Восприятие звука человеческим ухом. Особенности восприятия звука человеком Звуковые волны воспринимаемые человеческим ухом

ВОСПРИЯТИЕ ЗВУКА

В механизме восприятия звуков принимают участие различные структуры: звуковые волны, представляющие собой вибрацию молекул воздуха, распространяются от источника звука, улавливаются внешним, усиливаются средним и трансформируются внутренним ухом в нервные импульсы, поступающие в головной мозг.

МЕХАНИЗМ ВОСПРИЯТИЯ ЗВУКА ВНУТРЕННИМ УХОМ

Звуковые волны улавливаются ушной раковиной и по внешнему слуховому каналу достигают барабанной перепонки — мембраны, отделяющей внешнее ухо от среднего. Вибрации барабанной перепонки передаются косточкам среднего уха, которые сообщают их овальному окну, чтобы вибрации достигли внутреннего уха, наполненного жидкостью. Вибрируя, овальное окно генерирует движение перилимфы, в которой возникает особый вид «волны», пересекающей всю улитку сначала по лестнице преддверия, а затем по барабанной, пока не достигнет округлого окна, в котором «волна» затихает. Из-за колебаний перилимфы происходит стимуляция кортиевого органа, расположенного в улитке, который обрабатывает движения перилимфы и на их основе генерирует нервные импульсы, передающиеся в мозг по слуховому нерву.

Передвижение перилимфы заставляет вибрировать основную мембрану, составляющую поверхность завитка, где расположен кортиев орган. Когда сенсорные клетки перемещаются за счет вибраций, маленькие реснички на их поверхности задевают покровную мембрану и производят метаболические изменения, которые трансформируют механические стимулы в нервные, передающиеся по нерву улитки и достигающие слухового нерва, откуда поступают в мозг, где распознаются и осознаются как звуки.

ФУНКЦИИ КОСТОЧЕК СРЕДНЕГО УХА.

Когда барабанная перепонка вибрирует, двигаются и косточки среднего уха: каждая вибрация вызывает сдвиг молоточка, который приводит в движение наковальню, передающую движение стремечку, далее основа стремечка ударяет по овальному окну и таким образом создает волну в жидкости, содержащейся во внутреннем ухе. Поскольку барабанная перепонка имеет поверхность большую, чем овальное окно, звук концентрируется и усиливается, проходя по косточкам среднего уха, чтобы компенсировать энергетические потери во время перехода звуковых волн из воздушной среды в жидкую. Благодаря этому механизму можно воспринимать очень слабые звуки.

Человеческое ухо может воспринимать звуковые волны, имеющие определенные характеристики интенсивности и частотности. Что касается частоты, человек может улавливать звуки в диапазоне от 16000 до 20000 герц (вибраций в секунду), также слух человека особо чувствителен к человеческому голосу, который колеблется в диапазоне от 1000 до 4000 герц. Интенсивность, которая зависит от амплитуды звуковых волн, должна иметь определенный порог, а именно 10 децибел: звуки ниже этой отметки не воспринимаются ухом.

СЛУХОВАЯ ТРАВМА

Слуховая травма — это ухудшение способности воспринимать звуки вследствие возникновения какого-то единичного сильного источника шума (например, взрыв) или длительного (дискотеки, концерты, место работы и т. д.). В результате слуховой травмы человек будет хорошо слышать лишь низкие тона, тогда как способность слышать высокие тона ухудшится. Однако можно защитить слуховой аппарат, используя специальные наушники.

УХО И МЕХАНИЗМ ВОСПРИЯТИЯ ЗВУКА

Ухо и механизм восприятия звука. Ухо представляет собой сложный специализированный орган, состоящий из трех отделов: наружного, среднего и внутреннего уха.

Наружное ухо является звукоулавливающим аппаратом. Звуковые колебания улавливаются ушными раковинами и передаются по наружному слуховому проходу к барабанной перепонке, которая отделяет наружное ухо от среднего. Улавливание звука и весь процесс слушания двумя ушами, так называемый биниуральный слух, имеют значение для определения направления звука. Звуковые колебания, идущие сбоку, доходят до ближайшего уха на несколько десятичных долей секунды (0,0006 с) раньше, чем до другого. Этой предельно малой разницы во времени прихода звука к обоим ушам достаточно, чтобы определить его направление.

