От чего зависит качество восприятия звука. Восприятие звука человеческим ухом

Процесс восприятия нами звуков зависит от качества поступающей звуковой информации и от состояния нашей психики.

О звуках и том, что мы слышим.

Звук можно представить как волновое уплотнение среды, перемещающееся прямолинейно от источника колебаний с определенной скоростью. С расстоянием волна теряет свою «уплотненность», постепенно угасая. Угасание звука обратно пропорционально квадрату расстояния от источника звука. Скорость распространения звука в газах зависит от природы газа, плотности среды, температуры и статического атмосферного давления. Для жидких и газообразных сред – в основном от природы среды. Так, в воздухе эта величина составляет от 330 до 345 м/с при изменении температуры от 0 до 200С, в воде – около 1500 м/с, в стали – 6000 м/с.

В статье о строении слухового анализатора описан основной механизм восприятия звуков органами слуха через наружное и среднее ухо и преобразования звуковых волн в электрические импульсы во внутреннем ухе. Кроме воздушного пути проведения звука к рецепторным клеткам внутреннего уха, существует ещё и костный путь восприятия звука, так как звуковые волны не только попадают в наружный слуховой проход, но и приводят в колебание кости черепа. Этот механизм важен для понимания, почему мы слышим звук собственного голоса искажённым. При костном проведении звука лишь высокие звуки с малой амплитудой колебаний достигают рецепторных клеток, поэтому мы слышим свой голос более высоким, чем его слышат окружающие.

Существует также микроволновый слуховой эффект, заключающийся в слуховом восприятии микроволнового излучения. При воздействии импульсного или модулированного микроволнового излучения восприятие звуков возникает непосредственно внутри черепа человека. В ходе этого процесса возникают ударные волны, воспринимаемые человеком как звуковая информация, которая больше никому не слышна. Также было обнаружено, что при соответствующем выборе модулирующего сигнала существует возможность через микроволновое излучение передавать человеку звуковую информацию в виде отдельных слов или фраз.

Избирательность слуховых ощущений звуковой информации.

Звуки, которые мы слышим, – это раскодированная мозгом звуковая информация, преобразованная в субъективные звуковые представления или образы. Звуки, которые доносятся до нас, можно измерить и объективно описать, но восприятие звука – индивидуально и избирательно.Оно зависит не только от качества работы нашего слухового анализатора, но и психологического состояния, настроения, текущих потребностей.

Обычно мы не слышим, как тикают часы или шумит вентилятор, мы можем не слышать разговор людей, находящихся рядом, если заняты интересующим нас делом. Но, прислушавшись, расслышим и собственное дыхание. Не раздражающие нас громкие звуки проходят «мимо наших ушей», а интересные и важные, даже очень тихие, могут вызвать серьёзный эмоциональный отклик. Наш слуховой аппарат чрезвычайно избирателен для звуковой информации. Такое субъективное восприятие звуков происходит благодаря своеобразному входному фильтру головного мозга, тормозящему восприятие звуков, ненужных нам. Фильтрация звуков, отсеивающая бесполезный «спам», позволяет нам выделять действительно важную в данный момент информацию.

Однако фильтрация звуковой информации без участия сознания имеет и оборотную сторону. Некоторые звуковые структуры с низкими частотами и медленными ритмами обладают воздействием глубокой мышечной или умственной релаксации. Восприятие звуков такой музыки и ритмов способно также создавать условия для мобилизации тела без обычного воздействия на него сознательного контроля. Например, известно с древности, что ритм барабана помогает солдатам тупо ходить даже при большой усталости. Подобная звуковая информация используется для усиления эффекта внушения шаманами, гипнотизёрами или психотерапевтами.

Преобразование поступающих к нам звуковых волн в звуковую информацию производится в слуховом анализаторе, причём конечная обработка поступающих сигналов может делаться в нескольких слуховых центрах головного мозга, обменивающихся информацией с другими важными центрами, прежде всего, двигательным центром и центром зрения. Возможно также использование при слуховом восприятии звуковой информации, хранящейся в памяти, для сравнения и идентификации нового звукового представления.

Определение направления звукового раздражителя.

Чтобы понять, откуда поступает звуковая информация, крокодил должен повернуть тело, кошке достаточно развернуть уши, а человеку вообще не нужно делать никаких движений.

Человек обладает стереофоническим восприятием звука, определяя горизонтальное направление звука двумя основными способами: по задержке во времени между входом звука в одно ухо и его входом во второе и по разнице между интенсивностью звуков в обоих ушах. Первый механизм восприятия звука лучше всего функционирует при частотах ниже 3000 герц (Гц), а второй механизм- при более высоких частотах, поскольку голова при этих частотах является более существенным барьером для звуковой информации.

Если человек смотрит прямо на источник звука, звуковая информация достигает обоих ушей одновременно, но если одно ухо ближе к раздражителю, чем другое, звуковые сигналы от первого уха входят в мозг на несколько микросекунд раньше звуковой информации от второго.

Различение находится ли источник звука впереди или позади человека, а также сверху или снизу достигается главным образом с помощью изощрённой формы ушных раковин, которая изменяет интенсивность звука, входящего в ухо, в зависимости от направления, откуда он идет.

Человек воспринимает звук посредством уха (рис.).

Снаружи расположена раковина внешнего уха , переходящая в слуховой канал диаметром D 1 = 5 мм и длиной 3 см .

Далее расположена барабанная перепонка, которая вибрирует под действием звуковой волны (резонирует). Перепонка присоединена к костям среднего уха , передающим вибрацию другой перепонке и далее во внутреннее ухо.

Внутреннее ухо имеет вид закрученной трубки ("улитки") с жидкостью. Диаметр этой трубки D 2 = 0,2 мм длина 3 – 4 см длинной.

Поскольку колебания воздуха в звуковой волне слабые, чтобы непосредственно возбудить жидкость в улитке, то система среднего и внутренне уха совместно с их перепонками играют роль гидравлического усилителя. Площадь барабанной перепонки внутреннего уха меньше площади перепонки среднего уха. Давление, оказываемое звуком на перепонки, обратно пропорционально площади:

Поэтому давление на внутреннее существенно ухо возрастает:

Во внутреннем ухе по всей его длине натянута ещё одна мембрана (продольная), жёсткая в начале уха и мягкая в конце. Каждый участок этой продольной мембраны может колебаться с собственной частотой. В жёстком участке возбуждаются колебания высокой частоты, а в мягком – низкой. Вдоль этой мембраны расположен преддверноулитковый нерв, который воспринимают колебания и передаёт их в мозг.

