Для нашей ориентации в окружающем мире слух играет такую же роль, как и зрение. Ухо позволяет нам общаться друг с другом при помощи звуков оно имеет специальную чувствительность к звуковым частотам речи. С помощью уха человек улавливает различные звуковые колебания воздуха. Вибрации, которые идут от предмета (источник звука), передаются через воздух играющий роль передатчика звука, улавливаются ухом. Человеческое ухо воспринимает колебания воздуха с частотой от 16 до 20 000 Гц. Вибрации с большей частотой относятся к ультразвуковым, но человеческое ухо их не воспринимает. Способность различать высокие тона с возрастом уменьшается. Способность улавливать звук двумя ушами даёт возможность определять, где он находится. В ухе колебания воздуха преобразуются в электрические импульсы, которые воспринимаются мозгом как звук.
В ухе расположен и орган восприятия движения и положения тела в пространстве - вестибулярный аппарат . Вестибулярная система играет большую роль в пространственной ориентации человека, анализирует и передаёт информацию об ускорениях и замедлениях прямолинейного и вращательного движения, а также при изменении положения головы в пространстве.
Строение уха
Исходя из внешнего строения ухо делится на три части. Первые две части уха, наружное (внешнее) и среднее, проводят звук. Третья часть - внутреннее ухо - содержит слуховые клетки, механизмы для восприятия всех трёх особенностей звука: высоты, силы и тембра.
Наружное ухо - выступающая часть наружного уха называется ушной раковиной , её основу составляет полужёсткая опорная ткань - хрящ. Передняя поверхность ушной раковины имеет сложное строение и непостоянную форму. Она состоит из хряща и фиброзной ткани, за исключением нижней части - дольки (ушной мочки) образованной жировой клетчаткой. В основании ушной раковины имеется передняя, верхняя и задняя ушные мышцы, движения которой ограничены.
Кроме акустической (звукоулавливающей) функции, ушная раковина выполняет защитную роль, предохраняя слуховой проход в барабанную перепонку от вредного воздействия окружающей среды (попадания воды, пыли, сильных воздушных потоков). Как форма, так и величина ушных раковин индивидуальны. Длина ушной раковины у мужчин 50–82 мм и ширина 32–52 мм, у женщин размеры несколько меньше. На маленькой площади ушной раковины представлена вся чувствительность тела и внутренних органов. Поэтому можно использовать её для получения биологически важной информации о состоянии любого органа. Ушная раковина концентрирует звуковые колебания и направляет их в наружное слуховое отверстие.
Наружный слуховой проход служит для проведения звуковых колебаний воздуха от ушной раковины к барабанной перепонке. Наружный слуховой проход имеет длину от 2 до 5 см. его наружная треть образована хрящевой тканью, а внутренние 2/3 - костной. Наружный слуховой проход дугообразно изогнут в верхнее-заднем направлении, и легко выпрямляется при оттягивании ушной раковины вверх и назад. В коже слухового прохода находятся особые железы, выделяющие секрет желтоватого цвета (ушная сера), функция которой: защита кожи от бактериальной инфекции и инородных частиц (попадание насекомых).
Наружный слуховой проход отделяется от среднего уха барабанной перепонкой, всегда втянутой внутрь. Это тонкая соединительно-тканная пластинка, покрытая снаружи многослойным эпителием, а изнутри - слизистой оболочкой. Наружный слуховой проход служит для проведения звуковых колебаний к барабанной перепонке, которая отделяет наружное ухо от барабанной полости (среднего уха).
Среднее ухо , или барабанная полость, представляет собой небольшую заполненную воздухом камеру, которая расположена в пирамиде височной кости и отделена от наружного слухового прохода барабанной перепонкой. Эта полость имеет костные и перепончатую (барабанная перепонка) стенки.
Барабанная перепонка - это малоподвижная мембрана толщиной 0,1 мкм, сплетённая из волокон, которые идут в различных направлениях и неравномерно натянуты в разных участках. Благодаря такому строению барабанная перепонка не имеет собственного периода колебаний, что приводило бы к усилению звуковых сигналов, совпадающих с частотой собственных колебаний. Она начинает колебаться при действии звуковых колебаний, проходящих через наружный слуховой проход. Через отверстие на задней стенке барабанная перепонка сообщается с сосцевидной пещерой.