Среднее ухо представляет собой воздушную полость, которая через евстахиеву трубу соединяется с полостью носоглотки. Колебания от барабанной перепонки через среднее ухо передают 3 слуховые косточки, соединенные друг с другом, — молоточек, наковальня и стремечко, а последнее через перепонку овального окна передает эти колебания жидкости, находящейся во внутреннем ухе — перилимфе. Благодаря слуховым косточкам амплитуда колебаний уменьшается, а сила их увеличивается, что позволяет приводить в движение столб жидкости во внутреннем ухе. В среднем ухе имеется особый механизм адаптации к изменениям интенсивности звука. При сильных звуках специальные мышцы увеличивают натяжение барабанной перепонки и уменьшают подвижность стремечка. Тем самым снижается амплитуда колебаний, и внутреннее ухо предохраняется от повреждений.

Внутреннее ухо с расположенной в нем улиткой находится в пирамидке височной кости. Улитка у человека образует 2,5 спиральных витка. Улитковый канал разделен двумя перегородками (основной мембраной и вестибулярной мембраной) на 3 узких хода: верхний (вестибулярная лестница), средний (перепончатый канал) и нижний (барабанная лестница). На вершине улитки имеется отверстие, соединяющее верхний и нижний каналы в единый, идущий от овального окна к вершине улитки и далее к круглому окну. Полость их заполнена жидкостью — перилимфой, а полость среднего перепончатого канала заполнена жидкостью иного состава — эндолимфой. В среднем канале расположен звуковоспринимающий аппарат — кортиев орган, в котором находятся рецепторы звуковых колебаний — волосковые клетки.

Механизм восприятия звука. Физиологический механизм восприятия звука основан на двух процессах, происходящих в улитке: 1) разделение звуков различной частоты по месту их наибольшего воздействия на основную мембрану улитки и 2) преобразование рецепторными клетками механических колебаний в нервное возбуждение. Звуковые колебания, поступающие во внутреннее ухо через овальное окно, передаются перилимфе, а колебания этой жидкости приводят к смещениям основной мембраны. От высоты звука зависит высота столба колеблющейся жидкости и, соответственно, место наибольшего смещения основной мембраны. Таким образом, при различных по высоте звуках возбуждаются разные волосковые клетки и разные нервные волокна. Увеличение силы звука приводит к увеличению числа возбужденных волосковых клеток и нервных волокон, что позволяет различать интенсивность звуковых колебаний.
Преобразование колебаний в процесс возбуждения осуществляется специальными рецепторами — волосковыми клетками. Волоски этих клеток погружены в покровную мембрану. Механические колебания при действии звука приводят к смещению покровной мембраны относительно рецепторных клеток и изгибанию волосков. В рецепторных клетках механическое смещение волосков вызывает процесс возбуждений.

Проводимость звука. Различают воздушную и костную проводимость. В обычных условиях у человека преобладает воздушная проводимость: звуковые волны улавливаются наружным ухом, и воздушные колебания передаются через наружный слуховой проход в среднее и внутреннее ухо. В случае костной проводимости звуковые колебания передаются через кости черепа непосредственно улитке. Этот механизм передачи звуковых колебаний имеет значение при погружениях человека под воду.
Человек обычно воспринимает звуки с частотой от 15 до 20 000 Гц (в диапазоне 10-11 октав). У детей верхний предел достигает 22 000 Гц, с возрастом он понижается. Наиболее высокая чувствительность обнаружена в области частот от 1000 до 3000 Гц. Эта область соответствует наиболее часто встречающимся частотам человеческой речи и музыки.

Диапазон слуха человека

Человек – это действительно самое умное из животных, населяющих планету. Однако наш ум нередко лишает нас превосходства в таких способностях, как восприятие окружающего посредством обоняния, слуха и других сенсорных ощущений.

Так, большинство животных намного опережают нас, если речь идет о слуховом диапазоне. Диапазон слуха человека – это ряд частот, которые может воспринимать человеческое ухо. Попробуем понять, как работает ухо человека в отношении восприятия звука.

