Характеристики слухового ощущения. Пороги слышимости.
Так как звук является объектом слуховых ощущений, то кроме его объективных характеристик существуют еще субъективные, основанные на особенностях восприятия звука человеком. Характеристиками слухового ощущения являются высота, тембр, громкость и порог слышимости звука.
Воспринимая тоны, человек различает их по высоте. Высота – субъективная характеристика, обусловленная прежде всего частотой основного тона. Особенность восприятия звука человеком состоит в том, что звуковые сигналы различной частоты воспринимаются им неодинаково. Порог слышимости – минимальное значение силы звука вызывающее появление ощущений. Максимальная чувствительность к звуковым сигналам частоты 1000 Гц, порог слышимости при частоте 1кГц принят равным 210-5Па. Значение порога слышимости различно для разных частот звука.
Другой характеристикой слухового ощущения является
Тембр звука определяется его
спектральным составом.Еще одной субъективной оценкой звука, является громкость, которая характеризует уровень слухового ощущения.
Закон Вебера – Фехнера. Шкала громкости. Единицы измерения громкости.
По закону Вебера-Фехнера ощущение громкости E связано с создающим его физическим раздражителем I логарифмической зависимостью:
где k –
некоторый коэффициент пропорциональности,
зависящий от частоты и интенсивности
I0
пороговая интенсивность звука. Т.о.,
нулевая точка шкалы громкости соответствует
0дБ при 1кГц. Если бы коэффициент k был
постоянным, то логарифмическая шкала
интенсивностей звука совпадала бы со
шкалой громкости. Однако сильная
зависимость k от частоты и интенсивности
звука не позволяет свести измерение
громкости к простому измерению
интенсивности звука. Условно считают,
что на частоте 1 кГц шкалы громкости и
интенсивности звука полностью совпадают.
Физика слуха.
Звуковая волна, пройдя наружное ухо, наталкивается на барабанную перепонку, приводя её в движение. Барабанная перепонка через систему слуховых косточек передаёт колебания во внутреннее ухо улитку. Движение жидкости в вестибулярном и базилярном каналах внутреннего уха заставляет колебаться базилярную мембрану, стимулируя рецепторные клетки.
Среднее ухо системой косточек усиливает давление в 17 раз (или на 25дБ).
Внутреннее ухо заполнено жидкостью. Длина развёрнутой улитки 35мм. Благодаря неоднородным механическим свойствам базилярной мембраны, волны разной частоты приводят в движение различные её участки.
Слуховой
аппарат очень чувствителен: пороговые
колебания барабанной перепонки составляют
10-11м.
Локализация источника звука основана на двух механизмах:
При низких частотах ухо улавливает разность фаз звуковой волны в левом и в правом ухе.
При высоких частотах ухо реагирует на разность интенсивностей звука, достигших левого и правого уха. Вокруг головы образуется звуковая тень и если разница будет в 1дБ то можно локализовать источник звука (с точностью +100).
Ультразвук. Основные свойства и особенности распространения. Действие ультразвука на биологические ткани. Ультразвук в диагностике.
Ультразвук — механические колебания и волны, частоты которых более 20 кГц. Верхний предел ультразвуковых частот — 109 – 1010 Гц.
Для
генерирования ультразвука применяют излучатели, основанные на
обратном пьезоэффекте,
который заключается в механической
деформации тел под действием электрического
поля.
Для
регистрации ультразвука может быть использован прямой
пьезоэффект,
когда под действием механической
деформации тела возникает электрическое
поле.
Применение ультразвука в медицине связано с его особенностями распространения и характерными свойствами. Отражение ультразвуковых волн (УЗ) на границе двух сред зависит от соотношения их волновых сопротивлений. Так, УЗ хорошо отражается на границах мышца – надкостница – кость, на поверхности полых органов и т.д. Поэтому можно определить расположение и размер неоднородных включений, полостей, внутренних органов и т.п. (УЗ – локация).
Волновое сопротивление биологических сред в 3000 раз больше волнового сопротивления воздуха. Поэтому, если УЗ — излучатель приложить к телу человека, то УЗ не проникнет внутрь, а будет отражаться из-за тонкого слоя воздуха между излучателем и биологическим объектом. Чтобы исключить воздушный слой, поверхность УЗ –излучателя покрывают слоем масла.
Скорость распространения УЗ и их поглощение существенно зависят от состояния среды на этом основано использование ультразвука для изучения молекулярных свойств вещества. Исследования такого рода являются предметом молекулярной акустики.
При распространении ультразвука в среде возникают зоны сжатия и разряжения, которые приводят к образованию разрывов жидкости – кавитации.
Кавитации
существуют недолго и быстро захлопываются,
при этом в небольших объемах выделяется
значительная энергия, что приводит к
разогреванию вещества, а также ионизации
и диссоциации молекул.
Применение ультразвука в медицине можно разбить на два основных направления: диагностику и терапию.
К первому направлению относятся локационные методы с использованием главным образом импульсного излучения. Это эхоэнцефалография, ультразвуковая кардиография, в офтальмологии – для определения размеров глазных сред.
Основное применение ультразвука в терапии основано на механическим и тепловым действием на ткани. При операциях ультразвук применяют как ультразвуковой скальпель.
Характеристики слухового ощущения и их связь с физическими характеристиками звука.
В слуховом ощущении
различают высоту,
громкость и тембр звука.
Эти характеристики слухового ощущения
связаны с частотой, интенсивностью и
гармоническим спектром — объективными
характеристиками звуковой волны. Задачей
системы звуковых измерений является
установить эту связь и таким образом
дать возможность при исследовании слуха
у различных людей единообразно
сопоставлять субъективную оценку
слухового ощущения с данными объективных
измерений.
Высота звука — субъективная характеристика, определяемая частотой его основного тона: чем больше частота, тем выше звук.
В значительно меньшей степени высота зависит от интенсивности волны: на одной и той же частоте более сильный звук воспринимается более низким.
Тембр звука почти исключительно определяется спектральным составом. Например, ухо различает одну и ту же ноту, воспроизведенную на разных музыкальных инструментах. Одинаковые по основным частотам звуки речи у различных людей также отличаются по тембру. Итак, тембр — это качественная характеристика слухового ощущения, в основном обусловленная гармоническим спектром звука.
