Анатомия и физиология органа слуха Орган слуха

Анатомия и физиология органа слуха

Орган слуха предназначен для восприятия звуков Под звуком понимают упругие волны, распространяющиеся в газах, жидкости и твердых телах и воспринимаемые ухом человека и животных. Волны – это возмущения, распространяющиеся с конечной скоростью в пространстве и несущие с собой энергию без переноса вещества. Звуковые волны характеризуются частотой колебаний, амплитудой, энергией, интенсивностью и т. п.

Звуковые волны Каждая звуковая волна состоит из участка сжатого воздуха, который находится между двумя участками менее сжатого воздуха (голубой цвет). Сигмоидальные волны соответствуют участкам более сжатого воздуха (пики) и менее сжатого воздуха (впадины). Заштрихованный зеленым участок характеризирует широту одного цикла (расстояние между пиками). При колебании камертона или голосовых связок возникают волны сжатия и расслабления, которые мы ощущаем как звук

В практическом плане для описания звуковых волн используют частоту и величину звукового давления. Поскольку орган слуха воспринимает звуковые давления в очень большом диапазоне звуковых давлений, для описания этого параметра используют производный показатель – децибелы: д. Б = 20 lg (p/p 0), где p – текущее звуковое давление, p 0 – порог слышимости (2 10 -5 Па). Частота измеряется в герцах. 1 Гц равен одному колебанию в секунду.

Звуковые волны б — звуковые волны низкой и высокой амплитуды. Сравните относительную длину стрелок, указывающих высоту волны (амплитуду); в — низкая и высокая частота звука. Сравните относительное количество пиков (частоту) в пределах данного временного интервала (между стрелками)

Звук, образованный одной частотой, называется тоном. Звук, образованный сочетанием основной частоты и нескольких гармоник, кратных ей по величине, называется музыкальным. Основная частота отражается в периоде сложной волны звукового давления (Т). Звук, образованный сочетанием несвязанных друг с другом частот, называется шумом или «белым шумом» , если в нем в равной степени представлены все основные частоты в диапазоне слышимости.

Периферический отдел органа слуха Наружное ухо Внутреннее ухо Среднее ухо

Наружное, среднее и внутреннее ухо

Внутреннее ухо (костный и перепончатый лабиринты)

Структура улитки У человека улитка имеет 2, 5 витка, длину хода 35 мм и объем около 100 мкл (2 капли жидкости). В улитке выделяют 3 канала: 1. верхний – вестибулярный. Начинается от овального окна, стенки состоят из костной ткани височной кости и вестибулярной мембраны; 2. нижний – барабанный (тимпанальный). Заканчивается круглым окном, стенки состоят из костной ткани височной кости и основной (базилярной) мембраны; 3. средний – улитковый.

Вестибулярный и барабанный ходы у вершины соединяются отверстием – геликотремой. Эти каналы заполнены жидкостью – перилимфой, близкой по содержанию ионов К+, Na+, Cl- к сыворотке крови. Улитковый канал содержит эндолимфу, в которой ионов Na+ в 10 раз меньше, а К+ в 100 раз больше, чем в перилимфе. На основной мембране в улитковом канале расположен Кортиев орган с чувствительными волосковыми клетками (3, 5 тыс. внутренних клеток, расположенных в один слой, и 12 тыс. наружных, расположенных в 3 -5 рядов). Волоски этих рецепторных клеток соприкасаются с покровной, или текториальной мембраной.

Влияние звуковых волн на структуры улитки 1. Звуковые волны вызывают колебание барабанной перепонки. 2. Колебание барабанной перепонки обусловливает колебание косточек среднего уха. 3. В овальном окне колеблется основание стремени. 4. Это колебание вызывает колебание перилимфы в лестнице преддверия. 5. Колебание перилимфы ведет к смещению базилярной мембраны. Короткие волны (высокая частота) вызывают смещение базилярной мембраны возле овального окна, а длинные (низкая частота) — на некотором расстоянии от овального окна. Движение базилярной мембраны фиксируют волосковые клетки спирального органа, которые прикреплены к базилярной мембране. 6. Колебания перилимфы в лестнице преддверия и эндолимфы в улитковом протоке передаются перилимфе барабанной лестницы. 7. Колебания перилимфы в барабанной лестнице передаются круглому окну, где они затухают.