Отверстие слуховой (евстахиевой) трубы расположено в передней стенке барабанной полости и ведёт в носовую часть глотки. Благодаря этому атмосферный воздух может попадать в барабанную полость. В норме отверстие евстахиевой трубы закрыто. Оно открывается во время глотательных движений или зевания, способствуя выравниванию давления воздуха на барабанную перепонку со стороны полости среднего уха и наружного слухового отверстия, тем самым она предохраняется от разрывов, приводящих к нарушению слуха.
В барабанной полости лежат слуховые косточки . Они имеют очень маленькие размеры и соединяются в цепочку, которая простирается от барабанной перепонки до внутренней стенки барабанной полости.
Самая наружная косточка - молоточек - своей рукояткой соединена с барабанной перепонкой. Головка молоточка соединяется с наковальней, которая подвижно сочленяется с головкой стремени .
Слуховые косточки получили такие названия из-за своей формы. Косточки покрыты слизистой оболочкой. Две мышцы регулируют движение косточек. Соединение косточек такое, что способствует усилению давления звуковых волн на мембрану овального окна в 22 раза, что даёт слабым звуковым волнам приводить в движение жидкость в улитке .
Внутреннее ухо заключено в височной кости и представляет собой систему полостей и каналов, расположенных в костном веществе каменистой части височной кости. В совокупности они формируют костный лабиринт, внутри которого находится перепончатый лабиринт. Костный лабиринт представляет собой костные полости различной формы и состоит из преддверия, трёх полукружных каналов и улитки. Перепончатый лабиринт состоит из сложной системы тончайших перепончатых образований, находящихся в костном лабиринте.
Все полости внутреннего уха заполнены жидкостью. Внутри перепончатого лабиринта - эндолимфа, а жидкость, омывающая перепончатый лабиринт снаружи - перелимфа и по составу схожа со спинно-мозговой жидкостью. Эндолимфа отличается от перелимфы (в ней больше ионов калия и меньше ионов натрия) - несёт положительный заряд по отношению к перелимфе.
Предверие - центральная часть костного лабиринта, которая сообщается со всеми его частями. Сзади от преддверия расположены три костных полукружных канала: верхний, задний и латеральный. Латеральный полукружный канал лежит горизонтально, два других - под прямым углом к нему. Каждый канал имеет расширенную часть - ампулу. Внутри его содержится перепончатая ампула, заполненная эндолимфой. При движении эндолимфы во время изменения положения головы в пространстве раздражаются нервные окончания. По волокнам нерва возбуждение передаётся в головной мозг.
Улитка представляет собой спиральную трубку, образующую два с половиной оборота вокруг конусовидного костного стержня. Она является центральной частью органа слуха. Внутри костного канала улитки располагается перепончатый лабиринт, или улитковый проток, к которому подходят окончания улитковой части восьмого черепного нерва Колебания перилимфы передаются эндолимфе улиткового протока и активизирует нервные окончания слуховой части восьмого черепного нерва.
Преддверно-улитковый нерв состоит из двух частей. Преддверная часть проводит нервные импульсы от преддверия и полукружных каналов к вестибулярным ядрам моста и продолговатого мозга и далее - к мозжечку. Улитковая часть передаёт информацию по волокнам, следующим от спирального (кортиева) органа к слуховым ядрам ствола и далее - через ряд переключений в подкорковых центрах - к коре верхнего отдела височной доли полушария большого мозга.
Механизм восприятия звуковых колебаний
Звуки возникают благодаря колебаниям воздуха и усиливаются в ушной раковиной. Затем звуковая волна проводится по наружному слуховому проходу к барабанной перепонке, вызывая её колебания. Вибрация барабанной перепонки передаётся на цепь слуховых косточек: молоточек, наковальню и стремя. Основание стремени при помощи эластичной связки фиксировано к окну преддверия, благодаря чему колебания передаются на перилимфу. В свою очередь, через перепончатую стенку улиткового протока эти колебания переходят на эндолимфу, перемещение которой вызывает раздражение рецепторных клеток спирального органа. Возникающий при этом нервный импульс следует по волокнам улитковой части преддверно-улиткового нерва в головной мозг.
