Как мы слышим? Психоакустика. Как и почему мы слышим звуки Как мы слышим звук объясни подробно

Все процессы записи, обработки и воспроизведения звука, так или иначе, работают на один орган, которым мы воспринимаем Звуки - ухо. Без понимания того, что и как мы слышим, что нам важно, а что нет, в чем причина тех или иных музыкальных закономерностей - без этих и других мелочей невозможно спроектировать хорошую аудио аппаратуру, нельзя эффективно сжать или обработать звук. То, о чём я расскажу - лишь самые основы (Да всего описать и не получится в рамках этой публикации).
- процесс звуковосприятия еще далеко не до конца изучен, однако, изложенные здесь факты могут показаться интересными даже тем, кто знает, что такое децибел...

Немного анатомии
(устройство уха - коротко и ясно)

Снаружи мы видим так называемое внешнее ухо (ушная раковина). Затем идет канал - примерно 0.5 см в диаметре и около 3 см в длину (слуховой проход (если ухо загрязнено, страдает качество слуха)).
Затем - барабанная перепонка (мембрана), к которой присоединены косточки - среднее ухо. Эти косточки передают вибрацию барабанной перепонки далее - на другую перепонку,
во внутреннее ухо - трубку с жидкостью, около 0.2 мм диаметром и, приблизительно, 3-4 см длинной, закрученную как улитка. Смысл наличия среднего уха в том, что колебания воздуха слишком слабы, чтобы напрямую сниматься с барабанной перепонки, и среднее ухо вместе с барабанной перепонкой и перепонкой внутреннего уха составляют гидравлический усилитель - площадь барабанной перепонки во много раз больше площади перепонки (мембраны) внутреннего уха, поэтому давление (которое равно F/S) усиливается в десятки раз.
Во внутреннем ухе, по всей его длине, еще одна вытянутая мембрана, жесткая к началу уха и мягкая к концу. Каждый участок этой мембраны колеблется в определённом частотном диапазоне, низкие частоты - в мягком участке ближе к концу, самые высокие - в самом начале. Вдоль этой мембраны расположены нервы, которые воспринимают колебания и передают их в мозг, используя два принципа:
Первый - ударный принцип. Поскольку нервы еще способны передавать колебания (бинарные импульсы) с частотой до 400-450 Гц, именно этот принцип влоб используется в области низкочастотного слуха. Там сложно иначе - колебания мембраны слишком сильны и затрагивают слишком много нервов. Слегка расширенный ударный принцип позволяет воспринимать частоты до примерно 4 кГц, засчет того, что несколько (до десяти) нервов ударяют в разных фазах, складывая свои импульсы. Это хорошо тем, что мозг воспринимает информацию более полно - с одной стороны, мы всё-таки имеем легкое частотное разделение, а с другой - можем еще анализировать сами колебания, их форму и особенности, а не просто частотный спектр. Этот принцип действует на самой важной для нас части - спектре человеческого голоса. Да и вообще, до 4 кГц находится вся наиболее важная для нас информация.
Ну и второй принцип - просто местоположение возбуждаемого нерва, применяется для восприятия звуков более 4 кГц. Тут уже кроме факта нас вообще ничего не волнует - ни фаза, ни скважность... Голый спектр.
Таким образом, в области высоких частот мы имеем спектральный слух не очень высокого разрешения, а для частот близких к человеческому голосу - более полный, основанный не только на разделении спектра, а еще и на дополнительном анализе информации самим мозгом, давая более полную стерео картину.
Основное восприятие звука происходит в диапазоне от 1 до 4 кГц, корректная передача этого частотного отрезка - первое условие естественности звучания.

О чувствительности
(по мощности и частотной)
Теперь о децибелах. Я не буду с нуля объяснять, что это такое, вкратце - относительная логарифмическая мера громкости (мощности) звука, наиболее хорошо отражающая человеческое восприятие громкости, и в то же время достаточно просто вычисляемая.
В акустике принято измерять громкость в дБ SPL (Sound Pressure Level – уровень звукового давления). Ноль этой шкалы находится примерно на минимальном звуке, который слышит человек. Отсчет ведется, естественно, в положительную сторону. Человек может осмысленно слышать звуки громкостью примерно до 120 дБ SPL. При 140 дБ ощущается сильная боль, при 150 дБ наступает повреждение слуха. Нормальный разговор - примерно 60 - 70 дБ SPL. Далее, при упоминании дБ подразумевается дБ от нуля по SPL.
Чувствительность уха к разным частотам очень сильно отличается. Максимальна чувствительность в районе 1 - 4 кГц, основные тона человеческого голоса. Сигнал 3 кГц - это и есть тот звук, который слышен при 0 дБ. Чувствительность сильно падает в обе стороны - например, для звука в 100 Гц нам нужно уже целых 40 дБ (в 100 раз большая амплитуда колебаний), для 10 кГц - 20 дБ. Обычно мы можем сказать, что два звука отличаются по громкости, при разнице, примерно, в 1 дБ. Несмотря на это, 1 дБ - скорее много, чем мало. Просто у нас очень сильно компрессированное, (выровненное) восприятие громкости. Зато весь диапазон - 120 дБ - воистину огромен, по амплитуде это миллионы раз!
Кстати, увеличение амплитуды в два раза соответствует увеличению громкости на 6 дБ. Внимание! не путайте: 12 дБ - в 4 раза, но разница 18 дБ - уже 8 раз! (а не 6, как могло подуматься.) дБ - логарифмическая мера.
Аналогична по свойствам и спектральная чувствительность. Мы можем сказать, что два звука (простых тона) отличаются по частоте, если разница между ними составляет около 0.3% в районе 3 кГц, а в районе 100 Гц требуется различие уже на 4%! Для справки - частоты нот (если брать вместе с полутонами, то есть две соседние клавиши фортепьяно, включая черные) отличаются на, примерно, 6%.
В общем, в районе 1 - 4 кГц чувствительность уха по всем параметрам максимальна, и составляет не так уж и много, если брать не логарифмированные значения, с которыми приходится работать цифровой технике.
Примите на заметку - многое из того, что происходит при цифровой обработке звука, может выглядеть ужасно в цифрах, и при этом звучать неотличимо от оригинала.
При цифровом представлении звука, понятие дБ считается от нуля и вниз, в область отрицательных значений. Ноль - максимальный уровень, представимый цифровой схемой. Если, при цифровой записи, уровень входного сигнала выбран не правильно – происходит превышение максимально разрешенного уровня сигнала, все сигналы, превышающие 0 дБ, обрезаются до 0 дБ – образуются клипы - вместо синусоиды на сигналограмме возникают прямоугольники (на слух воспринимаемые как щелчки (если превышение незначительно). Для того чтобы клипов не возникало, необходимо записывать звук с небольшим запасом по уровню -3 дБ.