Колебания жидкости и мембран во внутреннем ухе

Схема бегущей волны в два различных момента времени Огибающая показывает максимальную амплитуду волны, вызванной постоянной частотой, в различных участках улитки. Трехмерная реконструкция волны

Влияние звуковых волн на точки вдоль базилярной мембраны Основная мембрана неодинакова по ширине. У овального окна ширина мембраны 0, 04 мм, затем она расширяется, достигая у геликотремы (у вершины улитки) 0, 5 мм. Соответственно различается модуль упругости: у овального окна он в 100 раз выше, чем у вершины. Овальное окно без искажений по частоте передает колебания перилимфе. Вестибулярная мембрана очень тонка и практически не влияет на колебания перилимфы. Таким образом, колебания перилимфы передаются на эндолимфу и на основную мембрану. Характер колебаний базилярной мембраны зависит от частоты. При низкой частоте колебаний овального окна волна давления смещает перилимфу вперед и назад, вызывая колебания круглого окна, и почти не приводит к колебаниям основной мембраны. Более высокие частоты колебаний (например, 30 Гц) из-за инерционности перилимфы стремятся распространиться прямо через базилярную мембрану, приводя ее в движения. Считается, что базилярная мембрана состоит из остро настроенных резонаторов, расположенных так, что каждая различная частота имеет собственный канал в слуховом нерве. Из-за неоднородных биомеханических свойств основной мембраны волны разной частоты приводят в движение различные ее участки. Низкие частоты (< 100 Гц) вызывают колебания наиболее инерционной, массивной части мембраны у геликотремы. Высокие частоты (> 8 к. Гц) приводят в движение наиболее жесткий участок вблизи овального окна. Частоты около 2 к. Гц (1600 Гц) вызывают колебания в середине улитки.

Положение базилярной и кортиевой мембран в покое (а) и после перемещения под действием давления (б) Базилярная и кортиева мембраны колеблются поразному, поэтому реснички волосковых клеток при изменении давления в улитке будут деформироваться. 1 — кортиева мембрана; 2 — реснички волосковых клеток; 3 — внутренние волосковые клетки

Постоянные потенциалы улитки Эндолимфатическое пространство обладает положительным зарядом относительно вестибулярной лестницы и других участков внеклеточного пространства организма (примерно +80 м. В). Сосудистая полоска и кортиев орган заряжены отрицательно (около – 70 м. В). Положительный эндокохлеарный потенциал обеспечивается энергозависимыми процессами в сосудистой полоске. Сдвиг ресничек кортиева органа изменяет синхронно со стимулом сопротивление мембраны волосковых клеток. Т. к. между эндолимфатическим пространством и внутриклеточной средой волосковых клеток имеется значительная разность потенциалов (150 м. В), возникают локальные токи, меняющие мембранный потенциал волосковых клеток, т. е. рецепторный потенциал.

Роль овального окна Основание стремечка помещено в отверстие каменистой части височной кости – овальное окно. При патологическом костеобразовании в области границы стремечка и овального окна – остеосклерозе резко ухудшается подвижность системы «основание стремечка – мембрана овального окна» , уменьшается передача звуковой энергии и ухудшается слух.

Движение стремени при умеренной (а) и высокой интенсивности звука (б) При умеренной интенсивности звука основание стремени движется как поршень, при высокой интенсивности – вращается вдоль продольной оси (качается). 1 — след от вращения; 2 — наковальня; 3 — молоточек; 4 — стремя; 5 — барабанная перепонка

Роль круглого окна Мембрана круглого окна отражает перемещение перилимфы, т. к. только эта структура имеет возможность деформироваться и дать возможность беспрепятственно перемещаться лабиринтной жидкости, которая смещается под влиянием движения стремечка, связанного с овальным окном. Иными словами, круглое окно выступает в качестве стабилизатора давления. Заращение круглого окна жировой или костной тканью (отосклероз) снижает реакцию внутреннего уха на околопороговые звуковые сигналы, т. е. ухудшает восприятие звука (повышает порог). Реакция же на звуки чрезвычайной интенсивности значительно усиливается.

Среднее ухо человека представляет собой полость в височной кости, отделенную от наружного уха барабанной перепонкой (БП) – тонкой соединительнотканной мембраной. В полости среднего уха находится системы подвижно сочлененных слуховых косточек: молоточек, наковальня и стремечко. «Ручка» молоточка прочно связана с БП. С носоглоткой среднее ухо сообщается при помощи Евстахиевой трубы. В обычном состоянии труба находится в спавшемся состоянии. Если возникает перепад давления между полостью среднего уха и внешней средой, труба раскрывается и через нее происходит выравнивание давления. Труба раскрывается при глотании.