Громкость звука Е — это уровень слухового ощущения над его порогом. Она зависит, прежде всего, от
Уровни интенсивности и уровни громкости звука. Единицы измерения. Закон Вебера-Фехнера.
Звуковая волна создает ощущение звука, при силе звука превышающей некоторую минимальную величину, называемую порогом слышимости. Звук, сила которого лежит ниже порога слышимости, ухом не воспринимается: он слишком слаб для этого. Порог слышимости различен для различных частот (Рис. 3). Наиболее чувствительно человеческое ухо к колебаниям с частотами в области 1000 — 3000 Гц; для этой области порог слышимости достигает величины порядка I0 = 10-12 вт/м 2 . К более низким и к более высоким частотам ухо значительно менее чувствительно.
Колебания очень
большой силы, порядка нескольких десятков
Вт/м2,
перестают восприниматься как звуковые:
они вызывают в ухе осязательное чувство
давления, переходящее дальше в болевое
ощущение.
Максимальная
величина силы звука, при превышении
которой возникает болевое ощущение,
называется порогом осязания или порогом
болевого ощущения (Рис. 3).
На частоте 1 кГц она равна Im = 10 вт/м2.
Порог болевого ощущения различен для различных частот. Между порогом слышимости и болевым порогом лежит область слышимости, изображенная на рисунке 3.
Отношение интенсивностей звука для этих порогов равно 1013. Удобно
использовать логарифмическую шкалу и сравнить не сами величины, а их логарифмы. Получили шкалу уровней интенсивности звука. Значение I0 принимают за начальный уровень шкалы, любую другую интенсивность I выражают через десятичный логарифм ее отношения к I0 :
(6)
Логарифм отношения
двух интенсивностей измеряется в белах
(Б).
Бел (Б) — единица шкалы уровней интенсивности звука, соответствующая изменению уровня интенсивности в 10 раз. Наряду с белами широко применяются децибелы (дБ), в этом случае формулу (6) следует записать так:
. (7)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 дБ
Рис. 4. Интенсивности некоторых звуков.
В основе создания
шкалы уровней громкости лежит важный
психофизический закон
Вебера-Фехнера. Если, согласно этому закону, увеличивать
раздражение в геометрической прогрессии
(то есть в одинаковое число раз), то
ощущение этого раздражения будет
возрастать в арифметической прогрессии
(то есть на одинаковую величину).
Элементарное приращение dE громкости звука прямо пропорционально отношению приращения dI интенсивности к самой интенсивности I звука:
, (8)
где k — коэффициент пропорциональности, зависящий от частоты и интенсивности.
Тогда уровень громкости E данного звука определяется путем интегрирования выражения 8 в пределах от некоторого нулевого уровня I0 до заданного уровня I интенсивности.
. (9)
Таким образом, закон Вебера-Фехнера формулируется следующим образом:
Уровень громкости данного звука (при определенной частоте звуковых колебаний) прямо пропорционален логарифму отношения его интенсивности I к значению I0, соответствующему порогу слышимости:
.
(20)
Сравнительную шкалу, равно как единицу бел и децибел, применяют также для характеристики уровней звукового давления.
Единицы измерения уровней громкости имеют такие же названия: бел и децибел, но для отличия от шкалы уровней интенсивности звука в шкале уровней громкости децибелы называют фонами (Ф).
Бел — изменение уровня громкости тона частотой 1000 Гц при изменении уровня интенсивности звука в 10 раз. Для тона 1000 Гц численные значения в белах уровня громкости и уровня интенсивности совпадают.
Если построить кривые для различных уровней громкости, например, ступенями через каждые 10 фонов, то получится система графиков (рис. 1.5), которая дает возможность найти зависимость уровня интенсивности звука от частоты при любом уровне громкости.
В целом система
кривых равной громкости отражает
зависимость между частотой, уровнем
интенсивности и уровнем громкости звука
и дает возможность по двум известным
из этих величин находить третью —
неизвестную.
Исследование остроты слуха, т. е. чувствительность слухового органа к звукам разной высоты, называется аудиометрией. Обычно при исследовании находят точки кривой порога слышимости при частотах, пограничных между октавами. Октава — это интервал высот тона, в котором отношение крайних частот равно двум. Существует три основных метода аудиометрии: исследование слуха речью, камертонами и аудиометром.
График зависимости порога слышимости от звуковой частоты называется аудиограммой. Потеря слуха определяется путем сравнения аудиограммы больного с нормальной кривой. Используемый при этом аппарат — аудиометр — представляет собой звуковой генератор с независимой и тонкой регулировкой частоты и уровня интенсивности звука. Аппарат оборудован телефонами для воздушной и костной проводимости и сигнальной кнопкой, с помощью которой исследуемый отмечает наличие слухового ощущения.
Если
бы коэффициент k был постоянным, то из LБ и E следовало бы, что логарифмическая шкала
интенсивностей звука соответствует
шкале громкостей.
В
этом случае громкость звука так же, как
и интенсивность измерялась бы в белах
или децибелах. Однако сильная зависимость k от частоты
и интенсивности звука не позволяет
измерение громкости свести к простому
использованию формулы 16.
Условно считают, что на частоте 1 кГц шкалы громкости и интенсивности звука полностью совпадают, т.е. k = 1 и
Громкость на других частотах можно измерять, сравнивая исследуемый звук со звуком частотой 1 кГц. Для этого при помощи звукового генератора создают звук частотой 1 кГц. Меняют интенсивность этого звука до тех пор, пока не возникнет слуховое ощущение, аналогичное ощущению громкости исследуемого звука. Интенсивность звука частотой 1 кГц в децибелах, измеренная по прибору, будет равна громкости этого звука в фонах.
Нижняя кривая
соответствует интенсивностям самых
слабых слышимых звуков — порогу
слышимости; для всех частот Eф = 0 Ф, для 1 кГц интенсивность звука I0 = 10—12 Вт/м2 (рис.
.5.). Из приведенных кривых видно,
что среднее человеческое ухо наиболее
чувствительно к частотам 2500 — 3000 Гц.
