我们如何识声辨色

声波所对应的机械振动,每秒几千次只是稀松平常。摸着喉咙或者喇叭,可以感受到它的振动,却很难分辨出声音的内容。那么,我们是如何听到声音的呢?

先是耳廓把声音收集起来,通过外耳道传到鼓膜上使其振动;振动通过听小骨等传递到内耳;螺旋卷曲的耳蜗,由外到内不同部位分别对从高频到低频的振动敏感,相应位置的毛细胞感知振动并将其转化为电信号传递给听神经;信号最终传递到大脑,形成听觉。以上四个步骤,像是电子信号处理中“集中放大、阻抗匹配、频谱分析、数据整合”的过程。
对于光波,则更复杂。眼睛不只要看到一束光,还要看到光的空间分布,这就要有一套成像系统。那么,我们是怎样看到物体的呢?

首先是晶状体等构成透镜组,将光线折射后成像到视网膜上;感光细胞中有一些特殊的分子,其中的电子在光的作用下发生转移与跃迁,引起一系列生物化学反应,把光信号转变为神经冲动;眼部几类神经细胞将信息初步整理、传递;信息最终进入大脑的视觉中枢,形成更细致且综合的感知。这便是“光学成像、生化感光、初步合成、综合加工”的过程。
物理、生理上的视听缺陷
物理层面上,听觉方面,比如耳廓和耳道等声音的传播通道,它们本身对不同频率声波的通过效率是有差别的。耳道的长度已经天然地对3000赫兹附近的频率有了特殊照顾。

筒状通道对声音具有频率筛选的功能,且随其长度有所变化
视觉方面,比如各种频率的光透过角膜和晶状体等折射时,其折射率随频率增加而增大,这会导致它们聚焦到视网膜附近时,前后位置有轻微差别,因而看起来会有一种红色更近、蓝色更远的错觉。

人眼结构的不均匀性等可导致“星芒”的效果
生理层面上,听觉方面,鼓膜的共振、毛细胞的衰退老化等,都直接影响其对声音的频率响应范围,而这些是与人的个体特征有关的,比如年龄、体质等。视觉方面,血管层和神经层处在视网膜感光层前方,必然会挡住一部分光,造成一些网状的阴影。
神经系统开小差带来的离奇错觉

(左)“静中见动”;(右)“视而不见”与“无中生有”
常见的,比如盯着一幅色彩较淡、轮廓模糊的画面一段时间,你会发现它逐渐消失了!由于人眼对不同色彩对比度的区域的视觉响应时间有差异,加上眼球的微跳和大脑的补偿,就会对静态的画面产生出动态的错觉。
关于听觉的错觉,同样离奇。有位音频创作者录制了“Laurel”的发音,却有很多人听完后跟读的是“Yanny”。这一方面是由于不同的人对高低频段的敏感性不同,另一方面,这也跟大脑的识别过程有关,在对基频、谐波、共振峰等进行判定时,会有多个结果。
那么,什么是真实的世界呢?世界本身和我们的感知之间是怎样的关系呢?
所谓“真实性”只是相对的,生物更关心的其实是“合理性”和“适应性”。借助现代科学仪器,我们可以更广泛而精确、理性而定量地认识客观世界。然而,这辅助虽然强大,却无法完全替代人类自身进化了千秋万代的、即使有些缺陷却依然精妙无比的感官。
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来源:知识就是力量公众号