音调是听觉系统感知声音刺激最重要的知觉特征。音调的变化所形成的旋律,是构成音乐世界的基础。然而迄今为止,音调的物理本质仍然是一个悬而未决的问题。不仅如此,音调感知发生的部位也充满了争论。最初音调被认为是信号的频率,这一观点得到了听觉外周的频率分析功能的支持,但是并不能解释包含多个频率成分的复杂音所引起的音调感知现象。随着神经科学的发展,更多的研究者认为音调感知发生在神经系统中,音调是信号的时域特征。近十年来,耳蜗的非线性动力学理论重新解释了音调漂移现象,再次指出听觉外周可能参与音调提取过程。目前,这些非线性动力学理论所预期的现象还缺少听觉外周的生理实验检验。一旦音调感知现象在听觉外周中被观察到,一方面可以增强人们对于音调听觉感知机理的理解,另一方面也将极大地促进电子耳蜗等听力康复技术的发展。过去,听觉音调感知的研究主要局限于心理声学实验,这些研究揭示了“基频缺失”“音调漂移”等重要的听觉音调感知特征。但是这些音调感知特征的机理和发生的部位并不清楚,本文是第一个在听觉外周上研究音调感知现象的生理实验。作者于2009年开始设计生理实验所需的耳蜗振动测量系统。为了克服现有激光干涉测量的非线性失真在研究研究音调表达上的缺陷,满足实验要求的高精度和线性性,作者提出了新的相位解调方法将动态相位测量转化为连续的时间间隔测量,并且引入时间数字转化技术测量时间间隔。经过两年多的努力,搭建完成基于时间数字转化技术的高精度外差式激光干涉测量系统,性能测试的实验结果证实实际振动测量精度高于0.5nm。此后,针对耳蜗测量中实际的问题,作者改进了干涉光路：采用电路模块代替参考光路产生相位解码所需的参考信号,增加了激光的能量利用效率；增加了一个分光比调节器,利用偏振光性质提高系统的光信号的信噪比,使激光干涉仪能够适用于弱反射率(0.01%)；整合了观察用的显微镜和干涉测量光路。改进后的系统能够精确地记录具有生物活性的耳蜗对声音刺激的响应。利用这套耳蜗振动测量系统,作者在2013年进行了音调感知现象的实验检验。通过对耳蜗基底膜振动波形时序分析,可以明显观察到音调漂移现象。这就说明音调感知确实有听觉外周的参与,音调通过时域信息来表达的可能性更大。本研究工作得到国家自然科学基金项目(批准号：60874099)和国家自然科学基金委员会重大研究计划“视听信息的认知计算”(批准号：90820001)支持。