Физика слуха

Рассмотрим некоторые вопросы физики слуха на примере наружного, среднего и внутреннего уха человека.

Рисунок 4.

Наружное ухо состоит из ушной раковины 1 и наружного слухового прохода 2
(рис. 4).

Ушная раковина человека не играет существенной роли для слуха. Она способствует определению локализации источника звука при его расположении в передне-заднем направлении. Звук от источника попадает в ушную раковину. В зависимости от положения источника в вертикальной плоскости звуковые волны будут по-разному дифрагировать на ушной раковине из-за ее специфической формы. Это приводит к изменению спектрального состава звуковой волны, попадающий в слуховой проход. Человек в результате опыта научился ассоциировать изменения спектра звуковой волны с направлением на источник звука.

Обладая двумя звукоприемниками (ушами), человек и животное способны установить направление на источник звука и в горизонтальной плоскости. Это объясняется тем, что звук от источника до разных ушей проходит разное расстояние и возникает разность фаз для волн, попадающих в правую и левую ушную раковины.

Наиболее существенной частью среднего уха является барабанная перепонка 3 и слуховые косточки: молоточек 4, наковальня 5 и стремечко 6 с соответствующими мышцами, сухожилиями и связками. Косточки осуществляют передачу механических колебаний от воздушной среды наружного уха к жидкой среде внутреннего. Жидкая среда внутреннего уха имеет волновое сопротивление, приблизительно равное волновому сопротивлению воды. При прямом переходе звуковой волны из воздуха в воду передается лишь 0,123% падающей интенсивности. Это слишком мало. Поэтому основное назначение среднего уха – способствовать передаче внутреннему уху большей интенсивности звука. Можно сказать, что среднее ухо согласует волновые сопротивления воздуха и жидкости внутреннего уха.

Еще одна из функций среднего уха – ослабление передачи колебаний в случае звука большой интенсивности. Это осуществляется рефлекторным расслаблением мышц косточек среднего уха. Среднее ухо соединяется с атмосферой через слуховую (евстахиеву) трубу.

Наружное и среднее ухо относятся к звукопроводящей системе. Звуковоспринимающей системой является внутреннее ухо.

Главной частью внутреннего уха является улитка, преобразующая механические колебания в электрический сигнал. Улитка человека является костным образованием длинной около 35 мм и имеет форму конусообразной спирали 2,75 завитков. Диаметр у основания около 9 мм, высота равна приблизительно 5 мм.

На рисунке 4 улитка (ограничена штриховой линией) показана схематично развернутой для удобства рассмотрения. Вдоль улитки проходят три канала. Один из них, который начинается от овального окна 7, называется вестибулярной лестницей 8. Другой канал идет от круглого окна 9, он называется барабанной лестницей 10. Вестибулярная и барабанная лестницы соединены в области купола улитки посредством маленького отверстия – геликотремы 11. Т.о. оба эти канала в некотором роде представляют единую систему, наполненную перелимфой. Колебания стремечка 6 передаются мембране овального окна 7, от нее перелимфе и «выпячивают» мембрану круглого окна 9. Пространство между вестибулярной и барабанной лестницами называется улитковым каналом 12, он заполнен эндолимфой. Между улитковым каналом и барабанной лестницей вдоль улитки проходит основная (базилярная) мембрана 13. На ней находится кортиев орган, содержащий рецепторные клетки, от улитки идет слуховой нерв.

Кортиев орган (спиральный орган) и является преобразователем механических колебаний в электрический сигнал. Основная мембрана – весьма интересная для физики структура, она обладает частотно-избирательными свойствами.