Как мы можем различать так много разных одновременных звуков, когда мы можем слышать только одну частоту за раз?

Но это по-прежнему означает, что ухо движется только на одной частоте в любой момент времени.

Нет, это совсем не значит.

Это означает, что барабанная перепонка движется по форме волны, которая представляет собой суперпозицию всех частот звуковой волны, которую она принимает.

Затем во внутреннем ухе волосковые клетки различают разные частоты по отдельности. Вполне возможно, что несколько волосковых клеток будут стимулироваться одновременно, так что вы услышите несколько частот одновременно.

человеческое ухо выделяет и улавливает все частоты в пределах своего диапазона по отдельности (параллельно) в режиме реального времени и отправляет это разложение в мозг по пучку нервов.

Барабанная перепонка реагирует на мгновенную сумму всех воздействующих на нее различных частот. Эта сложная амплитудная сумма выглядит как сумасшедшая закорючка, которая двигает барабанную перепонку вперед и назад, и эти движения акустически передаются в улитку , которая затем выполняет работу по частотной декомпозиции.

Это полностью аналогично идее о том, что диффузор громкоговорителя может одновременно реагировать на сложную смесь множества различных частот и преобразовывать их все в звуковые волны.

То есть слишком много частот, и вы теряете способность их расшифровывать, и это начинает звучать как шум?

Если это происходит, то это происходит из-за того, как ваш мозг интерпретирует сигналы, которые он получает от ваших ушей, а не из-за того, как работают ваши уши. Если общий уровень звукового давления не настолько велик, чтобы повредить ваш слух, тогда ваши уши точно сообщат мозгу обо всех частотных компонентах, но, по-видимому, существует предел тому, сколько отдельных «сигналов» ваш мозг может получить. из этой информации одновременно.

Как вы упомянули, все разные волны складываются в ряд Фурье.

Волосковые клетки во внутреннем ухе, по сути, выполняют анализ Фурье этой комбинированной волны, расщепляя ее обратно на составляющие частоты. Амплитуды каждой частоты затем отправляются в мозг, который выполняет анализ более высокого уровня для распознавания определенных типов звуков (а также определяет направление источников звука, сравнивая синхронизацию каждого уха).

Человеческое ухо не слышит одну частоту за раз.

Чтобы физически увидеть, что переживает ухо, можно взять лужу с водой. Теперь сделайте несколько волн. Брызги вокруг. Видите, как вся ванна наполняется движениями вверх и вниз повсюду?

В воздухе происходят подобные вещи; но вместо «вверх и вниз» эти волны соответствуют изменениям давления. (Воздух гораздо более сжимаем, чем вода; вода под действием волны давления расширится вверх на целый пучок, а воздух в основном только сожмется).

Теперь бросьте в воду маленькую игрушку, пока будете плескаться. Видите, как он плавает вверх и вниз?

Сделайте две сетчатые трубы. В эти сетчатые трубки поместите поплавок. Пусть они свободно плавают вверх и вниз вместе с волнами. Теперь поплескайтесь. Движение этих поплавков в трубах — это то, что улавливают наши уши.

С помощью этого простого сигнала наши уши и мозг могут определить, что в ванне есть 3 волны, а также направление, размер и характеристики каждой, даже если ванна плещется как сумасшедшая.

Для этого, прежде всего, сделайте «сетчатую трубку» направленной: теперь она имеет форму прямоугольника, и только короткая одна сторона открыта для впуска волн. Добавьте воронку на входе, чтобы направлять волны.

Затем вместо одного поплавка расположите целую кучу крошечных поплавков вдоль слухового прохода овальной формы. Теперь волны входят, спускаются по прямоугольнику, отскакивают от конца и возвращаются обратно. Каждый из поплавков самостоятельно улавливает восходящие и нисходящие движения волн.

Подсоедините эти поплавки к нервной системе, которая фильтрует и объединяет сигналы от обеих прямоугольных трубок. Затем прикрепите это к мозгу, который строит 3D-модель того, откуда приходят волны и какое движение имеет каждый тип волны.

