3.3. Будова та властивості слухового аналізатора.

Слуховий аналізатор є другим за значенням для сприйняття людиною навколишнього середовища і безпеки життєдіяльності. За його допомогою людина отримує до 10 % інформації. У той час як око чутливе до електромагнітної енергії, вухо реагує на механічні впливи, пов’язані з періодичними змінами атмосферного тиску у відповідному діапазоні. Коливання повітря, що діють із визначеною частотою і періодичною появою областей високого і низького тиску, сприймаються нами як звуки.

У середовищі, що оточує людину, постійно відбуваються різноманітні механічні процеси, що викликають коливання повітря. Більшість таких коливань мають велике сигнальне значення, тобто несуть інформацію про явища, походження яких послужили причиною цих коливань. Завдяки слуховому аналізатору людина сприймає (відчуває) коливання повітря. Слух — здатність організму сприймати та розрізняти звукові коливання за допомогою слухового аналізатора.

Слуховий аналізатор являє собою спеціальну систему для сприйняття звукових коливань, формування слухових відчуттів і впізнавання звукових образів. Допоміжним апаратом периферичної частини аналізатора є вухо (рис. 3.3). Розрізняють:

а) зовнішнє вухо, до складу якого входять вушна раковина, зовнішній слуховий прохід і барабанна перетинка;

б) середнє вухо, що складається із системи з’єднаних між собою слухових кісточок (молоточка, ковадла і стремені);

в) внутрішнє вухо, де розташовані рецептори, які сприймають звукові коливання. До внутрішнього вуха також відносять півколові канали, які є периферичною частиною вестибулярного аналізатора.

Людина має бінауральний слух, тобто може сприймати звукові сигнали одночасно двома вухами.

Розглянемо схематично трансформацію енергії механічних коливань у процес нервового збудження. Звукові хвилі з навколишнього середовища надходять до зовнішнього слухового проходу і надають коливного руху барабанній перетинці, далі через ланку слухових кісточок передаються в порожнину равлика внутрішнього вуха. Коливання волокон равлика передаються розташованим в них клітинам кортієвого органа. Внаслідок цього виникають нервові імпульси, які від звукових рецепторів надходять по слуховому нерву в головний мозок. У слуховій зоні кори великих півкуль, розташованій у скроневій ділянці голови, відбувається кінцеве розрізнення характеру звуку, його сили та висоти та виникає відповідна слухова уява.

Рис. 3.3. Схема будови вуха: 1 — зовнішній слуховий прохід; 2 — барабанна перетинка; 3 — порожнина середнього вуха (барабанна порожнина); 4 — молоточок; 5 — ковадло; 6 — стремено; 7 — півколові канали; 8 — равлик; 9 — євстахієва труба.

Звукові сигнали можуть передаватись кістковим шляхом при виникненні вібрації кісток черепа з кістковою передачею коливань на внутрішнє вухо.

Людина дуже тонко сприймає звукові подразники, що несуть відповідну інформацію, її слух ідеально пристосований для розрізнення корисних сигналів на фоні сторонніх шумів.

Будова слухового апарату забезпечує можливість посилення слабких звуків та послаблення дуже сильних. До барабанної перетинки прикріплені м’язи, які при скороченні фіксують (натягують) її, обмежують рухливість чим зменшують передачу коливань на внутрішнє вухо. Скорочення цих м’язів відбувається рефлекторно без участі свідомості. Чим сильніші звуки і чим сильніші коливання перетинки, тим більше скорочуються фіксуючі м’язи, автоматично захищається барабанна перетинка від надмірних акустичних навантажень. За раптових, різко зростаючих звуків цей запобіжний механізм не встигає спрацювати, що може призвести до розриву перетинки, або ефекту глухоти.

Характерними особливостями слухового аналізатора є:

1. здатність бути готовим до сприйняття інформації в будь-який час;

2. здатність сприймати звуки в широкому діапазоні частот і вилучати необхідні;

3. здатність встановлювати місце знаходження джерел звуку.

Для ефективного використання слухової форми подання інформації необхідне знання характеристик слухового аналізатора. Властивості слухового аналізатора людини виявляються в сприйнятті звукових сигналів. З фізичного погляду звуки є механічними коливаннями (хвилями) в чутному діапазоні частот.

Звукова хвиля характеризується:

1. довжиною — відстанню між двома точками хвилі, що мають однакову фазу коливань;

2. амплітудою (максимальним відхилення точки від стану рівноваги) — найбільшою величиною вимірювання тиску повітря під час згущення та розрядження. Амплітуда коливань визначає величину звукового тиску та інтенсивність звуку (чи силу звучання);

3. періодом — часом одного повного коливання;

4. частотою коливань — кількістю повних коливань за одиницю часу. Фізична одиниця, за допомогою якої оцінюється частота коливань повітря в секунду — герц (Гц), чисельно рівна одному повному коливанню, що здійснюється за одну секунду. Чим більша частота коливань тиску, тим вищий за висотою звук, що сприймається. Людина може чути звуки, при яких частота коливань тиску повітря перебуває в діапазоні від 1620 Гц до 20 00025 000 Гц. Будова барабанної перетинки дає змогу передавати практично без спотворення всі частоти звукового діапазону;