Человеческое ухо – это сложный орган, который состоит из множества мелких косточек и хрящей. Звуковые волны проходят через внешнее ухо и далее через ушной канал, воздействуя на барабанную перепонку. Это заставляет барабанную перепонку колебаться, провоцируя попеременно компрессию и разряжение, а также приводя в движение другие структуры уха, такие как слуховые косточки, молоточек среднего уха, ото наковальня и стремя. Частота колебания этих косточек в секунду и измеряется. Единицей измерения этой частоты является герц. Обычно 1 Гц = 1 цикл/сек. Кстати, узнайте и о других интересных фактах о теле человека.

Диапазон слуха человека в нормальных условиях

В среднем человеческое ухо может улавливать и различать звуковые волны в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц (20000 Гц). Однако по мере старения слуховой диапазон человека уменьшается, в частности понижается его верхняя граница. У пожилых людей она обычно намного ниже, чем у молодых, при этом максимально высокими слуховыми способностями обладают младенцы и дети. Слуховое восприятие высоких частот начинает ухудшаться с восьмилетнего возраста.

Человеческий слух в идеальных условиях

В лаборатории диапазон слуха человека определяется при помощи аудиометра, который испускает звуковые волны различной частоты, и настроенных соответствующим образом наушников. В таких идеальных условиях человеческое ухо может распознавать частоты в диапазоне от 12 Гц до 20 кГц.

Диапазон слуха у мужчин и женщин

Между слуховым диапазоном мужчин и женщин существует значительная разница. Обнаружено, что женщины по сравнению с мужчинами более чувствительны к высоким частотам. Восприятие низких частот находится у мужчин и женщин на более или менее одинаковом уровне.

Различные шкалы для указания диапазона слуха

Хотя частотная шкала является наиболее распространенной шкалой для измерения диапазона слуха человека, его также нередко измеряют в паскалях (Па) и децибелах (дБ). Однако измерение в паскалях считается неудобным, так как эта единица предполагает работу с очень крупными цифрами. Один мкПа – это расстояние, преодолеваемое звуковой волной во время колебания, которое равно одной десятой диаметра атома водорода. Звуковые волны в человеческом ухе преодолевают намного большее расстояние, что делает указание диапазона слуха человека в паскалях затруднительным.

Самый мягкий звук, который может быть распознан ухом человека, равняется примерно 20 мкПа. Шкала децибел более проста в использовании, так как она представляет собой логарифмическую шкалу, которая напрямую ссылается на шкалу Па. Она принимает 0 дБ (20 мкПа) как точку отсчета и далее продолжает сжимать эту шкалу давления. Таким образом, 20 миллионов мкПа равняются всего 120 дБ. Так получается, что диапазон человеческого уха составляет 0-120 дБ.

Слуховой диапазон значительно разнится от человека к человеку. Поэтому для выявления потери слуха лучше всего измерять диапазон слышимых звуков по отношению к опорной шкале, а не по отношению к обычной стандартизированной шкале. Тесты могут проводиться при помощи сложных инструментов для диагностики слуха, которые позволяют точно определять степень и диагностировать причины потери слуха.

Профессор Знаев

ОСНОВНОЕ МЕНЮ

НАЧАЛЬНАЯ ШКОЛА

РУССКИЙ ЯЗЫК

ЛИТЕРАТУРА

АНГЛИЙСКИЙ ЯЗЫК

НЕМЕЦКИЙ ЯЗЫК

ИСТОРИЯ

БИОЛОГИЯ

ГЕОГРАФИЯ

МАТЕМАТИКА

ИНФОРМАТИКА

Восприятие звука человеком

Приемник звука – ухо

Существует специальный раздел науки о звуке, посвященный закономерностям процесса восприятия звуков и строения языка, – физиологическая акустика. Основы физиологической акустики были заложены немецким физиком и врачом Г. Гельмгольцем.

Специалисты, работающие в этой области, изучают физику и биофизику восприятия человеком простых и сложных звуковых сигналов, исследуют формирование ощущений громкости и высоты звука, изучают причины проблем со слухом.

Слух зависит прежде всего от уха, воспринимающего звуковые колебания, от слухового нерва, передающего полученные от уха сигналы, и от определенных отделов головного мозга (слуховых центров), в которых импульсы, переданные слуховыми нервами, вызывают осознание выходных звуковых сигналов.