О фазовой чувствительности
Если говорить об органах слуха в целом - природа создала их такими, какими создала, руководствуясь прежде всего соображениями целесообразности. Фаза частот нам не важна абсолютно, так как совершенно не несет полезной информации. Фазовое соотношение отдельных частот кардинально меняется от перемещений головы, окружающей обстановки, эха, резонансов.... Эта информация никак не используется мозгом, и поэтому мы не восприимчивы к фазам частот. Надо, однако, отличать изменения фазы в малых пределах (до нескольких сот градусов) от серьезных фазовых искажений, которые могут изменить временные параметры сигналов, когда речь уже идет не об изменениях фаз, а скорее о частотных задержках - когда фазы отдельных компонент настолько варьируются, что сигнал распадается во времени, изменяет свою длительность. Например, если мы слышим только отраженный звук, эхо с другого конца в огромном зале - в некотором роде это лишь вариация фаз сигналов, но настолько сильная, что вполне воспринимается по косвенным (временным) признакам. И вообще глупо называть это изменениями фаз - грамотнее говорить о задержках.
В общем, к незначительным вариациям фаз (однако, как посмотреть), до противофазы наше ухо абсолютно не чувствительно. Но всё это касается лишь одинаковых фазовых изменений в обоих каналах! Несимметричные фазовые сдвиги очень важны, об этом - ниже.

Об объемном восприятии
Человек может воспринимать пространственное положение источника звука.
Есть два принципа стерео восприятия, которые соответствуют двум принципам передачи звуковой информации из уха в мозг (об этом
см. выше).
Первый принцип - для частот ниже 1 кГц, их слабо волнуют препятствия в виде человеческой головы - они просто огибают её. Эти частоты воспринимаются ударным способом, передавая в мозг информацию об отдельных звуковых импульсах. Временное разрешение передачи нервных импульсов позволяет использовать эту информацию для определения направления звука - если звук в одно ухо приходит раньше другого (разница порядка десятков микросекунд), мы можем засечь его
расположение в пространстве - ведь запаздывание происходит из-за того, что звуку пришлось пройти еще дополнительно расстояние до второго уха, затратив на это какое-то время. Этот фазовый сдвиг звука одного уха относительно другого и воспринимается как информация, позиционирующая звуки.
И второй принцип - используется для всех частот, но в основном - для тех, что выше 2 кГц, которые отлично затеняются головой и ушной раковиной - просто определение разницы в громкости между двумя ушами.
Еще один важный момент, который позволяет нам гораздо точнее определять местоположение звука - возможность повернуть голову и «посмотреть» на изменение параметров звучания. Достаточно буквально нескольких градусов свободы, и мы можем определить звук (источник звука) почти точно. Принято считать, что направление с легкостью определяется с точностью до одного градуса. Этот прием пространственного восприятия - то, что почти не дает сделать реалистичный объемный звук в играх - по крайней мере, до тех пор, пока наша голова не будет облеплена поворотными датчиками.. Ведь звук в играх, даже рассчитанный на современные 3д карты, не зависит от поворота нашей реальной головы, поэтому полная картина почти никогда не складывается, и, сложиться, к сожалению, не может.
Таким образом, для стерео восприятия во всех частотах важна громкость правого и левого канала, а в частотах, где это возможно, до 1 - 2 кГц, дополнительно оцениваются и относительные фазовые сдвиги. Дополнительная информация - подсознательный поворот головы и мгновенная оценка результатов.
Фазовая информация в районе 1 - 4 кГц имеет приоритет над разницей в громкости (амплитуде), хотя определенная разница уровней перекрывает фазовую разницу, и наоборот. Не совсем соответствующие или прямо противоречивые данные (например - правый канал громче левого, однако запаздывает) дополняют наше восприятие окружения - ведь эти несоответствия рождаются из окружающих нас отражающих/поглощающих поверхностей. Таким образом, в очень ограниченном объеме воспринимается характер помещения, в котором находится человек. Этому также помогают общие для обоих ушей фазовые вариации огромного уровня - задержки, эхо (реверберация).