Перевод воспринимаемых органом слуха звуков как приятных и неприятных ощущений осуществляется в головном мозге. Нерегулярные звуковые волны формируют ощущения шума, а регулярные, ритмичные волны воспринимаются как музыкальные тоны. Звуки распространяются со скоростью 343 км/с при температуре воздуха 15–16ºС.
ЭНЦИКЛОПЕДИЯ МЕДИЦИНЫ
ФИЗИОЛОГИЯ
Как ухо воспринимает звуки
Ухо - это орган, преобразующий звуковые волны в нервные импульсы, которые способен воспринимать мозг. Взаимодействуя друг с другом, элементы внутреннего уха дают
нам возможность различать звуки.
Анатомически делится на три части:
□ Наружное ухо - предназначено для направления звуковых волн во внутренние структуры уха. Оно состоит из ушной раковины, представляющей собой эластичный хрящ, покрытый кожей с подкожной клетчаткой, соединенный с кожей черепа и с наружным слуховым проходом - слуховой трубкой, покрытой ушной серой. Эта трубка заканчивается барабанной перепонкой.
□ Среднее ухо - полость, внутри которой находятся мелкие слуховые косточки (молоточек, наковальня, стремя) и сухожилия двух небольших мышц. Расположение стремени позволяет ему ударять по овальному окну, которое является входом в улитку.
□ Внутреннее ухо состоит:
■ из полукружных каналов костного лабиринта и преддверия лабиринта, которые являются частью вестибулярного аппарата;
■ из улитки - собственно органа слуха. Улитка внутреннего уха очень напоминает раковину живой улитки. В поперечном
сечении можно увидеть, что она состоит из трех продольных частей: барабанной лестницы, вестибулярной лестницы и канала улитки. Все три структуры заполнены жидкостью. В канале улитки находится спиральный кортиев орган. Он состоит из 23 500 чувствительных, снабженных волосками клеток, которые фактически улавливают звуковые волны и дальше через слуховой нерв передают их в головной мозг.
Анатомия уха
Наружное ухо
Состоит из ушной раковины и наружного слухового прохода.
Среднее ухо
Содержит три мелкие косточки: молоточек, наковальню и стремя.
Внутреннее ухо
Содержит полукружные каналы костного лабиринта, преддверие лабиринта и улитку.
< Наружная, видимая часть уха называется ушной раковиной. Она служит для передачи звуковых волн в слуховой канал, а оттуда в среднее и внутреннее ухо.
А Наружное, среднее и внутреннее ухо играют важную роль в проведении и передаче звука из внешней среды в головной мозг.
Что такое звукГ
Звук распространяется в атмосфере, перемещаясь из области высокого давления в область низкого.
Звуковая волна
с большей частотой (голубая) соответствует высокому звуку. Зеленым обозначен низкий звук.
Большинство звуков, которые мы слышим, представляют собой комбинацию звуковых волн различной частоты и амплитуды.
Звук - это вид энергии; звуковая энергия передается в атмосфере в виде колебаний молекул воздуха. При отсутствии молекулярной среды (воздушной или какой-либо иной) звук не может распространяться.
ДВИЖЕНИЕ МОЛЕКУЛ В атмосфере, в которой распространяется звук, имеются области высокого давления, в которых молекулы воздуха располагаются ближе друг к другу. Они чередуются с областями низкого давления, где молекулы воздуха находятся на большем расстоянии друг от друга.
Некоторые молекулы при столкновении с соседними передают им свою энергию. Создается волна, которая может распространяться на большие расстояния.
Таким образом происходит передача звуковой энергии.
Когда волны высокого и низкого давления распределяются равномерно, считается, что тон чистый. Такую звуковую волну создает камертон.
Звуковые волны, возникающие при воспроизведении речи, распределяются неравномерно и являются комбинированными.
ВЫСОТА И АМПЛИТУДА Высота звука определяется частотой колебания звуковой волны. Она измеряется в герцах (Гц).Чем больше частота, тем выше звук. Громкость звука определяется амплитудой колебаний звуковой волны. Человеческое ухо воспринимает звуки, частота которых находится в диапазоне от 20 до 20 ООО Гц.