Рассмотрим подробно строение нашего уха. Ухо состоит из трех отделов: наружного, среднего и внутреннего.

Наружное ухо представлено ушной раковиной и наружным слуховым проходом, на конце которого находится барабанная перепонка. Входное отверстие перепончато-хрящевого отдела наружного слухового прохода имеет индивидуальные особенности строения.

Среднее ухо состоит из барабанной пустоты, слуховой трубы, с помощью которой первая связана с носоглоткой; воздухонесущих клеток; барабанной перепонки и прикрепленнои к ней цепи слуховых косточек: молоточка, наковальни и стремени, связанных двумя мышцами. Соединенные все вместе, они с барабанной перепонкой образуют подвижную механическую систему восприятия звуковых колебаний.

В состав внутреннего уха (лабиринт) входят улитка и полукруговые каналы. К слуховому анализатору непосредственное отношение имеет улитка, а другие части внутреннего уха относятся к вестибулярному анализатору, который регулирует равновесие, перемещение тела в пространстве, координацию движений и т. д.

Большой вклад в акустические исследования внес талантливый венгерский физик и инженер Дьердь (Георг) Бекеши (1899–1972), который занимался в двадцатые годы прошлого века проблемой плохого качества связи по телефонным линиям.

С чересчур громким голосом в глотке почти невозможно иметь тонкие мысли.

В результате, пройдя по всей цепочке передачи сигналов, ученый подошел к его концу, а именно к

приемнику – нашему уху. Выяснилось, что для того, чтобы наладить телефонные переговоры, необходимо прежде всего рассмотреть работу уха с технической точки зрения.

Ученый исследовал ухо, внимательно изучая работу каждой «детали». С этой целью он создал уникальные приборы и динамические модели внутреннего уха и, наконец, выстроил четкую систему того, как мы слышим звуки.

Это выглядит так. Звуки, которые улавливает, как рупор, наша ушная раковина, проникают по слуховому каналу к барабанной перепонке. Она посредством косточек среднего уха транслирует звуковые волны к мембране внутреннего уха. Там, в так называемой улитке, и передаются к нервным окончаниям уже разделенные на частоты внешние звуки. Причем нижняя ее часть улавливает звуки высоких частот, а верхняя – низких.

Длина улитки определяет диапазон частот, которые мы можем воспринимать, – как уже отмечалось, – от 16–20 до 20 000 Гц, а спиралевидная форма обеспечивает компактность в ее расположении.

Исследования, проведенные Бекеши и его преемниками, необходимы были еще и для того, чтобы помочь людям, лишенным слуха, и тем, кто имеет те или иные дефекты слуха.

За открытия, связанные с объяснением механизма слуха, Бекеши в 1961 г. был отмечен Нобелевской премией по физиологии и медицине.

Границы звукового восприятия

Ранее уже неоднократно упоминалось, что существуют минимальная и максимальная частоты колебаний, которые может воспринять человеческое ухо как звук, – их называют пределами звукового восприятия.

Когда колебания происходят очень медленно, реже 20 полных колебательных циклов в секунду (20 Гц), каждую звуковую волну слышно отдельно и она не образует непрерывный тон. С увеличением частоты колебаний человек начинает слышать непрерывный низкий тон, похожий на звук низкой басовой трубы органа.

От дальнейшего роста частоты воспринимаемый тон становится все выше. Когда частота приближается примерно к 20 000 Гц, нормальное человеческое ухо постепенно перестает воспринимать звук.

Чувствительность уха к звуковым колебаниям различных частот неодинакова. Оно особенно тонко реагирует на колебания средних частот (от 1000 до 4000 Гц). В этом диапазоне чувствительность так велика, что любое существенное ее увеличение оказалось бы неблагоприятным: одновременно воспринимался бы постоянный фоновый шум беспорядочного движения молекул воздуха.

По мере уменьшения или увеличения частоты относительно среднего диапазона острота слуха постепенно снижается. По краям диапазона воспринимаемых частот звук, чтобы быть услышанным, должен быть очень сильным, настолько сильным, что иногда ощущается сначала физически, а потом уже становится слышным.