О нотах и октавах
Гармоники
Слово «гармоника» здесь означает гармоническое колебание, или проще - синусоиду, простой тон. В аудио - технике, однако, применяют понятие - пронумерованные гармоники. Дело в том, что множество физических, акустических процессов дают дополнение какой-то определенной частоты частотами, ей кратными. Простой (основной) тон 100 Гц сопровождают гармоники 200, 300, 400 и так далее Гц. Звук скрипки, например - это почти одни сплошные гармоники, основной тон имеет лишь немного большую мощность, чем его гармонические дополнения - обертоны. Вообще говоря, характер звучания музыкального инструмента (тембр) зависит от наличия и мощностей его гармоник, тогда как основной тон определяет ноту.
Вспоминаем дальше. Октава в музыке - интервал изменения частоты основного тона в два раза. Нота ля суб-контр октавы, к примеру, имеет частоту примерно - 27.5 Гц, контр- 55 Гц. Состав гармоник этих двух разных звуков имеет много общего - в том числе это 110 Гц (ля большой октавы), 220 Гц (малой), 440 Гц (первой) - и так далее. В этом основная причина того, что одинаковые ноты разных октав звучат в унисон - складывается влияние одинаковых высших гармоник.
Дело в том, что гармоники нам обеспечены всегда - даже если музыкальный инструмент воспроизводит только один основной тон, высшие гармоники (обертоны) появятся уже в ухе, в процессе спектрального восприятия звука. Нота самой нижней октавы почти всегда включает в себя в качестве гармоник те же ноты всех вышестоящих октав.
Наше звуковосприятие почему-то устроено так, что нам приятны гармоники, и неприятны частоты, которые выбиваются из этой схемы - два звука, 1 кГц и 4 кГц, вместе будут звучать приятно - ведь это суть одна нота через две октавы, пусть и не калиброванного по стандартной шкале инструмента. Как уже упоминалось - это то, что часто встречается в природе как следствие естественных физических процессов. Но, если взять два тона 1 кГц и 3.1 кГц - будет звучать раздражающе!
Октава - понятие, полезное не только для музыкантов. Октава в акустике - это изменение частоты звука в два раза. Мы уверенно слышим примерно полных 10 октав, это на две октавы выше, чем последняя октава фортепьяно. Странное дело, но в каждой октаве содержится примерно одинаковое для нас количество информации, хотя последняя октава - это весь район с 10 до 20 кГц. В старости мы практически перестаем слышать эту последнюю октаву, и это дает потерю слуховой информации не в два раза, а всего на 10% - что не так уж и страшно. Для справки - самая высокая нота фортепьяно - около 4,186 кГц. Тем не менее, спектр звучания этого
инструмента далеко выходит за 4,186 кГц за счет гармоник, реально покрывая весь наш звуковой диапазон. Так почти с любым музыкальным инструментом - основные тона почти никогда не выходят за 5 кГц, можно быть совершенно глухим к более высоким тонам, и, тем не менее, слушать музыку...
Даже если бы и были инструменты с более высокими тонами - слышимый гармонический состав их звучания был бы очень бедным. Сами смотрите - у инструмента в 6 кГц основного тона есть только одна слышимая гармоника - 12 кГц. Этого просто мало для наполненного, приятного звучания, какой тембр мы бы ни хотели получить в результате.
Важный параметр всех звуковых схем - гармонические искажения. Почти все физические процессы приводят к их появлению, и в звукопередаче их стараются сделать минимальными, чтобы не изменять тональную окраску звука, и просто не засорять звук лишней, отягощающей информацией. Гармоники, однако, могут давать звуку и приятную окраску - например, ламповый звук - это наличие большого (сравнительно с транзисторной техникой) числа гармоник, дающих звуку приятный, теплый характер, практически не имеющий аналогов в природе.

Принципы цифрового звука
Прежде всего, сам принцип представления звука в цифровой форме предполагает уничтожение какой-то части информации в нем. Исходная, непрерывная кривая, описывающая амплитуду звуковой волны, подвергается дискретизации - разбиению на отдельные интервалы (отсчеты), внутри которых амплитуда считается постоянной; таким образом фиксируются временные характеристики волны. Затем эти мгновенные значения амплитуды еще раз разбиваются на конечное число значений - теперь уже по самой величине амплитуды - и выбирается наиболее близкое из этих дискретных значений; так фиксируются амплитудные характеристики. Если говорить по отношению к графику (осциллограмме) звуковой волны, то можно сказать, что на него накладывается некая сетка - крупная или мелкая, которая определяет точность преобразования волны в цифровую форму.
Мелкость временной сетки - частота дискретизации - определяет, прежде всего, частотный диапазон преобразуемого звука. В идеальных условиях для передачи сигнала с верхней частотой F достаточно частоты дискретизации 2F (по теореме Котельникова), в реальных же, приходится выбирать некоторый запас. Точность же представления самих значений амплитуды - разрядность отсчетов - определяет в первую очередь уровень шумов и искажений, вносимых при преобразовании. Естественно - снова для идеального
случая, поскольку шумы и искажения вносятся и другими участками схемы.
В начале 80-х, когда разрабатывалась система "компакт-диск", ориентированная для бытового применения, по результатам экспертных оценок была выбрана частота дискретизации 44.1 кГц и разрядность отсчета 16 бит (65536 фиксированных уровней амплитуды). Этих параметров достаточно для точной передачи сигналов с частотой до 22 кГц, в которые вносится дополнительный шум на уровне примерно -96 дБ.
Поток чисел (серий двоичных цифр), описывающий звуковой сигнал, называют импульсно-кодовой модуляцией или ИКМ (Pulse Code Modulation, PCM), так как каждый импульс дискретизованного по времени сигнала представляется собственным цифровым кодом.
Чаще всего применяют линейное квантование, когда числовое значение отсчета пропорционально амплитуде сигнала. Из-за логарифмической природы слуха более целесообразным было бы логарифмическое квантование, когда числовое значение пропорционально величине сигнала в децибелах, однако это сопряжено с трудностями чисто технического характера.
Временная дискретизация и амплитудное квантование сигнала неизбежно вносят в сигнал шумовые искажения. В большинстве современных цифровых звуковых систем используются стандартные частоты дискретизации 44.1 и 48 кГц, однако частотный диапазон сигнала обычно ограничивается возле 20 кГц для оставления запаса по отношению к теоретическому пределу. Также наиболее распространено 16-разрядное квантование по уровню, что дает предельное соотношение сигнал/шум около 98 дБ. В студийной аппаратуре используются более высокие разрешения - 18-, 20, 24 и 32-разрядное квантование при частотах дискретизации 56, 96 и 192 кГц. Это делается для того, чтобы сохранить высшие гармоники звукового сигнала, которые непосредственно не воспринимаются
слухом, но влияют на формирование общей звуковой картины.
Для оцифровки более узкополосных и менее качественных сигналов частота и разрядность дискретизации могут снижаться (например, в телефонных линиях применяется 7или 8-разрядная оцифровка с частотами 8..12 кГц).
Сам цифровой звук и относящиеся к нему вещи принято обозначать общим термином Digital Audio; аналоговая и цифровая части звуковой системы обозначаются терминами Analog Domain и Digital Domain.