Самая низкая частота колебаний источника звука 16-20 Гц воспринимается ухом как низкий басовый звук. Область наибольшей чувствительности слуха захватывает часть среднечастотного и часть высокочастотного поддиапазонов и соответствует интервалу частот от 500 Гц до 4-5 кГц . Человеческий голос и звуки, издаваемые большинством важных нам процессов в природе, имеют частоту в этом же интервале. При этом звуки частотой от 2 кГц до 5 кГц улавливаются ухом как звон или свист. Иначе говоря, самая важная информация передаётся на звуковых частотах приблизительно вплоть до 4-5 кГц .

Подсознательно человек разделяет звуки на "положительные", "отрицательные" и "нейтральные".

К отрицательным относятся звуки, которые прежде были не знакомы, странные и необъяснимые. Они вызывают страх и беспокойство. К ним также относятся низкочастотные звуки, например, низкий барабанный стук или вой волка, т. к. возбуждают страх. Кроме того, страх и ужас возбуждают неслышимые низкочастотные звук (инфразвук). Примеры :

В 30-е годы 20 века в одном из лондонских театров в качестве сценического эффекта применили громадную органную трубу. От инфразвука этой трубы всё здание задрожало, а в людях поселился ужас.

Сотрудники национальной лаборатории физики в Англии провели эксперимент, добавив к звучанию обычных акустических инструментов классической музыки сверхнизкие (инфразвуковые) частоты. Слушатели почувствовали упадок настроения и испытали чувство страха.

На кафедре акустики МГУ проводились исследования влияние рока и поп музыки не человеческий организм. Оказалось, что частота основного ритма композиции «Дип Пёпл» вызывает неконтролируемое возбуждение, потерю контроля над собой, агрессивность к окружающим или негативные эмоции к себе. Композиция «The Beatles», на первый взгляд благозвучная, оказалась вредной и даже опасной, т. к. имеет основной ритм около 6,4 Гц. Эта частота резонирует с частотами грудной клетки, брюшной полости и близка к собственной частоте головного мозга (7 Гц.). Поэтому при прослушивании этой композиции ткани живота и груди начинают болеть и постепенно разрушаться.

Инфразвук вызывает в организме человека колебания различных систем, в частности, сердечно-сосудистой. Это оказывает неблагоприятное воздействие и может привести, например, к гипертонической болезни. Колебания на частоте 12 Гц могут, если их интенсивность превысит критический порог, вызвать гибель высших организмов, в т. ч. людей. Эта и другие инфразвуковые частоты присутствуют в производственных шумах, шумах автострад и др. источников.

Замечание : У животных резонанс музыкальных частот и собственных может привести к распаду функции мозга. При звучании "металлического рока" коровы перестают давать молоко, а вот свиньи, наоборот, обожают металлический рок.

Положительными являются звуки ручья, прилива моря или пения птиц; они вызывают успокоение.

Кроме того, и рок не всегда плох. Например, музыка типа «кантри», исполняемая на банджо, помогает выздоравливать, хотя плохо влияет на здоровье в самом начальном этапе заболевания.

К положительным звукам относятся классические мелодии. Например, американские учёные помещали грудных недоношенных младенцев в боксы для прослушивания музыки Баха, Моцарта, и дети быстро поправлялись, набирали вес.

Благоприятно влияет на здоровье человека колокольный звон.

Любой эффект звука усиливается в полумраке и темноте, поскольку уменьшается доля информации, поступающей с помощь зрения

Поглощение звука в воздухе и ограждающими поверхностями

Поглощение звука в воздухе

В каждый момент времени в любой точке помещения интенсивность звука равна сумме интенсивности прямого звука, непосредственно исходящего от источника, и интенсивности звука, отражённого от ограждающих поверхностей помещения:

При распространении звука в атмосферном воздухе и в любой другой среде возникают потери интенсивности. Эти потери обусловлены поглощением звуковой энергии в воздухе и ограждающими поверхностями. Рассмотрим поглощение звука с помощью волновой теории .

Поглощение звука – это явление необратимого превращения энергии звуковой волны в другой вид энергии, прежде всего в энергию теплового движения частиц среды . Поглощение звука происходит и в воздухе, и при отражении звука от ограждающих поверхностей.

Поглощение звука в воздухе сопровождается уменьшением звукового давления. Пусть звук распространяется вдоль направления r от источника. Тогда в зависимости от расстояния r относительно источника звука амплитуда звукового давления убывает по экспоненциальному закону :

, (63)

где p 0 – начальное звуковое давление при r = 0

 – коэффициент поглощения звука. Формула (63) выражает закон поглощения звука .

Физический смысл коэффициента  состоит в том, что коэффициент поглощения численно равен величине, обратной расстоянию, на котором звуковое давление уменьшается в e = 2,71 раз:

Единица измерения в СИ:

Поскольку сила звука (интенсивность) пропорциональная квадрату звукового давления, то этот же закон поглощения звука можно записать в виде:

, (63*)

где I 0 – сила звука (интенсивность) вблизи источника звука, т. е. при r = 0 :

Графики зависимости p зв (r ) и I (r ) представлены на рис. 16.

Из формулы (63*) следует, что для уровня силы звука справедливо уравнение:

. (64)

Следовательно, единица измерения коэффициента поглощения в СИ: непер на метр

кроме того, можно вычислять в белах на метр (Б/м ) или децибелах на метр (дБ/м ).

Замечание : Поглощение звука можно характеризовать коэффициентом потерь , который равен

, (65)

где  – длина звуковой волны, произведение  – логарифмический коэффициент затухания звука. Величину, равную обратной величине коэффициента потерь

называют добротностью .

Полной теории поглощении звука в воздухе (атмосфере) пока нет. Многочисленные эмпирические оценки дают разные значения коэффициента поглощения.

Первая (классическая) теория поглощения звука была создана Стоксом и основана на учёте влияния вязкости (внутреннего трения между слоями среды) и теплопроводности (выравнивания температуры между слоями среды). Упрощенная формула Стокса имеет вид:

, (66)

где  – вязкость воздуха,  – коэффициент Пуассона,  0 – плотность воздуха при 0 0 С,  – скорость звука в воздухе. Для обычных условий эта формула примет вид:

. (66*)

Однако формула Стокса (63) или (63*) справедлива лишь для одноатомных газов, атомы которых имеют три поступательные степени свободы, т. е. при  =1,67 .

