摘要：不同的动物有不同的“听”法。昆虫没有耳朵，它们的听力器官叫做鼓膜器，实际上是空气振动的传感器。有的昆虫用触角做鼓膜器，有的用肢节，有的用脚。会发声的昆虫对声波敏感，有上百个鼓膜器，不会发声的昆虫只有几个。昆虫只能听到一个不宽的频带，以便逃生或求偶。

在前几期的文章中，我们讲过了发声和传声。今天，我们再来讲听声。

不同的动物有不同的“听”法。昆虫没有耳朵，它们的听力器官叫做鼓膜器，实际上是空气振动的传感器。有的昆虫用触角做鼓膜器，有的用肢节，有的用脚。会发声的昆虫对声波敏感，有上百个鼓膜器，不会发声的昆虫只有几个。昆虫只能听到一个不宽的频带，以便逃生或求偶。

鱼会发声，也会听声。这是科学家们在1960年代后才发现的。鱼没有外耳，但有内耳（图1）。鱼的内耳结构与人的相似（人是从鱼进化来的），是一个由管道和腔室组成的系统，腔室里面有耳石及感觉毛细胞神经。鱼和水的密度差不多，声波在鱼体内传播的振幅和频率和在水中传播差不多。不过耳石的密度大约是鱼身体的三倍。当声波通过管道接触耳石时，耳石的振动频率与周围组织的振动频率不同，因此腔室中的感觉毛细胞可以感知，并向大脑发送信号。

图1，鱼的听觉系统

鸟的耳朵与人和其他哺乳类动物的耳朵十分相似，但有两个不同。一是没有外耳耳廓（猫头鹰例外）。二是只有一个耳石（像鱼一样）。声波首先传到鼓膜，接着传到的耳石，然后到耳蜗。耳蜗充满液体，还有许多毛细胞神经末梢。毛细胞把耳蜗液体的振动信号传递给大脑。鸟的听力范围比人要窄，但对声音的大小、音调和节奏更敏感。即使在嘈杂的环境中也能够容易地辨别出特定的声音。此外鸟的毛细胞会不断地再生，因此鸟类一生都能保持听力。而人的听力会随着年龄的增长而下降，受损后无法再生。猫头鹰还有一个特点：两耳的听力是不对称的，因此可以更精确地定位（图2）。读者可以做个实验：让你的同伴蒙上眼睛，你站在他的身前或身后轻轻拍手，他应该感知不到你站的位置。但猫头鹰却没有问题。

图2，猫头鹰左右耳听到的声音信号有个时间差，因此能够准确锁定位置

人的听觉是一个复杂的过程，它使我们能够通过声音来感知周围的世界（参见「如虚如实说」| 我们是怎样感知的？机器是怎样感知的？）。这个过程由两个部分组成：生理部分和认知部分。

听觉的生理部分由耳朵完成，用于获取声波。人的耳朵由三个主要部分组成（图3）：外耳、中耳和内耳。

外耳包括耳廓和耳道，用于收集声波并导入耳道。

中耳是一个充满空气的腔室，里面有三块小听骨（耳石）：锤骨，砧骨和镫骨。当声波穿过耳道时，会引起耳膜振动。这些振动通过这三块听小骨放大，然后通过一个椭圆窗口进入内耳。

内耳就是耳蜗，里面充满了淋巴液。听骨的振动在淋巴液体中产生波动，进而刺激耳蜗内的毛细胞神经。这些毛细胞将机械振动转化为电信号，通过听神经发送到大脑。这一部分与其他动物相似。

图3，人耳的结构

听觉的认知部分由大脑完成（图4）。从耳蜗传来的信号经过听神经送到大脑的听觉皮层，由听觉皮层联系大脑的其他部分（如视觉、触觉、味觉、记忆、经验等）作出认知。例如我们听到鸟叫会想到树林中安静的小路，看到大海会想到海浪的声音，听到锅碗瓢勺的声音会想到饭菜的香味，摸到闹钟会想起铃声......

图4，人的听觉认知系统

在各种各样的声音中，音乐最为特别。近年来，音乐治疗学受到重视。研究表明音乐对人的情绪影响很大。例如：

和声

即同时发出的不同频率的声音。不协调的和声会让人感到惊讶、奇怪、恐惧，而协调的和声则能让人感到轻松、惬意；

力度

音乐力度的突然增加会让人吃惊，缓慢增加则让人紧张；

节奏

即有规律的强弱变化。音乐的节奏会引起人体的共鸣。海潮的节奏与人的呼吸同频，所以走在海报边会觉得放松。现代流行的爵士乐、摇滚乐、迪斯科则利用节奏来让人激动起舞；

旋律

即特定的音乐片段。对不同旋律的喜好因人而异；

速度

音乐速度的影响与节奏有些相似。快速容易引起动感，慢速可以催眠。

音乐治疗对情感和心理受到挑战的人特别有用。

有研究表明胎儿在母亲腹中就能听到声音。新生婴儿会循声做出反应，儿童学声很快。但成年后听觉就定型了。随着年龄的增长，或者长期暴露噪音之中、疾病、以及其他的原因，听力会衰减。听力衰退有多种形式，其中最常见的是神经性耳鸣（Tinnitus）。神经性耳鸣源自耳蜗中的部分毛细胞神经受损，大脑的听觉皮层收不到这些毛细胞神经的信号，因此加大了放大倍数，从而造成了持续的噪声。据统计，百分之十五的成年人患有不同程度的神经性耳鸣。

