11. элементы физиологической акустики

11. Элементы физиологической акустики
11.1. Ухо как акустический приёмник
Свойствами субъективного восприятия человеческим органом слуха акустических полей
определяется, в частности, круг требований, предъявляемых к широкому классу современной телекоммуникационной, воспроизводящей, записывающей, передающей и приёмной
аппаратуре. Практически все транспортные средства и строительные конструкции в обязательном порядке должны учитывать особенности человеческого слуха, а если этого не происходит, или происходит не с должным вниманием, то влияние таких конструкций и устройств на человеческий организм негативно. Кстати, одно из основных законодательных
препятствий полётов гражданских самолётов в европейские страны заключается в превышении уровня акустических шумов, создаваемых ими при взлёте и посадке. Это же относится и
к отечественным автомобилям.
Серьёзные анатомические исследования органов человеческого слуха начались относительно недавно, не многим более 100 лет назад под эгидой «психофизиологии восприятия».
Основная суть этих исследований сводится к получению количественных параметров реакций человека на звуковые раздражители. Знание тонких свойств слуха необходимо для понимания того, какие составляющие звуков являются информативными.
Устройство органа слуха человека показано на рис. 11.1. Оно состоит из трёх функциональных частей: наружного уха, среднего уха и внутреннего уха.
Наружное ухо состоит из ушной раковины и слухового канала, соединяющего её с барабанной перепонкой.
Рис. 11.1. Орган слуха человека [23]
199
К настоящему времени установлено, что ушная раковина выполняет в основном функции по определению направления на источник звука. Однако, до конца не ясно, какими физическими и физиологическими причинами обусловлена форма ушной раковины. Установлено, что слуховой канал, помимо защитных функций внутреннего уха, является своеобразным резонатором. Резонансные частоты слухового канала лежат в интервале 1000 − 5500 Гц,
что определяет диапазон максимальной частотной чувствительности слуха.
Слуховой канал заканчивается барабанной перепонкой, представляющей собой мембрану, которая является, по сути, чувствительным элементом уха, потому что приходит в колебательное состояние при падении на неё акустических волн.
Среднее ухо представляет собой канал, расположенный в височной кости, в котором находятся, связанные друг с другом, три небольшие косточки: молоточек, наковальня и стремя
(рис. 11.2). Рукоятка молоточка находится в акустическом контакте с барабанной перепонкой, а головка молоточка соприкасается с наковальней, которая соединена со стременем.
Рис. 11.2. Внутренне ухо [27]
Стремя, в свою очередь, контактирует с овальным окном, которым начинается внутреннее ухо. Среднее ухо можно рассматривать как концентратор акустической энергии, падающей на ушную раковину. Система косточек помимо функций передачи колебаний, исполняют роль трансформатора. Во-первых, акустическое давление, приходящееся на относительно
большую по площади барабанную перепонку, трансформируется таким образом, что, в конечном счете, передаётся стременем на существенно меньшую площадь овальной поверхности окна, что увеличивает значение эффективных сил. Площадь овального окна примерно в
10 − 30 раз меньше площади барабанной перепонки, поэтому и давление на него во столько
же раз больше. Во-вторых, система «молоточек − наковальня − стремя» работают наподобие
механического рычага, примерно, в три раза увеличивая мощность колебаний. Таким образом «конструкция» среднего уха обеспечивает увеличение давления почти на два порядка
(примерно в ≅ 90 раз).
Поднятие уровня давления необходимо потому, что дальнейшее распространение волн
происходит в жидкости. По сути, увеличение давления компенсирует эффекты отражения на
границе сред с различными акустическими сопротивлениями. Среде ухо, наряду с уже упомянутыми функциями, выполняет предохранительную роль. Дело в том, что все три косточки снабжены микро мышцами. В обычном режиме колебания, практически, непосредствен-
200
но передаются по рассмотренной схеме, при высоких значениях акустического давления
(взлетающий реактивный самолёт, дискотека) под действием микро мышц ось вращения
стремени смещается, уменьшая тем самым силу давления на овальное окно. Если уровень
шума продолжает возрастать, то мышцы барабанной перепонки сообщают её большее натяжение, понижая тем самым, чувствительность. Если человек длительное время находится в
области интенсивных или сверх интенсивных акустических полей, то защитные функции
среднего уха слабеют, что чревато частичной, временной или полной потерей слуха.
Следует заметить, что процессы, протекающие в наружном и среднем ухе, можно считать в достаточной степени изученными, чего нельзя сказать о дальнейшем ходе акустических событий во внутреннем ухе. От овального окна акустические волны распространяются
в жидкой среде (перилимфе), которой заполнена улитка. Улитка практически по всей длине
разделена барабанной лестницей на две части (рис. 11.3).