< Полный диапазон слышимости человека составляет от 20 до 20 ООО Гц. Человеческое ухо может дифференцировать примерно 400 ООО различных звуков.
Эти две волы иие-ют од>*«коеую часто- 1 ту, но разную a^vviy-ду (вогна голубого цвета соответствует более громкому звуку).
Содержание статьи
СЛУХ, способность воспринимать звуки. Слух зависит от: 1) уха – наружного, среднего и внутреннего, – которое воспринимает звуковые колебания; 2) слухового нерва, передающего полученные от уха сигналы; 3) определенных отделов головного мозга (слуховых центров), в которых импульсы, переданные слуховыми нервами, вызывают осознание исходных звуковых сигналов.
Любой источник звука – струна скрипки, по которой провели смычком, столб воздуха, движущийся в органной трубе, или голосовые связки говорящего человека – вызывает колебания окружающего воздуха: сначала мгновенное сжатие, потом мгновенное разрежение. Другими словами, из каждого источника звука исходят серии чередующихся волн повышенного и пониженного давления, которые быстро распространяются в воздухе. Этот движущийся поток волн и образует звук, воспринимаемый органами слуха.
Большинство звуков, с которыми мы сталкиваемся каждый день, довольно сложны. Они порождаются сложными колебательным движениями источника звука, создающими целый комплекс звуковых волн. В экспериментах по исследованию слуха стараются выбрать как можно более простые звуковые сигналы, чтобы легче было оценить результаты. Много усилий тратится на то, чтобы обеспечить простые периодические колебания источника звука (по типу маятника). Получающийся в результате поток звуковых волн одной частоты называется чистым тоном; он представляет собой регулярную, плавную смену высокого и низкого давления.
Границы слухового восприятия.
Описанный «идеальный» источник звука можно заставить колебаться быстро или медленно. Это позволяет выяснить один из главных вопросов, возникающих при исследовании слуха, а именно какова минимальная и максимальная частота колебаний, воспринимаемых человеческим ухом как звук. Эксперименты показали следующее. Когда колебания совершаются очень медленно, реже 20 полных колебательных циклов в секунду (20 Гц), каждая звуковая волна слышится отдельно и не образует непрерывный тон. С увеличением частоты колебаний человек начинает слышать непрерывный низкий тон, похожий на звук самой низкой басовой трубы органа. По мере дальнейшего возрастания частоты воспринимаемый тон становится все выше; при частоте 1000 Гц он напоминает верхнее до у сопрано. Однако и эта нота все еще далека от верхней границы человеческого слуха. Только когда частота приближается примерно к 20 000 Гц, нормальное человеческое ухо постепенно перестает слышать.
Чувствительность уха к звуковым колебаниям различных частот неодинакова. Оно особенно тонко реагирует на колебания средних частот (от 1000 до 4000 Гц). Здесь чувствительность так велика, что сколько-нибудь 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 воспринимаемого диапазона частот звук, чтобы быть услышанным, должен быть очень сильным, настолько сильным, что иногда ощущается физически прежде, чем слышится.
Звук и его восприятие.
Чистый тон имеет две независимых характеристики: 1) частоту и 2) силу, или интенсивность. Частота измеряется в герцах, т.е. определяется количеством полных колебательных циклов в секунду. Интенсивность измеряется величиной пульсирующего давления звуковых волн на любую встречную поверхность и обычно выражается в относительных, логарифмических единицах – децибелах (дБ). Необходимо помнить, что понятия частоты и интенсивности применимы только к звуку как внешнему физическому раздражителю; это т.н. акустические характеристики звука. Когда мы говорим о восприятии, т.е. о физиологическом процессе, звук оценивается как высокий или низкий, а его сила воспринимается как громкость. В целом, высота – субъективная характеристика звука – тесно связана с его частотой; звуки высокой частоты воспринимаются как высокие. Также, обобщая, можно сказать, что воспринимаемая громкость зависит от силы звука: более интенсивные звуки мы слышим как более громкие. Эти соотношения, однако, не являются неизменными и абсолютными, как часто считается. На восприятие высоты звука в некоторой степени влияет его сила, а на воспринимаемую громкость – частота. Таким образом, изменив частоту звука, можно избежать изменения воспринимаемой высоты, соответствующим образом варьируя его силу.