Есть люди, которые не слышат таких резких звуков, как пение сверчка или писк летучей мыши. Люди эти не глухи, – их органы слуха нормальные, и все же они не слышат очень высоких тонов. Джон Тиндаль (1820–1893) – знаменитый английский физик, который занимался акустикой, – утверждал, что некоторые люди не слышат даже чириканья воробья!

Многие насекомые (например, комар, сверчок) издают звуки, тон которых соответствует 20 тысячам колебаний в секунду, для одних людей эти тона существуют, для других – нет. Такие нечувствительные к высоким тонам люди наслаждаются полной тишиной там, где другие слышат целый хаос пронзительных звуков!

Высокие и громкие звуки

Звуки, имеющие большую частоту, воспринимаются человеком как высокие. Говорят, что высота звука – это его субъективная характеристика, поскольку она связана именно с восприятием каждым человеком.

Мы легко можем сказать, какое из насекомых чаще машет крыльями, если различить созданные этими колебаниями звуки: более писклявый, высокий звук соответствует большей частоте взмахов.

Также можно сказать, что громкость, которую мы воспринимаем, зависит от силы звука: более интенсивные звуки мы слышим как более громкие. Существует определенная связь между громкостью и амплитудой колебаний источника звука: чем больше амплитуда, тем больше сила (интенсивность) звука, следовательно, и громкость.

Если вы, например, отведете гитарную струну на максимальное расстояние от положения равновесия, то вы заставите ее колебаться с большей амплитудой; звук, который при этом возникнет, будет наиболее громким. А когда вы отведете струну на маленькое расстояние, создаваемый ею звук будет восприниматься как тихий.

Эти соотношения, однако, не являются неизменными и абсолютными, как часто считают. На восприятие высоты звука в определенной мере влияет его сила, а на восприятие громкости – частота. Таким образом, изменив частоту звука, можно избежать изменения восприятия высоты, соответствующим образом варьируя его силу.

Особенности связи объективных характеристик звука (частоты и интенсивности) с субъективными (высотой и громкостью) очень важно знать всем тем, кто занимается звукозаписью, звукорежиссурой, разработкой оборудования и звукоусилительной аппаратуры для концертов и т. п.

А еще полезно будет узнать, что когда вы, например, увеличиваете громкость своего плейера в два, как вам кажется, раза, то реальная интенсивность звука увеличивается гораздо больше, и это может быть очень вредным для вашего здоровья!

Влияние шума на здоровье

Шум – это комплекс звуков, вызывающий неприятное ощущение или болезненные реакции. Степень воздействия шума на организм человека зависит от его возраста, слуховой чувствительности, а также от продолжительности действия и характера шума.

Шум мешает нормальному отдыху, вызывает заболевания органов слуха, способствует увеличению количеств других заболеваний, подавляет психику человека. Шум – такой же медленный убийца, как и химическое отравление.

Первые жалобы на шум, дошедшие до нас, можно найти у римского сатирика Ювенала (60—127). А в Англии еще в давние времена был издан королевский указ, запрещавший бить жен… в ночное время. В России во времена Екатерины II были отменены в столице сигналы – механические свистки, установленные на некоторых экипажах.

Современный шумовой дискомфорт во много раз больше, чем 100 лет назад, и он вызывает в живых организмах болезненные реакции. Например, шум от летящего реактивного самолета подавляет пчелу, и она теряет способность ориентироваться. Тот же шум убивает личинки пчел, разбивает яйца птиц, лежащие открыто в гнезде.

Транспортный или производственный шум действует и на человека – утомляет, раздражает, мешает сосредоточиться. Как только такой шум исчезает, человек чувствует облегчение и спокойствие.

Уровень шума характеризуют звуковым давлением, выражают в белах, а чаще в децибелах (обозначается дБ).

Шум в 20–30 дБ практически безвреден для человека. Это естественный шумовой фон, без которого невозможна человеческая жизнь. Для «громких звуков» допустимый предел примерно 80 дБ. Звук в 130 дБ уже вызывает у человека болевое ощущение, а в 150 дБ – становится для него невыносимым.

В Средневековье существовала казнь «под колоколом»: звук колоколов медленно убивал человека.

Посмотрите на таблицу, содержащую данные об уровне звукового давления в различных условиях, и сделайте выводы для себя!

