1.4.1. Слуховой анализатор человека

Слуховой анализатор человека – это совокупность механических, рецепторных и нервных структур, деятельность которых обеспечивает восприятие человеком звуковых колебаний.

У человека слуховой анализатор состоит из трех частей: ушной раковины (также называемой внешним ухом), среднего уха и внутреннего уха – улитки. Проходя через различные части уха, звук претерпевает различные преобразования.

С наружи мы видим так называемое внешнее ухо (рис. 18). Звуковая волна проходит через ушную раковину и попадает в слуховой канал диаметром около 5 мм и длиной около 30 мм. Одна из функций внешнего уха – улучшение локализации источника звука в пространстве. Благодаря его несимметричной форме, АЧХ звуков, приходящих из разных направлений, изменяется по разному. Ушная раковина может влиять лишь на сигналы с длиной волны, сопоставимой с размерами внешнего уха (больше 3 кГц). Внешний ушной канал резонирует на частоте около 2 кГц, что дает повышенную чувствительность в данном диапазоне.

Д

Рис. 18. Слуховой анализатор человека

В толще пирамиды, самой плотной части височной кости, располагается внутреннее ухо. Оно одновременно является органом двух сенсорных систем – слуха и вестибулярного аппарата, отвечающего за чувство равновесия.

Внутреннее ухо (улитка) представляет собой трубку с жидкостью, закрученную в форме улитки, диаметром 0,2 мм, постепенно уменьшающимся, и длиной 30–40 мм. Улитка выполняет роль частотного анализатора. Внутри костного лабиринта улитки находится перепончатый лабиринт. Оба они заполнены жидкостью; удары стремечка по перепонке внутреннего уха вызывают ее колебания. Внутри перепончатого лабиринта по всей длине завитков улитки тянутся 5 рядов клеток с тончайшими волосками (по 60–70 у каждой клетки). Это волосковые звуковые клетки, в улитке их около 24 000. Нижней стороной волосковые клетки крепятся к мембране, которая похожа на арфу и состоит из отдельных волокон. Ее «струны», как и у настоящей арфы, разной длины. Самые короткие (135 мкм) находятся у основания улитки, а самые длинные (234 мкм) – у ее вершины. Всего таких «струн» ровно столько, сколько и волосковых клеток. Различные области улитки входят в резонанс при получении сигнала соответствующей частоты.

Над ними нависает ряд других клеток, образующих покровную мембрану. При возникновении колебаний в жидкости улитки мембрана касается волосков слуховых клеток, порождая в них электрические импульсы различной интенсивности, а слуховой нерв передает их через подкорковые узлы в кору височных долей головного мозга.

Чувствительность слухового анализатора человека зависит от частоты. Максимальная чувствительность наблюдается в районе 1–4 кГц, в этом диапазоне заключен человеческий голос и звуки, издаваемые большинством жизненно важных для нас процессов в природе. Корректная передача звуковоспроизводящей аппаратурой этого частотного диапазона – первое условие естественности звучания.

Человек обладает способностью определять направление на источник звука, благодаря бинауральному слуху (binauralis; лат. bini два, пара + auris ухо – относящийся к обоим ушам). Из-за того что уши расположены на некотором расстоянии друг от друга, звук приходит к ним, различаясь по фазе и интенсивности, что ведет к различию сигналов, поступающих в центральную нервную систему от правого и левого уха, и дает возможность определять направление на источник звука. Есть два принципа восприятия, которые соответствуют двум принципам передачи звуковой информации из уха в мозг.

Первый принцип – для частот ниже 1000 Гц. Эти частоты воспринимаются ударным способом, передавая в мозг информацию об отдельных звуковых импульсах. Временное различие передачи нервных импульсов позволяет использовать эту информацию для определения направления на источник звука. Если звук в одно ухо приходит раньше другого (разница порядка десятков микросекунд), наш мозг может определить его расположение в пространстве, так как запаздывание происходит из-за того, что звуку пришлось пройти еще дополнительно расстояние до другого уха, затратив на это какое-то время. Фаза сигнала левого и правого уха при этом не совпадает.

Второй принцип используется для всех частот, но в основном для тех, что выше 2000 Гц; происходит определение разницы в громкости между двумя ушами.

Еще один важный момент, который позволяет нам гораздо более точно определять местоположение источника звука,– возможность повернуть голову и сравнить изменение параметров звучания. Принято считать, что пространственное разрешение (способность к локализации источника звука) определяется с точностью до одного градуса.

Таким образом, для объемного восприятия во всем диапазоне звуковых частот важна громкость левого и правого каналов восприятия звука, а на частотах до 2000 Гц дополнительно анализируются и относительные фазовые сдвиги. Фазовая информация в диапазоне 1000–4000 Гц имеет приоритет над разницей в громкости.

Слуховой анализатор человека способен различать звуки по частоте, интенсивности, направлению на источник звука и др. Поэтому создание звуковоспроизводящей аппаратуры, способной воспроизводить звуки, не отличимые от естественных, является технически сложной задачей.