По телефонной теории Резерфорда основой передаточного механизма для всех частот является Кортнева покрышка наподобие телефонной мембраны с микрофонным эффектом. При давлении на волосковые клетки мембрана передаёт микрофонные потенциалы в синхронные по частоте сигналы в центры головного мозга, где происходит их анализ.

Рис.6. Телефонная теория Резерфорда.

По теории Эвальда, под влиянием звука на основной мембране устанавливаются "стоячие" волны наподобие фигур Хладни (звуковые образы), которые анализируются в мозговых центрах, как соответствующие разнообразные слуховые ощущения.

Рис. 7 Теория Эвальда.

Эта способность, согласно так называемой резо­нансной теории, объясняется следующим образом. Во­локна основной мембраны, благодаря различной длине и неодинаковому натяжению, имеют, подобно струнам музыкальных инструментов, свои собственные тоны, и каждое волокно (или группа волокон) приходит в содру­жественное колебание, или резонирует, только на соот­ветствующий тон. Согласно резонансной теории слуха, на высокие звуки отвечают короткие волокна основной мембраны в основном завитке улитки, а на низкие зву­ки— длинные волокна в верхнем завитке, звуки же средней высоты приводят в колебание волокна основной мембраны среднего завитка.

По этой же теории разные по силе звуки вызывают различной силы размахи волокон основной мембраны, а различение тембра основано на способности перифери­ческого конца звукового анализатора разлагать сложные звуки на простые тоны.

Необходимо отметить, что ряд фактов из области физиологии слуха не укладывается в механизм звукопередачи и звуковосприятия, как он трактуется с точки зрения резонансной теории. Наибольшие трудности воз­никают перед этой теорией при объяснении различения всей совокупности звуков по высоте и по силе (количе­ство различаемых звуков равно, по крайней мере, 13000—15000), а также при объяснении способности определять направление источника звука. Однако основной факт, из которого исходит резонансная теория, а именно локализация восприятия различных по высоте звуков в различных частях кортиева органа, остается в силе.

Новейшие экспериментальные исследования устано­вили, что в улитке при звуковом раздражении возникают переменные электрические токи, которые по своему рит­му и величине полностью повторяют частоту и силу зву­ковых колебаний. Таким образом, улитка как бы выпол­няет роль микрофона, преобразующего механические колебания в электрические. Это явление получило название микрофонного эффекта улитки.

Электрофизиологические исследования дают основа­ния предполагать, что различные волокна слухового нерва проводят возбуждения, соответствующие различ­ным по высоте звукам, т. е. пространственное распреде­ление проведения звуков различной высоты существует, по-видимому, и в самом нерве. Некоторые исследователи полагают, что волокна, по которым проводятся возбуждения, соответствующие низ­ким звукам, расположены по периферии нервного ствола, а волокна, проводящие высокие звуки, расположены более центрально.

Импульсы, возникающие при воздействии звуковых раздражений, поступают по проводящим нервным путям в подкорковые и корковые слуховые центры. Раздраже­ние подкорковых слуховых центров вызывает рефлекторные реакции, протекающие по типу безусловного рефлекса. К числу таких рефлекторных реакций, возника­ющих при воздействии звуков, относятся, например, расширение зрачков и смыкание век.

В коре больших полушарий головного мозга осуще­ствляется высший анализ и синтез звуковых раздражений. Вопрос о пространственном размещении восприятия различных звуковых раздражений в коре больших полу­шарий был детально изучен И. П. Павловым, который указал на «детальнейшую локализацию различных зву­ковых раздражителей на клеточной сети коры». В слуховой области коры височных до­лей мозга имеются особые центры для восприятия звуков различной высоты, которые представляют собой как бы корковую проекцию тональной шкалы улитки; отме­чено, что в задних отделах височных извилин воспри­нимаются низкие тоны, а в передних — высокие. Центры восприятия звуков находятся в обоих полушариях, при­чем каждый из них получает раздражения из обеих ули­ток, но больше из улитки противоположной стороны.

