Физика слуха

Рассмотрим некоторые вопросы физики слуха на примере наружного, среднего и внутреннего уха.

Наружное ухо состоит из ушной раковины 1 и наружного слу­хового прохода 2 (рис. 6.8).

Ушная раковина у человека не играет существенной роли для слуха. Она способствует определению локализации источника звука при его расположении в передне-заднем направлении. По­ясним это. Звук от источника попадает в ушную раковину. В за­висимости от положения источника в вертикальной плоскости (рис. 6.9) 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 (более детально вопросы дифракции рассматри­ваются в гл. 19). Человек в результате опыта научился ассоцииро­вать изменение спектра звуковой волны с направлением на источ­ник звука (направления А, Б и В на рис. 6.9).

Обладая двумя звукоприемниками (ушами), человек и живот­ные способны установить направление на источник звука и в гори­зонтальной плоскости (бинауральный эффект; рис. 6.10). Это объ­ясняется тем, что звук от источника до разных ушей проходит раз­ное расстояние и возникает разность фаз для волн, попадающих в правую и левую ушные раковины. Связь между разностью этих расстояний (d) и разностью фаз (Dj) выведена в § 19.1 при объясне­нии интерференции света [см. (19.9)]. Если источник звука нахо­дится прямо перед лицом человека, то d = 0 и Dj = 0, если источник звука расположен сбоку против одной из ушных раковин, то в дру­гую ушную раковину он попадет с запаздыванием. Будем считать приближенно, что в этом случае 8 есть расстояние между ушными раковинами. По формуле (19.9) можно рассчитать для n = 1 кГц и d = 0,15 м разность фаз. Она приблизительно равна 180°.

Различным направлениям на источник звука в горизонтальной плоскости будут соответствовать разности фаз между 0° и 180° (для приведенных выше данных). Считают, что человек с нормальным слухом может фиксировать направления на источник звука с точ­ностью до 3°, этому соответствует разность фаз 6°. Поэтому можно полагать, что человек способен различать изменение разности фаз звуковых волн, попадающих в его уши, с точностью до 6°.

Кроме фазового различия бинауральному эффекту способству­ет неодинаковость интенсивностей звука у разных ушей, а также и «акустическая тень» от головы для одного уха. На рис. 6.10 схе­матично показано, что звук от источника попадает в левое ухо в результате дифракции (гл. 19).

Звуковая волна проходит через слуховой проход и частично от­ражается от барабанной перепонки 3 (см. рис. 6.8). 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

Наиболее существенной частью среднего уха являются барабан­ная перепонка 3 и слуховые косточки: молоточек 4, наковальня 5 и стремечко 6 ссоответствующими 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. Как было по­казано (см. § 6.4), при прямом переходе звуковой волны из воздуха в воду передается лишь 0,123% падающей интенсивности. Это слиш­ком мало. Поэтому 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.

Система косточек (см. рис. 6.8) на одном конце молоточком связана с барабанной перепонкой (площадь S, = 64 мм²), на дру­гом — стремечком — с овальным окном 7 внутреннего уха (пло­щадь S₂ = 3 мм²).

На барабанную перепонку дейст­вует звуковое давление р₁, что обус­ловливает силу

F_l=p_lS_l. (6.9)

На овальное окно внутреннего уха при этом действует сила F₂, создающая звуковое давление р₂ в жидкой среде. Связь между ними:

F₂=p₂S₂. (6.10)

Система косточек работает как ры­чаг относительно оси О с выигрышем в силе со стороны внутреннего уха в 1,3 раза у человека (схематичное изо­бражение дано на рис. 6.11), поэтому можно записать

(6.11)

 

Разделив (6.9) на (6.10) и сопоставляя это соотношение с (6.11), получаем

откуда

или в логарифмических единицах (см. § 1.1)

L_дБ = 201g(p₂/р₁) = 201g 26 = 20 • 1,415 = 28 дБ.

На таком уровне увеличивает среднее ухо передачу наружного звукового давления внутреннему уху.

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.

Главной частью внутреннего уха является улитка, преобразую­щая механические колебания в электрический сигнал. Кроме улитки к внутреннему уху относится вестибулярный аппарат (см. § 4.3), 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.

На рис. 6.8 улитка (ограничена штриховой линией) показана схематично развернутой для удобства рассмотрения. Вдоль улит­ки проходят три канала. Один из них, который начинается от овального окна 7, называется вестибулярной лестницей 8. Дру­гой канал идет от круглого окна 9, он называется барабанной лестницей 10. Вестибулярная и барабанная лестницы соединены в области купола улитки посредством маленького отверстия — геликотремы 11. Таким образом, оба эти канала в некотором роде представляют единую систему, наполненную перилимфой. Коле­бания стремечка 6 передаются мембране овального окна 7, от нее перилимфе и «выпячивают» мембрану круглого окна 9. Простран­ство между вестибулярной и барабанной лестницами называется улитковым каналом 12, он заполнен эндолимфой. Между улит­ковым каналом и барабанной лестницей вдоль улитки проходит основная (базилярная) мембрана 13. На ней находится кортиев орган, содержащий рецепторные (волосковые) клетки, от улитки идет слуховой нерв (на рис. 6.8 эти подробности не показаны).

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. На это обратил внимание еще Гельмгольц, который представлял основную мембрану аналогично ряду настроенных струн пианино. Лауреат Нобелевской премии Бекеши установил ошибочность этой резонаторной теории. В работах Бекеши было показано, что основная мембрана является неоднородной линией передачи механического возбуждения. 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. Так, на­пример, волна с частотой 300 Гц до начала затухания распростра­нится приблизительно до 25 мм от овального окна, а волна с часто­той 100 Гц достигает своего максимума вблизи 30 мм.

На основании этих наблюдений были разработаны теории, со­гласно которым восприятие высоты тона определяется положени­ем максимума колебания основной мембраны. 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.

Некоторые формы глухоты связаны с пора­жением рецепторного аппарата улитки. В этом случае улитка не генерирует электрические сигналы при воздействии механических ко­лебаний. Можно помочь таким глухим, для этого необходимо имплантировать электроды в улитку и подавать на них электрические сиг­налы, соответствующие тем, которые возника­ют при воздействии механического стимула.

Такое протезирование основной функции улитки (кохлеарное протезирование) разра­батывается в ряде стран. В России кохлеар­ное протезирование разработано и осуществ­лено в Российском медицинском университе­те. Кохлеарный протез показан на рис. 6.12, здесь 1 — основной корпус, 2 — заушина с микрофоном, 3 — вилка электрического разъема для подсоединения к имплантируе­мым электродам.

 

Рис. 6.12