1、声学物理基础 波与声波 媒质质点的机械振动由远及近的传播称为声振动 的传播或成为声波。 声波是一种机械波。适当频率和强弱的声波传入 人耳，人们就感觉到了声音。 弹性媒质的存在是声波传播的必要条件。 弹性介质：空气 水 流体 固体 1 图示：声波为纵波 2 声音的种类 我们常根据声音的周期特性将其分为周期性声 音和非周期性声音。周期性声音包括纯音和复 合音，这是由于它们的波型都具有一定的重复 性；而非周期性声音则是由许多频率、强度和 相位不同的声音无规律性地组合在一起形成。 纯音是含单一频率，同时声压随时间按正弦函 数规律变化的声波。在自然界和日常生活中很 少遇到纯音，纯音可由音叉产生，也可用电
2、子 振荡电路或音响合成器产生。 3 复合音是由频率不同、振幅不同和相位不同的 正弦波叠加形成的，它也是 种周期性的振动 波。 4 声音的强度 声波在单位时间内作用在与其传递方向垂直的单位面 积上的能量称 声强 。日常生活中能听到的声音其强度 范围很大，最大和最小之间可达 1012倍。 用声强的物理学单位表示声音强弱很不方便。当人耳 听到两个强度不同的声音时，感觉的大小大致上与两 个声强比值的对数成比例。因此，用对数尺度来表示 声音强度的等级，其单位为贝尔 (B)或分贝 (dB)。 5 声强和声强级 单位时间内通过垂直于声 波传播方向的面积 S的平均 声能量成为 平均声能量流 或称为 平均声功率
3、 。单位 是瓦。 通过垂直于声波传播方向 的单位面积上的平均声能 量流称为 平均声能量流密 度或声强 。 单位瓦 /米 2 用对数标度来度量声强， 称为 声强级 。单位分贝（ dB） 在声学中用 110 -12 watt/m2作为参考声强（ I 0)。 6 声 压 设体积元受声扰动后压强由 P0改变为 P，则有声扰动产生的逾 量压强（简称逾压） P=P-P0 就称为 声压 存在声压的空间称为 声场 。声场中某一瞬时的声压值为 瞬时 声压 。在一定时间间隔中最大的瞬时声压值称为 峰值声压。 有效声压 ：瞬时声压对时间取均方根 7 在听觉医学研究中多采用 声压 或 声压级 表示 声音的强度。声压是
4、指声波传播时介质中心 的压强与无声波传播时的压强之差。 声压级 (sound pressure level, SPL)是指某声 压 P与参考声压 P0比值的对数。其单位亦为 B 或 dB。 SPL(dB) 10log(P2/P02) 10log(P/P0)2 20log(P/P0) 声压级的参考声压规定为 210 5 Pa（ 20Pa） 。在 1 4kHz内，这个声压强度接近正常人的听阈。 声压和声压级 8 理想流体媒质的三个基本方程 假定： 媒质为理想流体，即媒质中不存在粘滞性，声波在这种理想媒质 中传播没有能量的耗损。 没有声扰动时，媒质在宏观上是静止的，即初速度为零。同时媒 质是均匀的。
5、 声波传播时，媒质中稠密和稀疏的过程是绝热的。 媒质中传播的是小振幅声波，各声学参量都是一级微量 牛顿第二定律 质量守恒定律 热力学定律 运动方程 连续性方程 物态方程 9 运动方程 F1=(P0+p)S F2=(P0+p+dp)S +dx P0+p P0+p+dp F1 F2 推导过程 10 连续性方程 +dx (v)x (v)x+dx 流入： (v)xS 流出： -(v)x+dx S 11 物态方程 (1) (2) (3) (4) 12 小振幅波的一维波动方程 物态方程 13 声音传入内耳的途径 声音一般是通过空气传导进入内耳，这是我们 感知声音的主要途径； 另一种次要的途径是通过颅骨传导