Верхняя кривая соответствует порогу
болевого ощущения; для всех частот Еф 130 Ф,
для 1 кГц I
= 10 Вт/м2 .
Каждая промежуточная кривая отвечает одинаковой громкости, но разной интенсивности звука для разных частот. Как было отмечено, только для частоты 1 кГц громкость звука в фонах равна интенсивности звука в децибелах.
По кривой равной громкости можно найти интенсивности, которые при определенных частотах вызывают ощущение этой громкости.
Например, пусть интенсивность звука частотой 200 Гц равна 80 дБ.
Какова громкость
этого звука? На рисунке находим точку
с координатами: 200 Гц, 80 дБ. Она лежит на
кривой, соответствующей уровню громкости
60 Ф, что и является ответом.
Энергии, соответствующие обычным звукам, весьма невелики.
Для иллюстрации этого можно привести следующий курьезный пример.
Если бы 2000 человек вели непрерывно разговор в течение 1½ часов, то энергии их голосов хватило бы лишь на то, чтобы вскипятить один стакан воды.
Рис. 5. Уровни громкости звука для звуков различных интенсивностей.
Что делает человеческий слух особенным? · Frontiers for Young Minds
Abstract
Люди и многие другие животные могут слышать широкий спектр звуков. Мы можем слышать низкие и высокие ноты, а также тихие и громкие звуки. Мы также очень хорошо различаем похожие звуки, например звуки речи «ааа» и «а», и различаем смешанные звуки, например, когда играет оркестр. Но как слуховые способности человека сравниваются со слуховыми способностями других животных? В этой статье мы узнаем, как внутреннее ухо определяет слуховые способности.
Многие другие млекопитающие могут слышать очень высокие ноты, недоступные нам, а некоторые могут слышать тихие звуки, недоступные нам. Однако люди могут лучше других видов различать похожие звуки. Мы знаем это, потому что через миллисекунды после того, как окружающие звуки доходят до наших ушей, другие звуки приходят уже через 9 миллисекунд.0005 из : звуки, которые на самом деле воспроизводятся теми же самыми ушами!
Введение
Наши уши позволяют нам общаться друг с другом и исследовать окружающий мир. Они позволяют нам понимать речь, слышать музыку и обеспечивать безопасность. Они помогают другим животным охотиться, есть и не быть съеденными. Большая часть работы слуха выполняется внутри нашей головы, во внутреннем ухе, которое содержит самые сложные и быстро движущиеся части тела. Звук распространяется по воздуху в виде вибраций и улавливается той частью уха, которую мы видим, — наружным ухом. Затем колебания распространяются по слуховому проходу, через среднее ухо и во внутреннее ухо.
Здесь вибрации преобразуются в электрические сигналы, которые по нервам передаются в мозг. Затем мозг выясняет, что издает звук, откуда он исходит и нужно ли нам что-то с этим делать. Когда мы слышим эти вибрации, это говорит нам о том, что что-то снаружи издает звук, но это также многое говорит нам о звуке: это взрослый спрашивает нас, сделали ли мы домашнее задание, или друг спрашивает, не хотим ли мы печенья? Большинство животных могут слышать некоторые звуки, которые не слышит человек, но оказывается, что человеческий слух примечателен по-другому.
Звуки Играйте на фортепианной клавиатуре в ухе
Звуки, доходящие до внутреннего уха в виде вибрации, сильно различаются — вот почему они звучат по-разному! Одним из важных способов изменения вибраций является скорость вибрации воздуха (рис. 1А). Представьте себе фортепианную клавиатуру (рис. 1В). Ноты на левой стороне клавиатуры заставляют струны внутри фортепиано (и, следовательно, воздух вокруг них) медленно вибрировать.
Для нас эти ноты звучат «низко». Ноты справа от клавиатуры производят быстрые вибрации и звучат для нас «высоко». Мы называем скорость этих колебаний частотой звука. Мы измеряем частоту в герцах (сокращенно Гц), что является количеством колебаний в секунду. Мы чрезвычайно чувствительны к частоте вибрации и воспринимаем разные частоты как разные музыкальные ноты или «высоты тона». Как мы это делаем?
- Рисунок 1. (A) Низкочастотные звуки (слева) заставляют воздух вибрировать медленнее, а высокочастотные звуки (справа) заставляют воздух вибрировать быстрее.
- (B) Эти звуковые частоты соответствуют нотам на фортепианной клавиатуре. (C) Определенные звуковые частоты сопоставляются с различными участками внутреннего уха (улитки), показанными на разрезе головы человека. Улитка представляет собой спиральную структуру, похожую на раковину улитки, и определенные частоты заставляют нервные волокна возбуждаться в определенных точках вдоль спирали.
Здесь улитка показана «развернутой», чтобы показать отображение звуковых частот [Изображение предоставлено: (C) изменено из изображения лицензии Creative Commons Википедии].
Здесь улитка показана «развернутой», чтобы показать отображение звуковых частот [Изображение предоставлено: (C) изменено из изображения лицензии Creative Commons Википедии].Невероятно, но наши уши сортируют звуки от низких к высоким, как клавиатура пианино! Это важное открытие было сделано почти 100 лет назад венгерским ученым Георгом фон Бекеши. Это принесло ему Нобелевскую премию в 1961 году. Внутреннее ухо, или улитка, представляет собой спиральную трубку, по форме напоминающую раковину улитки. Вдоль спирали находится карта звуковых частот, выложенная подобно клавиатуре фортепиано. На рис. 1С показано, как будет выглядеть улитковая спираль, если ее вытянуть прямо.
Конечно, работа улитки состоит в том, чтобы обнаруживать звуки , а не издавать звуки, подобные пианино. Вместо фортепианных струн, которые издают звуков различной частоты, в улитке есть точки вдоль спирали, которые обнаруживают колебаний определенных частот.
Каждое место наиболее чувствительно к определенной частоте и связано с определенными нервными волокнами, которые посылают сигналы в мозг. Затем мозг определяет частоты звуков, которые мы слышим, определяя, какой набор нервов посылает сигнал.