Что такое АЦП и ЦАП?
Аналогово-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи. Первый преобразует аналоговый сигнал в цифровое значение амплитуды, второй выполняет обратное преобразование.
В англоязычной литературе применяются термины ADC и DAC, а совмещенный преобразователь называют codec (coder-decoder).
Принцип работы АЦП состоит в измерении уровня входного сигнала и выдаче результата в цифровой форме. В результате работы АЦП непрерывный аналоговый сигнал превращается в импульсный, с одновременным измерением амплитуды каждого импульса. ЦАП получает на входе цифровое значение амплитуды и выдает на выходе импульсы напряжения или тока нужной величины, которые расположенный за ним интегратор (аналоговый фильтр) превращает в непрерывный аналоговый сигнал.
Для правильной работы АЦП входной сигнал не должен изменяться в течение времени преобразования, для чего на его входе обычно помещается схема выборки-хранения, фиксирующая мгновенный уровень сигнала и сохраняющая его в течение всего времени преобразования. На выходе ЦАП также может устанавливаться подобная схема, подавляющая влияние переходных процессов внутри ЦАП на параметры выходного сигнала.
При временной дискретизации спектр полученного импульсного сигнала в своей нижней части 0..Fa повторяет спектр исходного сигнала, а выше содержит ряд отражений (aliases, зеркальных спектров), которые расположены вокруг частоты дискретизации Fd и ее гармоник. При этом первое отражение спектра от частоты Fd в случае Fd = 2Fa располагается непосредственно за полосой исходного сигнала, и требует для его подавления аналогового фильтра (anti-alias filter) с высокой крутизной среза. В АЦП этот фильтр устанавливается на входе, чтобы исключить перекрытие спектров и их интерференцию, а в ЦАП - на выходе, чтобы подавить в выходном сигнале надтональные помехи, внесенные временной дискретизацией.

Что такое Dithering и Noise Shaping?
Методы обработки цифрового звукового сигнала, направленные на улучшение субъективного качества звучания ценой очевидного ухудшения его объективных характеристик (прежде всего - коэффициента нелинейных искажений и соотношения сигнал/шум).
Dithering (сглаживание) заключается в добавлении к сигналу небольшого количества шума (псевдослучайного цифрового сигнала) разного спектра (белый, розовый и т.п.). При этом заметно ослабляется корреляция ошибок квантования с полезным сигналом ("рассеиваются" ошибки округления) и, несмотря на некоторое увеличение шума, субъективное качество звучания заметно повышается. Уровень добавляемого шума выбирается в зависимости от задачи и колеблется от половины младшего разряда отсчета до нескольких разрядов.
Noise Shaping (формовка шума) заключается в преобразовании сильно зашумленного полезного сигнала с целью вытеснения чисто шумовых компонент в надтональную область с выделением в нижней части спектра основной энергии полезного сигнала. По существу, Noise Shaping является одним из видов PWM (Pulse Width Modulation - широтно-импульсная модуляция, ШИМ) с дискретной шириной импульса. Сигнал, обработанный этим методом, требует обязательной фильтрации с подавлением высоких частот - это выполняется либо цифровым, либо аналоговым способом.
Основное применение Noise Shaping находит в области представления цифровых сигналов отсчетами меньшей разрядности с повышенной частотой следования. В delta-sigma ЦАП для повышения частоты следования отсчетов увеличивается в десятки раз частота дискретизации, на которой из исходных многоразрядных отсчетов формируются серии отсчетов разрядностью 1..3. Низкочастотная часть спектра потока этих отсчетов с высокой точностью повторяет спектр исходного сигнала, а высокочастотная
содержит в основном чистый шум.