«Минимальная заметная разница».
И с практической, и с теоретической точки зрения определение минимальной улавливаемой ухом разницы в частоте и силе звука – весьма важная проблема. Как надо изменить частоту и силу звуковых сигналов, чтобы слушающий это заметил? Выяснилось, что минимальная заметная разница определяется скорее относительным изменением характеристик звука, нежели абсолютными изменениями. Это касается и частоты, и силы звука.
Необходимое для различения относительное изменение частоты различно как для звуков разных частот, так и для звуков одной частоты, но разной силы. Можно сказать, однако, что приблизительно оно равно 0,5% в широком диапазоне частот от 1000 до 12 000 Гц. Этот процент (т.н. порог различения) несколько выше в области более высоких частот и значительно выше при более низких. Следовательно, ухо менее чувствительно к изменению частоты по краям диапазона частот, чем при средних значениях, и это часто замечают все, кто играет на рояле; интервал между двумя очень высокими или очень низкими нотами кажется меньше, чем у нот в среднем диапазоне.
Минимальная заметная разница в том, что касается силы звука, несколько другая. Для различения требуется довольно большое, около 10%, изменение давления звуковых волн (т.е. около 1 дБ), и эта величина относительно постоянна для звуков почти любой частоты и интенсивности. Однако, когда интенсивность раздражителя низка, минимальная заметная разница значительно увеличивается, особенно для тонов низких частот.
Обертоны в ухе.
Характерное свойство почти любого источника звука – то, что он не только производит простые периодические колебания (чистый тон), но совершает и сложные колебательные движения, которые дают несколько чистых тонов одновременно. Обычно такой сложный тон состоит из гармонических рядов (гармоник), т.е. из самой низкой, основной, частоты плюс обертоны, частоты которых превосходят основную в целое число раз (2, 3, 4 и т.д.). Таким образом, объект, колеблющийся с основной частотой 500 Гц, может также производить обертоны 1000, 1500, 2000 Гц и т.д. Человеческое ухо в ответ на звуковой сигнал ведет себя сходным образом. Анатомические особенности уха обеспечивают много возможностей для превращения энергии входящего чистого тона, хотя бы частично, в обертоны. А значит, даже когда источник дает чистый тон, внимательный слушатель может услышать не только основной тон, но и едва воспринимаемые один или два обертона.
Взаимодействие двух тонов.
Когда два чистых тона воспринимаются ухом одновременно, могут наблюдаться следующие варианты их совместного действия, зависящие от природы самих тонов. Они могут маскировать друг друга, взаимно уменьшая громкость. Это чаще всего происходит, когда тоны не сильно различаются по частоте. Два тона могут соединяться друг с другом. При этом мы слышим звуки, соответствующие либо разнице частот между ними, либо сумме их частот. Когда два тона очень близки по частоте, мы слышим единый тон, высота которого примерно соответствует данной частоте. Этот тон, однако, становится то громче, то тише, поскольку два слегка несовпадающих акустических сигнала непрерывно взаимодействуют, то усиливая, то гася друг друга.
Тембр.
Объективно говоря, одни и те же сложные тоны могут различаться по степени сложности, т.е. по составу и интенсивности обертонов. Субъективной характеристикой восприятия, в целом отражающей особенность звука, является тембр. Таким образом, ощущения, вызванные сложным тоном, характеризуются не только определенной высотой и громкостью, но и тембром. Некоторые звуки кажутся богатыми и полными, другие – нет. Благодаря прежде всего различиям в тембре мы среди множества звуков узнаем голоса различных инструментов. Ноту ля, взятую на рояле, легко отличить от той же ноты, сыгранной на рожке. Если, однако, умудриться отфильтровать и заглушить обертоны каждого инструмента, эти ноты нельзя будет различить.
Локализация звуков.
Человеческое ухо не только различает звуки и их источники; оба уха, работая вместе, способны довольно точно определять направление, откуда идет звук. Поскольку уши расположены с противоположных сторон головы, звуковые волны от источника звука достигают их не совсем одновременно и воздействуют с несколько разной силой. За счет минимальной разницы во времени и силе мозг довольно точно определяет направление источника звука. Если источник звука находится строго спереди, то мозг локализует его вдоль горизонтальной оси с точностью до нескольких градусов. Если источник смещен в одну из сторон, точность локализации чуть-чуть меньше. Отличить звук сзади от звука спереди, а также локализовать его вдоль вертикальной оси оказывается несколько труднее.