Улитка постоянно посылает в мозг электрические сигналы, сообщая нам о частоте звуков в воздухе по мере их изменения во времени. Звук оркестра или человеческой речи представляет собой сложную комбинацию вибраций — множество частот одновременно! Каким-то образом мы понимаем смысл этих сложных звуков большую часть времени.
Ваши питомцы слышат звуки, которые вы не слышите!
Сравнение себя с другими животными может помочь нам лучше понять, как работает слух. Есть несколько способов измерить, насколько «хороший» наш слух. Один из способов — посмотреть на диапазон звуков от низких до высоких, которые мы слышим. Хотя люди не могут слышать все частоты, мы можем слышать звуки как выше, так и ниже по частоте, чем ноты на фортепиано.
На самом деле, клавиатура, охватывающая весь частотный диапазон, который может слышать юное человеческое ухо (от 20 до 20 000 Гц, или примерно 10 октав), потребует около 120 клавиш вместо 88, имеющихся на рояле (еще 32 — вам понадобится длинные руки!). Однако некоторые животные могут слышать гораздо более высокие частоты, чем люди. Кошки и собаки могут слышать частоты в два раза выше, чем у людей (около 40 000 Гц). Мыши слышат в ультразвуковом диапазоне (примерно до 80 000 Гц), но на самом деле не могут слышать частоты ниже 1000 Гц, которые важны для человеческой речи и музыки (обратитесь к рисунку 1, чтобы увидеть, насколько это похоже на фортепианную клавиатуру).
Мы также можем посмотреть, насколько чувствителен наш слух. Это мера того, насколько хорошо мы слышим очень тихие звуки. Люди и другие животные лучше всего слышат тихие звуки в середине своего диапазона, а не в верхней или нижней части. Мы можем использовать график, называемый аудиограммой, чтобы проиллюстрировать для каждой частоты, насколько интенсивным должен быть звук, чтобы его можно было услышать (рис.
2А). Интенсивность звука измеряется в децибелах, где ноль — это приблизительно самый тихий звук, который мы можем услышать, а 100 может быть неприятно громким. Аудиограммы показывают большие различия в частотах, которые могут слышать разные животные, но они также показывают, что большинство животных одинаково чувствительны к самым тихим звукам. Итак, по своей чувствительности к тихим звукам и частотному диапазону слуха люди очень обыкновенны: другие животные могут слышать более высокие частоты, чем мы, более низкие, чем мы, или более тихие звуки, чем мы.
- Рисунок 2 — (A) Аудиограммы различных видов показывают, что люди находятся ровно посередине с точки зрения частотного диапазона и чувствительности слуха.
- Кошки и мыши более чувствительны к более высоким частотам. Кошки более чувствительны к тихим звукам, чем люди, а слоны и черепахи в целом менее чувствительны (рис. 1). (B) Компьютерное моделирование активности волокон слухового нерва у мелких млекопитающих и человека в ответ на гласный звук «и» в слове «нужно». Этот график показывает, что активность нервных волокон человека дает более подробную информацию о звуках, чем у других млекопитающих.
Этот график показывает, что активность нервных волокон человека дает более подробную информацию о звуках, чем у других млекопитающих.Как и следовало ожидать, слух связан с размером животного, окружающей средой и его потребностями в общении. Человеческий слух наиболее чувствителен к частотам, присутствующим в человеческой речи. Мыши маленькие и издают высокие писклявые звуки, которые мы (к счастью) не слышим. Мы не только не слышим, что говорят мыши, но и мыши не могут слышать многое из того, что говорим мы.
Возможно, вы лучше, чем ваш питомец, умеете различать звуки
Способность различать звуки говорит нам о том, что что-то есть, но нам нужно знать больше. Это автобус, который может вас переехать, или друг, который просит вас поиграть? Представьте, что ваш друг разговаривает на фоне включенного телевизора. Можете ли вы отличить слова из телевизора от слов, которые говорит ваш друг? То, насколько избирательно ваш слух воспринимает звуки схожей частоты, влияет на то, насколько легко или сложно вам различать звуки.
Эта частотная избирательность также влияет на то, насколько хорошо вы можете различать разные звуки, например, слова «идти» и «медленно».
До недавнего времени ученые считали, что все млекопитающие обладают одинаковой частотной избирательностью. Теперь кажется, что человеческий слух обладает лучшей частотной избирательностью, чем слух большинства других видов. Вполне возможно, что в этом отношении мировой рекорд принадлежит людям [2]! На рис. 2В показано компьютерное моделирование того, как, по мнению ученых, структура нервной деятельности различается у людей и мелких млекопитающих при прослушивании гласного звука «и» (как во втором слоге «куки»). Человеческое ухо достаточно избирательно, чтобы выявить важные детали звука, которые проявляются в виде небольших изменений в активности нервных волокон. Чем более избирательным по частоте является слух животного, тем более детальной будет картина нервной активности, когда оно слышит звук.
Сравнение селективности у разных видов
При проверке слуха трудно измерить людей и животных одинаково.
У людей мы легко можем спросить: «Отличается ли звук А от звука Б?» Изменяя частоту звуков, мы можем измерить, насколько точно люди могут различать различные частоты. Не так-то просто задать такие вопросы мышке или собаке! С другой стороны, у животных мы можем напрямую наблюдать, как нервные волокна и клетки мозга реагируют на различные звуки. Обычно это включает в себя сложную операцию на головном мозге, что делает его непригодным для использования у людей.
Поскольку методы измерения селективности для людей и животных различаются, сравнение результатов для разных видов может оказаться сложной задачей. Когда мы видим различия, мы должны задаться вопросом, являются ли они реальными различиями в слухе или просто результатом использования различных методов измерения. Можно научить животных выполнять тесты слуха, подобные тем, которые используются на людях, но это очень сложно и требует много времени. Ваша собака может сесть по команде, но представьте, как трудно научить ее сидеть или давать вам лапу, когда она слышит две соседние ноты на фортепиано! Когда-нибудь запись с нервов внутреннего уха станет возможной у людей, но это очень сложно и еще не достигнуто.
