聴覚の生物物理学I：外耳

🧠 外耳は音を集めるだけでなく、耳介・耳甲介concha耳甲介（concha）concha（耳甲介）・外耳道からなる方向依存の音響フィルタ acoustic filter 音響フィルタ（acoustic filter） acoustic filter（音響フィルタ） として、個人差individual variation 個人差（individual variation）individual variation（個人差） を伴いながら約2–7 kHzの音圧 sound pressure 音圧（sound pressure） sound pressure（音圧） を強調する。¹

波としての音が外耳で集められた後、鼓膜振動tympanic membrane vibration 鼓膜振動（tympanic membrane vibration）tympanic membrane vibration（鼓膜振動） は中耳のインピーダンス整合 impedance matchingインピーダンス整合（impedance matching） impedance matching（インピーダンス整合）へ渡される。ここでは音源から鼓膜までの経路に焦点を置く。

外耳の役割

• 耳介は音を集め、方向依存のスペクトル手掛かり spectral cue スペクトル手掛かり（spectral cue） spectral cue（スペクトル手掛かり） を与える。
• 外耳道は鼓膜へ音を導く。
• 外耳道の共鳴により会話周波数帯 speech band 会話周波数帯（speech band） speech band（会話周波数帯） の音圧 sound pressure 音圧（sound pressure） sound pressure（音圧） が増強される。
• 鼓膜で空気中の圧力振動を機械振動 mechanical vibration 機械振動（mechanical vibration） mechanical vibration（機械振動） へ変える。

片端が閉じた管の基本共鳴 fundamental resonance 基本共鳴（fundamental resonance） fundamental resonance（基本共鳴） は、管長$L$が波長の約$1/4$となる条件で起こる。

実際の外耳道は一様な直管ではないため単純式からずれるが、会話周波数帯speech band 会話周波数帯（speech band）speech band（会話周波数帯） を選択的に強調するという意味は変わらない。

flowchart TD
  A["音波"] --> B["耳介が集音・方向情報を付加"]
  B --> C["外耳道で共鳴"]
  C --> D["約2–7 kHzの帯域を<span class='jp-term jp-term-diagram' title='individual variation'>個人差</span>を伴って強調"]
  D --> E["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='tympanic membrane vibration'>鼓膜振動</span>"]

💡 外耳道の閉塞や形状変化は単なる音量低下だけでなく、周波数特性も変化させる。

共鳴周波数resonance frequency 共鳴周波数（resonance frequency）resonance frequency（共鳴周波数） は音速 sound speed 音速（sound speed） sound speed（音速） と有効管長で近似でき、境界での反射には音響インピーダンスacoustic impedance音響インピーダンス（acoustic impedance）acoustic impedance（音響インピーダンス）が関与する。ただし実耳では耳介・耳甲介concha耳甲介（concha）concha（耳甲介）、外耳道形状、鼓膜の弾性と中耳負荷 middle ear load 中耳負荷（middle ear load） middle ear load（中耳負荷） も周波数応答を変える。鼓膜は剛体ピストンではなく、周波数依存の複雑な振動様式で音圧 sound pressure 音圧（sound pressure） sound pressure（音圧） を機械振動 mechanical vibration 機械振動（mechanical vibration） mechanical vibration（機械振動） へ変換する。²

まとめ

• 外耳は集音、定位手掛かりlocalization cue定位手掛かり（localization cue）localization cue（定位手掛かり）、共鳴増幅を担う。
• 外耳道は片側閉鎖管共鳴器 closed-pipe resonator 片側閉鎖管共鳴器（closed-pipe resonator） closed-pipe resonator（片側閉鎖管共鳴器） として近似できる。
• 鼓膜で音圧 sound pressure 音圧（sound pressure） sound pressure（音圧） 変化が機械振動 mechanical vibration 機械振動（mechanical vibration） mechanical vibration（機械振動） へ渡される。