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降噪耳機沒你的耳朵厲害!——人的雙耳如何「聽聲辨位」及「擴音抗噪」?

雅文兒童聽語文教基金會_96
・2021/12/13 ・2356字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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  • 作者/洪右真|雅文基金會聽語科學研究中心研究員
專業的耳機不僅能降低環境噪音、擴大音訊,還能呈現出聲音的方位感。圖/Pexels

除了令人屏息的視覺畫面,沉浸式的電玩讓玩家戴上耳機就能藉由聽覺體驗一場驚心動魄的冒險旅程。從《地獄之刃:賽奴雅的獻祭》中環繞耳邊忽遠忽近、似有若無的神祕低語,到《惡靈古堡 8》裡得繃緊神經、豎起耳朵辨識吸血鬼女士的高跟鞋腳步聲以躲避攻擊,遊戲開發商皆在音效處理上,下足了工夫來強化故事的代入感。要知道如何重現真實的聲音感受,讓玩家閉眼徒聽就能在腦海裡建構三維世界,就得從人類「聽聲辨位」的能力說起。

就像透過雙眼定焦才能創造視覺立體感知,定位物品位置;我們會運用雙耳接收到聲音的時間、音量差別,和耳廓效應來感受聲音的三維特性並定位聲源。因此,武俠小說中的人物之所以能忽聽一聲響,側身接住後方擲來之暗器,並非身懷絕技,其實單靠的就是兩隻耳朵罷了。

時間和音量,就是定位聲音的座標值

聲音抵達兩耳的時間差別有助於聲源定位。圖\雅文基金會

碰到廟會有人在你左邊點燃鞭炮,炮竹聲會先透過空氣抵達你的左耳再到右耳,而聲音抵達兩耳的時間差異就稱為雙耳時間差(interaural timing difference, ITD),是我們用來判斷聲音左右方位的線索之一。若聲音直接從左側傳來,抵達左耳的時間比右耳大概早了 0.6 到 0.8 毫秒,相當於 0.0006 到 0.0008 秒[1]。雖然超乎想像的短暫,但也足夠讓大腦分辨聲音的水平方向了。

不僅如此,當鞭炮在左側炸開時,你是否也會下意識用手壓住左耳?這就跟雙耳強度差(interaural level difference, ILD)有關了。因為左右耳之間相隔了一顆頭,所以比較靠近鞭炮聲的左耳所接受到的聲音強度(音量)會比右耳來的大。這種頭部阻隔聲音的現象被稱為頭影效應(head shadow effect)。

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高頻聲音較容易受到頭影效應的影響。圖\雅文基金會

當聲音越高頻時,代表能量在空氣裡每秒鐘振動的次數越多,波長越短,因此受到頭影效應的影響也越明顯。相反的,因為低頻聲音的波形較長,甚至超過頭的寬度,所以雙耳強度差通常會偏小。研究顯示我們通常會倚賴雙耳強度差來判斷 2,000Hz 以上聲音的方位,而雙耳接收到的高頻聲音量差最高可達 20 分貝[2]

再加上耳廓的幫忙,讓聲音定位三維化

大腦整合聲音抵達雙耳的時間差異和強度差異就能讓我們掌握聲音的水平位置,然而垂直定位則須靠雙耳的耳廓(俗稱耳殼)來幫忙,才能分清楚聲音是來自前方、後方、上方或下方。

耳廓能幫助收集聲音,還能幫助大腦判斷聲音的來向。圖/Pexels

就像指紋一樣,每個人的耳廓樣貌也都是獨一無二。當聲波抵達到耳朵時會依據耳廓的凹凸形狀產生不同的反射,隨著到達角度的不同產生各種獨特的音質,最後匯集進入耳道,我們的大腦就藉由這些聲音特質定位聲源,稱為耳廓效應(pinna effect)[3]。每個人從出生起就不斷累積運用耳廓辨識聲源的經驗來讓定位能力更好。下次你可以把耳廓揉捏成不同形狀,就會發現自己在垂直定位聲源的精準度變差。

聽聲辨位需要兩隻耳朵協同努力,因此對於單側聽力受損的人而言,雖然平常聽別人說話可以靠好耳幫忙,但碰到得要定位聲源的時候就頭大了,因為所有的聲音聽起來都像是從好耳那邊傳過來的。也就是無法使用雙耳的關係,單側聽損者常會左右轉頭、利用視覺輔助去尋找聲音的來源,