6、。 14 15 耳是感觉位觉和听觉的器官。由外耳、内耳和中耳三部分组成。 16 外耳、中耳、内耳生理 我们把耳分为 3个部分 外耳起集音作用； 中耳起传音作用，将空气中的声波传入内耳； 内耳具有感音功能。 从外耳集声、中耳传声至耳蜗基底膜振动及毛细 胞纤毛弯曲为物理过程或称声学过程。 毛细胞受刺激后引起细胞生物电变化、化学递质 释放，神经冲动传至各级听觉中枢，经过多层次 的信息处理，最后在大脑皮层引起听觉，可统称 为生理过程。 17 外 耳 生 理 耳廓 : 可以帮助收集外来的声波，人的耳廓较小，其集音 功能不如其他动物，但对声源方向的判定有一定作用 。 外耳道 : 为一盲管，有共振功能，根据
7、物理现象，当波长为其长 度的四倍时能发生最好的共鸣。外耳道平均长度为 2.5cm ，则发生最好共鸣的波长应为 10cm，根据实验结果，波长 10cm时的频率为 3000 4000Hz，使外耳道共振效应得到的 增益约为 10dB。有人认为噪声性耳聋损害的频率在 4000Hz 上下，是与外耳道的共鸣作用有关。此外，外耳能保护耳 的深部结构免受外伤。 18 耳廓主要由一不规则形的弹性软 骨组成，与外耳道外侧壁的软骨 相连续。软骨外面覆盖薄层皮肤 ，与软骨膜紧密相贴，皮下组织 很少。皮肤内含有细小的毛和大 的皮脂腺，汁腺少而小。耳垂处 无软骨，皮下组织中毛细血管较 丰富，是临床常选的采血部位。 耳廓除
8、收集声波外，还有一些代 表内脏、四肢和头颈的穴位，可 作为针灸治疗的取穴点。 外耳道略呈 S形弯曲，末端以鼓膜 与中耳分隔。管壁的外 1/3为软骨 ，内 2/3为骨。 外耳包括耳廓、外耳道和鼓膜 鼓膜是卵圆形的半透明膜，外表面被有复层 扁平上皮，每表面是单层立方上皮，中间是薄 层结缔组织。鼓膜内面与锤骨柄相连，能接受 由外耳道传来的声波同步振动，而且无振动后 的残余振动，因而能将声波准确的传入中耳。 19 中耳 中耳包括鼓膜、鼓室、听小骨、中耳肌肉、韧带和咽 鼓管等结构。中耳的主要功能是将外耳道内空气中的 声能传递到耳蜗的淋巴液。这种由气体到液体的声能 转换是通过鼓膜与听骨链的振动来偶联的。
9、20 中 耳 生 理 声波从空气中传入内耳淋巴液，仅有约 0.1%的声能传入， 其余 99.9%的声能由于空气和水介质密度不同而被反射。 相当丧失约 30dB。因此，必须有一种特殊的传声变压装置 ，方能使声波有效地传入内耳淋巴液内。中耳的解剖结构 就是这样一种传声的变压装置 。 1、鼓膜本身面积为 85mm2，其有效面积为 55mm2，而镫 骨底板面积则为 3.2mm2，故鼓膜的有效振动面积为镫骨 底板面积的 17倍。由此，声波从鼓膜传到镫骨底板时 ，其声压将被提高 17倍。 2、锤骨柄长度比砧骨长突长 1.3倍，听骨链的杠杆作 用也随之可使振动力加强约 1.3倍。 因此。声波经过鼓膜、听骨链
10、到达底板时其声压 将提高 1.317=22.1 倍，相当于声强级 27dB。 21 -3、前庭窗与蜗窗不在一平面，在鼓膜、听骨链正常情况 下，声波压缩期的高峰先到达前庭窗，后至蜗窗，蜗窗起 缓冲作用，此为位相差，位相差可减少声波同时到达两窗 的抵消作用，使内淋巴液发生波动，引起螺旋器上基底膜 的振动，刺激毛细胞而感音。如鼓膜大穿孔，声波到达两 窗的时间与位相基本一致，此抵消作用可使听力损失 20dB 。 -4、鼓膜张肌收缩可使鼓膜向内拉紧，稍可增加鼓室内压 力，镫骨肌收缩可将镫骨向外拉，这两肌肉的反射性收缩 均可减少声波的振幅，以保护内耳免遭损伤。 22 听骨链的传导功能 三块听小骨通过关节连
