3.3 听觉机能及其特征

3.3.1 耳的结构及听觉机能

人耳结构可分成三部分：外耳、中耳和内耳，如图3.11（a）所示。在声音从自然环境中传送至人类大脑的过程中，人耳的三个部分具有不同的生理作用。

为了便于理解耳蜗的功能，我们用图3.11（b）来显示镫骨足板与耳蜗的前庭窗的连接。耳蜗内充满着液体并被基底膜所隔开，位于基底膜上方的是螺旋器，这是收集神经电脉冲的结构，耳蜗横断面显示了螺旋器的构造。当镫骨足板在前庭窗处前后运动时，耳蜗内的液体也随着移动。耳蜗液体的来回运动导致基底膜发生位移，基底膜的运动使包埋在覆膜内的毛细胞纤毛弯曲，而毛细胞与听神经纤维末梢相连接，当毛细胞弯曲时神经纤维就向听觉中枢传送电脉冲，大脑接收到这种电脉冲时，我们就听到了“声音”。

1．外耳

外耳是指能从人体外部看见的耳朵部分，即耳廓和外耳道。耳廓对称地位于头两侧，主要结构为软骨。耳廓具有两种主要功能，它既能排御外来物体以保护外耳道和鼓膜，还能起到从自然环境中收集声音并导入外耳道的作用。将手作杯状放在耳后，很容易理解耳廓的作用效果，因为手比耳廓大，能收集到更多的声音，所以这时你听所到的声音会感觉更响。

当声音向鼓膜传送时，外耳道能使声音增强，此外，外耳道具有保护鼓膜的作用，耳道的弯曲形状使异物很难直入鼓膜，耳毛和耳道分泌物也能阻止进入耳道的小物体触及鼓膜。外耳道的平均长度2.5cm，可控制鼓膜及中耳的环境，保持耳道温暖湿润，能使外部环境不影响和损伤中耳和鼓膜。

外耳道外部的2/3由软骨组成，靠近鼓膜的1/3为颅骨所包围。

2．中耳

中耳由鼓膜、中耳腔和听骨链组成。听骨链包括锤骨、砧骨和镫骨，悬于中耳腔。中耳的基本功能是把声波传送到内耳。

声音以声波方式经外耳道振动鼓膜，鼓膜斜位于外耳道的末端呈凹型，正常为珍珠白色，振动的空气粒子产生的压力变化使鼓膜振动，从而使声能通过中耳结构转换成机械能。

由于鼓膜前后振动使听骨链作活塞状移动，鼓膜表面积比镫骨足板大好几倍，声能在此处放大并传输到中耳。由于表面积的差异，鼓膜接收到的声波就集中到较小的空间，声波在从鼓膜传到前庭窗的能量转换过程中，听小骨使得声音的强度增加了30dB。

为了使鼓膜有效地传输声音，必须使鼓膜内外两侧的压力一致。当中耳腔内的压力与体外大气压的变化相同时，鼓膜才能正常的发挥作用。耳咽管连通了中耳腔与口腔，这种自然的生理结构起到平衡内外压力的作用。

3．内耳

内耳的结构不容易分离出来，它是位于颞骨岩部内的一系列管道腔，可以把内耳看成三个独立的结构：半规管、前庭和耳蜗。前庭是卵圆窗内微小的、不规则开关的空腔，是半规管、镫骨足板、耳蜗的汇合处。半规管可以感知各个方向的运动，起到调节身体平衡的作用。耳蜗是被颅骨所包围的像蜗牛一样的结构（图3.11（b）），内耳在此将中耳传来的机械能转换成神经电脉冲传送到大脑。

耳蜗内充满着液体并被基底膜所隔开，位于基底膜上方的是螺旋器，这是收集神经电脉冲的结构，耳蜗横断面（图3.11（b））显示了螺旋器的构造。当镫骨足板在前庭窗处前后运动时，耳蜗内的液体也随着移动。耳蜗液体的来回运动导致基底膜发生位移，基底膜的运动使包埋在覆膜内的毛细胞纤毛弯曲，而毛细胞与听神经纤维末梢相连接，当毛细胞弯曲时神经纤维就向听觉中枢传送电脉冲，大脑接收到这种电脉冲时，我们就听到了“声音”。

3.3.2 听觉的特征

人耳在某些方面类似于声学换能器，也就是通常所说的传声器。听觉可用以下特性描述。

1．频率响应

可听声主要取决于声音的频率，具有正常听力的青少年（年龄在12～25岁之间）能够觉察到的频率范围大约是16～20000Hz，而一般情况下，人耳能听到声音的频率范围是20～20000Hz，可见人耳对声音感知的频率比为

