Биофизические основы восприятия звука. Понижение, потеря слуха

Каждый звук, издаваемый различными музыкальными инструментами, голосами различных людей и т.п., имеет  свои характерные особенности - своеобразную окраску или оттенок. Эти особенности звука называют тембром. На рис. 3. показаны осциллограммы звуковых колебаний, создаваемых роялем и кларнетом для одной и той же ноты. Осциллограммы показывают, что период у обоих колебаний одинаков, но они сильно отличаются друг от друга по своей форме и, следовательно, различаются своим гармоническим составом. Оба звука состоят из одних и тех же тонов, но в каждом из них эти тоны - основной и его обертоны - представлены с разными амплитудами и фазами.

Рис. 3. Осциллограммы звуков рояля и кларнета.

Для нашего уха существенны только частоты и амплитуды тонов, входящих в состав звука, т.е. тембр звука определяется его гармоническим спектром. Сдвиги отдельных тонов по времени никак не воспринимаются на слух, хотя и могут очень сильно менять форму результирующего колебания.

На рис. 4. изображены спектры тех звуков, осциллограммы которых показаны на рис. 3. Так как высоты звуков одинаковы, то и частоты тонов - основного и обертонов - одни и те же. Однако амплитуды отдельных гармоник в каждом спектре сильно различаются.

Рис. 4. Спектры звуков рояля и кларнета.

Биофизические основы восприятия звука человеком.

Закон Вебера-Фехнера. Пороги слышимости у человека.

Наружное ухо состоит  из ушной раковины и наружного  слухового прохода. Ушная раковина у человека не играет существенной роли для слуха. Звуковая волна проходит через слуховой проход и частично отражается от барабанной перепонки. В результате интерференции падающей и отраженной волн может возникнуть акустический резонанс. Наиболее существенной частью среднего уха являются барабанная перепонка и слуховые косточки: молоточек, наковальня и стремечко. Косточки осуществляют передачу механических колебаний от воздушной среды наружного уха к жидкой среде внутреннего. Жидкая среда внутреннего уха имеет волновое сопротивление, приблизительно равное волновому сопротивлению воды. При прямом переходе звуковой волны из воздуха в воду передается лишь 0,123% падающей интенсивности. Поэтому основное назначение среднего уха — способствовать передаче внутреннему уху большей интенсивности звука. Еще одна из функций среднего уха — ослабление передачи колебаний в случае звука большой интенсивности. Это осуществляется рефлекторным расслаблением мышц косточек среднего уха. Наружное и среднее ухо относятся к звукопроводящей системе. Звуковоспринимающей системой является внутреннее ухо. Главной частью внутреннего уха является улитка, преобразующая механические колебания в электрический сигнал. 

Рис. 5. Строение уха человека. 

Человек воспринимает звуки  в широком диапазоне — от низкого  тона (гудение) до высокого (писк). Высота звука определяется частотой, которую измеряют в герцах — по числу колебаний звуковой волны, совершаемых за 1с. С ростом частоты высота звука увеличивается, т.е. чем больше частота, тем выше звук, и наоборот, чем меньше частота, тем ниже звук. Молодые люди обычно воспринимают звуки частотой от 20 до 20 000 Гц. С возрастом слух ухудшается, и пожилые люди высоких звуков не слышат — диапазон воспринимаемых ими звуковых частот не превышает 12 000 Гц. Некоторые млекопитающие способны воспринимать частоты, недоступные для человека. Летучие мыши, например, слышат звуки в диапазоне от 1000 до 120 000 Гц, а кошки — от 60 до 65 000 Гц.

Звук является объектом слуховых ощущений, поэтому оценивается  человеком субъективно.

Несмотря на субъективность, громкость может быть оценена  количественно путем сравнения слухового ощущения от двух источников. В основе создания шкалы уровней громкости лежит важный психофизический закон Вебера—Фехнера: если раздражение увеличивается в геометрической прогрессии (т. е. в одинаковое число раз), то ощущение этого раздражения возрастает в арифметической прогрессии (т. е. на одинаковую величину).  
 