Решение этой дилеммы пришло из довольно неожиданной техники. В 1978 году ученый по имени Дэвид Кемп обнаружил, что звуки не просто проходят в ухо , они также исходят из ! Когда звук попадает во внутреннее ухо, сенсорные клетки улитки улавливают вибрации, а затем добавляют новые собственные вибрации, которые отражаются от уха, как эхо. Их называют отоакустической эмиссией, и они часто используются для проверки слуха новорожденных. Отоакустическая эмиссия также может быть использована для исследования частотной избирательности улитки, хотя это требует довольно сложной математики. Короче говоря, чем дольше звук возвращается из уха, тем более частотно-избирательна улитка и, следовательно, тем более разнообразны паттерны возбуждения нервов в ответ на разные частоты.
Имея это в виду, некоторые из нашей группы воспроизводили тоны различных частот в уши разных животных и регистрировали отоакустические выбросы (рис. 3) [3]. Измерения показали, что человеческие уши на 90 005 более избирательны по частоте на 90 006 частот, чем уши других животных.
Совсем недавно мы тщательно исследовали точность измерения отоакустической эмиссии, кропотливо проводя все различные типы измерений, о которых мы здесь говорили (восприятие, отоакустическая эмиссия и регистрация нервов) у одного вида: хорька [4]. Хорьки относительно легко поддаются дрессировке и имеют диапазон слуха, аналогичный человеческому. Эти измерения подтвердили, что отоакустическая эмиссия 9От 0005 до показывают, насколько избирательно внутреннее ухо воспринимает звуки различных частот. Большинство ученых теперь согласны с тем, что, хотя человеческие уши могут не слышать высокие частоты, слышимые некоторыми из наших родственников-млекопитающих, мы обладаем лучшей частотной избирательностью, чем большинство этих животных.
- Рисунок 3 – Измерения звуков (отоакустическая эмиссия), исходящих из ушей различных видов.
- Ось Y показывает, сколько времени требуется после воспроизведения звука в ухо, прежде чем появится ответ. Чем больше времени это занимает, тем более избирательно каждое нервное волокно реагирует на определенный диапазон частот (рис. 3).
3).Почему у людей острый слух?
Хотя многие виды могут слышать звуки, которые мы не можем слышать, похоже, что люди лучше других видов различают звуки и различают похожие звуки. Возможно, эта способность связана с нашими удивительными навыками общения. Выдающаяся частотная избирательность вполне могла сыграть роль в эволюции человека, развитии языка и коммуникации [см. эту статью Frontiers for Young Minds [5] и эту [6], где приведены примеры тонких способов, которыми мы используем и распознаем речь]. . Однако ничто никогда не бывает полностью простым. Удивительно, но люди все еще могут понимать речь, даже если звуки были модифицированы компьютером, чтобы удалить большую часть частотных различий [7]. Кроме того, некоторые виды, такие как тигры, не говорят так, как мы, но, по-видимому, обладают почти таким же избирательным слухом, как и у людей (рис. 3). Следующая задача состоит в том, чтобы найти почему человеческий слух такой избирательный.
Подводя итог, мы давно знаем, что по диапазону частот и чувствительности к тихим звукам человек не выиграет главный приз в соревновании «найди звук» против других животных.
Вероятно, было бы другое животное, которое могло бы уловить тихий звук легче, чем мы! Однако теперь мы знаем, что человеческий слух более избирательен по частоте, чем другие животные. Так что, возможно, мы могли бы выиграть межвидовое соревнование «найди разницу между звуками»!
Глоссарий
Частота : ↑ Скорость вибрации звуковых волн в воздухе. Количество раз в секунду, когда молекулы воздуха завершают цикл сжатия, расширения и обратно.
Улитка : ↑ Спиралевидная структура внутреннего уха, в которой звуки обнаруживаются и распределяются по частоте.
Карта звуковых частот : ↑ Реакция на звук физически организована по длине улитки или по всей поверхности мозга с упорядоченным увеличением частоты звука, как на графике (см. рис. 2B).
Аудиограмма : ↑ График, показывающий для каждой частоты звук, насколько интенсивным он должен быть, чтобы его вообще можно было услышать.
Звуки ниже этого уровня не обнаруживаются.
Частотная избирательность : ↑ Различные части улитки реагируют на разные частоты. В более избирательной улитке каждая часть улитки реагирует на меньший диапазон частот.
Отоакустическая эмиссия : ↑ Звуки, производимые вибрацией внутреннего уха. Они могут быть спонтанными или возникать в ответ на звук. Вибрации во внутреннем ухе приводят к звуку во внешнем ухе.
Конфликт интересов
Авторы заявляют, что исследование проводилось в отсутствие каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.
Исходная статья
↑ Самнер, С. Дж., Уэллс, Т., Бержевен, К., Соллини, Дж., Палмер, А. Р., Оксхэм, А. Дж., и др. 2018. Конвергентные показатели настройки улитки млекопитающих подтверждают более точную настройку человека. Проц. Натл. акад.
науч. США . 115:11322–6. doi: 10.1073/pnas.1810766115
Каталожные номера
[1] ↑ Дент, М. 2017. Психоакустика животных. Акустика. Сегодня 13:19–26. Доступно в Интернете по адресу: https://acousticstoday.org/wp-content/uploads/2017/08/Dent.pdf
.[2] ↑ Шера, К. А., Гинан, Дж. Дж. Младший, и Оксенхэм, А. Дж. 2002. Пересмотренные оценки улитковой настройки человека на основе отоакустических и поведенческих измерений. Проц. Натл. акад. науч. США 99:3318–23. doi: 10.1073/pnas.032675099
[3] ↑ Бержевен, К., Ферхулст, С., и ван Дейк, П. 2017. Дистанционное зондирование улитки: отоакустика. Понимание улитки 62: 287–318. дои: 10.1007/978-3-319-52073-5_10
[4] ↑ Sumner, C.J., Wells, T., Bergevin, C., Sollini, J., Palmer, A.R., Oxehham, A.J., et al. 2018. Конвергентные показатели настройки улитки млекопитающих подтверждают более точную настройку человека.