В случае преобразования цифрового сигнала к отсчетам более низкой разрядности на той же частоте дискретизации Noise Shaping выполняется вместе с операцией Dithering"а. Поскольку в этом случае повышение частоты дискретизации невозможно, вместо этого спектр добавляемого шума формируется таким образом, чтобы его низко и среднечастотная часть максимально точно повторяла слабую часть сигнала, заключенную в отсекаемых младших разрядах отсчетов. Благодаря этому основная энергия шума вытесняется в верхнюю часть рабочего диапазона частот, а в наиболее слышимой области остаются вполне разборчивые следы слабого сигнала,
который иначе оказался бы полностью уничтоженным. Несмотря на то, что объективные искажения сохраненного таким образом слабого сигнала очень велики, его субъективное восприятие остается вполне приемлемым, позволяя воспринимать на слух компоненты, уровень которых меньше младшего разряда отсчета.
По существу, Dithering и Noise Shaping являются частными случаями одной технологии - с той разницей, что в первом случае используется белый шум с равномерным спектром, а во втором - шум со спектром, специально сформированным под конкретный сигнал. Данная технология приводит к "нестандартному" использованию цифрового формата, основанному на особенностях человеческого слуха.

Ответ ниже

Улитка представляет собой сложную гидромеханическую систему. Это тонкостенная костная трубка конической формы, закрученная в спираль. Полость трубки заполнена жидкостью и по всей длине разделена особой многослойной перегородкой. Одним из слоев этой перегородки является так называемая базилярная мембрана, на которой и расположен собственно рецепторный аппарат - кортиев орган. В рецепторных волосковых клетках (поверхность их покрыта мельчайшими протоплазматическими выростами в виде волосков) и происходит удивительный, до конца еще не изученный процесс преобразования физической энергии звуковых колебаний в возбуждение этих клеток. Дальше информация о звуке в виде нервных импульсов по волокнам слухового нерва, чувствительные окончания которого подходят к волосковым клеткам, передается в слуховые центры головного мозга.

Существует и другой путь, по которому звук, минуя наружное и среднее ухо, достигает улитки - непосредственно через кости черепа. Но интенсивность воспринимаемого звука в этом случае значительно меньше, чем при воздушном звукопроведении (отчасти это объясняется тем, что при прохождении через кости черепа энергия звуковых колебаний затухает). Поэтому значение костной звукопроводимости у здорового человека относительно невелико.

Однако способность воспринимать звуки двойным путем используется в диагностике нарушений слуха: если в ходе обследования выясняется, что восприятие звуков путем воздушного звукопроведения нарушено, а путем костного полностью сохранено, врач может сделать вывод, что пострадал только звукопроводящий аппарат среднего уха, звуковосприни-мающий же аппарат улитки не поврежден. В таком случае костное звукопроведение и оказывается своего рода «палочкой-выручалочкой»: больной может пользоваться слуховым аппаратом, от которого звуковые колебания прямо через кости черепа передаются кортиеву органу.

Улитка не только воспринимает звук и трансформирует его в энергию возбуждения рецепторных клеток, но, что не менее важно, осуществляет начальные этапы анализа звуковых колебаний, в частности частотный анализ.

По ходу канала улитки, в направлении от овального окна к ее" вершине постепенно увеличивается ширина перегородки и уменьшается ее жесткость. Поэтому различные участки перегородки резонируют на звуки разных частот: при действии звуков высокой частоты максимальная амплитуда колебаний наблюдается у основания улитки, вблизи овального окна, а низкочастотным звукам соответствует зона максимального резонанса у вершины. Звуки определенной частоты имеют свое преимущественное представительство в определенной части улитковой перегородки и, следовательно, воздействуют только на те нервные волокна, которые связаны с волосковыми клетками возбужденной области кортиева органа. Поэтому каждое нервное волокно реагирует на ограниченный диапазон частот; такой способ анализа получил название пространственного, или по принципу места.

Помимо пространственного, имеется еще и временной, когда частота звука воспроизводится и в реакции рецепторных клеток и до известного предела в реакции волокон слухового нерва. Оказалось, что волосковые клетки обладают свойствами микрофона: они преобразуют энергию звуковых колебаний в электрические колебания той же частоты (так называемый микрофонный эффект улитки). Предполагается, что существуют два способа передачи возбуждения от во-лосковой клетки на нервное волокно. Первый, электрический, когда электрический ток, возникший в результате микрофонного эффекта, непосредственно вызывает возбуждение нервного волокна. И второй, химический, когда возбуждение волосковой клетки передается на волокно с помощью вещества-передатчика, то есть медиатора. Временной и пространственный способы анализа в совокупности обеспечивают хорошее различение звуков по частоте.

Голос матери, щебетанье птиц, шелест листвы, лязг машин, раскаты грома, музыка... Человек погружается в океан звуков буквально с первых минут жизни. Звуки заставляют нас волноваться, радоваться, тревожиться, наполняют спокойствием или страхом. А ведь все это не более чем колебания воздуха, звуковые волны, которые, попадая через наружный слуховой проход на барабанную перепонку, вызывают ее колебания. Через систему расположенных в среднем ухе слуховых косточек (молоточек, наковальню и стремечко) звуковые колебания передаются далее во внутреннее ухо, по форме напоминающее раковину виноградной улитки.

Такой анализ можно провести с помощью технических приборов - частотных анализаторов. Улитка делает это гораздо быстрее и, естественно, на другой «технической базе».

Итак, информация о звуке передана волокну слухового нерва, но высшего слухового центра, расположенного в височной доле коры большйх полушарий, она достигает не сразу. Центральная, находящаяся в мозгу, часть слуховой системы состоит из нескольких центров, каждый из которых насчитывает сотни тысяч и миллионы нейронов. В этих центрах существует своеобразная иерархия, и при переходе от нижних к верхним реакция нейронов На звук изменяется.