Шум
часто описывают как атональный звук, т.е. состоящий из различных. не связанных между собою частот и потому не повторяющий достаточно последовательно такого чередования волн высокого и низкого давления, чтобы получалась какая-то определенная частота. Однако фактически почти любой «шум» имеет свою высоту, в чем нетрудно убедиться, слушая и сравнивая обычные шумы. С другой стороны, любой «тон» имеет элементы шероховатости. Поэтому различия между шумом и тоном трудно определить в этих терминах. В настоящее время наблюдается тенденция определять шум скорее психологически, чем акустически, называя шумом просто нежелательный звук. Уменьшение шума в этом смысле стало насущной современной проблемой. Хотя постоянный сильный шум, без сомнения, приводит к глухоте, а работа в условиях шума вызывает временный стресс, все же он оказывает, вероятно, менее длительный и сильный эффект, чем ему иногда приписывают.
Аномальный слух и слух животных.
Естественным стимулом для человеческого уха является звук, распространяющийся в воздухе, однако на ухо можно воздействовать и другими способами. Всем, например, хорошо известно, что звук слышен под водой. Также, если приложить источник колебаний к костной части головы, за счет костной проводимости появляется ощущение звука. Это явление весьма полезно при некоторых формах глухоты: небольшой передатчик, приложенный непосредственно к сосцевидному отростку (части черепа, расположенной сразу за ухом), позволяет больному слышать звуки, усиливаемые передатчиком, через кости черепа за счет костной проводимости.
Конечно же, слухом обладают не только люди. Способность слышать возникает на ранних ступенях эволюции и существует уже у насекомых. Разные виды животных воспринимают звуки различных частот. Одни слышат меньший, чем человек, диапазон звуков, другие – больший. Хороший пример – собака, чье ухо чувствительно к частотам за пределами человеческого слуха. Одно из применений этого – производство свистков, звук которых не слышен человеку, но достаточен для собаки.
Органы слуха дают возможность человеку слышать и анализировать информацию, различать множество звуков. Эти функции заложены природой, от них зависит коммуникация и безопасность. Информация, воспринимаемая органом слуха, составляет 30% от общих данных, которые человек получает из внешнего мира. Какие особенности слуха человека и пределы звукового восприятия рассмотрим в статье.
Уникальность слуха человека
В настоящее время люди воспринимают данные преимущественно с помощью зрения, при этом способность слышать все равно остается необходимым аспектом жизнедеятельности.
Слух человека – это способность получать звуковую информацию органами слуха. Акустическое восприятие является одним из 5 биологических чувств человека. Наш вестибулярно-слуховой орган не только фиксирует звуковые волны, но и отвечает за равновесие тела в пространстве. Ученые сегодня могут без труда измерять частоту и диапазон звуковых импульсов, при этом до сих пор непросто объяснить, как полученная информация отображается в головном мозге.
Орган слуха является очень высокочувствительным и эффективным в исполнении своих функций. При этом природа, позаботилась о мере чувствительности, если бы она была еще выше, человек воспринимал бы еще больше звуков и слышал сплошное шипение и смешанные шумы. Поэтому в увеличении восприимчивости слуховых органов к звуковому влиянию нет никакой необходимости.
Уши практически не утомляются при том, что они все время выполняют свои функции. Восстановление после небольших нагрузок у здорового человека происходит через несколько минут. Оба уха взаимосвязаны, если утомляется одно, то временное снижение слуховых функций происходит и в другом.
О слухе важно знать, что при нормальной его остроте, человеческое ухо воспринимает шепот с 6–7 м. Замечено, что с возрастом происходит ухудшение слуховой функции. Пиком острого слуха считают возраст от 12 до 20 лет. Уже с наступлением 20-летнего возраста, человек незаметно для себя начинает слышать хуже. Это объясняется тем, что со временем отмирают специальные рецепторы, которые воспринимают звуковые колебания и преобразовывают их в нервные импульсы.