Для газов из 2, 3 или многоатомных молекул значение  существенно больше, т. к. звук возбуждает вращательные и колебательные степени свободы молекул. Для таких газов (в т. ч. для воздуха) более точной является формула

, (67)

где T н = 273,15 К – абсолютная температура таяния льда ("тройная точка"), p н = 1,013 . 10 5 Па – нормальное атмосферное давление, T и p – реальные (измеряемые) температура и атмосферное давление воздуха,  =1,33 для двухатомных газов,  =1,33 для трёх- и многоатомных газов.

Поглощение звука ограждающими поверхносятми

Поглощение звука ограждающими поверхностями происходит при отражении от них звука. При этом часть энергии звуковой волны отражается и обуславливает возникновения стоячих звуковых волн, а другая энергии преобразуется в энергию теплового движения частиц преграды. Эти процессы характеризуют коэффициентом отражения и коэффициентом поглощения ограждающей конструкции.

Коэффициент отражения звука от преграды – это безразмерная величина, равная отношению части энергии волны W отр , отражённой от преграды, ко всей энергии волны W пад , падающей на преграду

Поглощение звука преградой характеризуют коэффициентом поглощения – безразмерной величиной, равной отношению части энергии волны W погл , поглощённой преградой (и перешедшей во внутреннюю энергию вещества преграды), ко всей энергии волны W пад , падающей на преграду

Средний коэффициент поглощения звука всеми ограждающими поверхностями равен

, (68*)

где  i – коэффициент поглощения звука материалом i -й преграды, S i – площадь i -й преграды, S – общая площадь преград, n - количество разных преград.

Из этого выражения можно сделать вывод, что средний коэффициент поглощения соответствует единому материалу, которым можно было бы покрыть все поверхности преград помещения с сохранением общего звукопоглощения (А ), равного

. (69)

Физический смысл общего звукопоглощения (А) : оно численно равно коэффициенту поглощения звука открытым проёмом площадью 1 м 2 .

Единица измерения звукопоглощения называется сэбин :

О разделе

Этот раздел содержит статьи, посвященные феноменам или версиям, которые так или иначе могут быть интересны или полезны исследователям необъясненного.
Статьи разделены по категориям:
Информационные. Содержат полезную для исследователей информацию из различных областей знаний.
Аналитические. Включают аналитику накопленной информации о версиях или феноменах, а также описания результатов проведенных экспериментов.
Технические. Аккумулируют информацию о технических решениях, которые могут найти применение в сфере изучения необъясненных фактов.
Методики. Содержат описания методик, применяемых участниками группы при расследовании фактов и исследовании феноменов.
Медиа. Содержат информацию об отражении феноменов в индустрии развлечений: фильмах, мультфильмах, играх и т.п.
Известные заблуждения. Разоблачения известных необъясненных фактов, собранные в том числе из сторонних источников.

Тип статьи:

Информационные

Особенности восприятия человека. Слух

Звук – это колебания, т.е. периодическое механическое возмущение в упругих средах – газообразных, жидких и твердых. Такое возмущение, представляющее собой некоторое физическое изменение в среде (например, изменение плотности или давления, смещение частиц), распространяется в ней в виде звуковой волны. Звук может быть неслышимым, если его частота лежит за пределами чувствительности человеческого уха, или он распространяется в такой среде, как твердое тело, которая не может иметь прямого контакта с ухом, или же его энергия быстро рассеивается в среде. Таким образом, обычный для нас процесс восприятия звука – лишь одна сторона акустики.

Звуковые волны

Звуковая волна

Звуковые волны могут служить примером колебательного процесса. Всякое колебание связано с нарушением равновесного состояния системы и выражается в отклонении её характеристик от равновесных значений с последующим возвращением к исходному значению. Для звуковых колебаний такой характеристикой является давление в точке среды, а её отклонение - звуковым давлением.

Рассмотрим длинную трубу, наполненную воздухом. С левого конца в нее вставлен плотно прилегающий к стенкам поршень. Если поршень резко двинуть вправо и остановить, то воздух, находящийся в непосредственной близости от него, на мгновение сожмется. Затем сжатый воздух расширится, толкнув воздух, прилегающий к нему справа, и область сжатия, первоначально возникшая вблизи поршня, будет перемещаться по трубе с постоянной скоростью. Эта волна сжатия и есть звуковая волна в газе.
То есть резкое смещение частиц упругой среды в одном месте, увеличит давление в этом месте. Благодаря упругим связям частиц, давление передаётся на соседние частицы, которые, в свою очередь, воздействуют на следующие, и область повышенного давления как бы перемещается в упругой среде. За областью повышенного давления следует область пониженного давления, и, таким образом, образуется ряд чередующихся областей сжатия и разряжения, распространяющихся в среде в виде волны. Каждая частица упругой среды в этом случае будет совершать колебательные движения.

Звуковая волна в газе характеризуется избыточным давлением, избыточной плотностью, смещением частиц и их скоростью. Для звуковых волн эти отклонения от равновесных значений всегда малы. Так, избыточное давление, связанное с волной, намного меньше статического давления газа. В противном случае мы имеем дело с другим явлением – ударной волной. В звуковой волне, соответствующей обычной речи, избыточное давление составляет лишь около одной миллионной атмосферного давления.

Важно то обстоятельство, что вещество не уносится звуковой волной. Волна представляет собой лишь проходящее по воздуху временное возмущение, по прохождении которого воздух возвращается в равновесное состояние.
Волновое движение, конечно, не является характерным только для звука: в форме волн распространяются свет и радиосигналы, и каждому знакомы волны на поверхности воды.

Таким образом, звук, в широком смысле - упругие волны, распространяющиеся в какой-либо упругой среде и создающие в ней механические колебания; в узком смысле - субъективное восприятие этих колебаний специальными органами чувств животных или человека.
Как и любая волна, звук характеризуется амплитудой и спектром частот. Обычно человек слышит звуки, передаваемые по воздуху, в диапазоне частот от 16-20 Гц до 15-20 кГц. Звук ниже диапазона слышимости человека называют инфразвуком; выше: до 1 ГГц, - ультразвуком, от 1 ГГц - гиперзвуком. Среди слышимых звуков следует также особо выделить фонетические, речевые звуки и фонемы (из которых состоит устная речь) и музыкальные звуки (из которых состоит музыка).

