。新宇宙的等离子体开始在太空中以不规则的方式排列。在这个过程中,声音形成了。最终,星系诞生于密度更大的区域,包括我们居住的地球的前身和太阳。

从数十亿年前到地球诞生的前几天(大约46亿年前),大量声音穿过这颗固体行星的外壳及其地下液体区域,在其大气层中反弹和转动。最后,炎热的陆地逐渐冷却,雨水汇集到海洋中,海洋充满了声音。在最早的生物进化环境中,有多种声音,深刻影响着原始生物的形态、习性和命运。

500万年前的听觉

对人类来说,听觉和触觉有着明显的区别,但对海洋生物来说却没有区别。正如振动可以通过我们的身体一样,声音也可以很容易地通过海洋生物的身体。鱼类通过分布在身体表面的神经丘来感知声音。此外,鱼类还有其他几种负责听觉的结构。丘脑含有与人耳毛细胞相似的细胞。鱼依靠丘脑获取附近声音的强度和方向的信息。这种丘状结构大约在5亿年前进化而来。

鼓膜和耳蜗是检测通过空气传播的声音所必需的。因此,大约4亿年前,两栖动物在陆地上定居时,耳膜和耳蜗开始进化。沟通可能是听力进化的主要驱动力,因为声音比视觉信号有更多的优势。虽然一些海洋生物具有发光和变色的能力,但照明性能远比制造噪音更具挑战性,而且传输范围也更小。制造噪音就像呼吸一样容易。对人类来说,呼吸声(由我们的大脑精确控制)赋予我们说话的能力。

4万年前的音乐

对音乐的热爱是人类一种神秘而古老的乐趣。尼安德特人可能在四万多年前就有了长笛。在智人时代,一个没有石锣的洞穴,无论设施多么完善,都不能被视为一个完整的洞穴。人类的第一次歌唱甚至可能出现在语言之前。但为什么呢?能够欣赏音乐并不是一个明显的进化优势。

达尔文对此也感到困惑,但他提出,音乐的味道可能是基于求偶仪式中的声音,许多人仍然同意这一观点。然而,有些人更喜欢进化心理学家史蒂文·平克的建议。他认为音乐是一种听觉上的“奶酪蛋糕”。我们享受它并不是因为这种偏好可以帮助我们的祖先生存,而是因为“奶酪蛋糕”激发的许多情感具有进化价值。简单地说,水果的香气表明它已经成熟,而醇厚的味道表明它含有丰富的脂肪。也许人们喜欢音乐是因为它让我们想起了鸟。鸟类的存在表明附近没有大型食肉动物。

2500年前的和声

如今,声音在我们的生活中扮演着各种角色。我们的许多发明都致力于创造、传输、存储、修改或再现声音。但是人类征服声音的想法最近才刚刚开始。我们所知的一些最古老的文物是乐器,声学是最早的科学研究领域之一。

人类听觉的形成过程(为什么听觉的形成过程不属于反射)

大约在公元前500年,毕达哥拉斯发现,当两根弦中的一根长度为另一根的一半时,拨动两根长度不同的弦发出的声音可以和谐地合成,两个音调之间的“距离”为八度。根据定义和共识,八度音程是所有音程中最和谐的。如果这两个弦的长度比是其他简单的数字比例,那么产生的两个音调听起来几乎一样和谐。例如,如果一个字符串比另一个字符串长1.5倍,将生成第五个间隔。

据说,在铁匠店里,毕达哥拉斯通过听到铁匠敲击锤子时发出的和谐声音发现了这种现象。当时,作为一名刚刚起步的科学家,他称量了铁匠使用的锤子,发现发出悦耳声音的锤子的重量是简单的倍数。考虑到锤子发出的声音的频率并不是由它的重量决定的,令人惊讶的是,这个故事一直流传到今天。然而,无论真正引起他兴趣的是什么,毕达哥拉斯用来研究和声的乐器实际上是一种单弦乐器,也就是说,一种由可移动的弦马控制单弦长度的乐器。

对毕达哥拉斯来说,声音的愉悦是由整数比率定义的,这表明数字是宇宙的关键。所以,也许他确实说过“万物皆有数”。今天的科学家会同意这一点。此外,就毕达哥拉斯对科学方法、数学、音乐制作和声学的影响而言,他的发现可能是所有科学突破中最伟大的一个。

人类听觉的形成过程(为什么听觉的形成过程不属于反射)