Слуховые косточки Молоточек – масса 23 мг, длина – 5, 5 -6 мм (слева — вид изнутри, справа — вид спереди): 1 — передний отросток; 2 — верхняя связка; 3 — головка; 4 — передняя связка; 5 — латеральная связка; 6 — латеральный отросток; 7 — напрягающая мышца; 8 — сухожилие; 9 — рукоятка; 10 — передний отросток Наковальня - масса 27 мг (слева — вид изнутри, справа — вид спереди): 1 — тело; 2 — короткий отросток; 3 — длинный отросток; 4 — чечевицеобразный отросток Стремя – масса 2, 5 мг: 1 — головка; 2 — сухожилие; 3 — передняя ножка; 4 — задняя ножка; 5 — подножная пластинка

Барабанная перепонка с молоточком Косточки связаны друг с другом посредством истинных суставов и подвешены с помощью связок. Это снижает возможные искажения в передаче энергии. БП передает практически без искажений колебания воздуха, вызванные звуком, молоточку. Система слуховых косточек передает эти колебания овальному окну. Без искажений система слуховых косточек передает колебания с частотой до 1 к. Гц. 1 – складка барабанной перепонки, 2 – рукоятка молоточка

Перемещения барабанной перепонки при действии звука Схема движения барабанной перепонки (по Г. Гельмгольцу): 1 — рукоятка молоточка; 2 — мембрана Зоны равных перемещений барабанной перепонки у кошки при частоте звука 600 Гц ( у человека так движется перепонка до частоты 1500 Гц)

Перемещения барабанной перепонки при действии звука Зоны равных перемещений барабанной перепонки при частоте звука, не превышающей 2000 Гц: 1 — ось вращения: 2 — рукоятка молоточка Зависимость амплитуды А колебаний барабанной перепонки от частоты действующего на нее звука

Механический эквивалент среднего уха Среднее ухо выступает как трансформатор энергии. : Цепь слуховых косточек: 1 — ось вращения; 2 — наковальня; 3 — молоточек; 4 — барабанная перепонка Система слуховых косточек представляет собой систему одноплечих рычагов. Цепь косточек сбалансирована относительно оси вращения. При деформации БП перемещается молоточек, чья ручка сращена с БП. Это приводит к смещению остальных косточек. За счет соотношения плеч рычага сила, действующая на овальное окно через стремечко (Fстремечка), примерно в 1, 3 раза больше, чем действующая на молоточек (Fмолоточка). Fмолоточка = Р Sконтакта = Р 5, 5 10 -5 м 2 Fстремечка = 1, 3 Fмолоточка = (1, 3 5, 5 10 -5 м 2) Р = 7, 15 10 -5 м 2 Р Ров. окна = Fстремечка / Sконтакта = 7, 15 -5 м 2 Р / 3, 2 10 -6 м 2 = 22, 3 Р 10 Как следует из расчета, система косточек увеличивает давление (Р), действующее на БП, в 22, 3 раза. Реальный прирост, замеренный Бекеши, составляет 17 раз (25 д. Б).

Схема передачи давления от барабанной перепонки к жидкости внутреннего уха (1 — барабанная перепонка: 2 — слуховые косточки: 3 — внутреннее ухо) Чтобы слышать звуки, достаточно подать звуковой сигнал на овальное окно. Но в таком случае возникает проблема, обусловленная передачей волновой энергии из одной среды в другую и, в частности, соотношением отраженной и переданной энергии звуковой волны. Это соотношение зависит от акустического импеданса обеих сред. Акустический импеданс характеризует отношение амплитуды давления к амплитуде перемещения частиц среды в данной ее точке при распространении звуковой волны. Численно он равен с. Звуковое давление в точках А и А 1, находящихся над и под поверхностью раздела сред, практически одинаково. Давление в точке А является суммой давлений в падающей и отраженной волнах. Поэтому, обозначая давление прошедшей в среду 2 звуковой волны как Pj, имеем Pj = Pi + Pr Скорости частиц среды в точках А и А 1 также одинаковы, иначе имело бы место проникновение одной среды в другую, что делало бы границу неопределенной. Частица среды 1, находящаяся в А, одновременно участвует как в движении падающей звуковой волны, так и волны отраженной. Т. к. v = P / с, то v. A = vi – vr = (Pi – Pr)/ 1 с1 Т. к. v. A = v. A 1, то Pj / 2 с2 = (Pi – Pr)/ 1 с1 i r 1 с1 j А А 1 2 с2

Отсюда Pj = Pi [ 2 2 с2/ ( 1 с1 + 2 с2) ] и Pr = Pi [( 1 с1 - 2 с2) / ( 1 с1 - 2 с2)] Каждая звуковая волна представляет собой направленный поток механической энергии. Количество энергии, переносимое звуковой волной в единицу времени через единицу поверхности, перпендикулярной с, составляет I = P 20 /2 с. Отсюда Ir = Ii [( 1 с1 - 2 с2)2/( 1 с1 + 2 с2)2] и Ij = Ii [4 1 с1 2 с2/( 1 с1 + 2 с2)2], где Ii – энергия звуковой волны, Ir – энергия отраженной волны, Ij – энергия переданной волны, 1 и 2 – плотность первой и второй среды, с1 и с2 – скорость распространения звука в первой и второй среде. Подставим соответствующие значения для воздуха и воды