Различают продольные и поперечные звуковые волны в зависимости от соотношения направления распространения волны и направления механических колебаний частиц среды распространения.
В жидких и газообразных средах, где отсутствуют значительные колебания плотности, акустические волны имеют продольный характер, то есть направление колебания частиц совпадает с направлением перемещения волны. В твёрдых телах, помимо продольных деформаций, возникают также упругие деформации сдвига, обусловливающие возбуждение поперечных (сдвиговых) волн; в этом случае частицы совершают колебания перпендикулярно направлению распространения волны. Скорость распространения продольных волн значительно больше скорости распространения сдвиговых волн.

Воздух не везде однороден для звука. Известно, что воздух постоянно находится в движении. Скорость его движения в различных слоях не одинакова. В слоях, близких к земле, воздух соприкасается с её поверхностью, зданиями, лесами и поэтому скорость его здесь меньше, чем вверху. Благодаря этому и звуковая волна идёт не одинаково быстро вверху и внизу. Если движение воздуха, т. е. ветер - попутчик звуку, то в верхних слоях воздуха ветер будет сильнее подгонять звуковую волну, чем в нижних. При встречном ветре звук вверху распространяется медленнее, чем внизу. Такое различие в скоростях сказывается на форме звуковой волны. В результате искажения волны звук распространяется не прямолинейно. При попутном ветре линия распространения звуковой волны изгибается вниз, при встречном - вверх.

Ещё одна причина неравномерного распространения звука в воздухе. Это - различная температура отдельных его слоёв.

Неодинаково нагретые слои воздуха, подобно ветру, изменяют направление звука. Днём звуковая волна изгибается вверх, потому что скорость звука в нижних более нагретых слоях больше, чем в верхних слоях. Вечером, когда земля, а с ней и близлежащие слои воздуха, быстро остывают, верхние слои становятся теплее нижних, скорость звука в них больше, и линия распространения звуковых волн изгибается вниз. Поэтому по вечерам на ровном месте бывает лучше слышно.

Наблюдая за облаками, часто можно заметить, как на разных высотах они движутся не только с различной скоростью, но иногда и в разных направлениях. Значит, ветер на различной высоте от земли может иметь неодинаковые скорость и направление. Форма звуковой волны в таких слоях будет также изменяться от слоя к слою. Пусть, например, звук идёт против ветра. В этом случае линия распространения звука должна изогнуться и направиться вверх. Но если на её пути встретится слой медленно движущегося воздуха, она вновь изменит своё направление и может снова вернуться на землю. Вот тогда-то на пространстве от места, где волна поднимается в высоту, до места, в котором она возвращается на землю, и возникает «зона молчания».

Органы восприятия звука

Слух - способность биологических организмов воспринимать звуки органами слуха; специальная функция слухового аппарата, возбуждаемая звуковыми колебаниями окружающей среды, например, воздуха или воды. Одно из биологических пяти чувств, называемое также акустическим восприятием.

Ухо человека воспринимает звуковые волны длиной примерно от 20 м до 1,6 см, что соответствует 16 - 20 000 Гц (колебаний в секунду) при передаче колебаний по воздуху, и до 220 кГц при передаче звука по костям черепа. Эти волны имеют важное биологическое значение, например, зву¬ковые волны в диапазоне 300-4000 Гц соответствуют человеческому голосу. Звуки выше 20 000 Гц имеют малое практическое значение, так как быстро тормозятся; колебания ниже 60 Гц воспринимаются благодаря вибрационному чувству. Диапазон частот, которые способен слышать человек, называется слуховым или звуковым диапазоном; более высокие частоты называются ультразвуком, а более низкие - инфразвуком.
Способность различать звуковые частоты сильно зависит от конкретного человека: его возраста, пола, подверженности слуховым болезням, тренированности и усталости слуха. Отдельные личности способны воспринимать звук до 22 кГц, а возможно - и выше.
Человек может различать несколько звуков одновременно благодаря тому, что в ушной улитке одновременно может быть несколько стоячих волн.

Ухо - сложный вестибулярно-слуховой орган, который выполняет две функции: воспринимает звуковые импульсы и отвечает за положение тела в пространстве и способность удерживать равновесие. Это парный орган, который размещается в височных костях черепа, ограничиваясь снаружи ушными раковинами.

Орган слуха и равновесия представлен тремя отделами: наружным, средним и внутренним ухом, каждый из которых выполняет свои конкретные функции.

Наружное ухо состоит из ушной раковины и наружного слухового прохода. Ушная раковина - сложной формы упругий хрящ, покрытый кожей, его нижняя часть, называемая мочкой,- кожная складка, которая состоит из кожи и жировой ткани.
Ушная раковина у живых организмов работает как приемник звуковых волн, которые затем передаются во внутреннюю часть слухового аппарата. Значение ушной раковины у человека намного меньше, чем у животных, поэтому у человека она практически неподвижна. Но вот многие звери, поводя ушами, способны гораздо точнее, чем человек, определить нахождение источника звука.

Складки человеческой ушной раковины вносят в поступающий в слуховой проход звук небольшие частотные искажения, зависящие от горизонтальной и вертикальной локализации звука. Таким образом мозг получает дополнительную информацию для уточнения местоположения источника звука. Этот эффект иногда используется в акустике, в том числе для создания ощущения объёмного звука при использовании наушников или слуховых аппаратов.
Функция ушной раковины - улавливать звуки; ее продолжением является хрящ наружного слухового прохода, длина которого в среднем составляет 25-30 мм. Хрящевая часть слухового прохода переходит в костную, а весь наружный слуховой проход выстлан кожей, содержащей сальные, а также серные железы, представляющие собой видоизмененные потовые. Этот проход заканчивается слепо: от среднего уха он отделен барабанной перепонкой. Уловленные ушной раковиной звуковые волны ударяются в барабанную перепонку и вызывают ее колебания.

В свою очередь, колебания барабанной перепонки передаются в среднее ухо.

Среднее ухо
Основной частью среднего уха является барабанная полость - небольшое пространство объемом около 1см³, находящееся в височной кости. Здесь находятся три слуховые косточки: молоточек, наковальня и стремечко - они передают звуковые колебания из наружного уха во внутреннее, одновременно усиливая их.

