БИОФИЗИКА СЛУХА

Слуховая рецепция

Значение слухового анализатора состоит в восприятии и анализе звуковых волн. Вследствие этого возможно определение силы, высоты и тембра звука, его направления, а также степени удаленности источника звука.

Рассмотрим некоторые понятия, используемые в биофизике. Интенсивностью звука называют энергию, приходящуюся на единицу площади поверхности перпендикулярно к направлению распространения звуковой волны в единицу времени:

где Е - энергия, S - площадь, t - время.

Это плотность потока энергии звуковых колебаний (вектор Умова).

При решении практических задач проще измерить не энергию колебаний, а звуковое давление (р), регистрируемое при помощи микрофона и выражаемое в паскалях. Звуковое давление линейно связано с амплитудой звуковых колебаний, и поэтому его квадрат пропорционален энергии звука. При любых двух интенсивностях:

Порог слышимости чистого тона при частоте 1 кГц принято считать равным 2*10"5 Па, хотя можно наблюдать многократные индивидуальные колебания порога слышимости (в пределах 30 дБ). Кроме того, порог слышимости значительно меняется с частотой (рис. 14 и рис. 21). Может также сильно различаться и наивысшая воспринимаемая частота (от 8 до 25 кГц).

Характеристики слухового анализатора

Рис. 14. Характеристики слухового анализатора

По закону Вебера - Фехнера ощущение громкости связано с создающим его физическим раздражением логарифмической зависимостью. Это стимулировало введение единиц уровня интенсивности звука, выражаемых в децибелах:

где р0 - пороговое значение звукового давления, равное 210'5 Па при частоте звукового тона 1 кГц, р - регистрируемое значение звукового давления, 10 - пороговая интенсивность звука. Таким образом, нулевая точка шкалы громкости соответствует 0 дБ при 1 кГц. При других частотах порог слуха отличается от 0 дБ (см. рис. 21).

Строение наружного и среднего уха.

Наружное ухо включает ушную раковину и слуховой проход длиной 2,7 см. С наружним ухом связано свойство направленности слухового восприятия, под которым понимают лучшее восприятие звуков, идущих в определенном направлении. Это обеспечивает локализацию источника звука в пространстве (ототолику), кроме этого, слуховой проход служит резонатором. Его резонансная частота у человека лежит в области 4 кГц у мужчин и 6 кГц у женщин, но резонансная кривая имеет уплощенную форму, поскольку добротность слухового прохода, как колебательной системы, невелика. Разница в коэффициенте передачи звуков резонансной и не резонансной частот не более одного порядка. Границей между наружным и средним ухом служит барабанная перепонка (БП). Наружное ухо защищает БП от механических повреждений и, поддерживая определенные микроклиматические условия (температуру, влажность и пр.), стабилизирует ее механические свойства. Таким образом, наружное ухо выполняет следующие функции: локализация звука в пространстве, усиление звукового сигнала (резонансное), механическая защита БП, обеспечение микроклимата, что необходимо для нормального функционирования БП.

Наружное ухо от среднего отделяется барабанной перепонкой. С внутренней стороны барабанная перепонка соединена с рукояткой молоточка. Колебания барабанной перепонки происходят тогда, когда на нее падают звуковые колебания, улавливаемые наружным ухом. Натяжение барабанной перепонки в различных частях неодинаковое. Это приводит к тому, что она не имеет своего собственного периода колебаний и колеблется при любом звуке соответственно длине его волны.

Среднее ухо предназначено для трансформации звуковых колебаний воздуха в звуковые колебания более инерционной жидкой среды внутреннего уха. Это прежде всего импеданссогласующая функция. Кроме того, среднее ухо обладает усиливающей функцией как за счет разности площадей барабанной перепонки и овального окна улитки, так и за счет системы рычагов слуховых косточек. При отсутствии среднего уха огромное различие в акустических импедансах воздуха и среды внутреннего уха не позволило бы проникнуть звуковым колебаниям во внутреннее ухо.