Итак, сигнал фиксированной «чистой» частоты в ванне заставляет уши уловить сигнал определенного типа. Но более сложные сигналы в равной степени обрабатываются этой системой.

Разделение по частоте — это то, что мы делаем математически, отчасти потому, что оно моделирует некоторые вещи, которые делают наши уши. Сигналы определенной частоты (скорость изменения волны давления) возбуждают определенные «поплавки» (фактически волоски) в нашем слуховом проходе, и математика, которую мы делаем, чтобы преобразовать набор изменений давления (звук) в чистые частоты, такова: b]подобно[/b] части системы того, как наши волоски в слуховом проходе преобразуют изменения давления в сигналы.

Наши уши приспособлены для улавливания таких частот, потому что чистые частоты соответствуют повторяющимся вибрациям какого-либо объекта. Повторяющаяся вибрация — это то, что делает много интересного с точки зрения эволюции; когда что-то частично поддерживаемое получает удар, оно немного вибрирует. Щелчок ветки, стук камня, грохот легких, шелест листа или стук шагов очень полезны для обнаружения других существ, которых мы можем захотеть съесть или захотеть съесть нас.

Таким образом, хотя мы слышим чистые частоты, мы, по сути, усиливаем их важность из-за мешанины изменений давления, которые обнаруживают наши уши. Другие изменения давления все еще происходят, все еще обнаруживаются и все еще попадают в наш мозг.

Короткая версия: ухо работает не так.

Барабанная перепонка резонирует в соответствии со всеми вибрациями воздуха в пределах своих физических ограничений.

Он передает эти вибрации через три маленькие кости (названные «молоточком, наковальней и стремечком» из-за их формы) в заполненную жидкостью спиралевидную камеру, называемую улиткой.

Улитка выстлана клетками, из которых в эту камеру выступают очень маленькие волоски, называемые «ресничками». Когда жидкость резонирует, резонируют и волосы. Поскольку волосы различаются по длине, каждый из них резонирует только в определенном узком диапазоне частот.

Когда он резонирует, он посылает сигнал в мозг через нервное волокно, к которому он подключен. Таким образом, мозг будет получать отдельные сигналы, которые вместе представляют интенсивность каждого отдельного частотного компонента.

См. https://en.wikipedia.org/wiki/Stereocilia_(inner_ear) для более подробного объяснения слухового механосенсорного восприятия в улитке.

Это зависит от того, что вы подразумеваете под «одновременно». Если вы имеете в виду точный момент времени, никакие частоты не могут быть обнаружены, потому что частоты различаются тем, как они меняются во времени. Однако исследования показали, что время менее 100 мс воспринимается человеческим мозгом как «одновременное». Для сигнала 20 кГц это означает, что на «момент» приходится одна тысяча циклов. На нижнем пределе человеческого слуха 20 Гц есть только два цикла в «момент», и в этот момент мы начинаем воспринимать вибрации как удары, а не тоны.

Комментарий предполагает, что вы не совсем понимаете концепцию разложения Фурье. Идея разложения Фурье заключается в том, что каждая частота является независимым сигналом и может быть обнаружена совершенно отдельно от других. Каждая ресничка в наших ушах резонирует с определенной частотой. Это означает, что в течение многих периодов частоты, отличные от этой, затухают, и остается только целевая.

Рассмотрим качели. Если качели имеют период в две секунды, толкание каждые две секунды заставит их двигаться выше. Толкание каждую секунду отменяется: один толчок будет, когда качели будут двигаться в том же направлении, что и толчок, и поэтому качели будут двигаться быстрее, а другой будет, когда качели будут двигаться в другом направлении. Если вы толкаете каждые полсекунды, то два толчка будут при движении в одном направлении, а два — в противоположном. Каждая частота быстрее, чем раз в две секунды, будет компенсироваться. И все они будут аннулироваться отдельно. Если у вас есть сотня человек, каждый из которых нажимает с разной частотой быстрее, чем раз в две секунды, все они нейтрализуются. Толчки не будут «настолько сложными», что перестанут отменяться.