我们如何识声辨色

2022年12月05日
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。
其中最精妙的,还是耳蜗的“频谱分析”功能。打个比方,在一根晾衣绳上挂一排形状、材质、重量不同的衣服,左右晃动绳子,衣服就会跟着晃。有些衣服是晃得快时跟着动,有些则是晃得慢时跟着动,这就实现了频率的分辨。耳蜗就是这样一个精妙的频率分析器,它各处的敏感频率随其局部尺寸和刚度等变化,由外到内对应高频和低频。特定频率的声音只被其中一小部分区域的毛细胞所感知。
对于光波,则更复杂。人眼能看到的光,其电磁场每秒周期变化为400800万亿次,细胞靠力学为主的机械结构是跟不上了,这就需要求助于电子。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。其中“生化感光”最为关键。感光细胞包含细长的视杆细胞和尖尖的视锥细胞。前者可以感受极弱的光,但无法分辨色彩。后者对弱光的敏感程度不及前者,但具有色彩分辨的能力。所谓色彩,从本质上讲,就是物理客观上的光的频率在人脑中的主观感受。不过感光可不像探声那么容易。
我们可以在耳蜗中轻松放置一排排密密麻麻的毛细胞负责不同频率的声音的探测,却很难在眼睛里放置三棱镜或光谱仪并配上一排排感光细胞,还恰好每个都对相应频率的光敏感。然而如果只有一种感光细胞,那眼里的世界就只有明暗而毫无色彩了。人类做了一些妥协,但还是比较幸运地拥有3种视锥细胞,分别负责长、中、短波长的光的探测,敏感区域大约在红、绿、蓝波段附近。这样就把看到的色彩表达为3种视锥细胞响应的组合了。
来源:知识就是力量公众号