В состав среднего уха входит система слуховых косточек - молоточек, наковальня, стремечко, слуховая (евстахиева) труба (рис. 15). Они работают, как рычаг, обеспечивающий выигрыш в силе в 1,3 раза. Одна из косточек - молоточек - встроена своей рукояткой в барабанную перепонку, а его противоположная часть сочленена с наковальней.

Схема строения уха

Рис. 15. Схема строения уха: 1 - ушная раковина; 2 - наружный слуховой проход; 3 - барабанная перепонка; 4 - полость среднего уха; 5 - слуховая труба; 6 - молоточек; 7 - наковальня; 8 - стремечко; 9 - полукружный канал; 10 - улитка; 11 - вестибулярный аппарат

Наковальня соединена со стремечком, которое прилегает к мембране окна преддверия (овального окна) внутренней стенки среднего уха. Поскольку площадь барабанной перепонки человека (66 - 69,5 мм2) значительно больше площади овального окна внутреннего уха (3 мм2), общий коэффициент усиления по давлению стремечка на овальное окно больше двадцати.

Слуховые косточки участвуют в передаче колебаний барабанной перепонки, вызванных звуковыми волнами, окну преддверия, а затем пери- лимфе и эндолимфе улитки внутреннего уха. Окно преддверия расположено на стенке, отделяющей среднее ухо от внутреннего. Там же имеется круглое окно. Колебания жидкости улитки, начавшиеся у овального окна, распространяются по ходам улитки, не затухая, до круглого окна.

При помощи особого канала - евстахиевой трубы полость среднего уха соединяется с носоглоткой, благодаря чему в полости среднего уха поддерживается давление, равное атмосферному. Если давление в полости среднего уха отличается от атмосферного, то это приводит к неприятным ощущуениям («закладывает уши») и понижению слуха, так как нарушаются нормальные колебания барабанной перепонки.

Другой важной функцией среднего уха является защита внутреннего уха от чрезмерных механических нагрузок при воздействии очень громких звуков. Это достигается изменением характера колебаний стремечка в зависимости от силы звука. При пороговых значениях звукового давления основание стремечка входит в овальное окно и выходит из него, как педаль автомобиля. Абсолютные значения смещения очень малы и повторяют движения барабанной перепонки. Для барабанной перепонки величину смещения легко рассчитать. Толщина барабанной перепонки (0,1 мм) очень мала по сравнению с длиной звуковых волн, и скорость ее перемещения совпадает со скоростью частиц в плоской волне в воздухе. Средняя скорость смещения частиц в волне (v) связана со значением звукового давления (р), скоростью распространения волны (с) и плотностью воздуха (р) выражением:

Произведение рс называется акустическим импедансом - zaK.

В свою очередь, скорость смещения связана с амплитудой смещения выражением:

где/- частота звуковой волны.

•з

Подставив в (9) численные значения р= 1,3 кг/м , с= 340 м/с и порогового значения звукового давления р0 = 2* 105 Па, получим скорость смещения перепонки v=5-10'8 м/с. Отсюда смещение перепонки при пороговом звуковом давлении равно 10~им.

Если при низких значениях звукового давления смещения основания стремечка практически повторяют движения барабанной перепонки, то при возрастании силы звука характер колебаний стремечка меняется. Причиной этого изменения является рефлекторное сокращение тонких мышц внутри барабанной полости, вследствие чего нарушается движение слуховых косточек в соединяющих их суставах. При средней силе звука стремечко начинает совершать колебательные движения вокруг вертикальной оси у одного конца овального окна, а при очень громком звуке - вращательные движения вокруг горизонтальной оси, т.е. когда один конец стремечка вдавливается в овальное окно, другой движется в противоположную сторону. Таким образом предотвращаются избыточно сильные движения жидкости во внутреннем ухе.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >