127873 (Звуковые анализаторы человека-оператора, их характеристика, особенности, закономерности)

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЗВУКОВОГО АНАЛИЗАТОРА

Звуковой анализатор является филогенетически наиболее молодым из органов чувств и представляет собой наиболее позднее и совершенное приобретение человека.

Реагируя на малые изменения среды, происходящие на больших расстояниях, он является важнейшим дистантным рецептором. Биологическое значение его не может быть переоценено, так как звук является наиболее постоянным спутником любой деятельности, любой активности, любого движения во внешней среде, что объясняет большое распространение звуков в природе. Они постоянно доходят до нас, от них не заслоняет нас ни ночная тьма, ни окружающие предметы, для уха не существует приспособления, аналогичного веку глаза.

Поэтому сигнальное значение этого анализатора особенно велико. Вследствие наличия звукового анализатора мы не только дробим звук на отдельные элементы, но благодаря образованию условных связей узнаем значение окружающих нас звуков — шагов, лая собаки, шума трамвая и т. д.

Наконец, членораздельная речь осуществляется деятельностью второй сигнальной системы.

При помощи звукового анализатора человек различает звуки по их высоте, громкости и окраске (тембру). Высота того или другого звука (тона) определяется частотой колебаний. Человеческое ухо воспринимает звуки с частотой колебаний примерно от 16 до 20 000 Гц. Нижний и верхний пределы не представляют собой резко очерченную границу, а скорее некоторую область. Так, например, нижняя область охватывает звуки от 12 до 24 Гц, а верхняя от 18 000 до 22 000 Гц. Чем больше их амплитуда, тем более широко раздвигаются пределы слышимости. Это явление объясняется, по-видимому, тем, что локализация звуковых частот на основной мембране ограничена зоной от 100 до 10 000-13 000 Гц. Для более низких и высоких частот специальных участков (волокон) не существует. Восприятие этих звуков осуществляется благодаря обертонам, которые возникают при большой силе звуков. Поэтому при нарастании интенсивности звука верхняя граница восприятия повышается. Определение высоты тона в этой области отсутствует. При восприятии наиболее низких тонов примешивается ощущение вибрации, что затрудняет точное установление нижней границы.

Звуковые колебания с частотой ниже 16 колебаний относят к инфразвукам, выше 20 000 Гц — к ультразвукам. Диапазон звуков, воспринимаемых животными, не совпадает с объемом слышимых человеком звуков. Методом условных рефлексов доказано, что собаки воспринимают звуки до 30 000 Гц, кошки — до 40 000 Гц. Летучие мыши издают звуки высотой в 50 000-60 000 Гц и воспринимают их. Этим объясняется их способность избегать столкновения с предметами даже при выключенном зрении (принцип радара). В пределах своего диапазона нормальное человеческое ухо воспринимает все тоны беспрерывно, без пропусков.

Для высоты тона, помимо частотного числа, можно применять и нотные обозначения. Октавой называется тон, обладающий двойной частотой по отношению к первому. В октаве различают 7 ступеней, которые называются в музыке до (c), ре (d), ми (e), фа (f), соль (g), ля (a), си (h).

Для восприятия слышимости частот, однако, требуется еще другое непременное условие — это достаточная амплитуда колебаний (сила или интенсивность звука). Поэтому не существует изолированного качественного исследования слуха (различения высоты) и количественного исследования (распознавания силы). Оба качества звука — его сила и частота — взаимосвязаны, и мы можем говорить о силе звука только конкретно по отношению к той или другой частоте. При этом обнаруживаются три изумительных свойства уха: 1) чрезвычайная чувствительность, т. е. восприятие даже слабейших звуковых сигналов; 2) большая выносливость по отношению к интенсивным звукам; 3) большое различие чувствительности к разным частотам.

Легко получить изображение функциональной способности уха, если по оси абсцисс отложить частоты звуков, а по оси ординат — их силу (в единицах давления — барах — или энергии — эргах, рис. 19).

