популярно о природе звука

Ухо

Звук как субъективное явление более сложен и менее изучен, чем его объективная физическая сущность. Мы уже установили, что звук представляет собой волны сжатия и разрежения, распространяющиеся в воздушной среде. Теперь перейдем к восприятиям, возникающим у слушателя, познакомимся с различными системами и происходящими в них процессами преобразования звука.Строение уха

Наружное ухо состоит из ушной раковины и слухового прохода, соединяющего ее с барабанной перепонкой. Основная функция наружного уха - определение направления на источник звука. До сих пор остается неясным, чем обусловлена форма ушной раковины человека. Слуховой проход (слегка сужающаяся внутрь трубка длиною 2 см) предохраняет внутренние части уха и играет роль резонатора. Диапазон звуковых частот, воспринимаемых человеком, простирается от 16 до 20 000 Гц, но участок наибольшей чувствительности ограничивается интервалом от 2000 до 5500 Гц. Именно в данной области лежат резонансные частоты слухового прохода, причем усиление звука составляет от 5 до 10 дБ.

Слуховой проход заканчивается барабанной перепонкой - мембраной, которая колеблется под действием звуковых волн. Именно здесь, на внешней границе среднего уха, и происходит преобразование объективного звука в субъективный. Непосредственно за барабанной перепонкой расположены три маленькие соединенные между собой косточки: молоточек, наковальня и стремя, - с помощью которых колебания передаются внутреннему уху. Там, в слуховом нерве, они преобразуются в электрические сигналы. Малая полость, где находятся молоточек, наковальня и стремя, наполнена воздухом и соединена с полостью рта евстахиевой трубой. Благодаря последней поддерживается одинаковое давление на внутреннюю и внешнюю стороны барабанной перепонки. Обычно евстахиева труба закрыта. Она открывается лишь при внезапном изменении давления (когда человек глотает или зевает) и выравнивает его. Если у человека евстахиева труба блокирована, например в результате простуды, то выравнивания давлений не происходит и человек ощущает боль в ушах.

В процессе передачи колебания от барабанной перепонки к овальному окну, которое является началом внутреннего уха, энергия первоначального звука как бы «концентрируется» в среднем ухе. Это осуществляется двумя способами, в основе которых лежат хорошо известные принципы механики. Во-первых, уменьшается амплитуда, но одновременно увеличивается мощность колебаний. Здесь можно провести аналогию с рычагом, когда для поддержания равновесия к большему плечу прикладывается меньшая сила, а к меньшему - большая. С какой тонкостью осуществляется такое превращение в человеческом ухе, видно из того, что амплитуда колебаний барабанной перепонки равна диаметру атома водорода (10~8 см), а молоточек, наковальня и стремя уменьшают ее в три раза. Во-вторых, и это более существенно, концентрация звука обусловливается разностью диаметров барабанной перепонки и овального окна внутреннего уха. Сила, действующая на барабанную перепонку, равна произведению давления на площадь барабанной перепонки. Эта сила через молоточек, наковальню и стремя воздействует на овальное окно, с противоположной стороны которого находится жидкость. Площадь овального окна в 15-30 раз меньше площади барабанной перепонки, поэтому и давление на него в 15-30 раз больше. Кроме того, как было сказано выше, молоточек, наковальня и стремя увеличивают мощность колебаний в три раза; следовательно, благодаря среднему уху давление на овальное окно превышает почти в 90 раз первоначальное давление, действовавшее на барабанную перепонку. Это очень важно, поскольку дальше звуковые волны распространяются уже в жидкости. Не будь увеличения давления, звуковые волны вследствие эффекта отражения никогда бы не смогли проникнуть в жидкость.

Молоточек, наковальня и стремя снабжены крошечными мышцами, которые обеспечивают защиту внутреннего уха от повреждений при воздействии сильных шумов. В обычных условиях колебания передаются более или менее непосредственно через эти три косточки. Но при сильном шуме под действием определенных мышц ось вращения стремени смещается, уменьшая силу давления на овальное окно. При дальнейшем возрастании шума вступают в дело другие мышцы, одна из которых туго натягивает барабанную перепонку, а другая частично смещает стремя. Внезапные очень интенсивные звуки могут разрушить этот защитный механизм и вызвать серьезные повреждения внутреннего уха.

Острота слуха

Настоящие таинства слуха начинаются с овального окна - порога внутреннего уха. Звуковые волны здесь уже распространяются в жидкости (перилимфе), которой наполнена улитка. Этот орган внутреннего уха, действительно напоминающий улитку, имеет длину около 3 см и почти по всей длине разделен перегородкой на две части. Звуковые волны, попавшие на овальное окно улитки, доходят до перегородки, огибают ее и далее распространяются по направлению почти к тому же самому месту, где они впервые коснулись перегородки, но уже с другой стороны. В конце концов они рассеиваются круглым окном улитки.

Перегородка улитки по сути дела состоит из основной мембраны, очень тонкой и тугой вблизи овального окна, но становящейся толстой и вялой по мере продвижения к хвосту улитки. Структура мембраны была впервые изучена Георгом фон Бекеши, который работал в Будапеште в 30-40-х годах XX столетия. За это открытие в 1961 г. он был удостоен Нобелевской премии. Бекеши исследовал структуру и механизм действия среднего и внутреннего уха. Он показал, что звуковые колебания создают на поверхности основной мембраны волнообразную рябь, причем гребни для каждой данной частоты лежат в совершенно определенных участках мембраны. Высокочастотные звуки создают максимум на том участке основной мембраны, где она наиболее натянута, то есть вблизи овального окна, низкочастотные же звуки - на «хвосте» улитки, где основная мембрана толстая и вялая. Такой механизм, открытый Бекеши, позволяет объяснить, как человек выделяет тоны различной частоты.

Преобразование механических колебаний в электрические сигналы происходит в органе (в медицине он называется органом Корты), размещенном над верхней частью основной мембраны и представляющем собой набор из 23 500 «мясистых» ячеек, расположенных вдоль его длины четырьмя рядами. Над органом Корти находится похожая на заслонку текториальная мембрана. Оба эти органа погружены в жидкость, называемую эндолимфой, и отделены от остальной части улитки мембраной Рейсснера. Волоски, растущие из ячеек органа Корти, почти пронизывают поверхность текториальной мембраны. Основная мембрана, на которой покоится орган Корти вместе со своими волосистыми ячейками, как бы шарнирно подвешена на текториальной мембране. При деформации основной мембраны между ними возникают касательные напряжения, которые изгибают волоски, соединяющие две мембраны. Благодаря такому изгибу и происходит окончательное преобразование звука - теперь он уже закодирован в виде электрических сигналов. Изгибы волосков играют в некотором роде роль пусковых механизмов для электрохимических реакций в ячейках. Они и являются источниками электрических сигналов.

Что происходит здесь со звуком и какую форму он приобретает, пока еще остается почти полной тайной. Мы знаем только, что теперь он закодирован всплесками электрической активности, так как каждая волосистая ячейка «выстреливает» электрический импульс. Но природа этого кода неизвестна. Расшифровка его усложняется тем, что волосистые ячейки излучают электрические импульсы даже тогда, когда никакого звука нет. Расшифровкой слухового кода занимаются многие лаборатории мира, работающие в области связи. Только разгадав этот код, мы сможем понять истинную природу субъективного звука.