§ 14. Физика слуха

В слуховом аппарате человека можно выделить звукопроводящую и звуковоспринимающую части (рис. 19). Строение слухового аппарата представлено на рис. 20а.

Рис. 19. Схематическое представление основных элементов

слухового аппарата человека: 1 – ушная раковина,

2 – наружный слуховой проход, 3 – барабанная перепонка,

4 – система косточек, 5 – улитка, 6 – основная мембрана,

7 – рецепторы, 8 – разветвление слухового нерва

а) Наружное ухо – это ушная раковина, наружный слуховой проход и барабанная перепонка. Ушная раковина (1) – звукоулавливатель, концентрирующий звуковые волны на слуховом проходе (2). Вследствие этого давление на барабанную перепонку (3) возрастает в ~ 3 раза по сравнению с давлением в падающей волне. Наружный слуховой проход (длина ~ 2,5 см) вместе с ушной раковиной играет роль резонатора. Барабанная перепонка отделяет наружное ухо от среднего и состоит из двух слоев коллагеновых волокон, ориентированных по-разному. Ее толщина ~ 0,1 мм. Максимальная чувствительность уха в районе 3 кГц.

Рис. 20 а. Структура человеческого уха

б) Среднее ухо содержит систему косточек (4) – устройство, передающее звуковое колебание из воздушной среды (наружное ухо) в жидкую среду (внутреннее ухо). Объем среднего уха ~ 0,8 см³, оно заполнено воздухом. Для того, чтобы понять назначение среднего уха нужно рассмотреть переход звука из воздушной среды в жидкую. Он характеризуется коэффициентом пропускания .

для воздуха – 440 (кг/м²с); для жидкости внутри уха – 1440000 кг/м²с; (см. формулу 7.2) В логарифмическом масштабе потери составляют:

.

Такой переход с энергетических позиций не эффективен. Система слуховых косточек среднего уха выполняет функцию согласования волновых сопротивлений воздушной и жидкой среды для уменьшения энергетических потерь. Система косточек работает как рычаг, в связи с чем, сила F₂, действующая на овальное окно (рис. 21) возрастает в 1,3 раза по сравнению с силой, развиваемой барабанной перепонкой, т.е. F₂ = 1,3 F₁. Площади барабанной перепонки и овального окна относятся как .

текториальная

мембрана

текториальная

мембрана

Рис. 20 б. Схема улитки и поперечное сечение. Звук проходит

путь как показано стрелочками, что вызывает движение волосков

в кортиевом органе против текториальной мембраны,

стимулируя нервы в основании волосков

Рис. 21. Диаграмма показывает как давление звука, пришедшего

из внешнего уха, увеличивается в среднем ухе. Сила F₂

в 1,3 раза больше силы F₁. Площадь овального окна A₂

в 20 раз меньше площади барабанной перепонки.

Таким образом давление P₂ в 26 раз больше P₁

~ 26 раз.

Таким образом, различие площадей исовместно с системой косточек обеспечивает усиление звукового давления в 26 раз. В логарифмических единицах это составляет:, т.е. энергетические потери составят лишь 1 дБ.

Еще одна функция среднего уха – ослабление передачи колебаний в случае большой интенсивности за счет рефлекторного ослабления с помощью мышц связи между косточками. Сильное изменение давления в окружающей среде может вызвать растяжение барабанной перепонки (болевые ощущения, разрыв). Для ослабления таких перепадов служит евстахиева труба, которая соединяет полость среднего уха с верхней частью глотки.

в) Внутреннее ухо содержит улитку, основную мембрану, рецепторы, разветвление слухового нерва и представляет собой полость, заполненную перелимфой (рис. 20б). Полость – лабиринт имеет сложную форму и состоит из двух основных частей: улитки (5), преобразующей механические колебания в электрический сигнал и полукружий вестибулярного аппарата (рис. 20 а). Вдоль улитки, представляющей собой полое костное образование длиной 35 мм, в виде спирали, содержащей 2,5 завитка, проходит три канала: вестибулярный, барабанный, улитковый. Между улитковым и барабанным каналом вдоль улитки проходит основная (базилярная) мембрана (6), на которой находится Кортиев орган, содержащий рецепторные (волосковые) клетки (7) (около 24000), в которых возникают электрические потенциалы, передаваемые по слуховому нерву (8) в мозг.

Кортиев орган является преобразователем механических колебаний в электрический сигнал. Длина основной мембраны 32 мм. Она неоднородна. Так, например, модуль упругости вблизи стремечка ~ в 100 раз больше, чем у вершины.