Проц. Натл. акад. науч. США . 115:11322–6. doi: 10.1073/pnas.1810766115
[5] ↑ Эверхардт М., Сарампалис А., Колер М., Башкент Д. и Лоуи В. 2022. Просодия речи: музыкальное, магическое качество речи. Фронт. Молодые умы 10:698575. doi: 10.3389/frym.2021.698575
[6] ↑ Смит, Х., Паутц, Н., и Мюллер-Джонсон, К. 2021. Можно ли идентифицировать преступника только по голосу? Фронт. Молодые умы 9:689812. doi: 10.3389/frym.2021.689812
[7] ↑ Шеннон Р., Зенг Ф., Камат В., Выгонски Дж. и Экелид М. 1995. Распознавание речи с преимущественно временными сигналами. Наука 270:303–4.
2.972 Как работает человеческое ухо
| ЧЕЛОВЕЧЕСКОЕ УХО | ||
| ВОПРОСЫ ИЛИ КОММЕНТАРИИ | ||
| АВТОР: | Барри Д. Джейкобсон | |
| ЭЛЕКТРОННАЯ ПОЧТА: | [email protected] | |
| КУРС: | ХСТ | |
| КЛАСС/ГОД: | Г | |
ОСНОВНОЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ТРЕБОВАНИЕ: Преобразование акустической энергии в электрохимические нервные импульсы, которые могут быть обрабатывается мозгом.
КОНСТРУКТИВНЫЙ ПАРАМЕТР: Ушко
ГЕОМЕТРИЯ/КОНСТРУКЦИЯ:
Основными структурами периферической слуховой системы являются наружное ухо, среднее ухо, и внутреннее ухо. Внутреннее ухо связано с центральной нервной системой через слуховой проход. нерв.
ВВЕДЕНИЕ:
Одной из самых удивительных функциональных групп в организме является слуховая система. Мы часто
принимают как должное дар слуха и не могут представить, какой будет жизнь
без возможности общаться с другими или наслаждаться музыкой и всеми другими звуками
в нашей среде.
Однако для того, чтобы мы могли слышать и интерпретировать эти звуки,
существует огромное количество задач, которые должна выполнять слуховая система, как мы
видеть. Она намного превосходит любую существующую систему воспроизведения звука. Нет искусственного
Система, основанная на интеллекте, построенная на сегодняшний день, может интерпретировать звуки с точностью,
слуховая система может.
ХАРАКТЕРИСТИКИ:
Динамический диапазон слуховой системы, представляющий собой интервал между самым мягким и
Самый громкий звук, который может услышать ухо, составляет более 120 децибел. Децибел — это логарифм
отношение двух величин, умноженное на 10. Это означает, что ухо может слышать звуки
чья сила находится где-то в диапазоне более 12 порядков. Ухо
достаточно чувствителен, чтобы обнаруживать настолько слабые звуки, что молекулы воздуха движутся
меньше диаметра атома! Но все же он также способен обрабатывать гораздо более громкие звуки.
без перегрузки и насыщения («максимального выхода»), что могло бы вызвать нежелательные
искажение. Это достигается с помощью системы автоматической регулировки усиления (АРУ), которая
ослабляет реакцию на более громкие звуки.
Что касается частоты, то человеческое ухо может слышать звуки частотой от 20 Гц до 20 000 Гц.
Мы также увидим, что существует изящная временная синхронизация (управление временем)
в слуховой системе, что позволяет мозгу обнаруживать небольшие различия
во временах распространения звука. Летучие мыши используют эту временную точность для эхолокации своей добычи.
На самом деле у них есть полнофункциональная сонарная система, которая измеряет время, прошедшее между
испускаемый стимул и его отраженное эхо, чтобы точно определить местонахождение быстро движущегося объекта и
определить, что это такое. Они могут измерять время звуков с точностью до 10
наносекунды. Это позволяет им поймать летающую бабочку примерно за 10 9 секунд.0292-й а
во-вторых, несмотря на то, что мотылек может услышать летучую мышь и попытаться уклониться.
Люди, хотя и не способны к эхолокации, используют мельчайшие различия во времени
приход звука в одно ухо по сравнению с другим, чтобы определить его направление, как
посмотрим.
ДОМИНАНТНАЯ ФИЗИКА И ОБЪЯСНЕНИЕ КАК ЭТО РАБОТАЕТ/ИСПОЛЬЗУЕТСЯ:
Кратко опишем основные компоненты уха. Многие детали являются и многое еще не проработано учеными.
Ухо состоит из трех основных частей. Они называются внешними , средними и внутренними . уши.
Наружное ухо состоит из органа сбоку головы, который мы обычно
называть просто «ухо». (Научно точное название этой структуры —
ушная раковина.) Также в наружное ухо входит слуховой проход. Это полая трубка,
ведет от ушной раковины к голове. Он заканчивается в барабанной перепонке, которая технически
известный как барабанная перепонка. Назначение наружного уха – передавать звуки от
внешний мир в более внутренние части слуховой системы. Пока можно
просто думайте о ушной раковине и слуховом проходе как о простой воронке для сбора звуков, в
на самом деле они выполняют некоторые важные функции.
Ушная раковина имеет различные гребни и складки, которые
действуют так, чтобы отражать и поглощать определенные частотные компоненты звуковой волны. Поскольку
ушная раковина не симметрична по кругу, звуки, исходящие с разных направлений, будут иметь
немного разные спектральные характеристики. (Это означает, что определенные частоты будут
немного громче или тише в зависимости от направления, в котором они входят в ухо.) В результате
звуки, доносящиеся над нашими головами, кажутся несколько иными, чем звуки, доносящиеся из
ниже. Это позволяет нам локализовать (указать направление) источник звука. Поэтому мы
немедленно поднимайте глаза, когда кто-то зовет нас из окна верхнего этажа.
Слуховой канал также играет роль в формировании спектра входящих звуков (подчеркивая
одних частот и ослабление других). Он делает это подобно органу.
трубы, в которой определенные длины волн имеют тенденцию отражаться обратно таким образом, что вызывают
конструктивная интерференция, усиливающая звук.
Другие частоты отражают
обратно таким образом, что вызывает деструктивное вмешательство и тем самым ослабляется. Итак, сеть
Результатом является то, что некоторая обработка сигнала уже происходит во внешнем ухе.