人到25岁左右时，对15000Hz以上频率的声音感受灵敏度开始显著降低，当频率高于15000Hz时，听力阈值开始向下移动，而且随着年龄的增长，频率感受的上限，逐年连续降低。但对小于1000Hz的低频率范围，听觉灵敏度几乎不受年龄的影响，如图3.12所示。听觉的频率响应特性对听觉传示装置的设计是很重要的。

2．听觉绝对阈限

听觉的绝对阈限是人的听觉系统感受到最弱声音和痛觉声音的强度。它与频率和声压有关。在阈限以外的声音，人耳感受性降低，以致不能产生听觉。声波刺激作用的时间对听觉阈值有重要的影响，一般识别声音所需的最短持续时间为20～50ms。

听觉的绝对阈限包括频率阈限、声压阈限和声强阈限。大体上，频率20Hz、声压2× 10-5Pa、声强10-12W/m2的声音为听阈，低于这些值的声音不能产生听觉。而痛阈声音的频率为20000Hz、声压20Pa、声强10W/m2。人耳的可听范围就是听阈与痛阈之间的所有声音，如图3.13所示。

3．听觉的辨别阈限

人耳具有区分不同频率和不同强度声音的能力。辨别阈限是指听觉系统能分辨出的两个声音的最小差异值。辨别阈限与声音的频率和强度都有关系。人耳对频率的感觉最灵敏，常常能感觉出频率微小的变化，而对强度的感觉次之，不如对频率的感觉灵敏。不过二者都是在低频、低强度时辨别阈限较高。另外，在频率500Hz以上的声频及声强，辨别阈限大体上趋于一个常数。

4．辨别声音的方向和距离

正常情况下，人的两耳听力是一致的，因此，根据声音到达两耳的强度和时间先后之差，可以判断声源的方向。如声源在右侧时，距左耳稍远，声波到达左耳所需时间就稍长。声源与两耳间的距离每相差1cm，传播时间就相差0.029 ms。这个时间差足以给判断声源的方位提供有效的信息。另外，头部的屏蔽作用及距离之差会使两耳感受到声强的差别，由此同样可以判断声源的方位。如果声源在听者的上下方或前后方，就较难确定其方位。这时通过转动头部，经获得较明显的时差及声强差加之头部转过的角度，即可判断其方位。在危险情况下，除了听到警戒声之外，如能识别出声源的方向，往往会避免事故发生。

判断声源的距离主要依靠声压和主观经验。一般在自由空间，距离每增加一倍，声压级将对应减少6dB。

5．听觉的掩蔽

不同的声音传到人耳时，只能听到最强的声音，而较弱的声音就听不到了，即弱声被掩盖了。这时一个声音被其他声音干扰而使听觉发生困难，只有提高该声音的强度才能产生听觉，这种现象称为声音的掩蔽。被掩蔽声音的听阈提高的现象，称为掩蔽效应。

工人在作业时由于噪声对正常作业的监视声及语言的掩蔽，不仅使听阈提高，加速人耳的疲劳，而且影响语言的清晰度，直接影响作业人员之间信息的正常交换，可能导致事故的发生。

噪声对声音的掩蔽与噪声的声压及频率有关。当噪声的声压级超过语言声压级20～25dB时，语言将完全被噪声掩蔽。掩蔽声对频率与其相邻近的掩蔽效应最大；低频对高频的掩蔽效应较大，反之则较小；掩蔽声越强，受掩蔽的频率范围也越大。另外，当噪声的频率正好在语言频度范围内（800～2500Hz）时，噪声对语言的影响最大。所以在设计听觉传达装置时，应尽量避免声音的掩蔽效应，以保证信息的正确交换。

应当注意到，由于人的听阈复原需要经历一段时间，掩盖声去掉以后，掩蔽效应也并不立即消除，这个现象称为残余掩蔽或听觉残留，其量值可代表听觉的疲劳程度。掩盖声又称疲劳声，它对人耳刺激的时间和强度直接影响人耳的疲劳持续时间和疲劳程度。刺激越长、越强，则疲劳程度越高。

【阅读材料3-3】 天然气净化厂噪声污染的分析及治理

天然气净化厂噪声源多，分布范围广，多数设备都需24h连续运行，生产噪声对厂区和附近居民的生活与学习造成了较大的影响，导致厂区噪声呈现不同程度和不同范围的超标。生产过程中主要的噪声源有燃气炉、空冷器、冷却塔、硫黄成型车间、空压机、水泵、电动机等，噪声均超过70dB，有些地方甚至超过100dB。而环保局对天然气净化厂厂区噪声执行标准要求白天在65dB以下，夜间在55dB以下。

