Физика слуха. 
Механические колебания и волны

Слуховая система связывает непосредственный приемник звуковой волны с головным мозгом.

Используя понятия кибернетики, можно сказать, что слуховая система получает, перерабатывает и передает информацию. Из всей слуховой системы для рассмотрения физики слуха выделим наружное, среднее и внутреннее ухо.

Наружное ухо состоит из ушной раковины 1 и наружного слухового прохода 2 (рис. 2.8).

Ушная раковина у человека не играет существенной роли для слуха. Она способствует определению локализации источника звука при его расположении в сагиттальной плоскости. Поясним это. Звук от источника попадает в ушную раковину. В зависимости от положения источника в вертикальной плоскости (рис. 2.9) звуковые волны будут по-разному дифрагировать на ушной раковине из-за ее специфической формы. Это приведет и к разному изменению спектрального состава звуковой волны, попадающей в слуховой проход (более детально вопросы дифракции рассматриваются в 24.6). Человек в результате опыта научился ассоциировать изменение спектра звуковой волны с направлением на источник звука (направления А, Б и В на рис. 2.9).

Обладая двумя звукоприемниками (ушами), человек и животные способны установить направление на источник звука и в горизонтальной плоскости (бинауральный эффект; рис. 2.10). 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 (д) и разностью фаз (Дц) выведена в 24.1 при объяснении интерференции света [см. (24.9)]. Если источник звука находится прямо перед лицом человека, то д = 0 и Дц = 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 д равно расстоянию между ушными раковинами. По формуле (24.9) можно рассчитать для н = 1 кГц и д = 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 акустическая тень от головы для одного уха. На рис. 2.10 схематично показано, что звук от источника попадает в левое ухо в результате дифракции.

Звуковая волна проходит через слуховой проход и частично отражается от барабанной перепонки 3. В результате интерференции падающей и отраженной волн может возникнуть акустический резонанс. Это возникает тогда, когда 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 с соответствующими 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. 2.4), при прямом переходе звуковой волны из воздуха в воду передается лишь 0,122% 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 на одном конце молоточком связана с барабанной перепонкой (площадь S1 = 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.

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. 2.9 эти подробности не показаны).

Кортиев орган (спиральный орган) преобразует механические колебания в электрический сигнал.

Длина основной мембраны около 32 мм, она расширяется и утончается в направлении от овального окна на 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. Таким глухим можно помочь, для этого необходимо имплантировать электроды в улитку и на них подавать 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. 2.12, здесь 1 — основной корпус, 2 — заушина с микрофоном, 3 — вилка электрического разъема для подсоединения к имплантируемым электродам.