Рис. 11.3. Полость улитки [27]
Звуковые волны, попавшие на овальное окно, доходят до перегородки, огибают её и далее распространяются почти к тому же месту, где они впервые коснулись перегородки, но
уже с другой её стороны. В конце концов, волны рассеиваются круглым окошечком улитки.
Перегородка улитки имеет переменное сечение, она более натянута в области овального
окошечка и «прослаблена» к хвостовой части. Кстати, за исследования акустических свойств
улитки Георг фон Бекеши из Будапешта в 1961г. был удостоен Нобелевской премии [23].
Бекеши исследовал структурные особенности и механизм взаимодействия среднего и внутреннего уха. Учёным было показано, что акустическими колебаниями на поверхности основной мембраны создаётся волнообразная рябь, причём гребни волн определённых частот
лежат в определённых участках мембраны. Волны с малыми длинами волн (высокочастотные колебания) создают максимум в более тонких областях мембраны с большим натяжением, т.е. вблизи овального окна. Низкочастотные волны группируются в хвостовой части
улитки, где мембрана более «дряблая» и утолщённая. Такое устройство улитки позволяет на
качественном уровне объяснить, каким образом человек различает отдельные частоты.
Таинство превращения акустических волн, в то, что мы чувствуем как речь, музыку или
шум происходит в органе Корти, находящемся над верхней частью основной мембраны и
представляющем собой набор из 23500 «мясистых» ячеек, расположенных в четыре рада по
его длине (рис. 11.4). Над органом Корти находится текториальная мембрана, которая, так
же как и орган Корти погружена в жидкость, именуемую физиологами эндолимфой. Эти два
органа внутреннего уха отделены от остального содержания улитки мембраной Райсснера.
Внутри органа Корти имеются волоски, которые, практически, пронизывают поверхность
текториальной мембраны. Основная мембрана, на которой расположен орган Корти, вместе
с волосистыми ячейками шарнирно подвешен на текториальной мембране.
Деформация основной мембраны вызывает изгибы волосков, которые соединяют две
мембраны. Вследствие изгиба волосков, как предполагают учёные, «включаются» электрохимические реакции в клетках, которые вырабатывают электрические импульсы.
201
Рис. 11.4. Поперечный разрез органа Корти [27]
Следует подчеркнуть, всё что касается «акустической» стороны функционирования органа слуха, в большей или меньшей степени выяснено. В прошлом веке даже была предпринята достаточно удачная попытка моделирования уха, как акустического приёмника. А вот,
что касается преобразования «акустики» в «электричество» − тёмный лес. Наука о человеческом организме с позиций его физического устройства находится на дальних подступах к
пониманию сути происходящего. Для физиологов оказалось вполне достаточным выяснить,
что орган Корти играет роль электродинамического преобразователя, каковым является, например, микрофон. Но в основе принципа действия микрофона, лежит закон электромагнитной индукции Майкла Фарадея. В простейшем случае катушка, соединённая с мембраной,
под воздействием акустического переменного давления перемещается в кольцевом зазоре
постоянного магнита. В катушке возникает ЭДС индукции, которую далее усиливают, ещё
раз преобразуют, теперь уже обратно в более мощный акустический сигнал. Исключая нюансы, которые присутствуют в любой отрасли человеческих знаний, основные принципы
электродинамических преобразований установлены. Что же касается органов слуха, сотворённых природой за миллионы лет усовершенствований, то тут приходится ограничиваться
общими фразами. Известно, что внутренние клетки в виде волосков генерируют электрические импульсы, которые каким-то образом в нашем мозге воспринимаются либо как милые
нашему существу голоса и мелодии или − «как железом по стеклу». Сущность и природа
кодировки акустической информации в органе слуха не установлены, хотя над этим вопросом ломают головы во многих странах мира учёные различных специализаций. К настоящему времени общей картины нет. Установлены некоторые частности, которые часто только
усложняли задачи. Так, например, было установлено, что волосистые ячейки генерируют
электрические импульсы и в абсолютной тишине, т.е. в отсутствие акустических полей.
Нельзя утверждать, что попыток создания теории слуха не предпринималось. Крупный
физик и врач Г. Гельмгольц (1821 − 1894) в течение длительного времени исследовал строение внутреннего уха и даже сделал попытку разработки резонансной теории слуха. Согласно
этой теории волокна основной мембраны представляют собой набор большого числа резонаторов, настроенных на разные частоты, и именно они возбуждают соответственные отделы
слухового нерва. Это предположение не подтвердилось. Поскольку волокна расположены в
жидкости, то их резонансные колебания невозможны. Упоминавшийся ранее нами Бекеши, в
1948 г. убедительно доказал, что от частоты воспринимаемого звука, зависит какая группа
волокон возбуждается в кортиевом органе. От 23 500 волосовых клеток в общей сложности
от них отходит 3000 нервных волокон, т.е. количество типов раздражителей фантастически
велико. По мнению акустиков и физиологов именно наличие как минимум 7⋅107 вариантов
реагирования на различные звуки, обеспечивает восприятие весьма тонких особенностей
звука, как по его силе, так и по спектральному составу.