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除了定位,擴音降噪也難不倒你的雙耳

既然說明了雙耳在聲源定位上的用處,就不能不順帶提到兩個雙耳聆聽的優勢:雙耳加成(binaural summation)與雙耳靜噪(binaural squelch)。由左耳進入的聲音會先交由右腦處理,右耳聲則先交給左側腦,但最後兩側腦會共同處理和詮釋聲音。許多研究就發現,雙耳聆聽可以提升語音理解的能力[4]

比起雙耳,只用單耳偷聽別人講八卦其實更辛苦,你得要更靠近說話者才能聽得清楚。雖然聲源的音強一樣,但聽話者用雙耳聆聽時,大腦感知到響度會比單耳來的大聲,而這樣的感受差異可小至 2~3 分貝,大則可到 6~10 分貝。這樣雙耳加成的效果來自於當信息傳送到聽覺皮層前,左右兩條聽神經已相互交錯數百次擴大聲音,讓輕柔的聲音也能聽得更清楚[5]

雙耳聆聽讓噪音干擾降低,讓你在朋友聚會聊得更盡興。圖/Pexels

而雙耳聆聽的另一個優勢則是雙耳靜噪,除了整合兩邊聲音提高音量外,雙耳也能讓大腦有效發揮選擇性聽覺注意力,讓我們在吵雜環境能聽得不費力,更專注於別人說話。這是因為當信號和噪音從不同位置產生時,聽覺中樞可以在整合兩耳接收聲音的時間和強度差異來分離訊息和噪音,進而提升訊噪比(signal-to-noise ratio, SNR),讓訊息聽起來就更清楚[6]

在讀了這些雙耳的功用後,你是否也對自己的兩隻耳朵肅然起敬,並不得不讚嘆身體奧妙的運作機制?未來在享受虛擬世界磅礡音效的同時,也別忘了定時拿下耳機讓耳朵喘個氣,別讓雙耳過度操勞而受了永不可逆的損傷。

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參考文獻

  1. Hale, K. S., & Stanney, K. M. (Eds.). (2014). Handbook of virtual environments: Design, implementation, and applications. CRC Press.
  2. Moore, B. C. (2012). An introduction to the psychology of hearing. Brill.
  3. Batteau, D. W. (1967). The role of the pinna in human localization. Proceedings of the Royal Society of London. Series B. Biological Sciences, 168(1011), 158-180.
  4. Ibrahim, I., Parsa, V., Macpherson, E., & Cheesman, M. (2013). Evaluation of speech intelligibility and sound localization abilities with hearing aids using binaural wireless technology. Audiology Research, 3(1), 1-9.
  5. Gelfand, S. (2010). Essentials of audiology.
  6. Litovsky, R., Parkinson, A., Arcaroli, J., & Sammeth, C. (2006). Simultaneous bilateral cochlear implantation in adults: a multicenter clinical study. Ear and hearing, 27(6), 714.
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人體吸收新突破:SEDDS 的魔力
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/05/03 ・1194字 ・閱讀時間約 2 分鐘

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本文由 紐崔萊 委託,泛科學企劃執行。 

營養品的吸收率如何?

藥物和營養補充品,似乎每天都在我們的生活中扮演著越來越重要的角色。但你有沒有想過,這些關鍵分子,可能無法全部被人體吸收?那該怎麼辦呢?答案或許就在於吸收率!讓我們一起來揭開這個謎團吧!

你吃下去的營養品,可以有效地被吸收嗎?圖/envato

當我們吞下一顆膠囊時,這個小小的丸子就開始了一場奇妙的旅程。從口進入消化道,與胃液混合,然後被推送到小腸,最後透過腸道被吸收進入血液。這個過程看似簡單,但其實充滿了挑戰。

首先,我們要面對的挑戰是藥物的溶解度。有些成分很難在水中溶解,這意味著它們在進入人體後可能無法被有效吸收。特別是對於脂溶性成分,它們需要透過油脂的介入才能被吸收,而這個過程相對複雜,吸收率也較低。

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你有聽過「藥物遞送系統」嗎?