听力受损无法修复。因此要采取积极主动的保护措施。例如在嘈杂的环境中使用耳塞，在使用耳机时保持安全的音量，在无法避免的噪音中工作时定期离开并注意休息等等。

另外还要讲讲我们每天通微信、打电话都要用到的麦克风。在吴承恩（约1500年—1582年）的《西游记》中讲到玉皇大帝手下有“千里眼”“顺风耳”二神。今天千里眼与顺风耳都已成为我们生活中常用的功能。要完成万里传声麦克风必不可少。

最早提出麦克风的是英国发明家查尔斯·惠特斯通爵士（Charles Wheatstone (1802年—1875年)。惠特斯通出生于一个普通家庭，他的父亲在伦敦开了一家制作与销售乐器的小店。因此他从小就对声学很感兴趣。他没有受过正式教育，但勤奋好学。他有好几个发明，包括电报（与他人一起）、桥式电路（Wheatstone bridge，在前人的基础上修改）、打字机（与电报机配套）等等。在如虚如实说｜声音是如何传播的？一文讲到声波按平方反比规律衰减，因此不能远传。惠特斯通想出了一个用电力把声波放大的方法（图5），他把这个他的设计叫做“麦克风”（microphone）。惠特斯通与法拉第（Michael Faraday，1791年—1867年）同一时代，两人是好友（参见「如虚如实说」| 那些被冠名为“电学单位”的名人们）。

图5，惠特斯通和他设计的麦克风

麦克风是著名的美国发明家托马斯·爱迪生（Thomas Alva Edison，1847年—1931年）发明的。爱迪生出生于一个普通家庭。他在小学时被老师认为迟钝。他妈妈一气之下把他带回家，自己来教他。爱迪生12岁时开始在铁路旁边摆卖。不久因病几乎失聪。15岁时他在铁轨上救下一个孩子。孩子的父亲是个电报员，感激之余就教他学会了收发电报。在接下来的几年中他一面当电报员，一面学技术，搞发明。22岁时他开始创业。在后来的数十年间，他勤奋工作，从不言败。他有一句名言：“人最大的弱点是放弃，最可能成功的方法是再试一次”。他做出了许多重大发明，包括电灯泡、留声机、直流电机、电影机等。麦克风是他和他的一个同事共同发明的。他的同事申请了专利后跳槽到了别的公司。爱迪生告上法院，最后获得了专利权（图6）。

图6，爱迪生和他的麦克风

1892年，爱迪生与几个朋友一起创立了通用电气公司（General Electric Co.）。这个公司很快就成了跨国公司，一直到现在都是世界500强。

1929年，为了纪念爱迪生发明电灯50周年，爱迪生的好友亨利·福特（Henry Ford，1863年—1947年）与通用电气公司联手在密西根举办了一个庆典（Lights Golden Jubilee 1929年），来宾包括时任美国总统胡佛（Herbert Hoover, 1874年—1964年），正在美国访问的居里夫人（Marie Curie，1867年—1934年），发明照相机的乔治·伊士曼（George Eastman，1854年—1932年，参见如虚如实说 | 你知道光是如何成像的吗？），奥维尔·怀特（Orville Wright，1871年—1948年）（奥维尔是首先成功飞行的怀特兄弟中的弟弟，此时他的哥哥已经病逝）等等（图7）。

图7，福特（左）与爱迪生（右）握手，旁边站立的是胡佛总统

图8是麦克风的工作原理：声波推动一块薄膜振动，薄膜又推动永磁体运动，永磁体运动时线圈感应出电信号，并向外发射。大家可以想象：把麦克风反过来用就是扬声器（俗称喇叭）了。

图7，麦克风的工作原理

从物理的角度来看，麦克风是把声能转换成电磁能的换能器。近年来，科技飞速发展，把声能与电磁能互相转换的方法有很多，因此麦克风也有多种，包括电动式、电容式、晶体式、电声式（electroacoustic）等等。不过把声能转换成电磁能容易，把电磁能转换成声能难。声波必须由振动发出。大鼓振动得慢，发出的是低音，小锣振动得快，发出的是高音。要同时发出低音和高音很难。所以高保真（High-Fidelity，俗称Hi-Fi）音响系统都有多个喇叭。

来源：杜如虚院士