Designing Sound

78
Psychoacoustics
vibrations in the middle ear. Then there are the inner workings (ossicles) of
malleus
,
incus
,
stapes
, which transmit sound to the
cochlea
. The ossicles match
the impedance of the eardrum to the fluid contained in the cochlea and pro-
vide further amplification through leverage. The cochlea is a tapering cavity.
Because it tapers, different frequencies cause resonances at different locations.
Inside it is covered with a carpet of small hairs, known as the
basilar mem-
brane
, which turn vibrations into nerve signals. Additionally there is a set of
outer hairs on which the smaller inner hairs rest. They move up and down to
tune the cochlea and have a role in attention and selection of sounds.
Frequency Range of Human Hearing
For sounds above about 20Hz ears produce a sensation of hearing, all the way
up to between 10kHz and 20kHz, depending on age. It is important to know
the human hearing range because it limits the range of frequencies we need to
analyse or process synthetically. The majority of natural sounds like speech and
music have frequencies in the middle of this range, between 300Hz and 3kHz.
But harmonics from real sounds extend right through the range and beyond.
Natural sounds are not band limited. Even apparently dull sounds like bub-
bling mud or collisions between wooden bricks have weak components going
right through the hearing range.
Nonlinearity
The basilar membrane is not actually a linear system. Distortion introduced by
the ear itself leads to the nonlinearity of loudness perception. It is actually a
complex cybernetic system with feedback that makes it deliberately nonlinear,
as we will see later when considering attention. Outer hair cells serve to enhance
or dampen specific frequencies in response to input. One reason for having non-
linear hearing controlled by outer cells is that we can average the input energy
for better dynamic resolution, so if a second tone is added to an existing one
at a different frequency the first tone apparently diminishes in volume, which
is called
two tone suppression
. The nonlinear frequency response of the overall
system causes
cubic difference tones
, a form of harmonic distortion.