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[自然科学]为什么有三原色没有三原声？ |
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人眼只有三种视锥细胞用来接收光信号，使人可以看见可见光范围的一系列颜色。而有些人却认为我们听到的声音是大脑通过傅里叶变换将声音拆分开为各个频率得到的，… |
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这个问题很有趣，让我想起了一桩旧事。 引子 十几年前还在念本科的时候，曾经选修过一门信息学院的开设的脑与认知科学课。其中一节课，老师在讲解耳蜗的结构。那是我第一次接触耳蜗的解剖结构。当时，我正在学习普通物理和相关数学课。耳蜗的结构和它的功能让我很快想到了傅里叶变换。这是我学习路上快乐的时刻之一。 下面是正经回答，大部分是搬运和回忆。 三原色 三原色被定义为不能通过其它颜色混合产生的颜色。由于颜色的产生有反射和吸收两种，又有色光三原色（RGB）和染料三原色（CMY）两种情形。为了简单，这里只以色光三原色为对象做讨论。 之所以有色光三原色，在于人眼对光的频率（颜色）感知由视锥细胞{彩蛋}实现。由于视锥细胞有三种，分别对不同频率范围的光进行感知，从而形成了三原色的来源。亦即，任何一个颜色的光照射到视网膜上，会不同程度的激活三种细胞，从而形成复杂的视觉。彩蛋里提到，皮皮虾有十二种感受不同颜色的细胞，因此它能感受的颜色更细腻更丰富。 |
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三种视锥细胞对光的感知曲线。来源：Wikipedia 耳蜗 声音的感知过程基本如此：声波首先在鼓膜上产生振动，然后经过一系列机械传动（三块听小骨）送到耳蜗，最后由耳蜗完成从声波到神经信号的转导。耳蜗是一个像蜗牛壳的结构。 |
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耳朵的解剖结构，听觉的生理基础。来源：https://cloud.kepuchina.cn/newSearch/imgText?id=6969020186858278912 耳蜗里面有螺旋形盘绕的管道，管道的宽窄随着不同的位置而变化。这样带来一个效果，即不同位置对不同频率的声音有响应效率的差异。与此同时，听觉神经遍布耳蜗，最终形成不同神经对不同频率进行采集的现象。 |
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耳蜗内的频率拓扑 来源：Neuroscience 3rd edition |
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耳蜗内频率拓扑所对应的神经传导与激活。来源： Neuroscience 3rd edition. 至此，从声音到神经的基本结构说完了。这里面有趣的地方在于，由于耳蜗的结构，使得在时间上重叠的声音信号，经过共振的展开，实现了在空间上按频率采集的转化。因此，如果把耳蜗从一段到另一端的空间伸展成一条直线，那么它对应的恰恰是进入耳朵声音的频谱（一个相当简化的类比）。在这个意义上，耳蜗在听觉产生过程中实现了某种形式的傅里叶变换。同时可以看出，声音在经过变换以及神经的采集，其频率细分程度远超视锥细胞对光的响应。不过分地说，听觉里也存在“原声”，只不过不是“三原声”，而是十好几种。这十好几种“原声”在组合时，形成的更有趣的东西是音色，也就是唢呐和小号吹同一支曲子，为什么味道不一样。 实际上，上面的内容远没有回答题主的问题。作为对自己回忆的整理，罗列在这里，希望能够抛砖引玉。 |
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因为技术原因，人类解析声音使用的频谱分析法无法用于频率过高的可见光，于是使用了能量过滤法，生物的能量过滤法采用的方案过于粗糙，只使用了介质的能量共振来做带通，没有使用波长干涉的方式做带通过滤，因此能量选择的分辨率过低，低到整个可见区都设置不了几种通过的带隙设置。对于人来说，人使用了三个带隙设置，就是三原色，其它动物有使用更多种原色的，但是都没多哪里去。 而声音由于频率低，可以使用频谱分析的方法，分析带宽和分析精度的比值就搞多了，理论上信息量（单个点）要大得多。可惜第一是声音波长过长，基本没法做空间分布分析，第二，人脑的长期记忆准确度太差，不能做客观分析。必须多重编码（也就是语言），否则基本记不住啥可靠东西。 东方拜拜让我展开说说，就多说几句，想到哪里说到哪里。 声信号和光信号，可以给感知系统除了强度以外另一个维度的信息，就是频率轴。 而解析波动的频率，用技术手段来穷尽的话，有这么几种方式。 第一是用能量吸收的方式构建选择性通过的功能元件。比如能量高过了，就吸收，透过能量低的，又或者低吸收，高透过，又或者选择性的透过或吸收某一个波段的。这个模式在可见光区很常见，比如各种有色玻璃，比如高锰酸钾溶液吸收绿光，溶液呈紫色，硫酸铜溶液吸收红色的光，溶液呈蓝绿色胡萝卜素吸收蓝色的光，呈橙黄色等。这种方法的缺点是选择有限，且长通容易短通难。人眼就是利用类胡萝卜素中的视黄醛，构建分子聚集体实现的对不同频率的光（不同颜色）选择性的吸收，实现多色视觉的。由于这些分子聚集体本身的吸收带宽太宽，人肉体能提供的透光窗口用尽了，也搞不出两位数的选择来，因此谱学上的分辨能力有限。 第二是利用波动干涉的方式构建选择性通过的功能元件。比如电子学上的长通短通带通带阻，以及光学介质膜利用干涉实现的类似功能的光学元件。这个模式的优点是在电磁波波段，调节起来特别容易，红军打游击那年代这种技术就差不多好用了。但是这种模式在生物体里面没有。 第三种是是利用空间重复的单元实现波长干涉，形成空间色散。这个模式在光学上就是光栅，大家可以找个CD或DVD光盘（BD的不好使）拿来当镜子照一下就明白了。这个模式的优点是分辨率很高，空间色散的方式特别方便。