На внутреннем конце слухового прохода находится барабанная перепонка, представляющая собой небольшую мембрану около 1 см. в диаметре. Его цель состоит в том, чтобы изолировать нежные органы внутренних частей тела. слуховой системы, чтобы инородные тела и бактерии не попали внутрь, что в противном случае могло бы засорить систему и вызвать вредные инфекции, а также. Однако он предназначен для эффективно передавать звук через него.
| Рисунок 1 |
Среднее ухо начинается на внутренней поверхности барабанной перепонки. Он подключен к
цепь из трех маленьких костей, называемых косточками. Их имена — молоточек (молоточек), наковальня.
(наковальня) и стремя (стремя), так как они напоминают эти предметы по форме. Их цель
действовать как механический преобразователь. Причина этого в том, что звуковые волны являются вибрациями
молекул воздуха. Однако орган, осуществляющий фактическую трансдукцию (преобразование
акустическую энергию в электрохимические импульсы) представляет собой заполненную жидкостью костную спираль, называемую
улитка. Поскольку воздух намного менее плотный, чем жидкость, а также более сжимаемый, большинство
энергия звуковой волны просто отражалась бы обратно в слуховой проход. Грубый
аналогия с броском резинового мяча на тротуар. Большая часть энергии просто
отражается в отскоке мяча назад к бросающему. Очень мало передается
массивная земля. Для эффективной передачи звука из воздуха в жидкость используется рычажная система.
необходим для перемещения жидкости. Средняя кость действует как своего рода стержень для
молоточек, прикрепляющийся к барабанной перепонке, и стремя, прикрепляющееся к улитке.
Два плеча рычага имеют разную длину, что дает механическое преимущество. См. рисунок 1. В
кроме того, участки тех поверхностей костей, которые соприкасаются с барабанной перепонкой
и с улиткой неодинаковы, как в гидроподъемнике, что дает дополнительную механическую
преимущество. Это показано на рис. 2. В инженерных терминах этот процесс называется
преобразование импеданса. Он аналогичен трансформаторам на комнатных телевизионных антеннах.
которые соответствуют плоскому телевизионному кабелю с двойным проводом на 300 Ом и коаксиальному кабелю на 75 Ом, который многие современные
Телевизоры и видеомагнитофоны принимают. Поскольку электрические характеристики двух типов кабеля
отличается, если просто попытаться припаять один тип кабеля к другому, большая часть сигнала
будет отражаться и не попадет в телевизор.
| Рисунок 2 |
Внутреннее ухо относится к улитке, которая представляет собой костную структуру спиралевидной формы.
который внешне напоминает улитку. Это самая сложная часть слухового восприятия.
система, и статьи постоянно публикуются в попытке разъяснить ее сложную
работы. По сути, он имеет три параллельных заполненных жидкостью канала, которые обвиваются вокруг
ось улитки. Если бы мы гипотетически раскрутили улитку, она выглядела бы
что-то вроде рисунка 3. Последняя косточка среднего уха, стремечко, действует как поршень,
и выталкивает жидкость из первого канала, лестницы преддверия, через отверстие в
основание улитки называется овальным окном, создающим волну давления. Давление
волна распространяется в этой жидкости, называемой перилимфой, к концу улитки
который называется вершиной. На вершине лестничная лестница соединяется через отверстие
называется хеликотремой к третьему каналу, который называется барабанной лестницей. Скала
tympani действует как обратный путь для волны давления обратно к основанию улитки.
На базальном конце этого канала имеется гибкое окончание, называемое круглым окном.
который выпячивается вместе с потоком жидкости, позволяя волне течь беспрепятственно.
В противном случае у несжимаемой жидкости не было бы никакой свободы, чтобы вызвать большое движение.
| Рисунок 3 |
Перегородка, отделяющая третий канал, барабанную лестницу от среднего
канал, лестничная клетка называется улитковой перегородкой или базилярной мембраной. Этот
мембрана подпрыгивает вверх и вниз в ответ на волну давления, как игрушечная лодка, плавающая в
ванну в ответ на толчок воды в ванне. На этой мембране находится структура
известный как орган Корти, который содержит клетки восприятия звука. Эти клетки называются
волосковые клетки, потому что они имеют тонкие пучки волокон, называемые стереоцилиями, которые выступают из
их вершина. При движении базилярной мембраны вверх и вниз стереоцилии отодвигаются назад и
под углом к небольшой крыше, которая нависает над органом Корти, называемым
текториальная мембрана.
Внутренняя часть волосковых клеток в норме имеет потенциал около 40 милливольт с
относительно нормального внеклеточного (внеклеточного) потенциала организма. Это
называют их потенциалом покоя. Они достигают этого, перекачивая положительные ионы, такие как натрий.
(Na+) из клетки, как и многие клетки в организме, оставляя чистый отрицательный заряд. Но
верхушки волосковых клеток располагаются в среднем канале, лестничной клетке, которая
содержит особую жидкость, называемую эндолимфой, которая богата калием (K+) и имеет +80
положительный заряд милливольт. Считается, что это генерируется специальными ячейками в области на
сторона лестницы, известная как сосудистая полоска. Чистый результат всего этого
что фактически это создает как бы батарею, положительный вывод которой соединен
к внешней стороне верхней поверхности волосковой клетки, отрицательный терминал которой
внутри волосковой клетки. Когда стереоцилии двигаются вперед и назад, ионы, управляемые небольшим давлением,
открываются каналы в мембране волосковых клеток, по которым ионы К+ поступают в волосковые клетки из
эндолимфа.
Они спешат, потому что сильно отрицательный потенциал волосковых клеток
притягивает положительные ионы. Это имеет тенденцию нейтрализовать часть отрицательного заряда и приносит
потенциал до нуля, процесс, известный как деполяризация.
На дне и по бокам волосковых клеток имеются входы для слухового нерва,
отделены от волосковой клетки небольшой щелью, называемой синапсом. При деполяризации
В волосковой клетке открываются специальные чувствительные к напряжению кальциевые (Ca 2+ ) каналы,
вызывается повышением напряжения и пропускает кальций в клетку. Кальций вызывает волосы
клетку для высвобождения определенного количества особого химического вещества, называемого нейротрансмиттером, который стимулирует
слуховой нерв возбуждается. (Он делает это, заставляя нерв открывать свой собственный ион
каналы в синапсе, которые повышают напряжение в нервном волокне. Это вызывает еще
другие соседние чувствительные к напряжению каналы в волокне, чтобы открыть, что приводит к домино
эффект, вызывающий распространение волны деполяризации по всему нерву.