Слуховые косточки - как самые маленькие фрагменты скелета человека, представляют цепочку, передающую колебания. Рукоятка молоточка тесно срослась с барабанной перепонкой, головка молоточка соединена с наковальней, а та, в свою очередь, своим длинным отростком - со стремечком. Основание стремечка закрывает окно преддверия, соединяясь таким образом с внутренним ухом.
Полость среднего уха связана с носоглоткой посредством евстахиевой трубы, через которую выравнивается среднее давление воздуха внутри и снаружи от барабанной перепонки. При изменении внешнего давления иногда «закладывает» уши, что обычно решается тем, что рефлекторно вызывается зевота. Опыт показывает, что ещё более эффективно заложенность ушей решается глотательными движениями или если в этот момент дуть в зажатый нос.

Внутреннее ухо
Из трех отделов органа слуха и равновесия наиболее сложным является внутреннее ухо, которое из-за своей замысловатой формы называется лабиринтом. Костный лабиринт состоит из преддверия, улитки и полукружных каналов, но непосредственное отношение к слуху имеет только улитка, заполненная лимфатическими жидкостями. Внутри улитки находится перепончатый канал, также заполненный жидкостью, на нижней стенке которого расположен рецепторный аппарат слухового анализатора, покрытый волосковыми клетками. Волосковые клетки улавливают колебания жидкости, заполняющей канал. Каждая волосковая клетка настроена на определенную звуковую частоту, причем клетки, настроенные на низкие частоты, располагаются в верхней части улитки, а высокие частоты улавливаются клетками нижней части улитки. Когда волосковые клетки от возраста или по другим причинам гибнут, человек теряет способность воспринимать звуки соответствующих частот.

Пределы восприятия

Человеческое ухо номинально слышит звуки в диапазоне от 16 до 20 000 Гц. Верхний предел имеет тенденцию снижаться с возрастом. Большинство взрослых людей не могут слышать звук частотой выше 16 кГц. Ухо само по себе не реагирует на частоты ниже 20 Гц, но они могут ощущаться через органы осязания.

Диапазон громкости воспринимаемых звуков огромен. Но барабанная перепонка в ухе чувствительна только к изменению давления. Уровень давления звука принято измерять в децибелах (дБ). Нижний порог слышимости определён как 0 дБ (20 микропаскаль), а определение верхнего предела слышимости относится скорее к порогу дискомфорта и далее - к нарушение слуха, контузия и т. д. Этот предел зависит от того, как долго по времени мы слушаем звук. Ухо способно переносить кратковременное повышение громкости до 120 дБ без последствий, но долговременное восприятие звуков громкостью более 80 дБ может вызвать потерю слуха.

Более тщательные исследования нижней границы слуха показали, что минимальный порог, при котором звук остаётся слышен, зависит от частоты. Этот график получил название абсолютный порог слышимости. В среднем, он имеет участок наибольшей чувствительности в диапазоне от 1 кГц до 5 кГц, хотя с возрастом чувствительность понижается в диапазоне выше 2 кГц.
Существует также способ восприятия звука без участия барабанной перепонки - так называемый микроволновый слуховой эффект, когда модулированное излучение в микроволновом диапазоне (от 1 до 300 ГГц) воздействует на ткани вокруг улитки, заставляя человека воспринимать различные звуки.
Иногда человек может слышать звуки в низкочастотной области, хотя в реальности звуков такой частоты не было. Так происходит из-за того, что колебания базилярной мембраны в ухе не являются линейными и в ней могут возникать колебания с разностной частотой между двумя более высокочастотными.

Синестезия

Один из самых необычных психоневрологических феноменов, при котором не совпадают род раздражителя и тип ощущений, которые человек испытывает. Синестетическое восприятие выражается в том, что помимо обычных качеств могут возникать дополнительные, более простые ощущения или стойкие «элементарные» впечатления - например, цвета, запаха, звуков, вкусов, качеств фактурной поверхности, прозрачности, объемности и формы, расположения в пространстве и других качеств, не получаемых при помощи органов чувств, а существующих только в виде реакций. Такие дополнительные качества могут либо возникать как изолированные чувственные впечатления, либо даже проявляться физически.

Выделяют, например, слуховую синестезию. Это способность некоторых людей «слышать» звуки при наблюдении за движущимися предметами или за вспышками, даже если они не сопровождаются реальными звуковыми явлениями.
Следует учитывать, что синестезия, скорее психоневрологическая особенность человека и не является психическим расстройством. Такое восприятие окружающего мира может почувствовать обычный человек путем употребления некоторых наркотических веществ.

Общей теории синестезии (научно доказанного, универсального представления о ней) пока нет. На денный момент существует множество гипотез и проводится масса исследований в данной области. Уже появились оригинальные классификации и сопоставления, выяснились определенные строгие закономерности. Например, мы ученые уже выяснили, что у синестетов есть особый характер внимания - как бы «досознательный» - к тем явлениям, которые вызывают у них синестезию. У синестетов - немного иная анатомия мозга и кардинально иная его активация на синестетические «стимулы». А исследователи из Оксфордского университета (Великобритания) поставили серию экспериментов в ходе которых выяснили, что причиной синестезии могут быть сверхвозбудимые нейроны. Единственное, что можно сказать точно, что такое восприятие получается на уровне работы мозга, а не на уровне первичного восприятия информации.

Вывод

Волны давления, проходя через внешнее ухо, барабанную перепонку и косточки среднего уха, достигают заполненного жидкостью внутреннего уха, имеющего форму улитки. Жидкость, колеблясь, ударяется о мембрану, покрытую крохотными волосками, ресничками. Синусоидальные составляющие сложного звука вызывают колебания различных участков мембраны. Колеблющиеся вместе с мембраной реснички возбуждают связанные с ними нервные волокна; в них возникают серии импульсов, в которых «закодированы» частота и амплитуда каждой составляющей сложной волны; эти данные электрохимическим способом передаются мозгу.

Из всего спектра звуков прежде всего выделяют слышимый диапазон: от 20 до 20000 герц, инфразвуки (до 20 герц) и ультразвуки – от 20000 герц и выше. Инфразвуки и ультразвуки человек не слышит, но это не значит, что они не оказывают на него воздействия. Известно, что инфразвуки, особенно ниже 10 герц, способны влиять на психику человека, вызывать депрессивные состояния. Ультразвуки могут вызывать астено-вегетативные синдромы и др.
Слышимую часть диапазона звуков разделяют на низкочастотные звуки – до 500 герц, среднечастотные – 500-10000 герц и высокочастотные – свыше 10000 герц.