為了解決這個問題,科學家們開發了許多藥物遞送系統,其中最引人注目的就是自乳化藥物遞送系統(Self-Emulsifying Drug Delivery Systems,簡稱 SEDDS),也被稱作吸收提升科技。這項科技的核心概念是利用遞送系統中的油脂、界面活性劑和輔助界面活性劑,讓藥物與營養補充品一進到腸道,就形成微細的乳糜微粒,從而提高藥物的吸收率。

自乳化藥物遞送系統,也被稱作吸收提升科技。 圖/envato

還有一點,這些經過 SEDDS 科技處理過的脂溶性藥物,在腸道中形成乳糜微粒之後,會經由腸道的淋巴系統吸收,因此可以繞過肝臟的首渡效應,減少損耗,同時保留了更多的藥物活性。這使得原本難以吸收的藥物,如用於愛滋病或新冠病毒療程的抗反轉錄病毒藥利托那韋(Ritonavir),以及緩解心絞痛的硝苯地平(Nifedipine),能夠更有效地發揮作用。

除了在藥物治療中的應用,SEDDS 科技還廣泛運用於營養補充品領域。許多脂溶性營養素,如維生素 A、D、E、K 和魚油中的 EPA、DHA,都可以通過 SEDDS 科技提高其吸收效率,從而更好地滿足人體的營養需求。

隨著科技的進步,藥品能打破過往的限制,發揮更大的療效,也就相當於有更高的 CP 值。SEDDS 科技的出現,便是增加藥物和營養補充品吸收率的解決方案之一。未來,隨著科學科技的不斷進步,相信會有更多藥物遞送系統 DDS(Drug Delivery System)問世,為人類健康帶來更多的好處。

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指甲刮黑板的聲音,為何讓人難以忍受?
雅文兒童聽語文教基金會_96
・2023/10/22 ・2522字 ・閱讀時間約 5 分鐘

  • 朱家瑩/雅文基金會聽語科學研究中心 研究員

想像一下當你聽到手指甲刮著黑板產生的摩擦聲,或者是拿著叉子摩擦著不鏽鋼碗的聲音,抑或是小孩的哭叫聲,有沒有哪一個聲音會讓你全身起雞皮疙瘩,想要用手摀住耳朵,甚至是情緒爆炸、只想要遠離現場呢?這些讓人不適的聲音,是有其特有的聲學特質?或是其他緣故呢?

想像一下指甲刮黑板的聲音。圖/Pexels

不是尖銳、高頻音就刺耳,而是流淌在你我血液的祖先智慧

一般認為,令人不適的聲音是因為刺耳的高頻聲,尤其像是手指甲刮黑板時所產生的摩擦聲,其中那種「ㄍㄧ ㄍㄧ ㄍㄧ」的聲音,似乎是造成不適感的主因。

然而,Halpern、Blake 和 Hillenbrand(1986)這三位研究者對於這個現象感到好奇,因此他們進行了一項實驗 [1],他們將那些令人不適聲音(如:刮金屬或石板的聲音)中的高頻音減弱。

結果顯示,即使減弱尖銳的高頻聲音,受試者仍然感到不適,因而主張尖銳的高頻音並不是造成不適感的主因。接續 Halpern 等人在企圖尋求答案時,意外發現刮黑板的聲音頻譜圖跟靈長類猴子的警告叫聲非常相似,因而大膽推測這個不適感並非高頻音造成的,而是源於人類祖先的記憶。

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人類對特定頻率區間的聲音感知最敏感,加上跨感官的連結,讓人聽到某些音就不適

可惜,到底是不是來自老祖先的智慧傳承,這點未獲得後續研究的支持。另一方面,Kumar 等人(2008)進一步以聲學分析探究是否是因特定頻率導致聆聽的不適感時,發現聲音中涵蓋 2500-5500 赫茲這個頻率區間的聲學頻率似乎特別容易引起聽者的不適感 [2]

有沒有哪一個聲音會讓你全身起雞皮疙瘩,想要用手摀住耳朵?圖/Pexels

他們推測這可能是因為這個頻率範圍的聲音感知上最為強烈,同時也具有最高的能量,因此使得聽覺系統特別對這些頻率的聲音敏感。

但是,我們平常聊天談話中也涵蓋了這個頻率範圍的聲音,除了頻率之外,是不是還有其他因素造成對某些聲音的不適感呢?

