Акустические саги. Как и почему мы слышим звуки?

Механизм слухового восприятия и биомеханика процесса восприятия звука была полностью воссоздана лишь в конце 50-х прошлого века. Колоссальную роль в этом сыграл ученый Георг Бекеши (Bekesy, Georg Von), родом из Венгрии. Началом его исследований еще в 20-х стал один из вечных двигателей прогресса — рекламации.

Все дело в том, что едва установленная в те годы, телефонная сеть Венгрии служила промежуточным звеном в европейской сети. Нужно ли говорить о том, что любые неполадки легче всего было списать на неотлаженность венгерских линий? Вот тогда-то молодой Георг и получил задание от руководства научно-исследовательской лаборатории министерства связи Венгрии — разобраться и установить причину. Со временем Георг расставил все по местам. В большинстве случаев причиной рекламаций являлось несовершенство телефонных аппаратов, мембраны которых искажали голос до неузнаваемости. Судьбоносное заключение повлекло за собой начало исследований Георгом строения органов слуха.

Результатом исследований стало полное раскрытие сути процесса восприятия звука ухом, последовавший за этим прорыв в области медицины и вполне заслуженная Нобелевская премия в области физиологии и медицины в 1961 году. Благодаря Георгу Бекеши мы сможем свободно и уверенно, хотя и вкратце, рассмотреть строение и механизм функционирования уха.

Ухо человека состоит из трех отделов. Первый — самый простой — носит название наружного уха. Его строение и функции понятны. Они целиком направлены на улавливание звука. Завершается наружное ухо барабанной перепонкой.

Второй отдел — среднее ухо. Колебания от барабанной перепонки передаются на сложную систему из трех косточек, носящих красивые названия «молоточек», «наковальня» и «стремечко». Их функция — гасить амплитуду колебаний, увеличивая их силу. Это нужно для того, чтобы точно передать колебания в звукопринимающий отдел уха — внутреннее ухо. Усиление колебаний происходит благодаря рычажному механизму работы слуховых косточек. Примечательно, что среднее ухо снабжено защитным механизмом: при очень высоком уровне громкости, т. е, звукового давления, специальные мышцы натягивают барабанную перепонку, тем самым гася амплитуду колебаний передаваемых ею на слуховые косточки и, как следствие, предохраняя от повреждения крайне чувствительное внутреннее ухо.

Основным органом внутреннего уха является улитка. Напоминая представителя фауны по форме, улитка имеет сложное строение. Вкратце скажем, что основными органами улитки являются мембрана и волосковые клетки, являющиеся звуковыми рецепторами. Колебания от слуховых косточек проходят путь через столб жидкости до поверхности мембраны, вызывая ее колебания. Существует несколько теорий объяснения дальнейшего развития событий. Согласно теории Бекеши, поверхность разных участков мембраны обладает разными физическими свойствами. Поэтому колебания различной частоты вызывают колебания различных ее участков. То есть, низкие частоты вызывают колебания одного участка мембраны, а высокие — совершенно другого. Вот эти колебания и передаются волосковым клеткам, контактирующим с мембраной. Теория объясняет как частотное различение звука, так и разделение по громкости. Чем громче звук — тем, естественно, сильнее колеблется мембрана и волосковые клетки получают более интенсивный сигнал.

Дальнейшее прохождение преобразованного звукового сигнала — задача нервной системы. Стоит добавить, что существуют два вида проводимости звука: воздушный и костный. В обычных условиях преобладает первый путь передачи звука. Костный путь начинает играть роль, скажем, при погружении человека под воду. И, если при воздушном способе передачи путь звука лежит через наружное и среднее ухо, то в случае костного звуковые колебания передаются через кости черепа непосредственно в улитку.

Из особенностей человеческого уха стоит отметить наибольшую его чувствительность к звукам частотой от 1000 до 3000 Гц, что лежит в области частот человеческой разговорной речи. Это означает, что колебания с такой частотой ухо воспринимает при сравнительно малых уровнях звукового давления.

Следующей замечательной особенностью слуха человека является его бинауральность. Это означает свойство, возникающее из парности слухового органа. Благодаря бинауральности, мы можем определить направление, в котором находится источник звука. Исключительная чувствительность и идеальная настройка звукового анализатора позволяет уловить разность во времени между звуковыми сигналами, пришедшими в левое и правое ухо, несмотря на то, что это время составляет десятитысячные доли секунды. В дополнение к этому, левое и правое ухо при несимметричном положении источника звука слышат его с различной громкостью.