Biophysics · 22.10

聴覚の生物物理学I：外耳

Biophysics of hearing I — the outer ear

🧠 外耳は音を集めるだけでなく、外耳道を片側閉鎖管共鳴器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）として共鳴させ、会話に重要な約2–5 kHzの音圧sound pressure音圧（sound pressure）sound pressure（音圧）を増幅する。

波としての音が外耳で集められた後、鼓膜振動は中耳のインピーダンスimpedanceインピーダンス（impedance）impedance（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）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へ変える。

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

f_1 \approx \frac{v}{4L}

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["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='sound wave'>音波</span>"] --> B["耳介が集音・方向情報を付加"]
  B --> C["外耳道で共鳴"]
  C --> D["2–5 kHz付近の<span class='jp-term jp-term-diagram' title='sound pressure'>音圧</span>増幅"]
  D --> E["鼓膜振動"]

💡 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。

共鳴周波数は音速sound speed音速（sound speed）sound speed（音速）と管長で決まり、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。したがって、外耳道を単なる導管ではなく、周波数選択性をもつ音響系として考える。

まとめ

外耳は集音、定位stereotactic定位（stereotactic）stereotactic（定位）手掛かり（localization cue）、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）変化が機械振動へ渡される。