5. інтенсивністю (силою) звуку — густиною потоку звукової енергії, — кількістю енергії, що проходить за 1 секунду через площу 1 м² поверхні, перпендикулярної до напрямку поширення звукової хвилі. Сила звуку вимірюється у Вт/м². Людське вухо сприймає звукові хвилі з інтенсивністю (силою звуку) від 10^-12 Вт/м² до 10² Вт/м²;

6. звуковим тиском — абсолютною різницею між тиском максимального згущення повітря та атмосферним тиском. Звуковий тиск прийнято вимірювати в паскалях (Па). Людське вухо сприймає звукові хвилі зі звуковим тиском від 210^-5 (поріг звукового відчуття) до 210² Па.

Виникнення звукового відчуття і сприймання звукового сигналу залежить від властивості джерела звуку, провідного середовища і стану слухового аналізатора. Суб’єктивно людина диференціює звуки за висотою, голосністю та тембром. Висота, приблизно, відповідає частоті звуку, голосність — його силі, а форма — тембру. Мінімальний звуковий тиск Р₀=210^-5 Па та інтенсивність І₀=10^-12 Вт/м², які ледве сприймаються органом слуху людини, називаються пороговими. Практичне використання абсолютних значень акустичних величин є досить незручним, бо діапазон сприйняття звукового тиску і інтенсивності органом слуху людини дуже великий. Щоб графічно представити, наприклад, розподіл інтенсивності звуку за частотним спектром, графік прийшлося б розміщати на великому листі паперу. Тому в акустиці прийнято вимірювати не абсолютні величини інтенсивності звуку чи звукового тиску, а їх відносні логарифмічні рівні L, взяті за відношенням до порогового значення Р₀ чи І₀.

Для оцінки суб’єктивної гучності сприйняття звуку запропонована спеціальна шкала, одиницею виміру якої є децибел (дБ), тобто 0,1 бела (Б). Децибели використовуються як відносні одиниці вимірювання (відносно порогових значень, з яких починаються відчуття звукового тиску в людському аналізаторі). Одиниця виміру „бел” названа на честь винахідника телефону А.Белла (1847-1922 рр.). Оскільки орган слуху людини спроможний розрізняти зміни рівня інтенсивності звуку на 0,1 Б, то для практичного використання зручнішою є одиниця в 10 разів менша — децибел.

Децибел — це відносна величина, яка показує, у скільки разів у десяткових логарифмічних значеннях даний звуковий тиск (сила звуку) більший від порогового слухового відчуття Р₀ (І₀). Приріст інтенсивності звуку на 0,1 дБ вже відчутний для органу слуху людини. Одному белу відповідає збільшення інтенсивності сили звуку на порозі відчуття у 10 разів, тобто якщо І/І₀=10, то інтенсивність звуку відповідатиме 1 Б, при І/І₀=100 — 2 Б і т. д. Рівень інтенсивності звуку або рівень звукового тиску (в дБ) вираховують із наступних залежностей:

, (3.4)

де І і Р — відповідно інтенсивність і рівень звукового тиску; І₀ і Р₀ — їх порогові значення.

Використання в акустичних вимірюваннях відносної логарифмічної шкали інтенсивності звуку (замість абсолютних значень) дозволило різко скоротити діапазон значень вимірюваних величин. Кожній поділці логарифмічної шкали відповідає зміна рівня звукового тиску на певне число одиниць, в певну кількість разів. Рівень звуку можна розглядати як приведений рівень звукового тиску (в дБ), тому в акустиці прийнято всі виміри і нормативні дані подавати в рівнях звукового тиску.

Весь діапазон інтенсивності шуму, що сприймається органами слуху людини, вкладається в межі 0120 дБ (при 1000 Гц). Звуки, які трапляються у природі, характеризуються приблизно таким співвідношенням (табл. 3.1). При 130 дБ звук викликає неприємні відчуття, а при 140 дБ з’являються сильні больові відчуття. Нижньою абсолютною межею чутливості слухового аналізатора (абсолютний поріг чутності звуку) є тиск у 210^-5 Па на частоті 1000 Гц (сила звуку 10^-12 Вт/м²), що відповідає рівню 0 дБ. Інтенсивність звуку зменшується обернено пропорційно квадрату відстані; при подвоєнні відстані зменшується на 6 дБ.

Треба пам’ятати, що бел — це логарифм відношення двох однойменних фізичних величин, і тоді не буде виникати помилок при порівнянні різноманітних звуків за їх інтенсивністю (рівнем). Наприклад, якщо тихий шелест листя оцінюється в 1 дБ, а голосна розмова в 6,5 дБ, то звідси не випливає, що промова перевищує за гучністю шелест листя у 6,5 разів. Відповідно до Бела одержуємо, що промова „голосніша” за шелест листя у 316 000 разів (10^6,5/10¹=10^5,5= =316000). Останнє є наочною ілюстрацією закону Вебера-Фехнера.