Такое подразделение очень важно, так как ухо человека неодинаково чувствительно к разным звукам. Наиболее чувствительно ухо к сравнительно узкому диапазону среднечастотных звуков от 1000 до 5000 герц. К более низко- и высокочастотным звукам чувствительность резко падает. Это приводит к тому, что человек способен услышать в среднечастотном диапазоне звуки с энергией около 0 децибел и не слышать низкочастотные звуки в 20-40-60 децибел. То есть, звуки с одной и той же энергией в среднечастотном диапазоне могут восприниматься как громкие, а в низкочастотном как тихие или быть вовсе не слышны.

Такая особенность звука сформирована природой не случайно. Звуки, необходимые для его существования: речь, звуки природы, – находятся в основном в среднечастотном диапазоне.
Восприятие звуков значительно нарушается, если одновременно звучат другие звуки, шумы близкие по частоте или составу гармоник. Значит, с одной стороны, ухо человека плохо воспринимает низкочастотные звуки, а, с другой, если в помещении посторонние шумы, то восприятие таких звуков может еще более нарушаться и извращаться.

Слуховой анализатор воспринимает колебания воздуха и трансформирует механическую энергию этих колебаний в импульсы, которые в коре головного мозга воспринимаются как звуковые ощущения.

Воспринимающая часть слухового анализатора включает - наружное, среднее и внутреннее ухо (рис. 11.8.). Наружное ухо представлена ушной раковиной (звукоуловитель) и наружным слуховым проходом, длина которого составляет 21-27 мм, а диаметр 6-8 мм. Наружное и среднее ухо разделяет барабанная перепонка - мало податливая и слабо растягивающаяся мембрана.

Среднее ухо состоит из цепи соединенных между собой косточек: молоточек, наковальня и стремечко. Рукоятка молоточка прикрепляется к барабанной перепонке, основание стремечка - к овальному окну. Это своеобразный усилитель который в 20 раз усиливает колебания. В среднем ухе, кроме того, имеется две маленькие мышцы, прикрепляющиеся к косточкам. Сокращение этих мышц приводит к уменьшению колебаний. Давление в среднем ухе выравнивается за счет евстахиевой трубы, которая открывается в ротовую полость.

Внутреннее ухо соединено со средним при помощи овального окна, к которому прикрепляется стремечко. Во внутреннем ухе находится рецепторный аппарат двух анализаторов - воспринимающего и слухового (рис. 11.9.). Рецепторный аппарат слуха представлен улиткой . Улитка, длиной 35 мм и имеющая 2,5 завитка, состоит из костной и перепончатой части. Костная часть разделена двумя мембранами: основной и вестибулярной (рейснеровой) на три канала (верхний - вестибулярный, нижний - тимпанический, средний - барабанный). Средняя часть, называется улиточный ход (перепончатый). У верхушки - верхние и нижние каналы связаны геликотремой. Верхние и нижние каналы улитки заполнены перилимфой, средние - эндолимфой. Перилимфа по ионному составу напоминает плазму, эндолимфа - внутриклеточную жидкость (в 100 раз больше ионов К и в 10 раз ионов Nа).

Основная мембрана состоит из слабо натянутых эластических волокон, поэтому может колебаться. На основной мембране - в среднем канале расположены звуковоспринимающие рецепторы - кортиев орган (4 ряда волосковых клеток - 1 внутренний (3,5 тыс. клеток) и 3 наружных - 25-30 тыс. клеток). Сверху - тектореальная мембрана.

Механизмы проведения звуковых колебаний . Звуковые волны пройдя через наружный слуховой проход колеблют барабанную перепонку, последняя приводит в движение косточки и мембрану овального окна. Колеблется перилимфа и к вершине колебания затухают. Колебания перилимфы передаются на вестибулярную мембрану, а последняя начинает колебать эндолимфу и основную мембрану.

В улитке регистрируется: 1) Суммарный потенциал (между кортиевым органом и средним каналом - 150 мВ). Он не связан с проведением звуковых колебаний. Он обусловлен уравнем окислительно-восстановительных процессов. 2) Потенциал действия слухового нерва. В физиологии также известен и третий - микрофонный - эффект заключающий в следующем: если в улитку ввести электроды и соединить с микрофоном, предварительно усилив его, и произносить в ухо кошке различные слова, то микрофон воспроизводит эти же слова. Микрофонный эффект генерируется поверхностью волосковых клеток, т. к. деформация волосков приводит к появлению разности потенциалов. Однако, этот эффект превосходит энергию вызвавших его звуковых колебаний. Отсюда микрофонный потенциал - непростое преобразование механической энергии в электрическую, а связан с обменными процессами в волосковых клетках. Местом возникновения микрофонного потенциала является область корешков волосков волосковых клеток. Звуковые колебания, действующие на внутреннее ухо, накладывают возникающий микрофонный эффект на эндокохлеарный потенциал.

Суммарный потенциал отличается от микрофонного тем, что отражает не форму звуковой волны, а ее огибающую и возникает при действии на ухо высокочастотных звуков (рис. 11.10.).

Потенциал действия слухового нерва генерируется в результате электрического возбуждения, возникающего в волосковых клетках в виде микрофонного эффекта и суммарного потенциала.

Между волосковыми клетками и нервными окончаниями имеются синапсы, при этом имеет место и химический и электрический механизмы передачи.

Механизм передачи звука различной частоты. В течение длительного времени в физиологии господствовала резонаторная теория Гельмгольца : на основной мембране натянуты струны различной длины, подобно арфе они имеют разную частоту колебаний. При действии звука начинает колебаться та часть мембраны, которая настроена в резонанс данной частоте. Колебания натянутых нитей раздражают соответствующие рецепторы. Однако, эта теория критикуется, т. к. струны не натянуты и их колебания в каждый данный момент включают слишком много волокон мембраны.

