5．5．3 耳蜗力学模型
耳朵又是怎样区分那些不同声音的呢？为了便于深入研究，贝克西将上述复杂的生理模型，简化成如图5－13所示简单的力学模型．
图5－13 人耳听觉的重要机构——耳蜗及其简化模型
在这个模型中，贝克西分析道：空气中的声波（纵波）经外耳道引起鼓膜的振动，并经中耳的3块听小骨放大后传到耳蜗的卵圆窗上，引起耳蜗内液体的振荡，液体的振动将引起基底膜的振动，在基底膜上产生一个如图5－14所示的“行波”．振动“行波”是一个横波，它的传播特性取决于基底膜的弹性与形状．由于基底膜的弹性与形状从蜗底到蜗顶都是变化的．因此，不同频率的波在基底膜中传播的特性是不一样的．在波从蜗底开始向蜗顶推进的过程中，其振幅随之逐渐加大，到达某一位置时，振幅达到极大，之后将逐渐消失．对不同频率的波，其极大振幅点的位置将不同，高频波振动的极值点主要在蜗底，中频波可达到耳蜗中段，而低频波可推进到蜗顶．内耳就是通过这样一个力学原理，将声音的频率在基底膜上“分离”了．由于位于基底膜上的毛细胞可将机械振动转换为神经冲动，经听觉神经传送至大脑，引起声音的感觉，这样，人的耳朵可以听到声音的频谱，从而能区别不同的音质，如图5－15所示．
图5－14 耳蜗基底膜上的行波
图5－15 不同频率的声波在基底膜的不同位置上引起最大位移并被膜上的听觉神经所感受
由于贝克西在听觉理论方面的创造性贡献，瑞典卡罗琳医学院授予他1961年度诺贝尔医学/生理学奖．之后他根据上述听觉原理，发明了新型的听力检测仪，以区分耳聋是什么原因引起的，是空气声音传导（气导）障碍，还是内耳感音障碍抑或是大脑内听神经障碍，为耳聋病人康复做出了杰出的贡献．根据贝克西的原理，人们研制了许多不同种类的助听器，帮助年迈的老人重新回到有声世界．最近美国科学家研制了一种采用电磁振动原理的助听器，以取代目前广泛采用的声学振动助听器．它的原理是将声音信号经植入在人耳内的微处理器处理得到声音的实时频谱信号，放大后直接驱动附着在耳蜗上的磁铁，引起毛细胞的兴奋而产生听觉，这项工作已通过临床实验．病人戴上这种助听器后听到的声音与原来的可能不一样，但经过一段时间的训练，病人就会适应．
从贝克西探索听觉奥秘到研制新型听力仪与助听器，不难发现力学肩负着探索自然（科学）与改造自然（工程）的双重任务．力学的每次重大进展与飞跃都与其研究背景和研究手段密切相关．
图5－16 利用有限元分析法研究声音引起的振动在耳膜、听小鼓以及基底膜上的传播
目前，研究人员利用有限元分析法对人耳的各部分进行建模，可以模拟出声音信号在耳膜引起的振动如何传递给听小鼓，如何引起听小鼓的动作并将振动传递到基底膜，然后不同频率的声音的振动为什么会在基底膜的不同位置达到振幅最大，为我们研究和了解人耳结构和功能提供了很好的帮助，图5－16就是耳膜、听小鼓和基底膜的有限元模型．
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