И. П. Павлов, анализируя корко­вую локализацию звуковых раздражений, отмечал, «что каждому нами употребляемому звуку отвечает особая группа нервных клеток, воспринимающих элементарные звуковые раздражители, из которых слагается наш звук. Вероятнее, что в случае каж­дого нашего звукового раздражителя дело идет о динамическом структурном комплексе, элементы которого, соответствующие клетки, входят в другие динамические комплексы при применении других сложных звуков»'.

Таким образом, согласно учению И. П. Павлова, слуховой аппарат нужно рассматривать как целостно действующий, единый в функциональном отношении звуковой анализатор, различные части которого выпол­няют различную работу. Периферический конец производит первичный анализ и преобразует физическую энер­гию звука в специфическую энергию нервного возбуж­дения; проводящие нервные пути передают возбуждение в мозговые центры, и, наконец, в коре головного мозга производится превращение энергии нервного возбужде­ния в ощущение. Кора головного мозга играет ведущую роль в работе звукового анализатора.

Выключение слуховой области коры одного полушария ведет к двустороннему понижению слуха, но, главным образом, на противоположное ухо. Выключение слуховых областей обоих полушарий ведет к полному нару­шению коркового анализа и синтеза звуковых раздражений, причем элементарная реакция на звук (ориентировочный рефлекс, глазодвигательные рефлексы) может сохраниться.

У человека в заднем отделе верхней височной изви­лины находится так называемый сенсорный центр речи. При выключении этого центра нарушается ана­лиз и синтез сложных звуковых комплексов, составляю­щих речь человека, — возникает словесная глухота (сенсорная афазия). Восприятие тонов и шумов, входя­щих в состав речи, в этих случаях может сохраниться, но различение этих тонов и шумов именно как речевых звуков становится невозможным.

Кроме сенсорного центра, у человека имеется и двигательный (моторный) центр речи, расположен­ный в нижнем отделе передней центральной извилины и осуществляющий анализ и синтез раздражений, возникающих при движе­нии речевых органов. При нарушениях двигательного центра речи возникает двигательная (моторная) афазия: человек оказывается не в состоянии произносить слова. Оба речевых центра (сенсорный и моторный) в функ­циональном отношении тесно связаны друг с другом и составляют основные структурные компоненты второй сигнальной системы.

Основные понятия о звуках

1. Характеристики звуков

Звук возникает в результате колебаний каких-либо предметов с определенной частотой, которые распространяются в различных средах (твердой, жидкой, газообразной) в виде волн. Пространство, где происходит распространение этих волн, называют звуковым полем. Упругие свойства среды обусловлены взаимодействием ее молекул. При выведении из состояния равновесия одной или группы молекул происходит изменение положения или смещение других молекул. Передачу колебаний через частицы среды называют волной. Сгущения и раздражения среды называют фазами звуковой волны, расстояния между одинаковыми фазами - длиной волны.

Рис.8 Возникновение звуковой волны при колебаниях предмета

Рис.9 Волнообразные изменения плотности воздуха и график, иллюстрирующий этот процесс

 Скорость распространения звуковых волн зависит от физических свойств среды: в воздухе около 340м/с, в воде около 1500м/с и т.д.

Звуковые волны обладают двумя переменными физическими параметрами: частотой и интенсивностью.

Частота звука выражается в количестве колебаний в секунду(1 колебание в секунду- 1 герц(Гц), 1000колебаний в секунду- 1 кГц).Человеческое ухо способно воспринимать звук в диапазоне от 20 Гц до 20 000 Гц (дети – до 32 000 Гц). Наибольшей возбудимостью ухо обладает к звукам частотой от 1 до 5 кГц. Ниже 1и выше 5 кГц возбудимость уха сильно снижается. Верхняя граница слышимого диапазона достаточно индивидуальна, но среднестатистические данные следующие: после тридцати лет верхний диапазон слышимости снижается до 18 кГц, а после сорока до 16-17 кГц. Основная часть звуков речи имеет частоты от 100 до 6000Гц. Основными частотами, при помощи которых люди общаются, используя речь, являются 500-4000Гц-зона речевых частот.