Ro 等人(2013)發現當聽到聲音時,聲音進入大腦的聽覺皮質同時,會傳遞訊號到觸覺感官系統,啟動了觸覺感官,讓聽者聽到聲音時,「感覺」到自己的皮膚彷彿被指甲刮的刺痛感 [3]

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聽聲音會啟動身體觸覺感官系統並非只存在刮黑板這類聲音,有些人在聽到音樂聲,像是聽到低音貝斯的聲音時,也會感覺到自己的身體也在震動,甚至感受到皮膚的不適感 [4、5]

也許因為這個跨感官的訊號傳遞,讓身體的其他部位也出現不適的感受,才會讓聽者對於這些聲音感到不適。

當感知到令人不適的聲音,杏仁核會依據習得經驗,決定是否啟動保護機制!

Zald 與 Pardo(2002)發現當聽到讓人感到不適的聲音刺激時,大腦中的杏仁核(amygdala)會高度活化 [6],而杏仁核在大腦中負責掌控恐懼、焦慮、害怕等負面情緒,換句話說,當聲音訊息抵達杏仁核時,它會誘發情緒反應,進而導致我們做出不同行為反應 [7]

杏仁核的啟動是大腦的一種保護機制,透過過往的經驗連結學習會對讓人不適的聲音發出警報[8] ,當聽者遇到可能危及安全的聲音時,杏仁核就會發出警報。

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例如,當聽到車子緊急剎車的聲音時,這個聲音傳送到杏仁核,會進而引起我們想要逃離的反應,或者產生對駕駛者行為的憤怒反應。

由於杏仁核在聆聽這些聲音時會高度活化,Kumar 等人(2012)進一步試圖了解在聆聽令人不適的聲音時,杏仁核在大腦中扮演著怎樣的角色,以及聲音資訊如何被傳遞到杏仁核。

他們的研究結果顯示,聲音刺激會最先傳送到聽覺皮質(auditory cortex)進行聲學訊息處理和分析,解碼聲音所代表的意義,例如,聽到「ㄍㄧ」的剎車聲,解碼出來的是來自汽車或者腳踏車的剎車聲。聽覺皮質處理完畢後,將資訊傳遞到杏仁核,當杏仁核接收到來自聽覺皮質的訊號後,依據這些訊息及過去經驗發出警報 [8],誘發恐懼、焦慮或憤怒等負面情緒,並可能促使進一步的行為反應,像是尖叫、摀住耳朵,或逃離現場。

舉例來說,如果是汽車的剎車聲,基於過去的經驗,可能存在危險,因此可能會誘發恐懼情緒,並引發立馬逃離現場的行為舉動。

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有些人基於過去的經驗,聽到汽車的剎車聲,可能會誘發恐懼情緒。圖/Pexels

然而,如果解碼後的聲音是腳踏車的剎車聲,根據過去的經驗,可能不會有危及生命的危險,因此即便會觸發閃躲的動作行為,但負面情緒可能不如汽車剎車聲來的強烈,可能只會憤怒的罵騎車的人不長眼。

聽到某些聲音,讓人立馬想逃或想戰,也許這個過往的經驗是來自遠古時代祖先的傳承,但更可能是因為聽到這些聲音時,觸覺感官系統被啟動了,身體上「感覺」到不適,所以當不適的聲音再次出現時,杏仁核的活化反應就更增強,讓我們除了單純的接收到聲音之外,也產生了身體及情緒上的反應。

參考文獻

  1. Halpern, D. L., Blake, R., & Hillenbrand, J. (1986). Psychoacoustics of a chilling sound. Perception & Psychophysics39, 77-80.
  2. Kumar, S., Forster, H. M., Bailey, P., & Griffiths, T. D. (2008). Mapping unpleasantness of sounds to their auditory representation. The Journal of the Acoustical Society of America124(6), 3810-3817.
  3. Ro, T., Ellmore, T. M., & Beauchamp, M. S. (2013). A neural link between feeling and hearing. Cerebral cortex, 23(7), 1724-1730.
  4. Koenig, L., & Ro, T. (2022). Sound Frequency Predicts the Bodily Location of Auditory-Induced Tactile Sensations in Synesthetic and Ordinary Perception. bioRxiv.
  5. Lad, D., Wilkins, A., Johnstone, E., Vuong, Q.C. (2022). Feeling the music: The feel and sound of songs attenuate pain. British Journal of Pain, 16(5), 518-527. 
  6. Zald, D. H., & Pardo, J. V. (2002). The neural correlates of aversive auditory stimulation. Neuroimage16(3), 746-753.
  7. LeDoux, J. E. (2000). Emotion circuits in the brain. Annual review of neuroscience23(1), 155-184.
  8. Kumar, S., von Kriegstein, K., Friston, K., & Griffiths, T. D. (2012). Features versus feelings: dissociable representations of the acoustic features and valence of aversive sounds. Journal of Neuroscience, 32(41), 14184-14192.
雅文兒童聽語文教基金會_96
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雅文基金會提供聽損兒早期療育服務,近年來更致力分享親子教養資訊、推動聽損兒童融合教育,並普及聽力保健知識,期盼在家庭、學校和社會埋下良善的種子,替聽損者營造更加友善的環境。