可惜生物上没法大用，只能用来构建闪亮的羽毛，鱼鳞，珍珠，中空的北极熊毛这些牛刀杀鸡的玩意。 第四种是频谱分析法。把波动信息录下来，然后计算解析其中各频率的成分强弱和相位信息，又叫快速傅立叶变换（FFT）。这个方法最高级，对设备依赖最强。目前人对电磁波可以做10GHz以上的频谱分析，但是对可见光不好使，可见光频率太高了。 频谱分析还有一个分支，就是迈克尔逊干涉仪模式的慢速傅立叶变换（FT），它是利用分束后交叉混合的自干涉，将频率维度的波动转换为空间维度（相对距离差）的波动干涉，这样就可以解析用波长干涉色散效果差，波动干涉可调范围小，能量吸收也没啥可用材料的红外区的光了。 声音的频谱分析如FlankerCT将的那样，是耳蜗利用空间尺寸共振的效果，在不同位置采样，实现对不同频率声音的分析的。这个模式在光学或电磁波中没有类似现象，因为声波可以和实体共振，电磁波和实体共振的话损耗太大，只有吸收和透过，不等检测就废废了。 因此这个模式也算是频谱分析法吧。 声音的波长太长了，不能像眼镜那么成像。不能提供精确的发声位置信息。 ? |
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因为在自然环境中，可见光的空间分辨率相比频率分辨率携带了更多生存信息，而声音则相反。 人的眼睛能精准识别发光位置，但频域范围很窄。人的耳朵能精准识别频率，但声源位置识别不准。 三原色的对应的概念应该是环绕声。 |
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人眼只有三种视锥细胞 你自己都说了，只有“3种”，所以这3种对应的频率就是“原光”，所以是3原光 |
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视觉神经 |
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吸收光谱 听觉细胞可不止有3种，而是从几十Hz到一万Hz都有相应的听觉神经 |
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听觉神经 所以说成“原声”，那估计需要“240原声”吧，我估算的 我的算法： 从20Hz到20KHz，这是普遍认为的“人耳听觉频率范围” 20KHz是20Hz的1000倍 频率2倍是一个八度，那么1000倍差不多是10个八度（因为2的10次方约等于1000） 而一个八度被人类划分成“12个平均律”，也就是“do，re，mi，fa”那个 一个八度12律，总共10个八度，所以总共有120个律 但是12平均律并非人耳的分辨极限，还可以再细分 12平均律下，两个相似音的频率差约为6%（fa的频率是mi的105.9463%） 人耳能听出mi和fa的区别，说明人耳的分辨率小于6%的频率差 如果人耳的分辨率是3%的话，那就是240原声 如果人耳的分辨率是2%的话，那就是360原声 如果人耳的分辨率是1%的话，那就是720原声 总之，这个数值肯定远远大于“3” |
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你理解反了，实际上是光的波长太小，人眼无法捕捉光波具体的相位和波形信息，只能将二维的频谱转化为视锥细胞的三个具体值。声波波长长得多，鼓膜可以捕捉到声波的振动频谱。如果人眼能像鼓膜一样的话，那就不存在什么同色异谱现象了。 |
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其实从某种程度上来看是有的，200HZ的正弦波和相位完全反转的200HZ正弦波是可以完全抵消的，理想状况下，你并不能同时听到，而是什么都听不到。 |
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因为人类真的长了三种视觉神经，其对不同波长光的敏感性不同，基本对应三原色。 但是人类只长了一种听觉神经，接收原始振动信号，然后靠大脑做傅立叶变换。。。 更新： 感谢评论指出，傅立叶变换是耳蜗硬件处理的，并非大脑。 |
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因为三原色只是在人类的感知下定义的 人类有红绿蓝三种视锥细胞（色盲色弱的感知范围相对正常人有偏移或者失灵），别的动物不一定有，也许更少或更多，也许靠别的方式感知电磁波频率 但是人类并不存在“听锥细胞”这种东西 |
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一个小孩子，看到家里来客人，其父问到：先生贵姓？客人答：免贵姓张。又问：是弓长张还是立早章？答：弓长张。又一日，家里来客，其父外出，小孩子很懂礼貌，问：叔叔贵姓？客人答：免贵姓刘。小孩子又问：是弓长刘还是立早刘？ 那么，有三原色，就有三原声吗？ 好好学习，不要机械照搬。 |
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三原色是因为人有三种视锥细胞。没有三原声是因为人只有一种鼓膜。 |
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三原色是因为人有三个感光细胞，所以颜色是三维矢量表示三种感光强弱，要三个数才能完全表示。 声音其实只有一个纬度既振动位置，至于频率那是位置随时间的变化，类似于用光表现电影。 |
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三原色各自频率范围不同，混合在一起 而声音是20-20khz连续的，算得上一原声。 |
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因为问题反了…… 自然光源阳光是全色谱的，不存在只有三原色的问题，三原色是因为人体的感受器主要接受、处理这三种信号来感受色彩，是人择的属性 |
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