Слуховой аппарат человека

Уровни интенсивности некоторых звуков

Характер звука L, дБА

Нижний порог слышимости 0

Нормальное дыхание, сердечные тоны, слышимые в фонендо- 10–15

скопе

Разговор шепотом. Тиканье наручных часов 20–25

Перелистывание страниц газеты 35–40

Разговор нормальным голосом 50–60

Шум в салоне легкового автомобиля при скорости 50 км/ч 60–65

Громкий разговор 65–70

Шум в большой аудитории во время перерыва, внутри вагона 70–75

поезда

Речь лектора в большой аудитории на расстоянии 1 м. Зво- 80–85

нок телефона (1 м)

Шум внутри вагона метро, от тяжелого дизельного грузовика 85–90

на расстоянии 7 м от него

Мопед на расстоянии 5 м от него 95–100

Шум от авиамотора на расстоянии 10 м от него 105–110

Сильные раскаты грома 115–120

Болевой порог 130

Реактивный самолет при взлете на расстоянии 25 м от него 140

Орган слуха человека представляет собой сложную систему, элементы которой представлены на рис.

Рис. Строение слухового аппарата (а) и элементы органа слуха (б): 1 – ушная раковина, 2 – наружный слуховой проход, 3 – барабанная перепонка, 4 – молоточек, 5 – наковальня, 6 – стремечко, 7 – овальное окно, 8 – вестибулярная лестница, 9 – круглое окно. 10 – барабанная лестница, 11 – улитковый канал, 12 – основная (базилярная) мембрана

Наибольшего совершенства в процессе эволюции достигло ухо млекопитающих.

На рисунке приведена принципиальная схема уха человека и млекопитающих, на которой для упрощения отдельные элементы органа слуха изображены без учета их геометрического подобия. Ухо состоит из трех основных частей – наружного, среднего и внутреннего уха. Две первые части служат передаточным устройством для подведения звуковых колебаний к слуховому анализатору, находящемуся во внутреннем ухе. Это передаточное устройство превращает воздушные колебания с большой амплитудой скорости и малым давлением в колебания с малой амплитудой скорости и большим давлением.

Наружное ухо состоит из ушной раковины и наружного слухового прохода 2. Ушная раковина играет роль звукоулавливателя, концентрирующего звуковые волны на слуховом проходе, в результате чего звуковое давление на барабанную перепонку 3 увеличивается по сравнению с давлением во внешнем акустическом поле (у человека примерно в 3 раза). Наружный слуховой проход вместе с ушной раковиной можно сравнить с резонатором типа трубы. Собственная частота его колебаний несколько различна у разных людей и находится в области около 3 кГц. При совпадении частоты падающего звука с собственной частотой колебаний наружного уха (при резонансе) чувствительность уха максимальна.

Среднее ухо представляет собой своеобразный барабан (у человека объем его примерно 0,8 см³), который отделяется от наружного уха барабанной перепонкой толщиной 0,1–0,2 мм и площадью ~0,7 см². Барабанная перепонка – это воронкообразная мембрана с неравномерно натянутыми волокнами и вдавленная внутрь среднего уха. Такое ее строение обеспечивает почти полное отсутствие собственных колебаний и их быстрое затухание, что весьма существенно, так как собственные колебания перепонки создавали бы шумовой фон, который мешал бы слышать внешние звуки.

Среднее ухо сообщается с носоглоткой с помощью евстахиевой трубы, позволяющей поддерживать в среднем ухе давление, равное атмосферному, что предохраняет барабанную перепонку от чрезмерных растяжений.

Если бы звуковые волны из наружного уха непосредственно падали на овальное окно внутреннего уха, заполненного жидкостью, перилимфой, то энергия волны, прошедшей через мембрану овального окна 8, составляла бы всего 0,1 % первоначальной ее энергии из-за различия акустических сопротивлений воздуха и жидкости. Элементы среднего уха служат для того, чтобы свести к минимуму потери энергии звука, связанные с его отражением. В среднем ухе находятся три сочлененные между собой слуховые косточки, образующие систему рычагов. В соответствии со своей формой они получили названия молоточка 5, наковальни 6 и стремечка 7. Общая масса слуховых косточек очень мала (у человека 50 мг). Рукоятка молоточка жестко связана с барабанной перепонкой и колеблется вместе с ней. Молоточек шарнирно связан с наковальней, а последняя со стремечком, которое плоским основанием прикреплено к мембране овального окна, отделяющей среднее ухо от внутреннего. Система рычагов создает выигрыш в силе (у человека в 2,5 раза). Кроме того, площадь овального окна в 20–25 раз меньше площади барабанной перепонки. За счет этих двух факторов давление, создаваемое стремечком на перепонку овального окна, в 50–60 раз больше, чем давление звуковой волны на барабанную перепонку. Компенсация изменений давления во внутреннем ухе производится с помощью мембраны круглого окна 9.

Внутреннее ухо представляет собой замкнутую полость в височной части черепа. Эта полость, называемая лабиринтом, имеет сложную форму, заполнена жидкостью – перилимфой и состоит из двух основных частей: улитки, содержащей звуковоспринимающий аппарат, и преддверия с полукружными канальцами, которые относятся к вестибулярному аппарату, обеспечивающему равновесие животного в поле силы тяжести.