Выполнение простых правил гигиены слуха, регулярное прохождение профилактических обследований и своевременное лечение ЛОР-заболеваний, уменьшают риск раннего снижения его остроты.
Механизм звукового восприятия
Предполагается, что звук – это явление физической природы, который представляет собой непрекращающийся сигнал, транслирующий информацию.
Механизм его восприятия в ушах довольно сложный и представляет собой следующие этапы:
- Звуковой импульс проходит в слуховой проход и стимулирует колебания барабанной перепонки.
- Давление звука провоцирует вибрирующие движения барабанной перепонки.
- Возникающие колебания проникают в улитку.
- Жидкость, которая присутствует в улитке, поддается колебаниям, вследствие чего волосковые клетки начинают двигаться.
- Волосковые клетки производят электросигналы, которые влияют на слуховой нерв.
- Через слуховой нерв сигнал попадает в головной мозг.
Все звуки, воспринимаемые человеком, отличаются громкостью, тональностью и частотой. Громкость сигнала напрямую зависит от расстояния между органом слуха и объектом, который издает звуковой импульс.
Скорость вибрации предмета, который издает звук, обусловливает частоту звучания. На уровень тональности влияют присутствующие в звуковом сигнале обертоны, точнее, их количество и сила.
Мы можем слышать различные звуки, так как они производят разные колебания, соответственно, в мозг поступают различные импульсы.
Кроме того, человек, воспринимающий звуковые сообщения, без проблем может установить, откуда поступает сигнал. Это объясняется тем, что колебания воздуха попадают сначала в одно ухо, а затем в другое, с разницей в тысячную долю секунды. Такая последовательность дает возможность ориентироваться, с какой стороны поступает звук.
Пределы восприятия звука
Известно, что частотный диапазон слуха человека колеблется в интервале 16–20 000 Гц. Верхняя граница с возрастом снижается. Некоторыми людьми улавливаются частоты до 24 000 Гц, что является редкостью. Интересно, что животные способны улавливать более высокочастотные звуковые колебания, так собаки могут слышать сигналы с частотой до 38 000 Гц, кошки – до 70 000 Гц.
Звуковые волны ниже 60 Гц человек может воспринимать только на уровне вибраций, колебания меньше 16 Гц (инфразвуки) не улавливаются. Они могут негативно влиять на состояние нервной и эндокринной систем, внутренних органов. Инфразвуки генерируются во время природных явлений (землетрясения, бури, ураганы, др.). Также они могут появляться вследствие работы крупного оборудования (турбины, плотины, генераторы, печи, др.).
Если частота выше 20000 Гц – это уже ультразвук, который не представляет угрозы для человека, с его помощью передают между собой информацию некоторые животные. Если сравнить, человеческая речь соответствует отметке в 300–4000 Гц.
Кроме того, существует деление диапазона на звуки низких частот – до 500 Гц, средних 500–1000 Гц и высоких – выше 10000 Гц.
На способность человека различать частоты влияют многие факторы:
- Возраст.
- Заболевания слухового аппарата.
- Усталость.
- Уровень тренированности слуха.
Восприятие звука во многом зависит от уровней громкости, его измеряют в децибелах (дБ):
- 0 дБ (нижняя граница) – ничего не слышно.
- 25–30 дБ – шепот человека.
- 40–45 дБ – обычный разговор.
- 100 дБ – оркестр, вагон метро, максимально допустимая громкость наушников.
- 120 дБ – отбойный молоток.
- 130 дБ – наступает болевой порог и контузии (самолет на старте).
- 150 дБ – травмы (старт ракеты).
- Если давление звука выше 160 дБ – возможен разрыв барабанной перепонки и легких.
- После достижения отметки в 200 дБ наступает смерть (шумовое оружие).
Редкое непродолжительное повышение давления звука до 120 дБ не вызовет негативных последствий, но, если человеческий слух будет подвергаться частым и долговременным воздействиям громкостью выше 80 дБ, наступит ухудшение или даже частичная потеря слуховой функции.
Следует защищать уши, использовать средства индивидуальной защиты (вкладыши, наушники, шлемы), если вы работаете на шумном производстве, часто бываете на охоте, занимаетесь стрельбой или используете электроинструменты (перфоратор, дрель, отбойный молоток, др.).
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 :
.
