Заглянемо в равлика. Слух з точки зору інженера

ПРОЦЕССОР В ВУСІ

Наука і життя // Ілюстрації

Італійський анатом А. Корті (1822-1876), який окреслив будова равлики вуха.

Д. Бекеш (1899-1972), який отримав в 1961 році за дослідження природи слуху Нобелівську премію, в своїй лабораторії.

На схемі равлики вуха вказані області базальної мембрани, що збуджуються коливаннями різних частот. Початок равлики механічно пов'язано зі стремечком, однією з кісточок середнього вуха.

Х. Флетчер (1884-1981) побудував криві рівної гучності, які використовуються в якості міжнародного стандарту.

Гучність для КРГ позначена в фонах. На різних ділянках діапазону частот одній і тій же гучності відповідає різне звуковий тиск (рівень гучності) в децибелах. Різниця в звуковому тиску є особливо актуальним при малих гучності.

У радіоприймачах високого класу, які випускалися в 40-50-х роках минулого століття, були регулятори тембру в області верхніх і нижніх частот і регулятори гучності з тонкомпенсацією.

Пам'ятник людському вуху, встановлений на площі Рудольфа в Кельні. Правий кулак цього символу за розмірами більше лівого, що вказує на перевагу правого вуха перед лівим.

Алегорична скульптура, що зображає жінку, яка слухає звуки Всесвіту і передає ці звуки лежить чоловікові. І вона і він сприймають звуки правим вухом.

<

>

Ще в Стародавній Греції філософ і математик Піфагор Самоський (бл. 580-500 до н.е.) встановив, що звук - це що поширюються на всі боки коливання повітря. А от природа слуху довгий час була таємницею за сімома печатками (див. "Наука і життя" № 4, 2006 р ).

Лише в середині XIX століття, після того як А. Корті описав будова знаходиться у внутрішньому вусі равлика, яку пізніше в його честь назвали кортієвого органом, німецький фізик і фізіолог Г. Гельмгольц (1821-1894) висловив цікаву гіпотезу. Він звернув увагу, що під час співу без акомпанементу починають резонувати струни стоїть неподалік рояля. Гельмгольц припустив, що подібним же чином реагують на звукові коливання волоскові клітини, що покривають поверхню базальної (основний) мембрани кортиева органу, тобто кожна з них відгукується на тон певної висоти.

Гельмгольц цікавився акустикою і як розділом фізики. Зокрема, він винайшов резонатори, які використовуються понині і відомі під назвою "фазоинвертор".

Минуло ще майже сто років, коли став згодом нобелівським лауреатом угорець Д. Бекеши захопився анатомією і спробував розібратися в механізмі слуху. Він навчився робити розтину, але спочатку зазнав невдачі: після смерті людини кортів орган швидко зневоднюється, і дослідникові не вдавалося простежити поведінку базальної мембрани равлики в динаміці. У 1928 році Бекеши вирішив підійти до вирішення проблеми з іншого боку і побудував механічну модель равлики. Щоб було простіше стежити за подіями в равлику процесами, багато деталей винахідник зробив з прозорих матеріалів, а мембрану - з гумовою пластини.

Подаючи на вхід равлики механічні звукові коливання, Бекеш звернув увагу, що вібрації різної частоти змушують коливатися різні ділянки мембрани: високі тони деформують її частина, що примикає до середнього вуха, низькі тони викликають деформації в дальньому кінці. Деформації і збуджують знаходяться в цих областях рецептори - волоскові клітини. Подібна властивість мембрани Бекеши назвав ефектом біжучої хвилі.

Проривними в області дослідження фізіології слуху потрібно вважати роботи групи співробітників Гарвардського університету (США) під керівництвом професора психології Н. Кьянг. У 1965 році там почали експерименти по визначенню параметрів сигналів, що йдуть від кортиева органу до відповідних відділів півкуль головного мозку.

Дослідження проводилися на тваринах і ентузіастах-добровольцях. В волокна слухового нерва їм вводили найтонші електроди. Вченим вдалося встановити, що у відповідь на звуковий подразник від равлики через окреме волокно йдуть серії імпульсів, тим довші, ніж більш високим був звук. Волокно могло пропускати до 200-300 імпульсів в секунду. Оскільки людина здатна чути звуки до 20 000 Гц, слід припустити, що в передачі інформації в мозок навіть для сигналу однієї частоти беруть участь безліч нервових волокон.

В середині 1970-х років роботи в цьому напрямку продовжили американці М. Сакс і Е. Янг з Університету Джона Хопкінса. Вони досліджували реакцію слухового нерва на складні сигнали, зокрема на мова. Виявилося, що мозок не тільки визначає частоту звуку, а й отримує більш широку інформацію щодо розподілу імпульсів в серії. Завдяки цій властивості мозку ми можемо серед шуму вловлювати мова або локалізувати джерело звуку в просторі.

Зроблені відкриття дозволили прийти до висновку, що кортів орган поєднує в собі функції аналізатора спектра і своєрідного аналого-цифрового перетворювача.

Результати, досягнуті вченими, дозволили створити пристрої, що дають можливість чути абсолютно глухим людям. "Штучне вухо" перетворює звуковий сигнал в серії імпульсів. За допомогою імплантованих в волокна слухового нерва надмініатюрних електродів (їх число в найбільш досконалих апаратах може досягати 22) імпульси передаються до відповідного відділу кори головного мозку. Пацієнти отримують можливість розпізнавати одно- і двоскладові слова, що вже забезпечує досить стійку їх зв'язок із зовнішнім світом.