尽管任何制造或演奏弦乐器的人都知道,弦的张力会影响弦所能发出的声音以及弦的长度(这就是为什么要用绕弦器来调谐弦乐器),但直到16世纪,科学家伽利略·伽利略的父亲文琴佐·伽利略才对这种现象进行量化。他发现螺距随着弦张力的平方根增加,现在我们知道它也取决于弦的直径和密度。

希腊人对声音的实用性很感兴趣,因为他们热衷于让别人听到自己的声音:戏剧、演讲、辩论、歌曲、颂歌和宣言比比皆是。也许他们最伟大的声学结构是建于公元前4世纪的埃皮达鲁斯剧院。虽然从舞台中央到剧院最后一排的距离约为60米,但在多达55排的1400个座位上,演员的声音随处可见。剧院音响的秘密隐藏在座位上。这些座椅是石灰石制成的。波纹表面和座椅之间的空间有助于吸收频率低于500 Hz的声音,并反射更高频率的声音,从而减少观众耳语的噪声量,使表演更好。

美中不足的是埃皮达鲁斯剧院是露天的。因为没有天花板,声音无法在室内完全容纳,所以扬声器必须非常大,这不仅会使扬声器嘶哑,还会剥夺声音的细微变化。虽然据说希腊人有扩音器,但这只是一个传说。直到20世纪70年代,德国的阿萨那修斯·基尔彻和英国的塞缪尔·莫兰德才发明了麦克风。此外,由于剧院是露天的,所以外部的噪音很容易干扰剧院内部。然而,埃皮达鲁斯剧院在演出期间应该保持安静,因为大多数当地居民都坐在剧院里。

室内公共空间解决了这些问题,但也产生了新的问题,即回声和混响。要使回声变成回声,两次听到的声音之间的时间差必须大于1/20秒。如果在此之前听到,耳朵只会将两个声音视为一个较大的声音。听力的1/20秒相当于视力的1/5秒。在视觉中,我们的眼睛需要1/5秒的时间间隔才能将变化的事物视为两幅独立的图像(因此,当相机帧的移动速度超过独立图像的视觉识别速度时,我们会感觉到图片在移动。这是人类的“视觉持久现象”,即当一系列静态图像快速切换时,我们可以看到平滑的图片)。由于声音在1/20秒内在空气中的传播距离约为10米,因此任何大于该距离(在任何尺寸)的房间都是可能产生回声的回声室。幸运的是,包裹在柔软织物中的物体,如观众,可以减少回声。

当然,声音不仅具有科学性和娱乐性。即使是没有意义的声音也有意义,在史前时代,大多数声音都被赋予了意义,如孤独的风嚎叫、令人震惊的痛苦尖叫、小鸟的快乐歌唱、孩子们的快乐笑声等等。在这些和其他许多情况下,进化在声音和情感之间建立了牢不可破的联系。这些情感依恋自古以来就被人类所使用。例如,战争中的呐喊声早已存在。这不仅是为了使敌人战栗,也是为了鼓舞士气,激发战友的勇气。


现代社会:声音科学及延伸

在古希腊人对声音进行了简单的探索之后,直到17世纪人们才开始研究声音的本质。当时,罗伯特·胡克通过简单的论证证明了频率和音高是相互关联的。虽然艾萨克·牛顿提出了声速方程,但直到1816年,皮埃尔·西蒙·拉普拉斯才得出准确的版本。拉普拉斯证明,声速仅取决于其所通过介质的密度和弹性(见方框1),该公式的估计精度相当高。

人体听觉的形成过程(听觉的形成过程为什么不属于反射)

19世纪中叶,第一台电声设备的发明引发了人类理解和控制声音的革命。麦克风、电话和扬声器的出现极大地刺激了研究、商业和艺术的发展。1903年二极管(第一个整流器,最初用于检测无线电信号)和1906年三极管(第一个放大器)的发明拉开了20世纪电子工程的序幕。两次世界大战极大地促进了电子技术的蓬勃发展。人类对潜艇战和舰船探测的兴趣也导致了对水声的研究。