На нижних уровнях центральной части слуховой системы, в слуховых центрах продолговатого мозга, импульсная реакция нейронов на звук хорошо отражает его физические свойства: длительность реакции точно соответствует длительности сигнала; чем больше интенсивность звука, тем больше (до определенного предела) число и частота импульсов и тем больше число нейронов, вовлекаемых в реакцию, и т. д.

При переходе от нижних слуховых центров к верхним постепенно, но неуклонно снижается импульсная активность нейронов. Создается впечатление, что нейроны, составляющие верхушку в иерархии, трудятся гораздо меньше, чем нейроны нижних центров.

И действительно, если у подопытного животного удалить высший слуховой анализатор, почти не нарушается ни абсолютная слуховая чувствительность, то есть способность обнаружения предельно слабых звуков, ни способность к различению звуков по частоте, интенсивности и длительности.

В чем же в таком случае состоит роль верхних центров слуховой системы?

Оказывается, нейроны высших слуховых центров в отличие от нижних работают по принципу избирательности, то есть реагируют лишь на звуки с определенными свойствами. При этом характерно, что они могут откликаться только на сложные звуки, например, на звуки, изменяющиеся во времени по частоте, на движущиеся звуки или только на отдельные слова и звуки речи. Эти факты дают основание говорить о специализированной избирательной реакции нейронов высших слуховых центров на сложные звуковые сигналы.

И это очень важно. Ведь избирательная реакция этих нейронов проявляется по отношению к таким звукам, которые биологически ценны. Для человека это прежде всего звуки речи. Биологически важный звук как бы экстрагируется из лавины окружающих звуков и обнаруживается специализированными нейронами даже при очень слабой его интенсивности и на линии звуковых помех. Именно благодаря этому мы можем различить, к примеру, в грохоте сталепрокатного цеха слова, сказанные собеседником.

Специализированные нейроны обнаруживают свой звук даже в том случае, если изменяются его физические свойства. Какое-либо слово, произнесенное мужским, или женским, или детским голосом, громко или тихо, быстро или медленно, всегда воспринимается как одно и то же слово.

Ученых интересовал вопрос, каким образом достигается высокая избирательность нейронов высших центров. Известно, что нейроны способны реагировать на раздражение не только возбуждением, то есть потоком нервных импульсов, но и торможением - подавлением способности генерировать импульсы. Благодаря процессу торможения ограничивается круг сигналов, на которые нейрон дает реакцию возбуждения. Характерно, что тормозные процессы особенно хорошо выражены именно в верхних центрах слуховой системы. Как известно, процессы торможения и возбуждения требуют затраты энергии. Поэтому никак нельзя считать, что нейроны верхних центров бездельничают; они интенсивно работают, только работа у них иная, чем у нейронов нижних слуховых центров.

А что же происходит с потоками нервных импульсов, идущими от нижних слуховых центров? Как используется эта информация, если высшие центры ее отвергают?

Во-первых, отвергают не всю информацию, а лишь какую-то ее часть. Во-вторых, импульсы от нижних центров идут не только к верхним, они поступают и к двигательным центрам мозга и к так называемым неспецифическим системам, которые имеют непосредственное отношение к организации различных элементов поведения (позы, движения, внимания) и эмоциональных состояний (контактности, агрессии). Эти системы мозга осуществляют свою деятельность на основе интеграции той информации о внешнем мире, которая поступает к ним по разным сенсорным каналам.

Такова в общих чертах сложная и далеко не полностью изученная картина работы слуховой системы. Сегодня многое известно о процессах, происходящих при восприятии звуков, и, как видите, специалисты в значительной степени могут ответить на вопрос, вынесенный в заглавие, «Как мы слышим?». Но пока еще нельзя объяснить, почему одни звуки нам приятны, а другие неприятны, почему одна и та же музыка одному человеку нравится, а другому нет, почему одни физические свойства звуков речи воспринимаются нами как приветливые интонации, а другие как грубые. Эти и другие проблемы решают исследователи одной из интереснейших областей физиологии

Прежде чем перейти к ознакомлению с устройством радиоприемников, усилителей и других приборов, применяемых при радиовещании и радиосвязи, необходимо уяснить, что такое звук, как он возникает и распространяется, как устроены и работают микрофоны, познакомиться с устройством и работой громкоговорителей.

Звуковые колебания и волны. Если ударить по струне какого-либо музыкального инструмента (например, гитары, балалайки), то она начнет колебаться, т. е. совершать движения то в одну, то в другую сторону от своего начального положения (положения покоя). Такие механические колебания, вызывающие ощущение звука, называются звуковыми.

Наибольшее расстояние, на которое струна отклоняется в процессе колебаний от своего положения покоя, носит название амплитуды колебаний.

Передача звука от колеблющейся струны до нашего уха происходит следующим образом. В то время, когда средняя часть струны перемещается в сторону, где мы находимся, она «теснит» «находящиеся около нее с этой стороны частицы воздуха и этим создает «сгущение» этих частиц, т. е. около струны возникает область повышенного воздушного давления. Это увеличенное в некотором объеме воздуха давление передается соседним его слоям; в результате область «сгущенного» воздуха распространяется в окружающем пространстве. В следующий момент времени, когда средняя часть струны перемещается в обратную сторону, около нее возникает некоторое «разрежение» воздуха (область пониженного давления), которое распространяется вслед за областью «сгущенного» воздуха.