Субъективным признаком частоты звука является его высота. Чем больше частота звука, тем более высоким он воспринимается человеком.

Сила(интенсивность) звука определяет поток звуковой энергии, который проходит каждую секунду через квадратный сантиметр условной плоскости, расположенной перпендикулярно направлению распространения волны. Сила звука описывает энергетические свойства самой волны и измеряется в ваттах на квадратный метр (Вт/м²). Кроме силы звука, часто используется и другая характеристика — звуковое давление. Звуковое давление — это максимальное изменение давления в воздухе при распространении звуковых волн по сравнению с давлением, существующем при отсутствии волн. Звуковое давление в физической акустике измеряют в абсолютных единицах- барах (Б), Ньютонах (Н) или Паскалях (Па). Однако на практике в физиологических целях используют относительные величины уровня звукового давления (УЗД). Единицей УЗД является децибел (дБ), при этом за ноль дБ принят средний порог слуха для здоровой популяции на частоте 1кГц, что соответствует звуковому давлению 2x10-5 Па – абсолютный уровень звукового давления.

Человек способен воспринимать только те звуковые волны, у которых сила звука не выходит за границы определенного диапазона, называемого динамическим диапазоном слуха. Нижняя граница этого диапазона называется порогом слышимости, то есть если сила звука звуковой волны оказывается ниже этого порога, то она не воспринимается человеческим ухом. За порог слышимости принимают силу звука, равную 10-12 Вт/м², или 2x10-5 Па. Порог слышимости речи у детей 6-9 лет – 17-24 дБ, у взрослых – 7-10 дБ.При утрате способности воспринимать звуки от 30 до 70 дБ наблюдаются затруднения при разговоре, свыше 70 дБ – констатируют почти полную глухоту. Верхняя граница динамического диапазона слуха называется болевым порогом. Если сила звука выше этого уровня, то человек ощущает боль в ушах. Болевому порогу соответствует сила звука, равная 10 Вт/м²(примерно 120-140дБ). Порог дискомфорта - уровень звуков, вызывающий неприятные ощущения (у человека с нормальным слухом – 90-110дБ, у пациентов с нарушенным слухом пороги дискомфорта повышены -100-120дБ). Область, заключенная между порогом слышимости и порогом дискомфорта, называется областью слухового восприятия или полем слуха человека.

Минимальный перепад уровня звука, который способно воспринять человеческое ухо, равен одному децибелу. А весь динамический диапазон слуха составляет 130 дБ.

Таблица 1. Уровень интенсивности разных звуков

Громкость — это субъективное слуховое ощущение от звуковых волн, которое зависит не только от силы звука, но и от его частоты.

Рис.10 Взаимосвязь громкости и частоты звука.

При неизменной частоте громкость звука растет с увеличением силы звука. Однако ощущение громкости во многом зависит от частоты звука. Человек гораздо лучше слышит на средних частотах, тогда как на низких и высоких чувствительность слуха притупляется. Поэтому звуки одинаковой интенсивности, но разной частоты, воспринимаются человеком с разной громкостью.

Громкость звука нарастает меньше, чем его интенсивность. При увеличении интенсивности на 10дБ, т.е. в 10 раз, громкость звука возрастает лишь в 2 раза.

Ощущение громкости звука зависит от состояния слуха и общего состояния человека. При повышенной возбудимости нервной системы звуки, воспринимаемые обычно как средние по громкости, могут восприниматься человеком как слишком громкие.

Спектр звука- характеристика звука, которая описывает, какие частоты образуют данный звуковой сигнал, и соотношение их интенсивностей. Звуки делят на тоны и шумы. Тоны – это синусоидальные, гармоничные колебания, которые состоят из ряда простых звуков, включающих основную частоту, тон и ряд добавочных тонов, или обертонов, число колебаний которых относится к частоте основного тона как 2:1, 3:1, 4:1 и т. д. (например, звук камертона, музыкальных инструментов).

Рис.11 Амплитуда колебаний и спектральная плотность.

Шумы состоят из множества частот, не находящихся в гармонических отношениях, при этом основной тон – звук самой низкой частоты, а остальные – добавочные к нему или обертоны (например, шум городского транспорта).

