Физические основы слуха. Теории восприятия звука

Что крепче всего на свете? Что быстрее всего на свете? Что слаще всего? Герои, старинных сказок проявляют чудеса сообразительности, отгадывая такие загадки. Читателям этой книжки тоже задается загадка: что мягче всего на свете?

Думаете перина? Подушка? Нет, воздух. Конечно же! Воздух податливей и легче пуха. Лучшие матрацы — надувные. Ну, а что на свете самое упругое? Не пружина и не резина, а все тот же воздух. Несмотря на свою мягкость, он чрезвычайно упруг. Не будь этого, вы не надували бы им свои мячи: они наотрез отказались бы прыгать.

Упругость «сверхмягких» тел — газов — в свое время удивляла физиков и служила поводом для горячих споров. Недоумение разрешил Михаил Васильевич Ломоносов. Виновником этих свойств оказалось беспорядочное движение газовых молекул. Бомбардируя стенки сосуда, вмещающего газ, они создают давление, которое упрямо борется со сжатием. Итак, наша Земля окружена огромным упругим океаном. И именно поэтому наш мир полон звуков. Хлопком в ладоши вы быстро сжимаете воздух.

Благодаря своей упругости он тут же расширяется и сдавливает соседние участки атмосферы. Те, сжавшись, в свою очередь, стремятся расшириться — и все дальше распространяется невидимая волна! Такие волны могут возникать в любых упругих телах (газообразных, твердых, жидких).

Достигнув нашего уха, звуковая волна ударяется о барабанную перепонку и создает ощущение, которое мы называем звуковым.

На рисунке 18 показан разрез уха, а на рисунке 19 — схема строения уха. Ухо представляет собой сочетание рупора (наружное ухо) и чувствительного манометра (среднее ухо) с резонансной системой внутреннего уха.

Рис. 18. Разрез уха

Рис. 19. Схема строения уха

Рассмотрим подробнее механизм восприятия звука человеком. Звуковые волны собираются ушной раковиной и, распространяясь вдоль слухового прохода, достигают барабанной перепонки, а от нее передаются в среднее ухо. Здесь наряду с передачей звука происходит и его усиление. Усиление звука объясняется тем, что поверхность барабанной перепонки почти в 22 раза меньше, чем поверхность стремечка.

Поэтому энергия звуковой волны усиливается тоже в 22 раза. Кроме того, слуховые косточки (молоточек, наковальня и стремечко; рис. 19) работают как рычаг, длинное плечо которого в 2,5 раза больше короткого, вследствие чего звуковые колебания еще больше усиливаются и передаются во внутреннее ухо — лабиринт.

Лабиринт (рис. 20) — это костная полость, заполненная особой жидкостью — эндолимфой. Лабиринт состоит из трех частей: улитки 1, преддверья 2 и трех полукружных каналов 3. В улитке и расположен собственно орган слуха — кортиев орган. Первая попытка объяснить физические основы слуха была сделана Гельмгольцем. Врач по образованию, он был в одинаковой степени и физиком, и физиологом. В недрах внутреннего уха ученый разыскал нечто замечательное: крошечное подобие рояля с 24 000 «струн» — упругих волоконец различной длины.

Рис. 20. Лабиринт

По «струне» на каждую частоту слышимых колебаний! Этот живой резонатор-анализатор спрятан в извилистой костяной трубке и называется основной мембраной. Звуковые волны бегут в жидкости поперек «струн» — волокон, те мгновенно отзываются на них резонансными колебаниями. При этом возбуждаются многочисленные окончания слухового нерва, который и передает полученную информацию в мозг.

Теория Гельмгольца не объясняет ряд особенностей слуха, в частности восприятие силы звука и изменение чувствительности слуха с частотой. Эта трудность устраняется в ионной теории Лазарева, построенной по аналогии с фотохимической теорией зрения. Согласно этой теории предполагается наличие некоторого звукочувствительного вещества, которое под действием звука разлагается на ионы, раздражающие окончания слухового нерва. Опираясь на изменение способности этого вещества к разложению, Лазарев сумел объяснить явления адаптации и восстановления чувствительности.

Оригинальная теория слуха, разработанная Я. И. Френкелем, получила название релаксационной. Колебания волокон в вязкой среде являются агармоническими — возвращение волокон в положение равновесия апериодично и характеризуется различным временем релаксации. Последнее пропорционально длине волокон и определяет, какое именно волокно будет резонировать со звуковым колебанием.

Иными словами, энергия колебаний различной частоты поглощается различными волокнами; именно так возникает информация о высоте и качестве звука, поступающая в центральную нервную систему.

Ни одна из приведенных теорий восприятия звука не решает полностью проблемы восприятия звука. Эта проблема необычайно сложна, она связана с биоэнергетикой, механохимией, электроникой, кибернетикой.