Заслуживает внимания теория Бекеше . В улитке имеется явление резонанса, однако, резонирующим субстратом являются не волокна основной мембраны, а столб жидкости определенной длины. По данным Бекеше, чем больше частота звука, тем меньше длина колеблющегося столба жидкости. При действии звуков низкой частоты длина колеблющегося столба жидкости увеличивается, захватывая большую часть основной мембраны, причем колеблются не отдельные волокна, а значительная их часть. Каждой высоте тона соответствует определенное количество рецепторов.

В настоящее время наиболее распространенной теорией восприятия звука разной частоты является “теория места ”, согласно которой не исключается участие воспринимающих клеток в анализе слуховых сигналов. Предполагается что волосковые клетки, расположенные на различных участках основной мембраны обладают различной лабильностью, что оказывает влияние на звуковые восприятия, т. е. речь идет о настройке волосковых клеток на звуки разной частоты.

Повреждения в различных участках основной мембраны приводит к ослаблению электрических явлений, возникающих при раздражении звуков разной частоты.

Согласно резонансной теории, различные участки основной пластинки реагируют колебанием своих волокон на звуки разной высоты. Сила звука зависит от величины колебаний звуковых волн, которые воспринимаются барабанной перепонкой. Звук будет тем сильнее, чем больше величина колебаний звуковых волн и соответственно барабанной перепонки, Высота звука зависит от частоты колебаний звуковых волн, Большая частота колебаний в единицу времени будет. восприниматься органом слуха в виде более высоких тонов (тонкие, высокие звуки голоса) Меньшая частота колебаний звуковых волн воспринимается органом слуха в виде низких тонов (басистые, грубые звуки и голоса) .

Восприятие высоты, силы звука и локализации источника звука начинается с попадания звуковых волн в наружное ухо, где они приводят в движение барабанную перепонку. Колебания барабанной перепонки через систему слуховых косточек среднего уха передаются на мембрану овального окна, что вызывает колебание перилимфы вестибулярной (верхней) лестницы. Эти колебания через геликотрему передаются перилимфе барабанной (нижней) лестницы и доходят до круглого окна, смещая его мембрану по направлению к полости среднего уха. Колебания перилимфы передаются также на эндолимфу перепончатого (среднего) канала, что приводит в колебательные движения основную мембрану, состоящую из отдельных волокон, натянутых, как струны рояля. При действии звука волокна мембраны приходят в колебательные движения вместе с рецепторны-ми клетками кортиева органа, расположенными на них. При этом волоски рецепторных клеток контактируют с текториальной мембраной, реснички волосковых клеток деформируются. Возникает вначале рецепторный потенциал, а затем потенциал действия (нервный импульс), который далее проводится по слуховому нерву и передается в другие отделы слухового анализатора.

Слуховой анализатор человека представляет собой специализированную систему для восприятия звуковых колебаний, формирования слуховых ощущений и опознавания звуковых образов. Вспомогательный аппарат периферической части анализатора — это ухо (рисунок 15).

Различают наружное ухо, в состав которого входят ушная раковина, наружный слуховой проход и барабанная перепонка; среднее ухо, состоящее из системы соединенных между собой слуховых косточек — молоточка, наковальни и стремени, и внутреннее ухо, которое включает улитку, где расположены рецепторы, воспринимающие звуковые колебания, а также преддверие и полукружные каналы. Полукружные каналы представляют собой периферическую рецепторную часть вестибулярного анализатора, о котором пойдет отдельный разговор.

Наружное ухо устроено таким образом, что обеспечивает подведение звуковой энергии к барабанной перепонке. При помощи ушных раковин происходит относительно небольшое концентрирование этой энергии, а наружный слуховой проход обеспечивает поддержание постоянной температуры и влажности как факторов, обусловливающих стабильность работы звукопередающего аппарата.

Барабанная перепонка представляет собой тонкую перегородку толщиной около 0,1 миллиметра, состоящую из волокон, идущих в различных направлениях. Функция барабанной перепонки хорошо отражена в ее названии — она начинает колебаться, когда на нее падают звуковые колебания воздуха со стороны наружного слухового прохода. При этом ее строение позволяет ей передавать практически без искажения все частоты звукового диапазона. Система слуховых косточек обеспечивает передачу колебаний от барабанной перепонки к улитке.

Рецепторы, которые обеспечивают восприятие звуковых колебаний, расположены во внутреннем ухе — в улитке (рисунок 16). Это название связано со спиралеобразной формой данного образования, состоящего из 2,5 витков.

В среднем канале улитки на основной мембране расположен кортиев орган (по имени итальянского анатома Корти, 1822-1888 годы). В этом органе и находится рецепторный аппарат слухового анализатора (рисунок 17).

Как же происходит формирование ощущений звука? Вопрос, который и в настоящее время привлекает пристальное внимание исследователей. Впервые (1863 год) весьма убедительное толкование процессов во внутреннем ухе представил немецкий физиолог Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц, разработавший так называемую резонансную теорию. Он обратил внимание, что основную мембрану улитки образуют волокна, идущие в поперечном направлении. Длина таких волокон увеличивается к вершине улитки. Отсюда понятна аналогия работы этого органа с арфой, у которой различная тональность достигается разной длиной струн. По представлению Гельмгольца, при воздействии звуковых колебаний вступает в резонанс какое-то определенное волокно, ответственное за восприятие данной частоты. Очень подкупающая своей простотой и завершенностью теория, но которую, увы, пришлось оставить, поскольку оказалось, что струн — волокон — в основной мембране слишком мало, чтобы воспроизводить все слышимые человеком частоты, натянуты эти струны слишком слабо, да и кроме того, их изолированные колебания невозможны. Эти трудности для резонансной теории оказались непреодолимы, но они послужили импульсом для последующих исследований.

По современным представлениям, передача и воспроизведение звуковых колебаний обусловлены частотно-резонансными свойствами всех сред улитки. При помощи весьма остроумных экспериментов было обнаружено, что при низких частотах колебаний (100-150 герц, может быть несколько выше, но не более 1000 герц) волновой процесс охватывает всю основную мембрану, возбуждаются все рецепторы кортиева органа, расположенного на этой мембране. При возрастании частоты звуковых волн в колебательный процесс вовлекается только часть основной мембраны, и тем меньше, чем выше звук. При этом максимум резонанса сдвигается по направлению к основанию улитки.