Так как имеются очень большие колебания в частоте и особенно в силе звуков, то при изображении нарастания частот на графике применяется не арифметическая, а геометрическая прогрессия; интенсивность звука изображается в логарифмических единицах. При этом нижняя кривая соответствует порогам слышимости, т. е. отражает чувствительность уха к различным частотам. Как известно, порогом (абсолютным) слышимости называется наименьшая сила звука, которую воспринимает ухо при данной частоте.

Чувствительность соответствует величине, обратной пороговой интенсивности:

E₀ = ¹/_J0,

где E₀ — чувствительность уха; J₀ — интенсивность на пороге слышимости.

Наибольшей чувствительностью ухо обладает к звукам в зоне 1000-4000 Гц, где порог соответствует звуковому давлению P₀ = 0,000204 бара, т. е. 10^-9 эрг/см² сек или 10-16 Вт/см² сек.

При удалении в обе стороны от этой оптимальной зоны чувствительность уха быстро падает, и в зоне 200 Гц и 10 000 Гц пороговая сила звука уже в 1000 раз больше, чем для звуков в 1000-4000 Гц.

Если исследовать звуки надпороговой силы, то оказывается, что при большом усилении звуки приобретают неприятный оттенок, а дальше примешиваются уже ощущения давления и боли в глубине уха. Для звука любой частоты можно определить эту зону давления и боли и, таким образом, получить кривую, ограничивающую зону слуха сверху — кривую давления и боли. Все, что находится между кривой чувствительности и кривой давления, составляет звуковое поле.

Объем этого звукового поля особенно значителен в оптимальной зоне слуха (1000-4000 Гц). Различие между обоими порогами в этой зоне (10^-9 эрг — порог чувствительности и 10^-4 эрг — порог давления) составляет величину, равную 10^-13 . Техника не знает примера, где один и тот же прибор мог бы отвечать на воздействия, разнящиеся друг от друга на такие астрономические величины.

Представляется в высшей степени удобным выражать отношения между двумя интенсивностями звука в логарифмических единицах:

lg 10^J/_J0.

Эта единица называется бел (в честь изобретателя телефона Белла).

При этом весь диапазон интенсивности охватывается 13 логарифмическими единицами или 13 бел. Нулевой уровень звуковой энергии J₀ может быть выбран произвольно, например 1 бар, тогда другие уровни будут отсчитываться от него вверх и вниз. Обычно за нулевой принимают уровень, равный 10^-9 эрг/см² сек, что соответствует силе звука несколько ниже порога для наиболее чувствительной зоны. В таком случае все слышимые звуки будут исчисляться в положительных единицах.

На практике более удобно пользоваться меньшей единицей — децибелом, которая равняется 0,1 бел.

При этом число децибелов (N) определяется формулой:

N = 10 lg 10^J/_J0.

Эта единица оказалась удобной еще и в том отношении, что она соответствует примерно той прибавке в силе звука, при которой уже возможно отличить по громкости один звук от другого.

Таким образом, децибел — это 0,1 десятичного логарифма отношения силы данного звука (J) к нулевому уровню (J₀).

Если исходить из величины звукового давления, то число децибелов (N) будет соответствовать:

N = 10 lg 10^P2/_P0² = 20 lg 10^P/_P0.

Для наглядности приводим таблицу децибелов и соответствующих отношений звуковых интенсивностей (выраженных в эргах и барах).

Таблица 1

РАЗНОСТНЫЕ, ИЛИ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ, ПОРОГИ СЛУХОВОЙ ЧУВТВИТЕЛЬНОТИ

Чувствительность звукового анализатора характеризуется не только величиной абсолютного порога (т. е. различение тишины от едва заметного звукового ощущения), но и способностью определять надпороговые звуки по их частоте и силе. Для этого следует определить тот минимальный прирост по частоте или силе звука, который различается ухом. Поэтому разностным, или дифференциальным, порогом частоты звука называется отношение еле заметного прироста в частоте к первоначальной частоте звука. Эти пороги — наименьшие в зоне частот 500—5000 гц и равны 0,003. Это значит, что изменение частоты звука всего на 3 гц при тоне в 1000 гц уже различается ухом как другая высота. При 4000 гц требуется прирост в 12 гц, и т. д.