虽然在19世纪,人们偶尔会讨论存在频率太高而人类听不到的声音,但相关研究仅限于人类能听到的最高频率的上限。虽然这些高频声音很容易通过火花、哨子、喷射器或压电晶体发出,但直到第一次世界大战,人们才对它们产生兴趣,因为他们意识到这些声音可以作为声纳系统的一部分使用。战争结束后不久,进一步的研究表明,这种声音有一系列独特的特性,但并非所有的特性都能解释清楚。例如,它们可以杀死生物体,引起化学变化,产生光和热,使木材爆炸并发出阵阵火。它们之所以被称为超声波,部分原因可能是它们具有奇特的力量。虽然远离X射线的α射线和γ射线如此著名,但超声波很快就获得了类似的声誉——借助科学工具从自然界获得的神秘力量,仍然保持着近乎超自然的神秘魅力。

直到20世纪中叶,人们才真正理解并学会使用超声波的力量。当时,电声放大技术真正改变了世界。过去,受演讲者数量和演讲场地大小的限制,演讲者最多只能面对数千名观众。现在,他们可以与数千公里以外的人进行通信,无论是实时通信,还是一天或一个世纪后的通信。声音可以以前所未有的方式被捕获、记录和分析。

声音已经开始出现在许多新的领域,例如一个未定义的主题——声音艺术。它起源于20世纪初至30年代的未来主义运动,得益于电子音乐和录音技术的发展。路易吉·鲁索洛(LuigiRussono)的《大协奏曲未来主义》(Gran Concerto futuristico,1917)是一个重要的早期例子。最近的一个例子是苏珊·菲利普斯(susanphilipsz)的《低地》(lowlands),这是2010年获得特纳奖的一首挽歌的一系列变奏曲。一个相关的领域是环境音乐,评论家通常称之为“穆扎克”。其原始设计是为公共场所提供合适的背景音乐。布莱恩·埃诺(BrianEno)的专辑《环境1:机场音乐》(1978)就是一个很好的例子,而超市里没完没了的甜美圣诞颂歌和沮丧的员工被迫用这些音乐装扮成精灵就是一个不好的例子。

环境音乐是人工声景的一个例子。Murray Schafer推广了这一概念。Murray Schaeffer于20世纪60年代末在温哥华发起了一项名为“世界声景项目”的国际研究项目,并于1993年成立了世界声生态论坛。谢弗的巨大影响力部分归功于他令人兴奋的主张,即声环境不仅可以揭示生活在其中的人们的社会状况,还可以预测社会将如何演变。

经济学家雅克·萨塔利(jacquesattali)运用谢弗(Schaeffer)的方法提出,音乐习俗的变化预示着社会更广泛的变化。历史学家阿兰·科尔宾进一步发展了这一观点,他认为18世纪和19世纪法国村庄的钟声塑造了那里的社会和经济关系。艺术家兼作家布兰登·拉贝尔(BrandonLabelle)说:“我的感觉是,整个历史和文化都可以从一个声音中看到。”

更广泛地说,声景的概念在许多著名学科中已经很流行,尽管Schafer最初定义的术语已用于涉及相对和动态特性的声环境应用中。技术历史学家艾米丽·汤普森指出,声环境“既是一种物理环境,也是我们感知环境的一种方式”。

在电影中,人工声景的构建在一定程度上是通过音效来实现的。自广播电视剧诞生以来,人工声景一直是广播电视剧的支柱。例如,在古希腊,人们可以在剧院里听到人造的雷声。在电影中,设计、制作声音效果并将其与屏幕上的事件同步的过程称为拟声词(Foley,以声音艺术家JackFoley命名,这是一种将生活中的声音添加到电影中的后处理技术)。

现在我们不再仅仅依靠耳朵来感知声音,也不再仅仅依靠人声和机械设备来产生声音。我们可以研究和使用人们甚至听不到的超低频、超高频或非常微弱的声音。我们还可以产生能量巨大的声束,并将其应用于医学、国防、测绘和许多其他领域。自第二次世界大战以来,人们开发了产生和引导超高强度声束的方法,这使得基于声音的武器得以发展。目前仍在使用的最著名的例子是远程声学设备(LRAD,一种可以驱散大规模人群的声学武器),它可以发出口头命令或不愉快的声音。在一些国家,它被用来对付敌人和野生动物。

随着人类社会的进步,声音的应用越来越广泛,噪声污染已经蔓延到世界许多地方。高度敏感的听觉系统曾经给我们的祖先带来了无数的便利,使我们能够享受音乐和方便的交流,但现在它也给我们带来了担忧、压力和伤害。因此,尽管我们已经掌握了声音的产生,但我们还远远不能控制它。为了控制声音,我们需要理解它的本质。

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