為什麼人類聽覺系統進化為對 20 到 20000 赫茲範圍內的聲音敏感，而不是其他頻率範圍？

11-29

這個問題很好玩。涉及的知識十分簡單，但腦洞不小，特別適合科普。
我們先來打開腦洞吧。
想像你是一隻正在曬太陽的非洲古猿，腦袋上頂了一套相控預警雷達。
相控預警雷達，又名耳朵。
耳朵在你眯著眼睛曬太陽的時候可以警告你：右後方四十度有個「嗷嗚~」正在快速接近，估計是狼，快撒丫子跑勒您。
聽覺，作為一種高效的預警機制，可以極大地提高生物的存活幾率，於是出現在了現存的幾乎所有高等動物的技能表中。（有聽力的物種被自然選擇。）
人類的聽力也是一樣的，它的存在意義首先是作為躲避危險的預警機制，其次才是那些花里胡哨地東西。

這就很有意思了~（很有意思的意思就是物理部分開始了）作為一種預警機制，除了能聽到聲音以外，更重要的一點，還必須具備分辨聲源方向的能力。不然你跑錯方向，人家狼多尷尬？
耳朵分辨方向的原理在中學物理里學過：靠左右耳接受到的聲音的時間差，相位差，音色響度大小。
當聲波頻率比較高，波長小於兩耳間距時，由於顱骨、耳廓對聲波的遮蔽，加上和頻率相關的衍射效應的影響，雙耳接受到不同強度和音色的聲音。這種差別就成為判斷聲源方位的主要依據。這也是為什麼人戴上耳機欣賞音樂時，就沒有了顱骨、耳廓對聲波的遮蔽而無法重現音樂廳里的感受，只覺得聲音出自自己腦袋裡的某個地方。
但對頻率低的聲波，由於很容易發生衍射繞過你的腦袋，兩耳接受的聲音很相似。只能通過判斷聲音到達兩耳的時間差來確定聲源的方位。但這種方法受神經反應速度和雙耳間距的限制，方向辨別並不是很靈敏，這也是為什麼家庭影院中的「低音炮」不像其它的音箱那樣需要成對放置，一般只有一個，放置的地方也不太講究，反正人也聽不出方位上有什麼差別來。

所以為什麼人聽不到20Hz以下的聲音呢，因為室溫下空氣中聲速是340m/s,20Hz意味著波長已經大於10m了，比雙耳間距大太多，聽到了也無法分辨方向，於是並不能提高物種的生存幾率，當然就無法進化出來。（相比之下藍鯨就可以聽到10Hz,因為人家臉大。）
所以對大多數動物來說，能聽到多低的聲音，跟它的雙耳間距是成正比的(並不排除例外，畢竟生物界是個複雜的系統)。同時，耳膜耳蝸是有個最優的頻率響應區域的，而且這個響應區域在對數坐標下基本差不多大。就是說想聽低頻就必須要犧牲高頻性能，反之亦然。（比如蝙蝠就無法聽到頻率低於1000赫茲的聲音。）所以耳距事實上也就決定了你能聽到的高頻極限。人在哺乳動物中有較大的耳距，因而聽力的高頻極限也是相對較低的，只高過比人耳距更大的比如大象等少數動物。另外海水中的聲速是空氣中的近5倍，於是同樣頻率的聲音在海水中的波長是空氣中的5倍，因而和人耳距差不多的海豚，聽力卻有跟蝙蝠接近的高頻極限。

最後估算個小東西
聲速大約取300m/s，20Hz的聲波波長是15m, 20000Hz的聲波波長是0.015m
0.015*15=0.225
sqrt(0.225)~=0.47m
數量級上差不多就是人的兩個耳朵的距離。
也就是說人耳間距大約就處在人耳低頻高頻極限對應的波長的對數中點上。
看起來並不是那麼沒有關係呢~
這就是進化的力量。

——————————
（部分引用了2009年陳珂的文章《為什麼不能聽超聲波》，原鏈已失效）

人耳理論上能聽到20Hz到20kHz，比較敏感區域大概是100Hz-10000Hz，對應的半波長大概是1.7cm-1.7m，基本是人最常接觸的物體尺度範圍，也是這個尺度範圍的物體最容易激發的聲音頻率。此外，同樣由於幾何尺度的關係，對於更高頻的聲波，聲音的駐波、諧振等現象明顯，會引起線性失真，如果要良好的接受高頻聲波，聽覺系統的結構就必須更加小而精巧。