Разностные пороги в зоне низких частот выше и достигают для 50 гц 0,01.

Разностным порогом силы звука называется тот минимальный прирост силы звука, при котором ощущается еле заметное усиление громкости первоначального звука.

Разностные пороги силы звука в среднем составляют 0,1—0,12, т. е. для того, чтобы один звук казался громче другого, следует усилить звук на ¹/₁₀ его первоначальной величины. Однако это оказывается правильным только для звуков средней силы, например в 40—60 дб над уровнем ощущения. Согласно закону Вебера-Фехнера, эта величина должна была быть постоянной для звуков слабых и громких. Однако оказалось, что для слабых звуков (близких к порогам) еле ощущаемый прирост достигает ¹/₄ и более. Упомянутые величины соответствуют примерно 0,4—2 дб, и т. д.; 1 дб — это средняя величина прироста силы, которую мы воспринимаем. Следует отметить, что разностный порог силы зависит и от частоты исследуемых звуков; порог особенно велик в зоне басовых звуков и наименьший — в зоне 500—4000 гц.

ГРОМКОСТЬ

Соотношения между громкостью (особым ощущением звука) и силой звука (физическая величина) очень сложны, и поэтому следует четко различать эти понятия. Два равных по силе, но разных по частоте звука не являются равными по громкости: так, например, звук 64 гц при 40 дб (исчисленными по нормальному нулевому уровню) еще не слышен. Для сравнения громкостей звуков разной высоты принято определять еще уровень громкости, для чего сравнивают громкость исследуемого звука с равногромким звуком в 1000 гц и берут обозначение соответствующей силы в децибелах.

Для различения уровня силы от уровня громкости последний предлагается выражать в фонах, в отличие от децибелов, которыми обозначают уровень силы. Таким образом, численно фон соответствует уровню интенсивности (в децибелах) равногромкого звука в 1000 гц.

Нельзя, однако, думать, что уровень громкости в достаточной мере характеризует истинную громкость, т. е. количественную оценку этого качества ощущения. Уровень громкости дает только возможность сравнения двух звуков по их громкости. Существует еще и непосредственная оценка человеком громкости звука. Так, например, в музыке давно применяется обозначение пианиссимо, пиано, меццопиано, меццофорте, форте и фортиссимо. Каждая ступень оценивается примерно в 2 раза громче, чем предыдущая. Весь диапазон музыкальных звуков охватывается интенсивностями в 70—80 дб. Поэтому можно приблизительно считать, что увеличение уровня силы на 10 дб удваивает громкость. Из данного примера видно, что увеличение уровня громкости не идет параллельно с нарастанием истинного ощущения громкости. Оказалось, что большинство людей может довольно точно определить двойную громкость звука.

Анализ звуков. Важнейшей способностью уха является способность к анализу сложных звуков. Все природные звуки, кроме основного тона, содержат ряд обертонов, или гармоник, придающих им определенную окраску — тембр. Звуки арфы, скрипки, рояля одинаковой силы и высоты отличаются величиной, числом и качеством обертонов и легко распознаются ухом. Анализ сложного звука на составные компоненты может быть проведен до известной степени натренированным ухом, а также при помощи резонаторов и сложных записывающих приборов.

Непериодические звуковые колебания, быстро меняющиеся во времени и непостоянные в силе и частоте, называются шумами. В смысле способности уха разлагать сложный звук на отдельные компоненты звуковой анализатор превосходит световой. Как известно, глаз не способен разлагать сложный белый цвет на составляющие его цвета радуги, т. е. не способен различать отдельные длины световых волн в их смеси.