СТАНДАРТИ ГУЧНОСТІ

В кінці 1920-х років випускалася маса радіоапаратури, оснащеної підсилювачами низької, або звуковий, частоти. Однак була відсутня теоретична база, яка дозволяла б грамотно підбирати параметри цих підсилювачів, зокрема амплітудно-частотну характеристику, оскільки не було відомо, як вухо сприймає ті чи інші частоти.

Проблемою зайнялися фахівці з нью-йоркської Лабораторії Белла. Роботами керував відомий акустик Х. Флетчер, який сконструював перші слухові апарати для хімічного магната А. Дюпона і великого винахідника Т. Едісона.

Щоб встановити характер і ступінь чутливості вуха до різних частотах чутного діапазону, Флетчер провів широкомасштабні експерименти. Для випробувань вибиралися здорові молоді чоловіки і жінки у віці 18-25 років. У навушниках вони чули сигнали різної частоти і повідомляли, при якому звуковому тиску гучність цих сигналів їм здавалася однаковою. Щоб зменшити суб'єктивні похибки, кожен тест повторювали багато разів.

Результати були оформлені у вигляді сімейства так званих кривих рівної гучності (КРГ). Вони показують чутливість вуха до різних частотах в залежності від гучності звуку. Для характеристики суб'єктивного сприйняття гучності вчені запропонували особливу одиницю - фон. Кожній кривій привласнюють своє значення в фонах. На частоті 1000 Гц 1 фон = 1 дБ. Візьмемо для прикладу криву гучністю 40 фон, найбільш комфортною для слуху на цій частоті, де їй відповідає звуковий тиск 40 дБ. На частоті, наприклад, 4000 Гц гучність 40 фон = 35 дБ, на частоті 10 000 Гц 40 фон = 50 дБ, а на частоті 80 Гц 40 фон = 80 дБ. Після опублікування кривих в 1933 році Міжнародна організація стандартизації (ISO - International Organization for Standardization) рекомендувала використовувати їх в якості стандарту.

Як видно, на високому рівні гучності криві чутливості мають більш плоский характер, а при низьких громкостях різниця в чутливості вище. Інженери негайно скористалися цими характеристиками, і щоб зробити звучання радіоапаратури більш природним, її постачали одним або двома регуляторами тембру. Як регулятори гучності високоякісних підсилювачів застосовували тонкомпенсатори, які при малій гучності знижували коефіцієнт посилення на високих і середніх частотах. Пізніше з'явилися і більш складні пристрої - еквалайзери.

Висока чутливість в діапазонах 1000-5000 Гц має важливе значення і в теорії музики. Голоси з обертонами, що знаходяться в цій частотній області, називають високою співочої формантою. Володарі таких голосів можуть, не напружуючись, домогтися того, що їх почують на самих задніх рядах навіть дуже великих концертних залів.

У 1956 році два американських інженера Д. Робінсон і Р. Дадсон для визначення кривих рівної гучності використовували два гучномовці, що більше відповідало реальному житті, коли людина знаходиться у відкритому просторі звукового поля. Сімейство КРГ вийшло трохи іншим, ніж у Флетчера, який користувався навушниками. Нові експерименти показали, наприклад, меншу чутливість вуха до низьких частот і дозволили побудувати інший графік порога чутності. Ці криві служили міжнародним стандартом до 2003 року. Однак виконані на найсучаснішому технічному рівні аудіометричні вимірювання в Англії, Німеччині, Данії, США, Японії показали, що криві Флетчера ближче до істини, і на їх основі розроблено діючий стандарт ISO 226: 2003.

Сите черево - До МУЗИКУ глухих

За інформативності орган слуху не поступається очам, а часом і перевершує їх. Навіть під час сну слух працює - інакше не з'явився б у нашому побуті такий прилад, як будильник.

На жаль, якість слуху у людини протягом життя погіршується. До старості верхня межа чутного діапазону падає до 7000-8000 Гц. Це позбавляє багатьох літніх людей можливості займатися професією, обраної в молоді роки. Хороший слух важливий не тільки для музикантів, а й для лікарів-терапевтів або механіків по двигунах внутрішнього згоряння - вони за спектрами звуків визначають стан людського організму і працездатність машини.

Раннього зниження слуху сприяють ті ж фактори, які викликають атеросклероз, - малорухливий спосіб життя, жирна їжа, куріння.

Чутливість до звуків змінюється і протягом більш коротких проміжків часу. Так, слух помітно погіршується на 2-3 години після їжі. Взагалі, в післяобідній час знижується загальний тонус організму, оскільки в області органів травлення накопичується багато крові. Музиканти приходять на концерт або гідроакустики заступають на вахту неодмінно натщесерце. Те ж стосується і слухачів. Щоб отримати максимум задоволення від музичного твору, його краще сприймати на голодний шлунок.

У органу слуху є ще одна цікава особливість. На відміну, скажімо, від зору інформація, яка надходить в мозок від лівого і правого вуха, в повному обсязі рівноцінна. Як правило, у правшів головне вухо - праве (у лівшів - навпаки). Це помітно хоча б по тому, що, наприклад, при розмові по телефону ми докладаємо трубку саме до правого вуха. Якщо слухати "неправильним" вухом, то виникає певний психологічний дискомфорт. Так само інстинктивно ми повертаємося до того, що говорить пошепки саме тим вухом, яким краще чуємо.

Фахівці пояснюють феномен правого вуха тим, що сигнали від нього надходять в ліву півкулю, де знаходиться мовної центр. Сигнали від лівого вуха надходять спочатку в праву півкулю, а звідти по нервових зв'язків - в ліву півкулю, хоча і з крихітної затримкою.