耳朵的生理结构
谈到耳朵，首先浮现于我们脑海里的是人体，尤其是头部。如前所述，声波像作用于自然物体一样作用于我们的头部，声波通过衍射现象“飘浮”于头部四周（从肩膀反射回来的声音会产生一种相对直达声来讲是较小影响的作用）。这种作用因入射角度的不同而不同，使得到达两耳的声波在时间上和强度上有所差异。
声波在到达外耳组织即耳廓（pinna）后，由于外耳的盘旋结构，产生了反射声和回声。对这种现象，早先的研究集中于耳廓的喇叭状外形，以及耳廓接收多个方向的声音并把声音传送到耳道（ear canal）的能力上。过去的十五年中，由耳廓产生的反射和回声模式的具体作用被更多地发掘出来。由于这种模式因声音入射角的不同而不同，因此，外耳结构在声音的定位上起了很重要的作用。现在，我们已经深入地了解了这些模式，并依靠这些模式来进行声音的定位。
图2.1 耳朵的剖面图显示了文中所述的主要部分
声波在作用于头部和外耳之后进入耳道。耳道的长度和直径使声波被调制到了中、高频段，像口哨一样。人类的进化使鼓膜在耳朵的深处，因此，相对灵敏的鼓膜受到了保护。在经过耳道调整的频率范围内，耳道的共鸣还把听觉的灵敏度提高了大约3倍。在生存竞争中，对于中、高频声音灵敏度的提高被证明是很有用的，因为，这是许多危险信号的频率范围，比如，身后树枝断裂或狮子在草丛中行动的声音。
鼓膜（eardram）在耳道内部的深处展开并密封住了耳道，鼓膜随着声音产生振动，声音在冲击耳鼓之前是在空气中传播的，其后，声音表现为耳朵的深层组织的振动。然而，为方便起见我们仍将其叫作声音（以便与除耳朵外其它人体器官感知的振动相区别）。鼓膜里面的内腔叫中耳（middle ear），空气由与喉咙相通的耳咽管（eustachian tube）进入，耳咽管的作用是使鼓膜不会由于大气压力的改变而受到损害，耳咽管使鼓膜两边的气压保持平衡，这使得鼓膜在可承受的活动范围的中间得到放松，而不是偏向某一边。
当你感冒时，鼻咽管便堵住了你的鼻子。假如不能在鼓膜两边保持压力平衡的话，鼓膜会始终被压到鼓膜位移的极限，并且使听力严重受损。乘飞机旅行时，首先在爬升过程中压力会降低，然后在降落时压力会增加，因此，带着感冒坐飞机是件危险的事，至少它是一件令人痛苦的事。不管是乘飞机旅行，还是在电梯中进行升降时，为避免鼓膜被压到极限，通过使鼓膜运动来减轻鼓膜压力是个很好的方法，如活动下巴、嚼口香糖、抓住鼻子并轻轻往外呼气。通过这些方法，可使空气通过堵塞的鼻咽管进入中耳。
在中耳里面，鼓膜与三根很小的、依序排列的活动骨头——听小骨（ossicle）相连。这三根听小骨形成了一个机械杠杆，作为三个因素中的第二个，在将声音传送到内耳之前使鼓膜的运动加大。连接这些小骨的是两条小肌肉，小肌肉的收缩与放松受声压的影响。较响的声音使肌肉收紧，产生听觉反射（aural reflex）。收紧肌肉会使鼓膜和内耳（inner ear）之间的传输能力降低。听觉反射虽然对声音的间歇和强烈的刺激很灵敏，但它需要一定时间才能起作用。因此，较为安静的环境中的第一声炮响，听起来会很响，而后面的响声由于听觉反射开始起作用，就会觉得相对第一声来讲比较弱。电影制作者经常忽略这样一个事实：由于听觉反射降低了音量，对于连续的和较响的声音，观众听起来并不是一直都感到是非常响的，从而使场面达不到预期的效果。许多当代惊险片经常碰到这个问题，这是因为在另一个响声到来之前没有给观众缓和听觉反应的时间。
内耳即耳蜗（cochlea），它有好几个作用。耳蜗是把从中耳听小骨接收到的振动转化为用于大脑感知的神经脉冲的器官。耳蜗还对保持身体的平衡起到很重要的作用。耳蜗是一个蜗牛壳状的小器官，在一端有个小窗口，小窗口连着中耳的最后那根听小骨。耳蜗被伸展着的基膜（basilar membrane）分成两半，两边都是液体。顺着基膜有大约30000个毛状细胞连着神经细胞，正是这些毛状细胞的运动才使声音被转成大脑借以感知声音的神经脉冲。
声波经耳道的共鸣放大后，通过鼓膜的运动转化成机械的运动，然后通过中耳的杠杆作用再次放大，在振幅上产生了相当于原先9倍的增益。内耳通过与毛状细胞相连的听觉神经有选择地把机械运动转成了电信号。
特定的声音会刺激特定的神经。因为基膜在声音的入口处很紧，而在最里头很松。就像调整鼓面一样，鼓面调得越紧，击鼓时的鼓声音调就越高。耳蜗里的基膜正如一系列的鼓面，当基膜逐渐变紧时，感应到的频率渐次增高。这样，如果入射声波的振动比较快，即频率比较高时，则对入口处较紧的基膜的刺激就较大；而低频则对更深处较松的基膜刺激比较大。运动得最剧烈的毛状细胞输出大量的神经元，向大脑说明某个频率范围的声音较强。因此，耳蜗实际上是一个分解声音频谱的频率分析器，并以生物电平与频率的对应关系来表现声音的频谱，这有点像傅立叶的频率分析。在后面，我们还会讲到它们之间的一些重要差别。
噪声会造成听力的损伤，但是，即使是在没有噪声的原始社会，听力也会随着年龄的增大而下降。由年龄造成的听力下降一般会影响到高频成分的感知能力。据统计，在这方面现代男性与女性有相当大的差别，女性听力受年龄的影响要小于男性。这是先天生理差别，还是由男人比女人更多地在工业噪声污染的环境中工作所造成的？现在还没有明确的答案。维生素和某些药品，比如维生素E，虽然会使血液稀释并导致心跳加快，但它可以改善血液的循环，有助于保护听力。这是因为毛细血管给内耳毛状细胞供血，而保持血流量对听力健康很重要。某些药品，如某些抗生素，会对听力产生副作用，这类药品应该限制在重症患者并有听力监护的情况下使用。对于一部分进行高强度的有氧运动、职业排球赛和长跑的运动员来说，可能会导致高频听力的损失和失衡。