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噗!不小心放屁了好尷尬!怎麼辦?——《有點噁的科學》
時報出版_96
・2023/09/24 ・1400字 ・閱讀時間約 2 分鐘

感官的知覺帶給我們許多體驗

我們對自己身體生理現象感到尷尬,這種感覺的來源就在於感官知覺的運作機制:一套我們大腦與外界之間的中介工具。

最明顯的感官是視覺、觸覺、聽覺、嗅覺和味覺,還有,你也可以感覺到疼痛、冷熱、時間(雖然不太準確)、加速、平穩、血液中的氧氣和二氧化碳濃度以及本體感覺(對於四肢、肌肉的運動和位置的感受)。你能不盯著腳步爬樓梯嗎?那就是本體感覺。

我們得感官帶給我們感覺。圖/pexels

這些感官訊息全都被送到大腦:一個沉默的、謎樣器官,質感和斯帕姆午餐肉一樣。你永遠看不到它,它也永遠看不到你周圍的世界,但它會分析所有這些輸入的訊息,並且創造你對自我、愛戀、快樂、痛苦、羞恥、信任、恐懼、懷疑等完整感覺。

尷尬的感覺是從何而來

在公共場合聽到自己放屁會覺得不好意思?

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在公共場合聽到自己放屁會覺得不好意思?圖/giphy

這種感覺是由大腦的前扣帶迴膝皮層產生的。我們尚不了解其中的機制,但大多數心理學家都認為,羞恥感可能是為了維持社會秩序演化而來的,呈現羞恥的經典反應如臉紅、摸臉、視線向下和強制微笑,這些反應讓我們向其他人傳達訊息,表示自己明白破壞了社會常規且感到自責,因為有這樣的溝通功能進而又加強那些反應。

研究指出,表現出尷尬的人比較容易被喜歡、原諒和信任。這一定是幫助我們這種社群生物進化的有用工具,但我擔心它也會讓我們當個乖乖牌,阻礙個人獨特性發展。

感官小學堂

每個人感知世界的方式都不盡相同。聯覺(synaesthesia)是一種不尋常的感官知覺,它使一些人能夠將音樂、字母或星期幾視為顏色。其他有聯覺的人可能會將某些景象與氣味連結起來或者使某些詞語和味道產生聯繫。有一項研究發現,約 4.4% 的人能體驗聯覺。

更令人著迷的是其他動物擁有的感官,那些我們只能夢想的感知方式。狗能藉著磁感應來感測地球磁場,而且排便時往往習慣將自己的身體沿南北向磁力線對齊,牛也一樣。有些蛇有紅外線視覺,一些蜜蜂、鳥類和魚類的視力超出我們的可見光譜,能夠仔仔細細看到紫外線波頻,這意味著牠們實際上正在體驗我們幾乎無法想像的顏色。像嗑了藥一樣迷幻。

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註解

  • 我們確實知道大腦中不斷有微小的電子訊號滋滋作響,這些訊號透過八百六十億個稱為神經元的神經細胞與一百兆個突觸(神經元之間的連結──每個神經元透過它們與多達一萬個其他神經元相連)、八千五百萬個非神經元神經膠質細胞來進行發送、儲存和分析。大腦每天消耗四百卡路里的熱量(占總能量消耗的20%),有趣的是,無論是全神貫注寫一本科普書籍,還是靜靜凝視燭火發呆空想,這個耗能數值都保持不變。

——本文摘自《有點噁的科學:尷尬又失控的生理現象》,2023 年 8 月,時報出版,未經同意請勿轉載。

時報出版_96
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出版品包括文學、人文社科、商業、生活、科普、漫畫、趨勢、心理勵志等,活躍於書市中,累積出版品五千多種,獲得國內外專家讀者、各種獎項的肯定,打造出無數的暢銷傳奇及和重量級作者,在台灣引爆一波波的閱讀議題及風潮。