За «разрежением» воздуха следует опять «сгущение» (так как средняя часть струны опять будет двигаться в нашу сторону) и т. д. Таким образом, при каждом колебании (движении вперед и назад) струны в воздухе возникнут область повышенного давления и область пониженного давления, которые удаляются от струны.

Подобным же образом звуковые волны создаются при работе громкоговорителя.

Звуковые волны несут в себе энергию, полученную от колеблющейся струны или диффузора (бумажного конуса) громкоговорителя, и распространяются в воздухе со скоростью около 340 м/сек. Когда звуковые волны достигают уха, они приводят в колебание его барабанную перепонку. В тот момент, когда уха достигает область «сгущения» звуковой волны, барабанная перепонка несколько прогибается внутрь. Когда же до нее доходит область «разрежения» звуковой волны, барабанная перепонка выгибается несколько наружу. Так как сгущения и разрежения в звуковых волнах следуют все время друг за другом, то и барабанная перепонка то прогибается внутрь, то выгибается наружу, т. е. совершает колебания. Эти колебания передаются через сложную систему среднего и внутреннего уха по слуховому нерву в мозг, и в результате мы ощущаем звук.

Чем больше амплитуда колебаний струны и ближе к ней находится ухо, тем более громким воспринимается звук.

Динамический диапазон. При очень больших давлениях на барабанную перепонку, т. е. при очень громких звуках (например, при пушечном выстреле), ощущается боль в ушах. На средних звуковых частотах (см. ниже) болевое ощущение возникает, когда звуковое давление достигает величины примерно 1 г/см2, или 1 000 бар *. Увеличение ощущения громкости при дальнейшем усилении звукового давления уже не чувствуется.

*Бар — единица, применяемая для измерения величины звукового давления.

Очень слабое звуковое давление на барабанную перепонку не вызывает ощущения звука. Наименьшее звуковое давление, "при котором наше ухо начинает слышать, называется порогом чувствительности уха. На средних частотах (см. ниже) порог чувствительности уха составляет примерно 0,0002 бара.

Таким образом, область нормального ощущения звука лежит между двумя границами: нижней — порогом чувствительности и верхней, при которой возникает болевое ощущение в ушах. Эта область носит название динамического диапазона слуха.

Отметим, что увеличение звукового давления не дает пропорционального увеличения громкости звука. Ощущение громкости возрастает гораздо медленнее, чем звуковое давление.

Децибелы. В пределах динамического диапазона ухо может почувствовать увеличение «или уменьшение громкости простого однотонного звука (при слушании его в полной тишине), если звуковое давление на средних частотах соответственно увеличивается или уменьшается примерно на 12%, т. е. в 1,12 раза. Исходя из этого, весь динамический диапазон слуха разбит на 120 уровней громкости, подобно тому, как шкала термометра между точками таяния льда и кипения воды разделена на 100 градусов. Уровни громкости по этой шкале измеряются в особых единицах— децибелах (сокращенно пишут дб).

В любой части этой шкалы изменение уровня громкости на 1 дб соответствует изменению звукового давления в 1,12 раза. Нуль децибел («нулевой» уровень громкости) соответствует порогу чувствительности уха, т. е. звуковому давлению 0,0002 бара. При уровне свыше 120 дб возникает болевое ощущение в ушах.

Для примера укажем, что при тихом разговоре на расстояни 1 м от говорящего получается уровень громкости около 40—50 дб, что соответствует эффективному звуковому давлению 0,02—0,06 бара; наибольший уровень громкости звучания симфонического оркестра составляет 90— 95 дб (звуковое давление 7—12 бар).

При пользовании радиоприемниками радиослушатели, применяясь к размерам своих комнат, звучание громкоговорителя регулируют так, что при самых громких звуках на расстоянии 1 м от громкоговорителя получается уровень громкости 75—85 дб (соответственно звуковые давления примерно 1—3,5 бара). В условиях сельских местностей вполне достаточно иметь максимальный уровень громкости звучания радиопередачи не свыше 80 дб (звуковое давление 2 бара).
Шкалой децибел в радиотехнике широко пользуются также для сравнения уровней громкости. Чтобы узнать, во сколько раз одно звуковое давление больше другого, когда известна разница между соответствующими им уровнями громкости в децибелах, нужно число 1,12 умножить само на себя столько раз, сколько мы имеем децибел. Так, изменение уровня громкости на 2 (56 соответствует изменению звукового давления в 1,12 . 1,12, т. е. примерно в 1,25 раза; изменение уровня на 3 дб имеет место при изменении звукового давления в 1,12- 1,12 . 1,12, т. е. приблизительно в 1,4 раза. Подобным же образом можно определить, что 6 дб соответствуют изменению звукового давления примерно в 2 раза, 10 дб—приблизительно <в 3 раза, 20 дб — в 10 раз, 40 дб — в 100 раз и т. д.

Период и частота колебаний. Звуковые колебания характеризуются не только амплитудой, но также периодом и частотой. Периодом колебания называется время, в течение которого струна (или любое другое тело, создающее звук, например диффузор громкоговорителя) перемещается из одного крайнего положения в другое и обратно, т. е. совершает одно полное колебание.

Частотой звуковых колебаний называется число колебаний звучащего тела, совершаемых в течение 1 сек. Она измеряется в герцах (сокращенно пишут гц).

Если например, за 1 сек. (происходит 440 периодов колебаний струны (эта частота соответствует музыкальной ноте ля), то говорят, что она колеблется с частотой 440 гц. Частота и период колебаний являются величинами, обратными друг другу, например при частоте колебаний 440 гц период колебаний равен 1/440 сек.; если период колебания равен 1/1 000 сек., то частота этих колебаний 1000 гц.