11、接形成一弯形的杠杆系统，构 成鼓膜与前庭窗之间的机械联系装置，其主要的生理 功能是将声波由鼓膜传至内耳，实现有效的阻抗匹配 。 8.61.3 24.1倍，相当于 27.6dB 20log24.1/1 27.6 23 内 耳 生 理 耳蜗的传音生理 当声波经前庭窗进入耳蜗变成液波时，基底膜则随液波上 下移动。当其向上移动时，毛细胞顶部的网状层与盖膜则 以螺旋板缘为支点进行移动，结果在两者之间形成剪刀式 的运动，毛细胞的纤毛被弯曲，使其底部的神经末稍产生 神经冲动，经神经纤维传至中枢，引起听觉。 24 内耳生理 内耳具有感音功能，其感受器是位于耳蜗内的 Corti 器。 Corti器的作用是把传到
12、耳蜗的机械振动转变成 听神经纤维的神经冲动。 耳蜗基底膜的振动 -毛细胞受到刺激 -引起耳蜗内 发生各种过渡性的电变化 -引起位于毛细胞底部的 传入神经纤维产生动作电位 - 导致神经末梢化学递 质释放 - 神经冲动传至各级听觉中枢 - 在大脑皮 层引起听觉。 25 内耳（内耳（ inner ear） 骨半规管骨半规管 前庭前庭 耳蜗耳蜗 膜半规管膜半规管 膜前庭：椭圆囊、球囊膜前庭：椭圆囊、球囊 膜蜗管膜蜗管 螺旋器螺旋器 膜迷路内有感受器：膜迷路内有感受器： 骨迷路骨迷路 骨性隧道骨性隧道 膜性囊管膜性囊管膜迷路膜迷路 位觉位觉 听觉听觉 壶腹嵴壶腹嵴 椭圆囊斑椭圆囊斑 球囊斑球囊斑 26
13、耳蜗形似蜗牛壳，为螺旋样骨管。耳蜗中央有呈圆锥形骨质的蜗 轴，从蜗轴有骨螺旋板伸入骨蜗管内，由耳蜗底盘旋上升，直达 蜗顶。骨蜗管被基底膜和前庭膜分隔成前庭阶，鼓阶和蜗管（又 称中阶）三个管道。蜗管内储内淋巴，为一封闭的盲管。前庭阶 和鼓阶内储外淋巴，并在蜗顶借蜗孔相交通。 耳蜗 27 膜迷路包括膜蜗管（骨耳蜗内）、椭圆囊和球囊（骨前庭内）、膜半规 管（骨半规管内）。 膜迷路形状与 骨迷路 相同，直径为骨半规管的 1/4，借纤 维束固定于骨迷路壁上，悬浮于外淋巴液中。 28 毛细胞 29 当由声音刺激而产生耳蜗隔部上下振动时，盖膜和基 底膜分别以骨螺旋板前庭唇和鼓唇为轴上下位移。这 样，盖膜和网
14、状层之间产生一种相对的辐射状位移， 亦即剪切运动（ shearing motion）。盖膜与网状层 之间的剪切运动可引起外毛细胞静纤毛弯曲。而内毛 细胞的静纤毛则可随着盖膜与网状层之间的淋巴液的 液流而弯曲。毛细胞纤毛的弯曲可引起毛细胞兴奋， 从而诱发机械电的换能过程。 30 耳蜗内电位 耳蜗的前庭阶和鼓阶中充满着外淋巴液，而蜗管 （中阶）内含内淋巴液。内、外淋巴液在离子组 成上差异很大：内淋巴液的 K+浓度比外淋巴液高 30倍，而外淋巴液的 Na+浓度比内淋巴液高 10倍 。这就造成了静息状态下耳蜗不同部位之间存在 着电位差。在耳蜗未受刺激时，如果以鼓阶中的 外淋巴的电位为参考零电位，则可测
15、出蜗管内淋 巴的电位为 +80mV左右，称为耳蜗内电位（ endocochlear potential, EP）。 31 毛细胞换能过程 正的耳蜗内电位（ 80mV）和负的毛 细胞胞内静息电位（ -70 -80 mV） 共同构成跨过毛细胞顶部膜的电压 梯度（ 160mV），盖膜与网状层之间 的运动引起毛细胞静纤毛弯曲，后 者通过牵引静纤毛之间的横向连接 而使静纤毛离子通道开放，离子（ 主要是 K+离子）顺着电压梯度进入 毛细胞，引起毛细胞去极化，后者 引起毛细胞释放化学递质而兴奋听 神经纤维。 32 听神经动作电位 听神经动作电位（ AP）是声音传入耳蜗，经耳蜗换能和突触传递 的终产物。 AP