對sym physicheng的回答做一個補充猜測：

我認為不僅僅是為了分辨方位，如果一個猿人能聽到世界上所有頻率的聲音，那他的世界是很嘈雜的。過多的聲音會降低他分辨危險聲音的能力，易導致死亡。

超聲源：蝙蝠、海豚、蝗蟲、老鼠...
夏天，光是蟬就夠你煩的了，猿人要是能聽到這麼多種動物的聲音，這時豺狼悄悄靠近估計很難聽出來

次聲源：內臟、火山、海嘯
火山、海嘯就不說了，低頻事件，猿人一輩子都未必能遇到。內臟，那就呵呵了，晚上別睡覺了，聽胃和腸道蠕動吧。

所以，人類能聽到什麼頻率的聲音是自然選擇的結果，不該聽的聽到了和該聽的沒聽到的人都死了(好拗口啊)。

其實，我覺得這事不應該從猿人算起，猿人的前面的前面的前面的動物就該如此了。

20Hz和20000Hz的幾何平均數，相乘再開方，是632Hz。
中央A是440Hz，高音C是524Hz，632Hz大約是高音E的頻率。
男人的聲音比這個頻率低些，女人差不多，再加上小孩的哭聲，耳朵最敏感的頻率定在這個位置顯然最合適。
至於人發出的聲音頻率又是由什麼決定的？由聲帶的結構決定的。

因為要是範圍是19～19998會逼死很多強迫症。

直覺告訴我們：20Hz和20kHz是兩條非黑即白、犀利的分界線。頻率降到20Hz以下，哪怕是一點點，就會像掉下懸崖，立即突然聽不到。然而，事實情況並不是這樣。數字信息處理理論告訴我們理想帶通濾波器並不存在，因為這種理想情況與因果性(causality)相悖。

圖中的藍線大致表現了人耳對於不同頻率聲音的響度感知。100Hz和1000Hz之間差20dB，也就是說要用100倍的能量（10倍的幅度）播放100Hz的單音，才和1倍能量播放的1000Hz聽起來一樣響。聽起來一樣響的20Hz和1000Hz之間，能量相差10000倍，是不是很誇張？

從臨界點附近出發，頻率逐漸升高或降低，人們只會感覺音量越來越小，而不是突然間的截止。

另外一個事實是人耳的頻率響應曲線是存在個體差異的。之前設計過一個實驗測試人耳的低音閾值。每輪挑戰有三個時間窗，每個時間窗持續2秒，但其中只有一個會播放聲音。志願者需要指明哪一個時間窗聽到了聲音，哪怕是猜測。答案正確，則頻率下行迎接更難的挑戰；答案不正確，則頻率上行難度降低。經歷幾輪振蕩之後，曲線會逐漸收斂，此時的頻率即為閾值。

實驗結果是有的志願者可以聽到15Hz，而我只能聽到21Hz。這種差異是現實存在的，但是絕對的數值取決於音量。如果整體提高音量，有的人也許可以聽到12Hz。

20 Hz is considered the normal low-frequency limit of human hearing. When pure sine waves are reproduced under ideal conditions and at very high volume, a human listener will be able to identify tones as low as 12 Hz. Below 10 Hz it is possible to perceive the single cycles of the sound, along with a sensation of pressure at the eardrums.

此外，人耳對於音高差異的感知同樣不是線性的。

假設圖片最左側的A是A4，則右邊的A依次是A5、A6。在鍵盤上A4~A5和A5~A6距離是相等的。然而A4、A5之間相差440Hz，A5、A6之間相差880Hz（A4 440Hz、A5 880Hz、A6 1760Hz）。不過取對數之後再作差，A4、A5、A6之間則是等距（log(2)）。