Большинство звуков содержат много частот. Это широкополосные или узкополосные сигналы.

Тембр звука- субъективный эквивалент формы звуковой волны, окраска звука, то его свойство, благодаря которому можно отличить друг от друга одинаковые по интенсивности и по высоте звуки, издаваемые разными источниками. Если взять одну и ту же ноту с одной и той же силой на скрипке, на рояле, на трубе, в каждом случае получается свой характерный звук. Способность слухового аппарата различать дополнительные тоны к основному обогащает возможности восприятия звуков и вырабатывает «звуковую память». Тембр отражает акустический состав сложного звука, т.е. число, порядок и относительную силу входящих в его состав частичных тонов (гармонических и негармонических). По Гельмгольцу, тембр зависит от того, какие верхние гармонические тоны примешаны к основному, и от относительной силы каждого из них. Тембр отражает звук, который в акустическом своем составе является созвучием. Поскольку это созвучие воспринимается как единый звук без выделения в нем слухом акустически в него входящих частичных тонов, звуковой состав отражается в виде тембра звука. Реально в восприятии имеет обычно место анализ звука как созвучия и восприятие созвучия как единого звука специфической тембровой окраски. Тембровая окраска приобретает особенное значение, так как придает звуку человеческого голоса эмоциональную выразительность, отражает периодические изменения (пульсации) высоты и интенсивности звука.

2.Распространение звука в среде

Звуковая волна, возникшая в определенном месте, распространяется с определенной скоростью во все стороны. Однако свободному распространению звуков обычно мешает целый ряд препятствий, в том числе голова самого человека, воспринимающего звуки. Способность звуковой волны огибать препятствия называется диффракцией звука.Низкие звуки, обладающие большей длиной волны, лучше огибают препятствия, чем высокие, поэтому если за стеной или за домом играет оркестр, то звуки низких труб лучше слышны, чем звуки флейт.

Если на пути распространения волны находится большая поверхность, то волна отражается от нее.

Рис.12 Прямой звук, раннее отражение и ревербация .

При этом возникает явление, называемое эхом. Звуковое эхо воспринимается ухом раздельно от первичного сигнала, если оно запаздывает не менее чем на 0,05-0,06с. В закрытых помещениях происходит многократное отражение звуковых воли стенами, потолком, полом. Такое явление послезвучания, которое сохраняется после выключения источника звука и сопровождается возвратом в точку прослушивания отраженных или рассеянных звуковых волн носит название реверберации. Реверберация — это процесс постепенного уменьшения интенсивности звука при его многократных отражениях.Чем больше размеры помещения и меньше поглощающая способность поверхностей, тем больше длительность реверберации. Под временем реверберации понимают длительность затухания сигнала на 60 дБ от первоначального значения. В процессе естественной реверберации меняется частотный спектр звука. Высокие частоты затухают быстрее, чем низкие, поэтому тембр отраженного звука в сравнении с оригиналом имеет более мягкий, приглушенный характер. Величина потери высокочастотных составляющих спектра зависит от расстояния, пройденного акустической волной, и от свойств материалов отражающих поверхностей. Продолжается,то отраженная волнав стречает на своем пути первичную волну. .При этом возникает явление интерференции, в результате которого волны могут усиливать или ослаблять друг друга. Явление интерференции играет определенную роль при прохождении звука через наружный слуховой проход, в котором происходит усиление звуковой волны в три раза.

                                                                                                                     Если в закрытом помещении действие звучащего источника

Если в поле звучания какого-либо источника звука попадает другой, способный звучать предмет, то он становится вторичным излучателем звука, или резонатором. Это явление носит название резонанса. Резонанс бывает особенно резко выраженным, или, как говорят, острым, когда резонатор настроен одинаково в унисон с первичным источником звука (период собственных колебаний резонатора и период колебаний звучащего тела одинаковы). Так, например, если открыть крышку рояля, нажать педаль и спеть над струнами какую-либо ноту, то начнет звучать струна, настроенная на ту же самую ноту.