Любой шум достаточно большой интенсивности и длительности может привести к различной степени снижения слуховой активности. Кроме частоты и уровня громкости шума, на развитие тугоухости влияют возраст, слуховая чувствительность, продолжительность и характер действия шума, целый ряд других причин. Болезнь развивается постепенно, поэтому особенно важно заранее принять соответствующие меры для защиты от шума.

Под влиянием сильного шума, особенно высокочастотного, в органе слуха происходят необратимые изменения. При высоких уровнях шума понижение слуховой чувствительности наступает уже через 1–2 года работы в таких условиях, при средних уровнях оно проявляется гораздо позже, через 5—10 лет.

Последовательность, с которой происходит потеря слуха, сейчас хорошо изучена. Сначала интенсивный шум вызывает временную потерю слуха. При нормальных условиях через день или два слух восстанавливается. Но если воздействие шума продолжается месяцами или, как это бывает в промышленности, годами, восстановление не происходит, и временное нарушение порога слышимости превращается в постоянное.

Сначала повреждение нервов сказывается на восприятии высокочастотного диапазона звуковых колебаний (4000 Гц или выше), постепенно распространяясь на более низкие частоты. Высокие звуки «ф» и «з» становятся неслышными. Нервные клетки внутреннего уха оказываются настолько поврежденными, что атрофируются, гибнут, не восстанавливаются.

Громкая музыка также притупляет слух. Группа специалистов обследовала молодежь, которая часто слушает громкую современную музыку. У двадцати процентов юношей и девушек слух оказался притупленным до такой степени, как и у восьмидесятипятилетних стариков!

Шум мешает нормальному отдыху и восстановлению сил, нарушает сон. Шум также влияет на зрительный и вестибулярный анализаторы, снижает устойчивость ясного видения и рефлекторной деятельности.

«…Никакого шума я буквально переносить не могу; вчера во Флоренции и здесь сегодня каждый проезжающий экипаж, раздражает меня и доводит до бешенства. Каждый крик, каждый звук раздражает мои нервы…» – писал в ноябре 1877 г. П. И. Чайковский.

А сын Л. Н. Толстого писал в воспоминаниях об отце: «Когда он работал, к нему никто не смел входить, даже моя мать! Ему нужна была полная тишина и уверенность в том, что никто не прервет его занятий».

Для борьбы с шумом нужны, прежде всего, наличие соответствующих знаний и достаточный уровень культуры людей. Потому что именно это, а не только применение новых технологических материалов, может спонегативного влияния шума на здоровье! Надо понимать, что громкие звуки, которые вы лично считаете нормальными и приятными, для других людей являются чрезмерными раздражителями.

Впрочем, и о своем здоровье следует позаботиться: возможно, и для вас обычная громкость не является полезной.

В настоящее время ведутся специальные исследования по изучению свойств веществ с точки зрения поглощения ими звука, разрабатываются и применяются специальные звукопоглощающие материалы.

Различные материалы можно характеризовать коэффициентом звукопоглощения, который показывает отношение поглощенной энергии звуковой волны к энергии падающей волны. Обнаружено, что этот коэффициент зависит от частоты звуковых колебаний. Например, ковер на стене характеризуется коэффициентом поглощения 0,08 для частоты 250 Гц и 0,21 для частоты 500 Гц.

Хорошими звукопоглощающими свойствами характеризуется вата: ее коэффициент поглощения от 0,35 (при частоте 125 Гц) до 0,55 (при частоте 1000 Гц).

Однако заметим, что сделать более тихой свою комнату или дом в целом можно достаточно простым способом: надо хорошо герметизировать щели в дверях и окнах, потому что именно через такие щели звуковые волны хорошо проходят извне внутрь.

Исследования показали, что и неслышимые звуки также опасны. Ультразвук, занимающий заметное место среди производственных шумов, неблагоприятно влияет на организм, хотя ухо его не воспринимает.

Пассажиры самолета часто испытывают состояние недомогания и беспокойства, одной из причин которого является инфразвук. Инфразвуки вызывают у некоторых людей приступы морской болезни. Даже слабые инфразвуки могут существенно влиять на человека, если их действие продолжительно. Некоторые нервные болезни, свойственные жителям промышленных городов, вызваны именно инфразвуками, проникающими сквозь самые толстые стены.