因此不同個體21Hz和20Hz之間1Hz的差異，放到20kHz附近就是1kHz的差異。20000Hz，有效數字位數這麼多，絕對是故意的。

也許曾經有頻率在其它範圍內的古猿，可是因為他/她們：

聽不見野獸；

聽不見異性求偶；

聽不見獵物；

聽不見同伴溝通；

聽得見超聲波和次聲波；

所以他/她：

躲不了野獸；

是單身狗；

還是個抓不著獵物的屌絲；

不給隊友傳球；

他只能和蝙蝠和海豚做朋友；

他/她覺得，這樣的人（猿）生，還有什麼意義呢？於是他/她選擇了死亡。

大概是正好能用，就這樣了。進化這個東西大多數時候都是能用就成

不要羨慕其他物種的某些鼻子耳朵的黑科技，你的大腦就屬最大的黑科技。

因為超出這個範圍外的聲音對你毫無意義

天敵發不出，獵物也發不出，自己更加發不出

秉著實用原則，基因就懂了

要是突然把你的敏感度調到0-30000hz，光是未知的干擾噪音就煩死了，你的聽覺系統馬上過負載，你可能很難再捕捉到20-20000範圍已知聲域信息。

正如人類的視力一樣，要知道哺乳動物只有靈長類才有彩色視覺，其他動物可以需要更靈敏的嗅覺和聽覺來彌補的（逆天四色系的一些鳥類和爬行動物例外）功能進化不是說什麼最牛逼就選擇什麼，而是夠用夠生存就行，也就是說要先有生存壓力來製造這種進化選擇的必要性，多餘的功能在能源供給不足的史前進化期可是養不起的，每個物種都有奇葩或者逆天的複雜功能性變異，但是這種變異不一定給個體或者族群帶來生存和繁殖優勢，也就繁衍不開。

試想一個聽覺0-40000hz自帶雷達，四色夜光，嗅覺比狗還厲害的古猿，光是配套這一些器官的神經系統估計就要去占你大腦80%以上的空間，其他功能咋整？

看到最多贊的答主的腦洞，深感拜服，然而他說：「動物聽最低頻率與耳間距成正比」，腦洞很大，然而私以為並不正確，可以看做現象，但不可以視為一種理論。該答主可以著論文表述自己的觀點，而我這裡也闡述我的一些觀點，尤其是人類與其它哺乳動物在感受高頻聲音的差異。

分析生物現象，需要從進化角度分析。先上結論：人類的聽覺範圍的形成與人類獨有的語言機制密切相關。

聽覺的形成機制其實並不簡單，事實上，我們如今還沒有徹底了解耳朵及大腦是如何分辨聲音的頻率。

我們的耳膜產生振動時，帶動聽小骨振動。聽小骨實際上三根骨頭，錘骨相連砧骨，砧骨相連鐙骨。鐙骨足板為環韌帶連接於卵圓窗，卵圓窗是耳蝸的結構，是聲壓釋放的窗口。

耳蝸像一個蝸牛殼，由三層連續螺旋腔體組成，有複雜的結構。腔體由淋巴液填滿，內部被V型剖面的兩層結締組織分割成三個腔體。其中上下兩個較大的腔體在前庭處開有兩個覆蓋薄膜的小窗，即圓窗以及上文所述的卵圓窗。外耳的聲音通過錘骨和砧骨槓桿放大，通過鐙骨振動卵圓窗在耳蝸內的淋巴液內激起行波，圓窗負責釋放行波產生的壓力變化。分割耳蝸的兩層薄膜有一層稱作基底膜，上有稱作「柯蒂氏器」的聽覺傳導器。柯蒂氏器有上面有纖毛並有蓋膜覆蓋。淋巴液行波會扭動纖毛，被聽覺感受器捕獲，通過聽覺神經傳給大腦。

令人遺憾的是，我們並不十分清楚纖毛如何區分不同頻率的振動，但是有一點我們十分清楚：靠近耳蝸大螺旋部分的基底膜較寬，靠近耳蝸頂部的基底膜較窄，意味著高頻音在耳蝸底部振動最強，低頻音在耳蝸頂部振動最強。所以感受器接受的聲音頻率頻率並不是由纖毛長度決定，而是由基底膜的寬度和位置決定。

即耳蝸的長度決定了聽覺範圍。進化論已經驗證了此事，除了哺乳動物，其他脊椎動物負責聽覺的部位都沒有形成蝸狀結構，哺乳動物擅長使用聲音交流信息，耳蝸就格外滴長。

靈長類（人類）雖然耳蝸也很長，卻對高頻聲音不敏感。人類到2W赫茲就聽不到了，意味著我們給中低頻聲音留有更多的資源。毫無疑問，這就是語言進化需要的資源。人類大腦對中低頻聲音頻率分辨（俗稱樂感）十分強大，人類也相比其他哺乳動物更能捕捉聲音頻率的規律（音樂）。我們拋卻了感知高頻聲音的能力，卻換來了文明誕生的基礎——語言。

這個數據絕對只是針對大部分人的，有的能聽到更低和更高的。

動物的聽覺基本都是根據天敵所能發出聲音邏輯來選擇進化的

就這樣我都買不起好耳機了

物競天擇，適者生存，你變成什麼樣都是環境挑選出來的，不是你自己選擇的

測過16～24000，再低在高就沒測過，表示完全可以聽得到

因為虎豹狼豺對人類有直接威脅的動物發出的聲音不超過這個頻率段。

總結來說，聽到聲音低頻的範圍和你的腦袋大小成正比。高頻範圍和你的耳朵大小成反比。回去量一下就清楚了。

如果是1到20你又要問為什麼是1到20，那它總要有個頻率吧