怎样识别音高

我们知道，声音不仅有轻响之分（强度在知觉上的反映），还有高低之分（其对应的物理参数就是声音的频率），这是靠什么机制来区分的呢？本节就先来解决这一问题。

受韦伯的思想和科尔蒂的解剖发现的启发，亥姆霍兹在傅里叶（Jean Baptiste Joseph Fourier）关于周期函数可以分解成正弦函数之和的数学理论及欧姆（Georg Simon Ohm）把复杂声分解成纯音之和的基础上，于1863年正式提出了他的共振理论。他认为：耳蜗是由一些在空间上分开的调谐分析器构成的，每个分析器都是一根纤维；科尔蒂杆就是这样的共振器，高频音作用于耳蜗的基部，而低频音则作用于耳蜗的顶部；不同位置的科尔蒂杆的刚度也不同，而每个共振器都有自己的神经传向脑。

不过亥姆霍兹的理论很快就受到了批评。1863年亨森（Victor Hensen）指出，科尔蒂杆的长度差别不大，不足以在整个可听声的频率范围里起作用。反倒是长达30毫米的基底膜上的横向纤维在基部的宽度只有0.04毫米，而在顶部则宽0.50毫米。因此他认为基底膜上的横向纤维才是共振器。他还指出进行频率分辨的是毛细胞，因为听神经终止于毛细胞，而非科尔蒂杆。后来亥姆霍兹部分接受了他的批评，承认共振器可能是横向纤维而非科尔蒂杆，不过他仍坚持认为科尔蒂杆对毛细胞也有影响。即使在亥姆霍兹作了这样的修正之后，他的理论还是受到了质疑。首先，科尔蒂杆太短，人们觉得它不足以对很长的声波发生共振；其次，人们认为耳蜗中存有紧绷的弦是一件非常荒唐的事；再次，由于存在阻尼，共振器也不可能调谐得很精细。亥姆霍兹虽然继续努力作了种种修正，力图捍卫他自己心爱的理论，但是最终还是徒劳无功。

在众多对亥姆霍兹的共振理论进行挑战的人中，匈牙利科学家（后来移居美国）冯·贝凯希（Georg von Békésy）最后胜出。冯·贝凯希在大学里学的是物理学，毕业以后在一个通信实验室里当工程师。为了提高通信质量，所有的技术改进最后都要靠人耳来鉴定。冯·贝凯希发现在长途电话系统中影响通话质量最严重的一个因素是电话机振动膜的振动和人的鼓膜的振动相去甚远，因此改进通话质量的首要工作就是使电话机振动膜的振动尽可能接近鼓膜的振动方式。这也是他在通信领域解决的第一个问题。

图2-4　冯·贝凯希。

在这之后，冯·贝凯希获得了足够的资金来研究耳朵的机械性质。为了获取人耳以研究中耳的力学性质，他向解剖学研究所的专家虚心请教，但是并没有得到回应，因为在一些解剖学家看来，一个通信工程师想研究解剖学上的问题未免太荒唐，所以他们不让他参加尸体的解剖工作。冯·贝凯希只能通过研究所的后门带出一些头颅骨，不过为此他得冒很大的风险，因为如果碰到警察检查，他很难证明他所带的人头骨完全是用于科学研究的目的，而不涉及谋杀之类的犯罪行为。事实上确实有一位警官在某一天告诉过他，可以在任何时候以涉嫌谋杀的罪名逮捕他，因为在他的手提包中藏有人头。不过警官还是放了他一马，他为此感激不尽。他对研究的执着最后也感动了解剖学研究所的教授，允许他得到他所需要的材料并从不太陈旧的尸体上解剖内耳。

耳蜗包裹在颞骨之中，而颞骨可以说是人骨头中最坚硬的一块，幸运的是，冯·贝凯希是位工程师，因此他并不是用解剖刀来取耳蜗，而是用实验室附属车间里的钻床！不过这使工人大为不悦，清理钻床上的血和人骨屑并不是件令人愉快的事。为了避免这种麻烦，他发明了一种装置，把标本放在水或生理盐水中进行加工，这样还可避免一旦耳蜗打开后，里面的液体外流而使里面的结构干燥变形的问题。另外，水流在这个装置里慢慢地自右向左流出，这样正好把钻下来的骨屑带走，使视野始终清晰。他是用高速钻床分离出耳蜗并进行研究的第一人。

人们在质疑亥姆霍兹的共振理论之后提出过几种行波理论，但是没有任何人真正观察到人耳蜗中真正有行波在传播。现在有了耳蜗标本，冯·贝凯希就可以对其做实验了。在频闪光的照明之下，他观察到了基底膜的运动。他用各种频率的纯音作刺激，并把观察到的基底膜波动的包络线画出来，结果发现，刺激频率越低，波动传得越远，其最大波幅也越靠近基底膜的顶端。不过要说明的是，基底膜特定部位对刺激纯音频率的调谐只有在刺激声强很低时才十分尖锐，因此冯·贝凯希后来警告人们，把耳蜗当作傅里叶分析器的说法可能是一种误导。

对于冯·贝凯希的发现当时也有人提出疑问，因为人死后基底膜的弹性可能和活着的时候很不一样。总不能在活人的头上钻个孔吧！然而这并没有难倒冯·贝凯希，他对麻醉活猫的基底膜和其死后的基底膜进行了对照研究，结果发现两者在弹性方面没有多大差别，特别当环境温度较低时更是如此。