)
Это краткое описание механизма трансдукции. Оказывается, есть на самом деле два типа волосковых клеток, внутренние волосковые клетки и наружные волосковые клетки. Что мы описали действие внутренних волосковых клеток. Считается, что наружные волосковые клетки действуют как усилители, а не преобразователи. Они делают это, растягиваясь и сжимаясь. волна давления проходит рядом. Это толкает текториальную мембрану вверх и вниз с большим усилие, чем было бы достигнуто одной жидкостью. Напомним, что текториальная мембрана крыша над волосковыми клетками, против которых (или в непосредственной близости от них) движутся стереоцилии.
Важным свойством базилярной мембраны является то, что каждая область настроена на
конкретная частота. Базовый конец настроен на более высокие частоты. Это означает, что
точка максимальной вибрации для более высокочастотных звуков находится у основания. Как высокая частота
входит волна давления, она колеблется с максимальной амплитудой в точке вблизи основания, и
быстро затухает, поскольку волна продолжается внутрь.
Звуки более низкой частоты продолжаются внутрь
до точки их максимальной вибрации и быстро затухают после этой точки. Еще ниже
звуки частоты производят максимальную вибрацию в точках, близких к вершине. Следовательно
нервные волокна, расположенные у основания, содержат более высокочастотные компоненты
звук, а волокна, расположенные вблизи верхушки, содержат низкочастотные компоненты
звука. Таким образом, улитка действует как анализатор спектра, разделяя
разные частоты звука друг от друга. Считается, что наружные волосковые клетки
способствуют точности этой настройки, при этом каждая ячейка выборочно удлиняется и
сокращаясь только в ответ на свою любимую частоту, а не на другие. Частота на
на которую волокно реагирует лучше всего, называется его характеристической частотой (CF).
Пробел не позволяет подробно описать обработку, происходящую в
слуховой нерв и его соединения в головном мозге. Существует множество сложных схем и
взаимосвязи между различными слуховыми центрами центральной нервной системы.
В
Кроме того, не только ухо посылает импульсы в мозг, но и мозг посылает импульсы
к уху тоже. Это пример обратной связи. Это не до конца понятно на
настоящее время точную роль такой обратной связи. Одно мнение состоит в том, что обратная связь служит
система AGC для уменьшения усиления громких звуков, что делает их более слышимыми, и
меньше шансов причинить вред. (Известно, что чрезмерно громкие звуки разрушают нежную
структуры слуховой системы.)
По необходимости мы дадим лишь краткий обзор обработки звуковых сигналов.
Короче говоря, чем громче звуковой компонент на определенной частоте, тем чаще
нервные импульсы (спайки) возбуждаются в волокне, CF (характеристическая частота) которого находится на
именно эту частоту. Считается, что нервные импульсы не различаются по амплитуде. Они есть
скорее как цифровой сигнал. Передается либо 1, либо 0, но ничего между ними.
Амплитуда звука закодирована в скорострельности. Частота звука
кодируется тем, какое конкретное волокно отвечает (известное как кодирование места).
Однако
слуховой нерв обладает еще одним интересным свойством. Для низких частот
сигналы, схема возбуждения волокна синхронизируется с формой звуковой волны. Это означает
что во время определенных участков сигнала существует высокая вероятность срабатывания
всплеск, а во время других — низкая вероятность. Это известно как фазовая синхронизация. Чем сильнее
компонента, тем лучше у него фазовые блокировки. Конечным результатом является то, что, построив график стрельбы
с помощью статистического метода, называемого периодической гистограммой, можно наблюдать
волнообразная форма звука. Таким образом, в дополнение к кодированию скорости и места существует синхронность.
кодирование, а также. Не до конца понятно, как и зачем используются все эти методы кодирования.
И последнее увлекательное явление — взаимодействие двух ушей при интерпретации
звук. Большим преимуществом наличия двух ушей является возможность точно локализовать звук.
При этом мозг использует два сигнала. Первая, как мы уже упоминали
ранее тот факт, что время прихода звуков в оба уха немного
другой.
Близкое ухо воспринимает звук несколько раньше. Мозг чувствителен к
разница во времени прибытия всего 10 микросекунд, и может использовать это для
определить место звука. Второй сигнал — это тот факт, что звуки достигают
немного разные амплитуды в двух ушах. Это связано с тем, что голова вызывает акустический
тень, которая ослабляет звук, идущий с противоположного направления. Сравнивая
амплитуда звуков в обоих ушах, можно определить местонахождение источника.
Но если это правда, то как мы локализуем в помещении? Звуки многократно отскакивают стены, потолки, полы и другие объекты, которые полностью запутали бы мозг. получается что существует эффект предшествования, благодаря которому мозг обращает внимание только на первое волновой фронт, который достигает его. Все последующие эхо-сигналы игнорируются с целью локализация.
ОГРАНИЧИВАЮЩАЯ ФИЗИКА
Работа уха в нижней части его динамического диапазона ограничена внутренними
шум.
Все системы обработки сигналов имеют некоторые внутренние источники шума из-за случайных помех.
колебания различных параметров или компонентов системы. Если сигнал слишком слабый,
слуховая система не может отделить его от этих случайных вариаций. Высокий конец
динамический диапазон ограничен физической способностью его компонентов выдерживать большие
силы из-за интенсивных вибраций, вызванных громкими звуками.
Частотная характеристика и временные (временные) характеристики слухового системы ограничены скоростью, с которой могут выполняться различные этапы процесса трансдукции. происходить. Существуют различные механические, электрические и химические узкие места, которые могут потенциально медленные вещи. Разные виды имеют разные ограничения и могут слышать намного выше смолы, чем люди могут. Это связано с различиями в размерах и формах различных структуры слуховой системы у разных видов.
ДИАГРАММЫ/ГРАФЫ/ТАБЛИЦЫ:
Нет Представлено
ВЫВОД:
Мы мельком увидели сложные процессы, происходящие в слуховой системе и
необходимость дальнейших исследований.