Слуховая сенсорная система

Функция слуховой системы состоит в формировании слуховых ощущений человека в ответ на действие звуковых волн, представляющих собой распро­страняющиеся колебания молекул воздуха (упругой среды). Перифериче­ская часть слуховой системы включает наружное, среднее и внутреннее ухо, в котором расположены слуховые рецепторы. Ее центральную часть образу­ют проводящие пути, переключательные ядра и слуховая кора, расположенная в обоих полушариях в глубине латеральной борозды, отделяющей височную долю от лобной и передних отделов теменной доли (поля 41 и 42).

17.4.1. Психофизические характеристики звуковых сигналов

Звуковые волны представляют собой передаваемые от источника звука ме­ханические смещения молекул воздуха (или иной упругой среды). Ско­рость распространения звуковых волн в воздухе около 343 м/с при 20 °C (в воде и металлах она значительно выше). Правильно чередующиеся участки сжатия и разрежения молекул упругой среды можно представить в виде си­нусоид, которые различаются частотой и амплитудой. При суперпозиции звуковых волн с различными частотами и амплитудами они наслаиваются друг на друга, образуя комплексные волны. Физическим понятиям амплиту­ды, частоты и комплексности соответствуют ощущения громкости, высоты и тембра звука (рис. 17.12). Звук, образованный синусоидальными колеба­ниями только одной частоты, вызывает ощущение определенной его высоты и определяется как тон. Комплексные тоны состоят из основного тона (самая низкая частота колебаний) и определяющих тембр обертонов, или гармоник, представляющих более высокие частоты, кратные основной. В повседневной жизни тоны всегда бывают комплексными, т. е. состав­ленными из нескольких синусоид. Индивидуальное сочетание комплекс­ных волн определяет характерный тембр человеческого голоса или музы­кального инструмента. Слуховая система человека способна различать вы­соту звука лишь у периодических звуковых сигналов, тогда как звуковые раздражители, состоящие из беспорядочного сочетания частотных и ам­плитудных компонентов, воспринимаются как шум.

t

Ощущение

Громкость

Физический   ;

параметр       I

I I

1

I

)

Амплитуда!

I

I

Частота |

I I I I

Низко                         Высоко

Чистый ■ Комплексный тон                      тон

1 I

Рис. 17.12. Соотношение физических параметров звуковых раздражителей с субъек­тивными ощущениями человека.

Уменьшение амплитуды звуковых волн субъективно воспринимается как уменьшение громко­сти звука. Увеличение частоты звуковых волн субъективно оценивается как повышение высо­ты звука. Комплексные звуковые волны, образованные суперпозицией нескольких волн, фор­мируют субъективное восприятие тембра звука.

17.4.1.1.Диапазон частотного восприятия

Дети воспринимают звуковые волны в диапазоне от 16 до 20 000 Гц, но приблизительно с 15—20 лет диапазон частотного восприятия начинает су­живаться в связи с утратой чувствительности слуховой системы к самым высоким звукам. В норме независимо от возраста человек легче всего вос­принимает звуковые волны в диапазоне от 100 до 2000 Гц, что имеет для него особенное значение, поскольку человеческая речь и звучание музы­кальных инструментов обеспечиваются передачей звуковых волн именно в этом диапазоне (табл. 17.2).

Чувствительность слуховой системы к минимальному изменению высо­ты звука определяется как разностный порог частоты. В оптимальном для восприятия частотном диапазоне, приближающемся к 1000 Гц, порог раз­личения частот составляет около 3 Гц. Это значит, что изменение частоты звуковых волн на 3 Гц в большую или меньшую сторону человек замечает как повышение или понижение звука.