别忘了冯·贝凯希是一位工程师，既然耳蜗太小不易看清，他很自然地就想到自己造些各种各样的、大一些的、基本结构和耳朵类似的模型来进行研究。其中有一个模型是用黄铜和玻璃做的盒子，上面还有用橡皮做的“卵圆窗”和“圆窗”。模型中间有一个在顶端开口（“蜗孔”）的橡皮隔层（“基底膜”），盒子内部充满液体，并悬有煤灰和金屑以便于观察。当冯·贝凯希用一根短棍（“镫骨”）刺激橡皮（“卵圆窗”）时，他观察到液体中的悬浮物呈现波状运动并传向“蜗孔”。他还观察到波峰并不在他那人造基底膜的末端。当他用不同频率的声音刺激时，基底膜发生最大位移的位置也在变化。频率越高，越靠近“卵圆窗”。尽管冯·贝凯希并没有通过这一模型发现什么新现象，不过他已向世人形象生动地展示了自己理论的基本思想。

由于冯·贝凯希对听觉机制研究作出的杰出贡献，时隔30多年之后，美国耳聋研究基金会决定授予他成就奖。授奖仪式于1961年10月19日在阿斯托里亚饭店举行。那天饭店大厅内挤满了新闻记者，他们纷纷把相机对准了冯·贝凯希，请他发表获奖感言。冯·贝凯希弄不明白，这又不是诺贝尔奖，为什么会引起媒体那么大的关注？谜底很快就揭开了，原来正好在这一天，瑞典皇家科学院宣布授予他1961年诺贝尔生理学或医学奖！这个意外的喜讯真令他有点不知所措，他连声说道：“我还不知道这件事，太好了！”

1972年6月13日，冯·贝凯希在美国夏威夷首府檀香山去世，终年73岁。虽然冯·贝凯希逝世至今已40多年，但他在晚年写的一些回忆录文章中对年轻一代的忠告至今读来依然发人深省。令人感到遗憾的是，许多人至今还没有认识到他在半个多世纪前就已经深刻认识到的经验教训。在此笔者将照录他的某些忠告，以飨读者。

罗列事实没有多大重要性，我倾向于认为教师应该做的是指明某些方向，让学生由此得以开动自己的脑筋。因此教师用不着一股劲地向学生灌输知识，教师真正应该做的是教会学生热爱工作，并启发学生保持对某些领域的兴趣。我想要学会的是他们的工作方法。如果教师，特别是大学教师，不能教给学生研究方法，他就不能给学生有益的思想。因为学生将来在自己的工作中要用到的具体知识一般说来和他们在学校里学到的知识很不一样。学生在走出校门之后终身受用的是工作方法。这就是为什么我只对方法感兴趣。当然教方法会有许多困难，并且很难检查学生是否懂得了这些方法。考学生知识很容易，也容易打分。现在的考试系统有一个大问题，因为和20年前相比它充斥着数量更多的没有多少价值的知识。当然有些基本知识每个人都还是必须要学习和知道的。

我一生中最重要的经验是我发现犯错误，甚至是很大的错误，并不总是毫无用处。如果人聪明一点，那么当他犯错误的时候，他总可以从错误中学会改进自己的工作方法。当然错误本身并没有多大用，但是我在犯错误时并不像许多人那样垂头丧气。

学数学越早越好。数学和几何学依旧是学习高水准逻辑思维的例行工具。数学也是一种语言。如果我们不在早年学习数学，那么永远不能正确地学会它。因此，我们必须从小就学数学。许多人不喜欢数学是因为他们开始学得太迟了。到年纪大了才开始学数学会很困难。我们不能很好地集中注意力。如果我们在早年就开始学语言，那么这种语言就会相伴我们一生。同样地，我们必须要学的并不是数学公式的具体知识，要知道我们有许多现成的公式表，我们必须要学会的是如何提出问题和解决问题的能力。数学是所有学科（包括医学、普通哲学、化学、物理学甚至社会科学）的最佳哲学。

无论是亥姆霍兹的共振理论还是冯·贝凯希的行波理论都认为耳蜗对声音频率的辨认和耳蜗中受到兴奋的基底膜的位置有关，因此它们都是一种位置理论。

其实这一理论早在19世纪80年代就已经有了病理学上的证据。1883年巴金斯基（B. Baginsky）切除狗耳蜗的顶圈，结果这条狗丧失了对低频音的知觉。1890年哈伯曼（J. Habermann）研究了25位制造锅炉的工匠，他们因为长久暴露在高强度的噪音下，而丧失了高频听觉。在一位工匠死后，哈伯曼对其进行了尸检，发现他的科尔蒂器的基部有了退行性病变。这一发现又为后续的许多研究所证实。1907年维特马克（Karl Wittmaack）让豚鼠暴露在各种尖音的强噪声之下，结果发现其耳蜗的基部受损。

之后其他人用各种音高的噪音对许多动物的研究都表明，刺激音的频率和基底膜受损的部位有一定的对应关系，然而这只是一种大致的对应关系，其在基底膜上的部位并不非常精确，而有一定的范围。特别是当用低频音作刺激时，所造成的损害不很明显。

因此看来，光凭位置还不能完全解决音高的辨别问题，特别对音高很低的声音更是如此。后来人们虽然也提出了许多学说试图解决这个问题，例如认为听觉神经元只在刺激音的一定相位处才有可能发放，这虽然也有一定的实验证据，不过还是不能完全解释。也就是说，即使像音高识别这样在听觉研究中研究得最多和最深入的问题，至今离彻底解决也还有很长的路要走。