Прием и преобразование акустического сигнала Устройство слухового аппарата

Слуховой аппарат человека состоит из трех отделов - периферического (наружное, среднее и внутреннее ухо), проводникового (нервные пути) и центрального (находящегося в коре головного мозга).

Ухо.

Наружное ухо (рис. 6.1, 18) состоит из ушной раковины и наружного слухового прохода (он представляет собой изогнутую трубку длиной около 2,5 см. и упирается в барабанную перепонку, которая отделяет наружное ухо от среднего). Так как слуховой проход - это полый сосуд, закрытый с одного конца и открытый с другого, то он является акустическим резонатором, в котором усиливаются определенные частоты (в диапазоне 2000-5000 Гц).

Среднее ухо герметически отделено от наружного (барабанной перепонкой), но сообщается с носоглоткой (через евстахиеву трубу) - для поддержания одинакового давления.Барабанная перепонка (рис. 6.2, 18) - это вогнутая (площадью около 90 мм² и толщиной 0,1 мм) кожно-волокнисто-слизистая структура), которая вибрирует целиком (в ответ на колебания низкой частоты) или частично (в ответ на колебания высокой частоты); в нее вращена рукоятка молоточка, который наряду с наковальней и стремечком (это так называемые слуховые косточки) находится в среднем ухе или барабанной полости, наполненной воздухом (объемом около 1 см³).

От внутреннего уха среднее ухо также отделено перегородкой, в которой имеются два отверстия (круглое и овальное). Колебания барабанной перепонки приводят в движение молоточек, прикрепленный к ней одним своим концом; другой его конец соединен через наковальню со стремечком. Основание стремечка, укреплено в овальном окне улитки - основного органа слухового отдела внутреннего уха.

Внутреннее ухо (лабиринт) заполнено лимфатической жидкостью и имеет два отдела - слуховой и вестибулярный - рис. 6.1. Вестибулярный отдел (орган равновесия) составляют три полукружных канала.

Слуховой отдел внутреннего уха представляет собой полую костную спираль в 2^3/4 оборота, которая называется улиткой; ее длина составляет около 32 мм, а диаметр - 10 мм. у основания и менее 2 мм у конца. (рис. 6.5-6.7, 19 - улитка в развернутом виде, ее поперечный разрез и соединения с двумя концами стремени). Внутри улитки по всей ее длине натянуты две перепонки (базилярная мембрана и рейснерова мембраны), которые делят ее на три продольных канала.

В улитке на границе со средним ухом есть два отверстия, закрытые эластичными мембранами. Одно из этих отверстий, овальное окно (площадью около 3 мм²), соединено со стремечком, которое действует как поршень на жидкость, находящуюся внутри улитки, приводя ее в движение, что создает аналогичное изменение давления в жидкости, которая заполняет вестибулярный канал улитки. Второе отверстие, круглое окно, служит для снижения избыточного давления.. Таким образом, в системе среднего уха звуковое давление увеличивается приблизительно в 20 раз за счет системы рычагов и уменьшения площади.Выравнивание различий в акустическом сопротивлении воздуха и жидкости, в которую передаются звуковые колебания, является главной функцией колебательной системы среднего уха. Наиболее эффективно при этом передаются колебания в диапазоне 1000-2000 Гц.

Базилярная мембрана состоит из нескольких тысяч волокон, натянутых поперек улитки; эти волокна своими колебаниями реагируют на импульсы увеличения давления. Амплитуда колебаний разных участков мембраны различна и зависит от частоты возбуждающего тона и от амплитуды звукового сигнала. Разные места мембраны выделяют в сигнале колебания определенных частот⁶. Таким образом, базилярная мембрана (аналогично спектрографу) как бы осуществляет преобразование Фурье, разлагая комплексные колебания на набор простых, различающихся по частоте, амплитуде и фазе. Например, звук [и] вызовет множество колебаний мембраны, но самые сильные из них будут сосредоточены около ее конца (в ответ на колебания в 300 Гц.) и в середине (2500 Гц.)..

В среднем канале улитки находится рецепторный аппарат слуха - кортиев орган, который представляет собой сложную систему чувствительных волосковых клеток-рецепторов. Его функции состоят в том, чтобы обнаружить то место на базилярной мембране, которое в ответ на данный звук имеет максимальную амплитуду смещения, и передать соответствующий (электрический) импульс в головной мозг.

Информация о колебаниях базилярной мембраны, которые фиксируются с помощью волосковых клеток-датчиков, поступает в мозг через слуховой нерв. Этот нерв состоит из отдельных слуховых волокон, которые выходят из нервных клеток - первых слуховых нейронов. Каждый такой нейрон (а их у человека около 30000) имеет два волокна: одно подходит к рецепторным волосковым клеткам, а другое направлено в сторону мозга.

Благодаря системе "базилярная мембрана — волосковые рецепторы — слуховые нейроны" частотный диапазон звуковых колебаний, воспринимаемых слухом, делится на совокупность пересекающихся частотных каналов, которые имеют разную ширину полосы⁷ и обладают разной чувствительностью к интенсивности возбуждающего сигнала. Человеческий "спектроанализатор" существенно отличается от привычного для фонетистов технического спектроанализатора со стандартной шириной фильтра 300 Гц, который обычно используется для получения широкополосных спектрограмм в акустической фонетике.

В результате спектрального анализа на выходе набора слуховых нейронных фильтров получается "изображение", которое можно назвать слуховым спектром звукового сигнала. Это изображение показывает, как распределяется активность нейронов⁸ в зависимости от их положения в слуховом нерве, то есть от звуковой частоты. По своей природе слуховой спектр аналогичен огибающей мгновенной спектрограммы. Изменение распределения активности нейронов в частотных каналах во времени создает внутреннее слуховое представление сигнала, подобное динамической спектрограмме.

Обработка звукового сигнала в слуховой системе человека не ограничивается слуховым спектральным анализом. По слуховому нерву звуковые сигналы, преобразованные в динамические слуховые спектры, передаются в мозг. На пути в мозг слуховая спектрограмма подвергается дальнейшей обработке, направленной на сокращение и качественную оценку содержащейся в нем информации

Окончательная обработка полученного сигнала и принятие решений о звуковой структуре и содержании высказываения осуществляется в центральном отделе слуховой системы, который находится в коре головного мозга.

Как видно из изложенного выше, слуховая система человека, включающая разные структуры уха и ее центральный отдел, устроена и функционирует чрезвычайно сложным и тонким способом. В самом схематическом виде ее организация может быть представлена следующей схемой:

Рис.??. Организация и функции отделов слуховой системы человека (по [Кодзасов, Кривнова 2000]).

Прием и защита	Согласование сопротивлений воздуха и жидкости	Частотная фильтрация	Преобразова-ние сигнала в электрическую форму	Обработка информации акустических	акустической (выделение ключей)
наружное	среднее	базилярная мембрана	рецепторные клетки	слуховой	слуховая
ухо	ухо	внутреннее	ухо	нерв	кора мозга