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分辨不同的声音

查字典物理网 2012-12-29

对只有一个单一频率的声音（纯音），沿基底膜移动的行波有一振幅最大点（共振点），使基底膜产生形变，其位置因频率而变，高频靠近基部，低频靠近蜗顶。不同频率的声音因而可使基底膜不同部位受到不同强度的刺激，大脑就据此“知道”听到了声音的音高（频率）。这便是耳蜗频率分析的部位机理，这个区别不同音高的过程叫位置模式。

对非单一频率的复音（从人声到乐器发出的声音都是如此），情况就比较复杂了。在这种情况下，沿基底膜分布的共振点很多，受到刺激的听神经也就很多。听神经发出的电脉冲与声波的周期有一定的同步关系，听神经上许多纤维发出的电脉冲因而可与声音频率一致，这便是耳蜗频率分析的时间机理。大脑根据接收到的电脉冲的周期来确定声音的音高，这种分辨音高的过程称为时间模式。例如，钢琴的C大凋Do键发出的声音是由264赫兹的基音以及频率为基音2倍、3倍、4倍……的泛音组成的。这时在基底膜的多个点发生变形，但是从基底膜向大脑发送的神经冲动出现一些相当明显的峰值，峰值的重复频率和基音是一致的（见图3）。这同样适用于多个音符组成的和弦，如三和弦、四和弦等。那些由音乐中泛音，或者按照传统的和声原则合成的听起来悦耳的音符（如纯五度音程的DO－So）都具有明显的周期性；那些听起来不和谐的音符（比如增四度育程的DO－Fa的周期性则很弱或完全没有周期性。

在这种情况下，大脑不再通过产生神经冲动的听觉神经的位置，而是通过接收到的电脉冲的重复频率来判断音高。也就是说，为了确定一个声音以及它的和谐性，大脑必须接收清晰的信号，从某种意义上讲，它必须能够“数得清数”。这种解释使人想起了18世纪著名的数学家和哲学家莱布尼兹说过的一句话：“音乐是不会数数的大脑进行的一种数数的算术练习。”

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