16、作为神经冲动，经听神经纤维向中枢传递信息。 AP 可以在单根神经纤维内记录（听神经纤维的单位放电），也可在 听神经干表面、耳蜗内、耳蜗表面或圆窗附近记录出许多听神经 纤维同步排放的电能，称为复合听神经动作电位（ compound action potentia1， CAP）。在耳蜗内（鼓阶）或圆窗记录的 CAP 是研究耳蜗生理功能和病理的一个十分重要的指标。 33 人听觉系统声诱发电位 听觉神经系统的各级结构对声音刺激都会发生电反应 ，这些电反应可以用放置在头顶和乳突间皮肤上的两 个电极记录出来。 在临床上，这种听觉系统声诱发电位可以用来诊断听 觉系统不同部位的功能障碍，这就是电反应测听技术
17、。 在电反应测听时，一般采用短声或 50ms的短纯音作为 刺激声源。从头皮上引导出来的声诱发电反应中的各 种成分振幅很小，有的不到 lV 。 34 当声音强度在 70dB左右时，从头顶与乳突之间所记录到的声诱 发电位大致有 15个成分。根据潜伏期的长短不同，这些成分可 以分为 3大组： 早期成分：称为脑干诱发电位（ auditory brainstem response, ABR），包括 6或 7个小波，用罗马数字 表示，出现在声音刺激开 始后的 8ms时间内，按数字次序分别反映听神经、蜗神经核、上橄榄核 、外侧上丘系核、中脑下丘、内侧膝状体及听辐射的电活动。 中潜伏期成分：包括 No、 Po
18、、 Na、 Pa及 Nb等波（ N为负相波， P为正 相波），出现于 8 50ms，代表丘脑及听皮质的电活动，其中混杂有声 音引起的反射性耳周围肌肉及中耳肌的电话动。 长潜伏期成分：包括 P1、 N1、 P2及 N2等波，出现在刺激后 50 300ms 。该成分在脑的前额叶电位最大，又称皮质慢反应（ slow-cortex response, SCR）。它并不只对声音起反应，触觉、痛觉、视觉等刺激 引起的 SCR表现形式大致相似。从时间特性上说，它是多源多极的皮质 继发性诱发电位，反映皮质高级中枢的整合活动。 35 脑干听觉诱发电位 (BAEP) 是耳机发放短声刺激后 10ms内记录到的 67
19、个阳性波。这些 波存在多位点复合性起源可能性，但也可简单地认为 波是 听神经动作电位 ， 波起源 于耳蜗神经核， 波来自脑桥上橄榄复合核与斜方体， 波与 波分别代表 外侧丘系 和 中脑下丘核， 波与 波是丘脑内膝状体和听放射的动作电位波形。因此， 、 波实 际代表听觉传入通路的周围性波群，其后各波代表中枢段动作电位。波 波 等前 5个 波最稳定，其中波 波幅最高，可作为辨认 BAEP各波的标志。正常情况下，波 与波 ，或波 与波 常融合形成复合波形。 波潜伏期代表听觉通路的周围性传导时间，而波 波 波间潜伏期（ IPL）系脑干段 听觉中枢性传导时间，也代表脑干功能的完整性。脑干 听觉传导通路 与脑干其他结构的 发育基本一致，故 BAEP检测不仅可反映脑干听觉功能的发育而且在一定程度上可反映出 整个脑干功能的发育状态 有资料显示 缺血缺氧性患 儿 BAEP异常率为 64.3%， 语言发育 障碍 儿童 BAEP异常率为 56.6%， 高胆红素血症 患儿 BAEP异常率为 52.6%，脑瘫患儿 BAEP异常率为 52.4%。 36 内耳生物电现象 耳蜗内的电流回路 37 毛细胞的离子通道 38