Полоса звуковых частот. От частоты колебаний зависит высота звука или тона. Чем больше частота колебаний, тем выше звук (тон), а чем меньше частота колебаний, тем он ниже. Самый низкий звук, который может услышать человек, имеет частоту около 20 гц, а самый высокий—около 16 000—20 000 гц. В этих пределах или, как говорят, в этой полосе частот находятся создаваемые человеческими голосами и музыкальными инструментами звуковые колебания.

Заметим, что речь и музыка, а также разного рода шумы представляют собой звуковые колебания с очень сложней комбинацией различных частот (тонов различной высоты), непрерывно изменяющейся в процессе разговора или музыкального исполнения.

Гармоники. Звук, воспринимаемый ухом как тон одной определенной высоты (например, звук струны музыкального инструмента, свисток паровоза), на самом деле состоит из многих разных тонов, частоты которых относятся друг к другу как целые числа (один -к двум, один к трем и т. д.). Так, например, тон с частотой 440 гц (нота ля) одновременно сопровождается дополнительными тонами с частотами 440 . 2 = 880 гц, 440 -3=1 320 гц и т. д. Эти дополнительные частоты называются гармониками (или обертонами). Число показывающее, во сколько- раз частота данной гармоники больше основной частоты называется номером гармоники. Например, для основной частоты 440 гц частота 880 гц будет второй гармоникой, частота 1 320 гц — третьей и т. д. Гармоники всегда звучат слабее основного тона.

Наличием гармоник и соотношением амплитуд различных гармоник обусловливается тембр звука, т. е. его «окраска», отличающая данный звук от другого звука с той же основной частотой. Так, если наиболее сильной будет третья гармоника, звук приобретает один тембр. Если же наиболее сильной будет какая-либо другая гармоника, звук будет иметь другой тембр. Изменение силы звучания различных гармоник приводит к изменению или искажению тембра звука.

Здесь Ваше мнение имеет значение -
поставьте вашу оценку (оценили - 1 раз)

Клетки, воспринимающие звуки, находятся в перепончатой капсуле — улитке, спрятанной в глубине черепа. Улитка — это спирально закрученная трубка, заполненная жидкостью. Вместе с органом равновесия — тремя полукружными каналами — улитка образует так называемый лабиринт. Овальное окно соединяет улитку со средним ухом, костной полостью, лежащей в преддверии улитки. Это окно затянуто тонкой кожистой пленкой. Она реагирует на любые колебания воздуха, уловленные ушной раковиной и попавшие в наружный слуховой проход. Расскажем подробнее о том, как это происходит.

Сначала колебания воздуха заставляют вибрировать барабанную перепонку — тончайшую пластинку, перегораживающую наружный слуховой проход. Далее вибрация передается по крохотным слуховым косточкам: молоточку, наковальне и стремечку. Эти косточки, словно мостик, протянулись по всему среднему уху, соединяя барабанную перепонку с улиткой. Вот и получается, что пленка, закрывающая овальное окно, реагирует на любые колебания воздуха. Далее вибрации передаются жидкости, заполняющей улитку. Перекатывающиеся по ней волны раздражают слуховые клетки внутреннего уха. Головной мозг улавливает эти раздражения и распознает в них звуки. К сказанному добавим то же, что мы говорили и о зрении. Природа снабдила нас двумя ушами, поэтому мы можем определить, откуда до нас долетел звук. Итак, у нас есть не только пространственное зрение, но и объемный слух. Там же, в лабиринте, рядом с улиткой, протянулись три полукружных канала: горизонтальный и два вертикальных, причем один из них выгнут вперед, а другой — вбок. Таким образом, каналы расположены в трех взаимно перпендикулярных плоскостях. Это и есть вестибулярный аппарат, или орган равновесия.

Звуковые волны, распространяющиеся в воздухе, проделают сложный путь, прежде чем мы воспримем их. Сначала они проникают в ушную раковину и заставляют вибрировать барабанную перепонку, замыкающую наружный слуховой проход. Слуховые косточки доносят эти колебания до овального окна внутреннего уха. Пленка, которая закрывает окно, передает вибрации заполняющей улитку жидкости. Наконец колебания достигают слуховых клеток внутреннего уха. Головной мозг воспринимает зги сигналы и распознает в них шумы, звуки, музыку, речь.

Когда человек меняет положение тела, полукружные каналы — дугообразные трубочки тоже движутся вместе с ним, тогда как жидкость, заполняющая их, инерционна, она не поспевает за нашими движениями и, следовательно, смещается относительно стенок канала. Специальные клетки —рецепторы следят за перемещениями жидкости в полукружных каналах. Обо всем замеченном они сообщают головному мозгу, и тот обрабатывает поступившую информацию. Рецепторные клетки органа равновесия погружены в жидкость, заполняющую внутреннее ухо. Они фиксируют любые ее движения и извещают о них мозжечок, который собирает и сопоставляет все эти сообщения. После этого все органы тела получают нужную информацию и различные приказы, что и помогает человеку поддерживать равновесие. О результатах тут же сообщается в большой мозг.

Во внутреннем ухе вплотную друг к другу располагаются орган слуха (улитка) и орган равновесия (лабиринт). В улитке тонкая пленка — мембрана преобразует звуковые волны в волновые движения жидкости. Волны жидкости посредством сложного механизме возбуждают слуховые клетки. Лабиринт, расположенный позади улитки, фиксирует любое движение человека.