Таблиця 3.1.

Акустичні величини деяких звуків у природі

Звуки	Інтенсивність, мкВт/м2	Рівень звуку, дБ
Поріг чутливості	0,000001	0
Шум спокійного саду	0,0001	20
Звичайний шум у будинку	0,01	40
Звичайна розмова	1,0	60
Пожвавлений вуличний рух	100,0	80
Шум у вагоні метро	10000,0	100
Грім	100000,0	110
Поріг неприємних больових відчуттів	1000000,0	120

Абсолютним порогом звукової чутності називається мінімальний рівень визначеного звуку, який потрібен для того, щоб викликати слухове відчуття у відсутності шуму. Значення його залежить від тону звука (частота, тривалість, форма сигналу), методу його подання і суб’єктивних особливостей слухового аналізатора людини. Абсолютний поріг чутності має тенденцію з віком зменшуватися.

Голосність — характеристика слухового відчуття найбільш щільно пов’язана з інтенсивністю звуку. Рівень голосності виражається в фонах; фон чисельно дорівнює рівню звукового тиску в дБ для чистого тону частотою 1000 Гц. З характеристикою голосності щільно пов’язана характеристика подразнюючої дії звуку. Відчуття неприємності звуків збільшується з підвищенням їх голосності і частоти.

Здатність розрізняти звукові сигнали характеризується гостротою слуху. Гострота слуху суто індивідуальна і змінюється залежно від сили та тривалості звукового сигналу. Чим вищий звуковий фон, тим нижчою стає гострота слуху. Звуки можуть бути корисними сигналами або просто шумом. Суть сприймання звукових сигналів зводиться власне до того, щоб людина змогла з акустичного фону виділити корисний для себе сигнал.

Важливою властивістю звукового апарату є здатність визначати місце знаходження звуку в просторі, що дає змогу з похибкою до 3° на горизонтальній площині визначати напрямок до джерела звуку. Це досягається завдяки одночасній роботі обох звукосприймаючих систем та надзвичайно розвинутій здатності оцінювати відмінність між звуками, що надходять до правого ї лівого вуха.

Механізм визначення відстані до джерела звуку пов’язаний не тільки з властивостями слухового аналізатора, але з індивідуальним досвідом людини. Тому людина з невеликою точністю визначає відстань до джерела чистого звуку, не пов’язаного в її уяві з будь-яким реальним природним явищем, і з набагато більшою точністю розв’язує це питання щодо шуму автомобільного двигуна, пташиного крику чи інших добре знайомих звуків.

Слуховий аналізатор неоднаково сприймає звуки різних частот. Звуки низької частоти людина сприймає як не дуже гучні, порівняно зі звуками більш високої частоти такої ж інтенсивності.

Тривалість звукового подразнення, яка потрібна для виникнення відчуттів, також залежить від частоти та інтенсивності звуку. В межах середньої частини частот та інтенсивності звукових сигналів, які ми чуємо, величина диференціальної межі становить близько 10 % інтенсивності звуку. Для частот понад 1000 Гц почуття присутності сигналу виникають при його тривалості близько 0,001 сек.

Слуховий аналізатор здатен фіксувати навіть незначні зміни частоти вхідного звукового сигналу, тобто володіє вибірковістю, яка залежить від рівня звукового тиску, частоти і тривалості звукового сигналу. Мінімально помітні розрізнення становлять 23 Гц і мають місце на частотах не менш 10 Гц, для частот більше 10 Гц мінімально помітні розрізнення становлять близько 0,3 % частоти звукового сигналу. Вибірковість підвищується на рівнях голосності 30 дБ і більше та тривалості звучання, що перевищує 0,1 с.

Збільшення будь-якої частоти звуку вдвічі завжди сприймається нами як підвищення тону на певну величину — октаву.

Для передачі інформації люди використовують мовні сигнали. Мовні повідомлення являють собою звукові коливання за частотою в діапазоні 1001000 Гц при силі 3080 дБ. Важливою умовою сприйняття мови є розрізнення тривалості та інтенсивності окремих звуків і їх комбінацій. Середній час тривалості мовлення голосного звуку дорівнює приблизно 0,36 с, приголосного 0,020,03 с. Відчування і розуміння мовних повідомлень істотно залежить від темпу їх передачі, наявності інтервалів між словами і фразами. Мовне повідомлення сприймається при темпі мови до 160 слів на хвилину. Оптимальним вважається темп 120 слів на хвилину при перевищенні інтенсивності слів над інтенсивністю шумів на 6,5 дБ. Розпізнання мовних сигналів залежить від довжини слова. Так, односкладові слова розпізнаються в 13 % випадків, шестискладові — 41 %. Це пояснюється наявністю в складних словах великої кількості визначальних ознак. Частина людей володіє абсолютним слухом. Абсолютний слух — це здатність визначати усі тони будь-якого складного звуку. Такий слух не вважається конче потрібним навіть музикантам, але він значно полегшує професійну діяльність деякій категорії людей.