Математически это означает, что громкость звука пропорциональна логарифму интенсивности звука. Если действуют два звуковых раздражения с интенсивностями I и I₀, причем I₀ — порог слышимости, то на основании закона Вебера—Фехнера громкость относительно I₀ связана с интенсивностью следующим образом: 
 
  (5) 
 
где k— некоторый коэффициент пропорциональности, зависящий от частоты и интенсивности.

Таблица 2. Характеристики различных бытовых звуков.

Биофизические процессы восприятия звуковых колебаний в наружном и среднем ухе.

Наружное ухо состоит из ушной раковины и наружного слухового прохода. Ушная раковина у человека не играет существенной роли для слуха. Она способствует определению локализации источника звука при его расположении в передне-заднем направлении. Звук от источника попадает в ушную раковину. В зависимости от положения источника в вертикальной плоскости звуковые волны будут по-разному дифрагировать на ушной раковине из-за ее специфической формы. Это приведет и к изменению спектрального состава звуковой волны, попадающей в слуховой проход. Человек в результате опыта научился ассоциировать изменение спектра звуковой волны с направлением па источник звука. 
 
Звуковая волна проходит через слуховой проход и частично отражается от барабанной перепонки. В результате интерференции падающей и отраженной волн может возникнуть акустический резонанс. В этом случае длина волны в четыре раза больше длины наружного слухового прохода. Длина слухового прохода у человека приблизительно равна 2,3 см; следовательно, акустический резонанс возникает при частоте 3 кГц. 
 
Наиболее существенной частью среднего уха являются барабанная перепонка и слуховые косточки: молоточек , наковальня и стремечко в с соответствующими мышцами, сухожилиями и связками. Косточки осуществляют передачу механических колебаний от воздушной среды наружного уха к жидкой среде внутреннего. Жидкая среда внутреннего уха имеет волновое сопротивление, приблизительно равное волновому сопротивлению воды. Основное назначение среднего уха — способствовать передаче внутреннему уху большей интенсивности звука. Используя технический язык, можно сказать, что среднее ухо согласует волновые сопротивления воздуха и жидкости внутреннего уха. 
 
Еще одна из функций среднего уха — ослабление передачи колебаний в случае звука большой интенсивности. Это осуществляется рефлекторным расслаблением мышц косточек среднего уха. 
 
Среднее ухо соединяется с атмосферой через слуховую (евстахиеву) трубу. 
 
Наружное и среднее ухо относятся к звукопроводящей системе. Звуковоспринимающей системой является внутреннее ухо.

Механизм восприятия звуковых колебаний во внутреннем ухе.

Главной частью внутреннего  уха является улитка, преобразующая  механические колебания в электрический  сигнал. Кроме улитки к внутреннему  уху относится вестибулярный  аппарат, который к слуховой функции отношения не имеет. 
 
Улитка человека является костным образованием длиной около 35 мм и имеет форму конусообразной спирали с 2³/₄ завитков. Диаметр у основания около 9 мм, высота равна приблизительно 5 мм.  

Рис. 6. 
Вдоль улитки проходят три канала. Один из них, который начинается от овального окна 1, называется вестибулярной лестницей 2. Другой канал идет от круглого окна 3, он называется барабанной лестницей 4. Вестибулярная и барабанная лестницы соединены в области купола улитки посредством маленького отверстия — геликотремы 5. Таким образом, оба эти канала в некотором роде представляют единую систему, наполненную перилимфой. Колебания стремечка передаются мембране овального окна 1, от нее перилимфе и «выпячивают» мембрану круглого окна 3. Пространство между вестибулярной и барабанной лестницами называется улитковым каналом 6, он заполнен эндолимфой. Между улитковым каналом и барабанной лестницей вдоль улитки проходит основная (базилярная) мембрана 7. На ней находится кортиев орган, содержащий рецепторные (волосковые) клетки, от улитки идет слуховой нерв. Кортиев орган (спиральный орган) и является преобразователем механических колебаний в электрический сигнал. 
 