АДАПТАЦИЯ

При воздействии на слуховой анализатор звуков происходят изменения его функциональных свойств. Повышение или понижение чувствительности, имеющее характер физиологического приспособления, носит название адаптации. Под влиянием сильных звуков чувствительность уха падает, а в тишине происходит адаптация к ней и чувствительность обостряется. Понижение чувствительности начинается сразу же по включении звука, достигает известного максимума и наблюдается в течение всего времени, пока действует звук, а после прекращения его держится еще в течение некоторого времени (последействие); затем чувствительность восстанавливается. Кроме чувствительности, меняется и ощущение высоты тона. Величина падения чувствительности, а также время восстановления ее зависят от интенсивности, высоты и времени действия раздражающего тона. Интересно отметить, что воздействие звуков небольшой силы вызывает падение чувствительности в основном для частоты тона раздражения. При сильных же звуках (70—110 дб выше порога) наступает падение чувствительности на широком диапазоне частот, причем наиболее выражено оно в зоне более высоких звуков, так что максимум падения чувствительности сдвинут в сторону соседних, более высоких звуков. Все это указывает на то, что явления адаптации происходят не только на периферии, но и в центральных звеньях анализатора. Особенно сильный адаптационный эффект дают высокие звуки (от 2000 до 4000 гц). При некоторых условиях (после дачи< слабых басовых звуков) иногда можно наблюдать енсибилизацию чувствительности.

От адаптации следует отличать утомление. Утомление наступает при перераздражении звукового анализатора, оно является процессом более длительным и, в отличие от адаптации, которая способствует работоспособности, всегда снижает работоспособность анализатора. После отдыха явления утомления постепенно сглаживаются и затем бесследно проходят. При частых и длительных перераздражениях наступает уже стойкое понижение функции, выявляется картина шумовой или звуковой травмы (акутравма), в основе которой лежат уже органические изменения в рецепторном аппарате (дегенерация волосковых клеток, нервных волокон и ганглиозных клеток спирального узла). Процессы адаптации при заболеваниях уха протекают по-разному, и изучение их представляет ценность для дифференциальной диагностики.

МАСКИРОВКА

Хорошо известно, что при постороннем шуме звуки воспринимаются хуже. Так, в шумных цехах, в трамвае речь воспринимается хуже, многие более слабые звуки вовсе не слышны. Такое заглушение одного звука другим называется маскировкой. Звук, который заглушает другой, называется маскирующим, а исследуемый на этом фоне другой звук — маскируемым. Оказывается, как и следовало ожидать, что чем сильнее интенсивность маскирующего звука, тем сильнее его действие. Значительно маскируются все вышележащие частоты. Наиболее сильный эффект отмечается на звуки, близкие по частоте к маскирующему тону. Поэтому низкие звуки дают маскировочный эффект в большой зоне, при этом резко падает чувствительность ко всем вышележащим тонам. Явления маскировки имеют большой теоретический и практический интерес. При аудиометрии нередко приходится при помощи маскирующего звука заглушить противоположное, неисследуемое ухо. Однако маскирующий звук может вызывать нежелательный маскировочный эффект и на исследуемое ухо, — во-первых, тем, что изменяет функциональное состояние центров (центральная маскировка); во-вторых, он может передаться через ткани черепа на исследуемое ухо. Маскирующий звук в этом случае теряет в своей силе 40-50 дб, так как при прохождении звука через голову от одного до другого уха он ослабевает на эту величину.

Музыкальный и абсолютный слух. Следует отметить особую способность органа слуха отличать определенные отношения частот. Так, например, интервал частот 1:2 называется октавой, и она воспринимается одинаково по всему диапазону частот. Также специфически звучат для уха интервалы 3:2 — квинта, 4:3 — кварта, и т. д. Тонкое распознавание интервалов и звуковая память лежат в основе музыкального слуха.