Таблица 17.2. Частотная и волновая характеристики некоторых источников звука

Источники звука	Частота (Гц)	Длина волны (м)
Нижняя нота рояля	27,5	12,4
Низкий певческий бас	80	2,7
Нота «ля» для настройки	440	78 • 10“
Высокий тенор	500	69 • 10’2
х Альт	650	53 • 10’2
Верхнее «до»	1048	33 • 10’2
Колоратурное сопрано	1350	25 • 10’2
Самая высокая нота рояля	4186	8,2 • 1СГ2

 

17.4.1.2. Громкость звука

Амплитуда звуковых волн определяет величину звукового давления, под ко­торым понимают силу сжатия, действующую на перпендикулярно располо­женную к ней площадь. Акустическим эталоном, близким к абсолютному порогу слухового восприятия, принято считать 2 • 10^-5 Н/м², а сравнитель-

Таблица 17.3. Интенсивность некоторых источников звука

Интенсив­ность (Вт/м2)	Уровень интен­сивности (дБ)	Качественная субъ­ективная оценка	Источник звука
10-“	10	Едва слышно	Спокойное дыхание
Ю-ю	20	Очень тихо	Шелест листвы
10"’	30	Тихо	Перелистывание книги
10“	40	Умеренно	Тихая контора
10“	50	Умеренно	Домашняя обстановка
кг6	60	Умеренно	Обычный разговор
10“!	70	Умеренно	Лектор
10"4	80	Шумно	Уличный транспорт
10“	90	Очень шумно	Близко идущий поезд
10“	100	Очень шумно	Пожарная сирена
кг1	110	Невыносимо	Взлет авиалайнера
10	120	Болевое ощущение	Разрыв артиллерийского снаряда

ной единицей измерения громкости, выражаемой в логарифмической шка­ле, служит децибел (дБ). Громкость измеряется в децибелах как 201g(P_x/P_o), где Р_х — действующее звуковое давление, а Р_о — эталонное давление. Также в децибелах принято измерять интенсивность различных источников звука, понимая под интенсивностью звука мощность или плотность звуковых волн в единицу времени. Принимая за эталонную интенсивность 10“¹² Вт/м² (1₀), количество децибел для измеряемой интенсивности (1_Х) определяют по фор­муле lOlgCVIJ. Интенсивность звука пропорциональна квадрату звукового давления, поэтому 101g(I_x/I_o) = 201g(P_x/P_o). Сравнительная характеристика интенсивности некоторых источников звука представлена в табл. 17.3.

Субъективно воспринимаемая громкость звучания зависит не только от уровня звукового давления, но и от частоты звукового стимула. Чувстви­тельность слуховой системы максимальна для раздражителей с частотами от 500 до 4000 Гц, при других частотах она снижается.

17.4.2. Периферическая часть слуховой системы

В наружном, среднем и внутреннем ухе происходят необходимые для слу­хового восприятия подготовительные процессы, смысл которых состоит в оптимизации параметров передаваемых звуковых колебаний при одновре­менном сохранении характера сигналов. Во внутреннем ухе происходит преобразование энергии звуковых волн в рецепторные потенциалы волос­ковых клеток.

17.4.2.1.Функция наружного уха

Движения ушных раковин млекопитающих в направлении источника звука помогают обнаружить его пространственное расположение, эта функция определяется как ототопика. Большинство людей не могут изменять поло­жение ушных раковин, а сохранность такой способности у человека квали­фицируется как атавизм. Функцию ототопики у человека выполняют рель­еф ушных раковин и их расположение на противоположных сторонах го­ловы, позволяющее различать поступление звука спереди или сзади. На­ружный слуховой проход ведет к барабанной перепонке, представляющей во­гнутую в полость среднего уха перегородку, которая приводится в колеба­ния распространяющимися звуковыми волнами. Ориентация коллагеновых волокон барабанной перепонки позволяет ей колебаться с частотой дейст­вующих звуковых волн относительно оси, расположенной вблизи ее верх­него края.

17.4.2.2. Функция среднего уха

Воздушная полость среднего уха соединяется евстахиевой трубой с носо­глоткой, что позволяет выравнивать давление в среднем ухе по атмосфер­ному давлению (соприкасающиеся стенки евстахиевой трубы раскрывают­ся при глотательных движениях). В полости среднего уха имеются три под­вижно сочлененные слуховые косточки (молоточек, наковальня и стремеч­ко), служащие для передачи колебаний от барабанной перепонки к оваль­ному окну, которое ведет в вестибулярную часть внутреннего уха. Рукоятка молоточка прикреплена к барабанной перепонке, а основание стремечка закрывает овальное окно, подвижную связь между ними обеспечивает на­ковальня (рис. 17.13).

Колебания барабанной перепонки сообщаются молоточку, рукоятка ко-