Длина основной мембраны около 32 мм, она расширяется и утончается в направлении от овального окна к верхушке улитки (от ширины 0,1 до 0,5 мм). Основная мембрана — весьма интересная для физики структура, она обладает частотно-избирательными свойствами. При воздействии акустическим стимулом по основной мембране распространяется волна. В зависимости от частоты эта волна по-разному затухает. Чем меньше частота, тем дальше от овального окна распространится волна по основной мембране, прежде чем она начнет затухать. Таким образом, во внутреннем ухе прослеживается определенная функциональная цепь: колебание мембраны овального окна — колебание перилимфы — сложные колебания основной мембраны — раздражение волосковых клеток (рецепторы кортиева органа) — генерация электрического сигнала.

Основные свойства слуха.

Нелинейность  слуха.

Для нормального среднестатистического органа слуха человека существуют некоторые предельные (пороговые) минимальные значения физических параметров звукового поля, при которых еще существует слуховое ощущение. Таким порогом слышимости являются стандартизованная интенсивность звука I₀=10...12 Вт/м² (близкая к порогу слышимости при f=1000 Гц в тишине), а также соответствующие ей звуковое давление p₀=2*10^-5 Па и плотность звуковой энергии Ԑ₀3*10^-15 Дж/м³. Порог слышимости является частнозависимым. Выше порога слышимости расположена область слышимости. На рис. 7 показана кривая порога слышимости. Там же показан и верхний порог слышимости, выше которого может наступить разрушение органа слуха - болевой порог, которому соответствует давление p_max=150...200 Па, что превосходит величину p₀=2*10^-5 Па в 107 раз.

Рис. 7. Кривые, ограничивающие область слышимости.

Для более удобного оперирования столь  значительными абсолютными величинами, но в большей степени потому, что  слуховое ощущение раздражающей силы звукового сигнала пропорционально ее логарифму (согласно закону Вебера-Фехнера), чаще используются величины, называемые уровнем интенсивности звука (L_I), уровнем ощущения (E), уровнем звукового давления (L_P), уровнем плотности звуковой энергии (L_E), которые также пропорциональны логарифму относительного значения параметра (I/I₀), (p/p₀), (Ԑ / Ԑ ₀) и измеряются в децибелах:

(6)

(7)

(8)

Одинаковые относительные изменения  раздражающей силы вызывают одинаковые приращения слухового ощущения. Эта  особенность слуха также измерена: порог заметности изменения интенсивности (Ԑ I) чистых тонов на высоких и средних уровнях ощущения Е составляет от 0,2 до 0,6 дБ, на низких уровнях ощущения он доходит до нескольких децибел, а среднее значение Ԑ I/I около 1 дБ. Таким образом, между порогом слышимости и болевым порогом слух различает несколько сотен ступеней изменения слухового ощущения.

Амплитудная разрешающая способность  слуха по ощущению изменений интенсивности  звука имеет еще и частотную  зависимость: она наиболее высока на средних, заметно меньше на высоких и еще меньше на низких частотах.

Установлено, что уровень  громкости неточно характеризует  субъективное слуховое ощущение. Для  преодоления этого было введено  понятие уровня громкости (L_G). За уровень громкости L_G данного звука принимается уровень интенсивности равногромкого с ним чистого тона с частотой 1000 Гц. Единица измерения L_G - фон. При бинауральном слушании (т.е. обоими ушами) чистых тонов для определения уровня громкости пользуются семейством изофон, т.е. кривыми равной громкости (рис. 8).

Рис. 8. Кривые равной громкости синусоидальных звуков.

Иногда графики изофон вызывают некоторые трудности восприятия их сущности. Для упрощения понимания  представлен более доступный  график (рис. 9), характеризующий чувствительность слуха при различных уровнях громкости. Единицей измерения громкости принят 1 сон, соответствующий громкости тона с уровнем L_G = 40 фон.

Рис. 9. Частотные характеристики чувствительности слуха при различных уровнях громкости.

В таблице 3 приведены измеренные величины уровня громкости L_G и громкости G для некоторых источников звука и градация громкости в музыкальных программах.

Таблица 3.