202
11.2. Интенсивности источников. Порог слышимости
Чувствительность слуха человека поистине огромна. На частоте 1000 Гц человек способен различать звук, когда амплитуда акустического давления достигает величины 2,84⋅105
Па, т.е. при эффективном значении 2⋅105 Па, что составляет только 2⋅10 − 10 атмосферного
давления. Интенсивность плоской волны при этом составляет 2⋅10 − 12 Вт/м2. Удивительным,
является то, что смещение частиц среды при этом составляет величину в десятую долю диаметра молекулы. Следует иметь в виду, что пороги слышимости у отдельных людей могут
сильно отличаться, в зависимости от возраста и состояния организма.
Прежде чем приступить к обсуждению особенностей порога слышимости, покажем интенсивность различных источников известных звуков (рис. 1.15). На рис.11.6 приведенная
статистическая острота слуха группы американцев.
Рис. 11.5. Интенсивности различных источников акустических полей [23]
Рис. 11.6. Острота слуха группы американцев [23]
203
Кривые, приведенные на рис. 11.6 показывают наименьшую величину интенсивности
акустических волн, которую различает определённый процент людей испытуемой группы.
Жирная кривая соответствует 1% всех участвующих в эксперименте людей, она соответствует понятию «идеального» слуха, которым обладают профессиональные музыканты, настройщики музыкальных инструментов, гидроакустики.
Анализ кривых рис. 11.7 показывает, что чувствительность слуха (порог слышимости)
зависит существенным образом от частоты. Наибольшая чувствительность слуха у большинства людей проявляется в диапазоне частот 2000 − 4000 Гц. На низких, так же как и на
высоких частотах, чувствительность слуха падает. Га частоте 50 Гц чувствительность слуха
уменьшается примерно в 5⋅105 раз, а на частоте 20 кГц − в 106 раз, по сравнению с
увствиительностью на базовой частоте 1 кГц. На сколько бы не пытались увеличивать интенсивность акустических волн на частоте 20 кГц услышать его смогут менее 1% людей. Так
же обстоит дело и с частотами 15 − 20 Гц. В связи с такими особенностями слуха при конструировании звуковоспроизводящей аппаратуры приходится частотную характеристику
«поднимать» на высоких и низких частотах. Для этих целей, для индивидуальной настройки
частотных характеристик воспроизводящей аппаратуры служат регуляторы тембра или эквалайзеры. Следует заметить, что сверхнизкие частоты от 10 до 15 Гц воспринимаются уже
не органами слуха, а поверхностью тела, костями и внутренними органами.
Устроители современных дискотек усвоили, что наибольшее воздействие на неокрепшую психику тинэйджеров оказывает акустическое поле с уровнем интенсивности порядка
90 − 110 дБ. При этом желательно «поддавать» побольше именно низких частот в области 30
− 60 Гц. Именно на этих частотах все регуляторы среднего и внутреннего уха исчерпывают
свои возможности и появляются болевые ощущения, повышается артериальное давление,
т.е. отдыхается, что называется, − по полной программе.
Звуковое давление, при котором наступает болевое ощущение, называется болевым порогом. Давление, соответствующее болевому порогу примерно в 3⋅106 раз больше, чем на
пороге слышимости.
Одним из основных свойств слуха, является
способность определять направление на источник акустических волн. Это − так называемый
бинауральный эффект. Дело в том, что восприятие азимутального направления прихода звука
по отношению к положению головы (рис. 11.7),
происходит вследствие способности органа слуха человека, и не только, определять разность
фаз или времени прихода колебаний к левому и
правому уху. К ушной раковине, расположенной
дальше от источника запаздывание по отношению к ближней раковине составит
a (θ + sin θ )
τ=
.
c
Рис. 11.7. Бинауральный эффект
Различают фазовый и амплитудный бинауральный эффект. Амплитудный эффект заключается в свойстве слуха анализировать разность интенсивностей волн, пришедших в правое и левое ухо. При восприятии шумов в низкочастотной области и не периодических звуковых импульсов превалирует фазовый бинауральный эффект. Способность определять направление даёт возможность сосредоточиться
на нужном направлении в присутствии экранирующих шумов и звуков. В многолюдной «говорящей одновременно» помещении или при наличии шумов различного происхождения,
мы можем слышать интересующего нас собеседника.
204