Улитка представляет собой спиралеобразный канал в твердой части костной ткани с определенным числом завитков. Для упрощения (рис. а) улитка изображена в выпрямленном виде как цилиндрический канал. Число завитков у человека– 2,5. Улитка распределяется на три канала: вестибулярный 10, барабанный 13 и улиточный 14. Вестибулярный и барабанный каналы сообщаются между собой маленьким отверстием – геликотремой 15 и заполнены жидкостью, перилимфой. Акустическое давление, создаваемое стремечком, передается через мембрану овального окна перилимфе. В ней возникает волна, которая огибает перегородку улитки, доходит до круглого окна, прогибает его и рассеивается через носоглотку в окружающем пространстве.

Основная мембрана 11 состоит из нескольких тысяч волокон, натянутых поперек улитки. Волокна слабо связаны друг с другом и могут колебаться независимо. Когда в перилимфе возникает волна, она создает резонансные колебания волокон основной мембраны. При низких частотах резонируют длинные (до 0,5 мм) слабо натянутые волокна на дальнем конце мембраны, а при высокочастотных звуках – короткие (около 0,04 мм) сильно натянутые волокна на участках мембраны, расположенных ближе к овальному окну (рис. в). Это позволяет выделять из сложного звука тоны различной частоты. Таким образом, основная мембрана напоминает струнную систему рояля с большим количеством струн разной длины, резонирующих на звук, частота которого совпадает с частотой, определяемой длиной струны. Если рядом с роялем произнести сильный короткий звук,- то начинают резонировать струны, собственные частоты которых соответствуют частотам в спектре этого звука. Каждое волокно основной мембраны является своеобразной струной, настроенной на определенный тон, причем резонансная частота каждого из волокон определяется не только его длиной, но и массой эндолимфы, колеблющейся вместе с волокном. Таким образом, с физической точки зрения звуковоспринимающий орган уха представляет собой набор резонаторов. На это впервые обратил внимание в конце прошлого века Гельмгольц, и разработанная им теория слухового восприятия получила название резонансной. В дальнейшем структура и механизм действия внутреннего уха были подробно исследованы Г. Бекеши, который за эти работы в 1961 г. был удостоен Нобелевской премии. Согласно Бекеши, волокна основной мембраны не натянуты, а акустическое давление вызывает изгиб мембраны, причем максимум изгиба приходится на разные точки мембраны в зависимости от частоты звука.

Перегородка улитки состоит из основной мембраны и мембраны Рейснера 12, пространство между которыми заполнено другой жидкостью – эндолимфой (рис. б). Преобразование механических колебаний в электрические сигналы происходит в органе Корти 16, размещенном над верхней частью основной мембраны и содержащем примерно 24 000 волосковых клеток, к которым подходят разветвления слухового нерва. Над органом Корти расположена текториальная мембрана 17. Волоски органа Корти почти пронизывают поверхность этой мембраны. Когда в каком-то участке основной мембраны возникает резонансная деформация, волоски изгибаются, в них возникают механические напряжения, которые ведут к появлению электрического импульса. Закодированные в органе Корти электрические сигналы поступают в центральную нервную систему. Природа этого кода пока неизвестна, и его расшифровкой занимаются акустические лаборатории во многих странах мира, поскольку только расшифровав акустический код, мы сможем понять природу звукового ощущения.

Восприятие звука возможно даже при поврежденной барабанной перепонке и системе среднего уха. Кость хорошо проводит звук, и распространяющаяся в ней звуковая волна может привести в движение основную мембрану. Поэтому если орган Корти не поврежден, то глухие могут, хотя и слабо, слышать громкие звуки, передающиеся во внутреннее ухо через костную систему скелета. Этим явлением пользуются при конструировании слуховых аппаратов, в которых колебания воздуха усиливаются микрофоном и электрическим усилителем и преобразуются в механические колебания слухового устройства (трубки, дужки очков), передающиеся затем внутреннему уху через кости черепа.

Следует отметить, что многие вопросы биофизики уха остаются еще открытыми. Например, неясна с физической точки зрения исключительно высокая чувствительность уха, так как на пороге слышимости смещение барабанной перепонки составляет всего 10^–11 м, что меньше диаметра атома водорода. При столь малых смещениях энергия барабанной перепонки так мала, что непонятно, как она может приводить в движение сравнительно массивный аппарат среднего и внутреннего уха. В связи с этим имеется предположение, что колебания барабанной перепонки служат всего лишь пусковым механизмом, включающим существующие в ухе внутренние, пока еще неизвестные нам источники энергии.

Человеческое ухо как психофизическое устройство поражает своим совершенством. Помимо исключительной чувствительности, оно воспринимает колебания, различающиеся по мощности в 10¹³ раз, т. е. от комариного писка до рева реактивного двигателя. Человек в состоянии отличать звук с частотой, например, 1000 Гц от звука с частотой 1001 Гц, определять, какие тоны входят в состав сложного звука. Дирижер оркестра, насчитывающего десятки инструментов, может контролировать звучание каждого инструмента на фоне остальных. Опыты показывают, что человек с нормальным слухом может выделить интересующее его сообщение на фоне семи других, передаваемых одновременно с равной громкостью. Восприятие ультразвука у млекопитающих и птиц – обычное явление (табл.).