Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz

 

德國的科學家赫姆霍茲Hermann von Helmholtz, 1821-1894)是家中最大的小孩,其孩提時代的生活影響了他的個性及未來的發展,尤其是他父親灌輸給他的哲學思想影響最深。

 

儘管赫姆霍茲在求學中最有興趣的科目是物理,但家庭經濟不允許,他只能申請獎學金而進入大學讀書,由於申請的科目有限,加上父親的鼓吹,致使他選擇了由政府提供的醫學獎學金,且必須在畢業後在軍隊中行醫十年。在大學期間,他另外旁聽了許多化學和生理學的課程;其實,他日後在數學上的成就,令人難以相信他在大學期間,並無選有關數學的課程,他都是靠自學而成的。他看了一些數學家的作品,如百努利,也讀了哲學的文章,尤其是康德的。然後在1841年展開了他的研究生涯。他後來的研究顯示,肌肉的力量能用物理和化學的原理來解釋,如生命力的呈現就能解釋持續不斷的運作。

 

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組合音的數學原理

德國的科學家赫姆霍茲(Hermann von Helmholtz, 1821-1894)於1856年以數學理論提出組合音(塔提尼音)的現象可以簡單的經由非線性振盪系統來予以模型化,雖然耳朵的生理機制至今仍未完全被瞭解。

 

其理論是考慮一個理想的受迫振盪系統(forced oscillation),其位移與外力成線性關係,也就是滿足虎克定律,對這樣系統施以正弦振盪的外力,則此系統的運動也會是正弦振盪。不過,假如這個振盪系統並不完全遵守虎克定律F = -Kx,則非線性項會導致振盪波形的扭曲,不再是個完美的正弦波。

 

關於非線性中平方項與立方項的不同,可以引用赫姆霍茲的猜測來作進一步說明。因為當時所知道組合音主要是差音f2-f1,赫姆霍茲因而推斷,人耳中存在著quadratic nonlinearity,反之,cubic nonlinearity並不會造成差音,所以不納入考慮。赫姆霍茲進一步猜測,quadratic nonlinearity可能發生在耳膜,因為耳膜的一側是空氣、另一側連到聽小骨,耳膜的位能曲線圖可能因此就不是左右對稱的。雖然後來的科學家發現,耳膜在一般聲量範圍中的振動行為基本上是線性的,故推翻了這個猜測,但即使如此,赫姆霍茲以當時簡陋的實驗技術與解剖學知識,從差音的現象一步一步推想到耳膜的非線性機制,這整個推理過程確實是有它一番道理的。

 

雙頻化音的原文distortion product,意即「扭曲產物」,實際上它指的就是耳朵中的非線性扭曲,它被翻譯為「雙頻化音」比較一目瞭然,因為非線性扭曲最顯著的現象,即是雙音共發時另外產生的組合音,其中以2f1-f2最常被應用,相關的研究也最多。以雙頻化音耳聲發射來檢查聽力的準確性非常高,它用來預測聽力正常受檢耳的純音聽力閥值,準確率可以達到8090 %

 

 

雙頻化音耳聲發射

 

一個很有趣的事實是,有些文獻認為,在刺激音強度夠大情況下,兩個刺激音以頻率比值f2/f1=1.22時,可誘發出最大強度的雙頻化音耳聲發射,這個比值與音樂上的大三度(5/4=1.25)與小三度(6/5=1.2)非常接近。赫姆霍茲曾提到他自己聽組合音的經驗,他是在聽女高音二重唱時注意到組合音的存在,當兩個女高音以宏亮的歌聲唱到平行三度的樂句時,組合音會變得特別清晰(Helmholtz 1877:158)。

 

詳細內容請參照:

藝術與科學的對話 

http://members.tripod.com/gia_5/fractal/index.htm  聽不存在的聲音——組合音與耳聲發射

介紹赫姆霍茲生平的網站

http://www-groups.dcs.st-andrews.ac.uk/~history/Mathematicians/Helmholtz.html