Однако мы пока еще не рассмотрели вопрос, каким же образом происходит трансформация энергии механических колебаний в процесс нервного возбуждения. Рецепторный аппарат слухового анализатора представлен своеобразными волосковыми клетками, которые являются типичными механорецепторами, то есть для которых адекватным раздражителем служит механическая энергия, в данном случае колебательные движения. Специфической особенностью волосковых клеток является наличие на их вершине волосков, которые находятся в непосредственном соприкосновении с покровной мембраной. В кортиевом органе различают один ряд (3,5 тысячи) внутренних и 3 ряда (12 тысяч) наружных волосковых клеток, которые различаются по уровню чувствительности. Для возбуждения внутренних клеток требуется больше энергии, и это является одним из механизмов органа слуха воспринимать звуковые раздражители в широком диапазоне интенсивностей.

При возникновении колебательного процесса в улитке в результате движений основной мембраны, а вместе с ней и кортиева органа происходит деформация волосков, упирающихся в покровную мембрану. Эта деформация и служит пусковым моментом в цепи явлений, приводящих к возбуждению рецепторных клеток. В специальном эксперименте было обнаружено, что если во время подачи звукового сигнала от поверхности волосковых клеток отводить биотоки и затем, усилив их, подвести к громкоговорителю, то мы обнаружим достаточно точное воспроизведение звукового сигнала. Это воспроизведение распространяется на все частоты, в том числе и на человеческий голос. Не правда ли, достаточно близкая аналогия с микрофоном? Вот отсюда и название — микрофонный потенциал. Доказано, что этот биоэлектрический феномен и представляет собой рецепторный потенциал. Отсюда следует, что волосковая рецепторная клетка достаточно точно (до определенного предела по интенсивности) через параметры рецепторного потенциала отражает параметры звукового воздействия — частоту, амплитуду и форму.

При электрофизиологическом исследовании волокон слухового нерва, которые подходят непосредственно к структурам кортиева органа, регистрируются нервные импульсы. Примечательно то, что частота такой импульсации зависит от частоты воздействующих звуковых колебаний. При этом до 1000 герц отмечается практически их совпадение. Хотя более высокие частоты в нерве не регистрируются, но сохраняется определенная количественная зависимость между частотами звукового раздражителя и афферентной импульсации.

Итак, мы ознакомились со свойствами человеческого уха и механизмами функционирования рецепторов слухового анализатора при воздействии звуковых колебаний воздуха. Но возможна передача и не только через воздух, а посредством так называемой костной проводимости. В последнем случае колебания (например, камертона) передаются костями черепа и затем, минуя среднее ухо, попадают непосредственно в улитку. Хотя в данном случае способ подведения акустической энергии иной, но механизм взаимодействия ее с рецепторными клетками остается тот же самый. Правда, при этом несколько различны и количественные отношения. Но в том и в другом случае возбуждение, первично возникшее в рецепторе и несущее определенную информацию, передается по нервным структурам до высших слуховых центров.

Каким же образом кодируется информация о таких параметрах звуковых колебаний, как частота и амплитуда? Сначала о частоте. Вы, очевидно, обратили внимание на своеобразный биоэлектрический феномен — микрофонный потенциал улитки. Он ведь по существу свидетельствует о том, что в значительном диапазоне колебания рецепторного потенциала (а они отражают работу рецептора и по восприятию, и последующей передаче) практически точно соответствуют по частоте звуковым колебаниям. Однако, как уже тоже отмечалось, в волокнах слухового нерва, то есть в тех волокнах, которые воспринимают информацию от рецепторов, частота нервных импульсов не превышает 1000 колебаний в секунду. А это значительно меньше, чем частоты воспринимаемых звуков в реальных условиях. Как же эта задача решается в слуховой системе? Ранее мы с вами, когда рассматривали работу кортиева органа, отмечали, что при низких частотах звукового воздействия колеблется вся основная мембрана. Следовательно, возбуждаются все рецепторы, и частота колебаний без изменения передается волокнам слухового нерва. При больших же частотах в колебательный процесс вовлекается только часть основной мембраны и, следовательно, только часть рецепторов. Они передают возбуждение соответствующей части нервных волокон, но уже с трансформацией ритма. В этом случае определенной частоте соответствует определенная часть волокон. Такой принцип обозначают как пространственный способ кодирования. Таким образом, информация о частоте обеспечивается частотно-пространственным кодированием.

Однако хорошо известно, что подавляющее большинство реальных звуков, воспринимаемых нами, в том числе и речевые сигналы, представляют собой не правильные синусоидальные колебания, а процессы, имеющие гораздо более сложную форму. Как же в этом случае обеспечивается передача информации? Еще в начале 19-го века выдающийся французский математик Жан Батист Фурье разработал оригинальный математический метод, позволяющий любую периодическую функцию представить в виде суммы ряда синусоидальных составляющих (ряда Фурье). Строгими математическими методами доказывается, что эти составляющие имеют периоды, равные Т, Т/2, Т/3 и так далее, или, иначе говоря, имеют частоты, кратные основной частоте. И немецкий физик Георг Симон Ом (которого все очень хорошо знают по его закону в электротехнике) в 1847 году выдвинул идею, что в кортиевом органе происходит именно такое разложение. Так появился еще один закон Ома, который отражает очень важный механизм звуковосприятия. Благодаря своим резонансным свойствам основная мембрана разлагает сложный звук на его составляющие, каждая из которых воспринимается соответствующим нервно-рецепторным аппаратом. Таким образом, пространственный рисунок возбуждения несет информацию о частотном спектре сложного звукового колебания.

Для передачи информации об интенсивности звука, то есть амплитуде колебаний, в слуховом анализаторе имеется механизм, также отличный от способа работы других афферентных систем. Чаще всего информация об интенсивности передается частотой нервной импульсации. Однако в слуховой системе, как это следует из только что рассмотренных процессов, такой способ невозможен. Оказывается, что и в данном случае используется принцип пространственного кодирования. Как уже отмечалось, внутренние волосковые клетки имеют чувствительность ниже, чем наружные. Таким образом, различной интенсивности звука соответствует разное сочетание возбужденных рецепторов двух этих видов, то есть специфическая форма пространственного рисунка возбуждения.

В слуховом анализаторе вопрос о специфических детекторах (как это хорошо выражено в зрительной системе) остается все еще открытым, тем не менее и здесь имеются механизмы, которые позволяют выделять все более и более сложные признаки, что в конечном итоге завершается формированием такого рисунка возбуждения, который соответствует определенному субъективному образу, опознаваемому по соответствующему «эталону».