ピッチのメカニズム

蝸牛の基底膜がピッチの情報を解析し、その情報を使ってメロディやハーモニーを認識します。
ピッチを感じるメカニズムのお蔭で、音楽を楽しむことができるのです。

ピッチの情報を解析する基底膜の働き

発せられた波は聴覚で波の振動として伝わり、鼓膜を振動させ蝸牛内の基底膜に進行波を生じさせます。

基底膜の進行波のピークがピッチやスペクトルの情報を脳に伝え、脳はこれらの情報をもとにピッチを知覚しメロディやハーモニーを認知するのです。

進行波は前庭窓から蝸牛孔の方向へ伝わり、単一の周波数の純音の場合、進行波は一度大きくなってから次第に減衰します。

進行波が最も大きく変位する場所は周波数によって異なり、周波数が高い場合は基底膜の先端側、低い場合は耳小骨と接する側で最も大きくなります。

基底膜の変位が最大になる箇所の聴覚神経は、最も頻繁に神経インパルスを発生させます。脳はこの最も興奮している聴覚神経の情報をもとに、ピッチの違いを感じ取ります。

このピッチの違いは周波数と相応していますので、ピッチが高いと感じたときは周波数も相応して高いのです。

蝸牛の断面図

スペクトルパターンからピッチの知覚

蝸牛に複合音が読み込まれると、基底膜には成分ごとの進行波が生じ、複数の進行波のピークは各成分の周波数に相応する箇所で存在します。

それぞれの箇所の聴覚神経が盛んになり、神経インパルスを発生させ、脳はこの神経インパルスの発生箇所パターンの情報から、複合音のスペクトルを知覚することができます。

脳は基本音の情報に基づきピッチを感じ取りますので、基本音のエネルギーが小さく欠けている場合でも、脳はスペクトルパターンから基本音を類推することができます。

このような脳による認識過程の性質により、周期的複合音の基本音のエネルギーが小さくても、基本音がない場合にも、基本音のピッチを感じることができるのです。

また、5kHzよりも低い周波数の音の場合は、聴覚神経の発生パターンは音の周期に対応しています。このときの時間情報もピッチを知覚する糸口となり、5kHz以下の音ではスペクトルパターンの情報と、神経インパルスの時間情報が統合されてピッチが知覚されます。

周期的複合音の周期は基本音の周期と同じですので、時間情報から得られるピッチは基本音から得られるピッチと同じになります。

一般的に音楽の場合、基本音の周波数が5kHz以上になることは滅多にないことですが、基本音の周波数が5kHz以上の場合には、スペクトルパターンの情報のみからピッチが知覚されます。

基底膜の進行波の様子

立体的に表現した基底膜の進行波

高い音の場合の基底膜の進行波

低い音の場合の基底膜の進行波

読み込まれる複合音

読み込まれた際の基底膜の進行波