1．燃气锅炉噪声治理

燃气锅炉运行时，天然气在燃烧器中与空气混合、燃烧，产生强烈的燃烧噪声，通过燃烧器进风口以及锅炉烟囱向外排放。进风用的鼓风机也产生较大的噪声。经现场测试，锅炉燃烧器进风口噪声为78.8～82.6dB，锅炉辐射噪声为72～76dB，锅炉排烟烟囱1m处噪声达75dB。燃气锅炉燃烧噪声频带较宽，同时在低频范围内（63～1000Hz）具有明显的峰值。由于其低频性质，燃烧噪声穿透能力较强、衰减慢、影响范围广。通过烟囱排放的燃烧噪声排放点高，对周围环境的影响更大。根据燃气锅炉的特点，通过吸声、消声等综合降噪措施来降低其噪声危害。以下分别考虑燃气锅炉的燃烧器进风口、烟囱以及锅炉本身等噪声辐射部位的治理。

（1）燃烧器进风口噪声控制。在锅炉燃烧器进风口安装扩张室式抗性消声器降噪后，安装在该消声器外的鼓风机仍会产生噪声污染。应在燃烧器进风口消声器设计时将燃烧器噪声和鼓风机噪声综合考虑。为满足燃烧器鼓风机进风需要，应根据燃气炉的进风量在该装置一侧安装微穿孔板消声器，该消声器具有消声频带较宽、气流阻力较小、结构简单、造价较低、耐高温、不起尘的特点。锅炉燃烧器进风口安装该噪声控制装置后，可降低噪声20dB左右。

（2）烟囱噪声控制。燃气锅炉烟囱直径较大，燃烧废气通过该烟囱的气流速率较小，一般不超过2m/s，故可据此判断烟囱噪声与燃烧废气通过时的气流噪声无关，该噪声完全来源于燃烧锅炉产生的低频噪声。为对锅炉烟道噪声进行治理，可选用微穿孔板消声器来降低通过烟囱向外扩散的噪声。考虑到排放烟气温度较高，除最外层用较厚钢板制作以满足强度要求外，其余部分均用不锈钢材料制作。

（3）锅炉本体噪声控制。燃气锅炉运行过程中，锅炉本体不断辐射72～76dB的噪声，对周围环境有较大影响。根据燃气锅炉的特点，可对燃气锅炉本体外表面和消声器与锅炉之间烟道用100mm厚耐高温岩棉进行包扎覆盖，再包扎1.5mm铝板护面，该措施可降低噪声10dB左右。

2．空冷器噪声治理

空冷器运行噪声主要包括冷却风扇噪声、电动机及减速器噪声、进排气噪声。现场监测表明，其总体噪声高达86dB，具有以低频为主的宽频特征。由于空冷器声源位置较高，噪声以低频为主，衰减慢、传播距离远，对周围环境有很大的影响，应加以治理。

空冷器体积庞大，其运行特点决定无法采用封闭降噪的方法。由于空冷器噪声高且以低频为主，声音绕射能力强，单纯地采用安装吸隔声屏的方法降噪效果一般不理想，故采用安装进出风口消声器和吸隔声屏相组合的降噪措施。为减小气流阻力和保证进风的洁净度，应选用消声频带较宽、气流阻力较小、结构简单、造价较低、不起尘的微穿孔板消声器。

3．冷却塔噪声治理

冷却塔噪声主要由落水声和风机运行噪声组成，对前者可安装不锈钢消声垫进行治理，对后者可选用对冷却塔进行封闭消声或安装吸隔声屏两种方案进行治理。封闭消声虽然降噪效果比较好，但费用高，对冷却效果有影响，给设备检修带来不便。冷却塔噪声一般不太高，约为70dB，安装吸隔声屏已能基本满足降噪要求。因此，一般选择安装不锈钢消声垫和吸隔声屏相组合的降噪方案。

设置隔声房以及加隔声门窗等控制措施是厂区噪声治理的有效方法，尤其适用于老厂区的噪声治理，但其投资大，而且会不可避免地影响生产。因此，在厂房改造和新厂区建设中，从平面规划时就应该考虑如何减少噪声污染，对厂区进行合理的声学布置，同时重视厂区的绿化，合理利用“绿色屏障”来控制噪声污染。这些前期工作不仅能避免后期治理的麻烦，节省投资，而且可以提升厂区的整体环境质量，取得社会和经济的双重效益。