Среда Воздух Вода , кг/м 3 с, м/с с, (Н с)/м 3 1, 29 1000, 0 331 14800 430 14800 Отсюда Ir = 0, 999 Ii, а Ij = 0, 001 Ii, т. е. при переходе звуковой волны из воздуха в воду и наоборот 99, 9% энергии отражается. Для устранения такой ситуации существует среднее ухо. Тем самым проблема несоответствия акустических импедансов воздуха и перилимфы снимается тем, что непосредственная передача звуковой энергии из среды к среде заменяется преобразованием звуковой энергии – энергии волны, т. е. череды сжатий и разрежений среды – в энергию перемещения твердых тел и затем обратно, в энергию звуковых колебаний перилимфы.

Защитная функция среднего уха 1. 2. Рассматривают 2 механизма защиты внутреннего уха от чрезмерно интенсивных звуков: Колебания стремечка зависимы от величины звукового давления. При малых давлениях стремечко работает как поршень, т. е. колебания передаются без искажения. При увеличении давления характер движения стремечка меняется. Стремечко начинает совершать вращательные движения вокруг горизонтальной оси овального окна: когда один конец стремечка вдавливается в окно, другой движется в противоположную сторону. Это уменьшает энергию, передаваемую улитке, и служит защитой. При сокращении 2 мышц (m. tensor tympani – м. , напрягающая БП; m. stapedius – стременная м. ) увеличивается жесткость БП и системы слуховых косточек. Вместе с тем, скрытый период сокращения этих мышц составляет 10 мсек. Это значит, что данный механизм не успевает сработать при коротких сигналах, например, взрывах. Кроме того, «мышечный» механизм начинает работать при звуковых давлениях около 40 д. Б (порог акустического рефлекса).

Костная проводимость Перемещение базилярной мембраны при сжатии улитки: 1 — преддверие: 2 — стремя Вибрация височной кости вызывает периодические деформации сжатия-растяжения капсулы улитки. Жесткость круглого окна меньше жесткости овального, поэтому при сжатии улитки жидкость перемещается в вестибулярной лестнице в сторону круглого окна. При этом возникают перемещения в структурах базилярной мембраны с последующим возбуждением кортиева органа. На перемещении сказывается и то, что сумма площадей поверхности преддверия и вестибулярной лестницы больше площади барабанной лестницы. При вибрации черепа косточки среднего уха вследствие собственной инерции начинают маятникообразно двигаться относительно черепа, вызывая давление стремени на овальное окошко и запуская процесс возбуждения кортиева органа. Возмущение гораздо легче передается через цепь косточек, когда его направление совпадает с направлением вращения вокруг оси. Если закупорить хрящевую часть наружного слухового прохода, колебания черепа излучают звуковую энергию в Маятниковая схема перемещения закрытый слуховой проход от его стенок, которые косточек в среднем ухе: 1 — вибратор; возмущают барабанную перепонку. 2 — область лба

Структуры ушной раковины (правого уха)

График приращения уровня звука Δ D в аппарате звуковоспроизведения Наружный слуховой проход (длина составляет 2, 6 – 2, 7 см) S-образной формы напоминает органную трубу, закрытую с одной стороны барабанной перепонкой. Рассмотрим, как геометрические размеры наружного уха связаны с чувствительностью к звуку. Условием резонанса является соотношение: f = с /(4 l), где f – резонансная частота, l – длина резонатора, с – скорость распространения звука в данной среде. Подставим соответствующие значения (с = 340 м/с, l = 0, 026 м) и получим f = (340/4 0, 026) = 3269 1/с Таким образом, функция наружного уха состоит в усилении сигналов резонансных (порядка 3 к. Гц) и близких к ним частот. Однако из-за эластичности барабанной перепонки это усиление не превышает 10 д. Б. Важно подчеркнуть, что наружное ухо усиливает звуки, к которым орган слуха обладает максимальной чувствительностью (1… 4 к. Гц).

Пространственная локализация источника звука возможна благодаря одновременному восприятию звуков одновременно двумя ушами (бинаурально). Бинауральный слух отличается более высокой абсолютной чувствительностью; помехоустойчивостью; разрешающей способностью при дифференциации изменений высоты и громкости тональных сигналов и большей возможностью различения пространственной локализации источника звука. Пространственная локализация источника звука осуществляется за счет: 1. разницы во времени прихода сигналов на правое и левое ухо; 2. сдвига фазы сигналов, поступающих в разные уши; 3. разницы интенсивности сигналов, приходящих в правое и левое ухо. В определении пространственной локализации источника звука при частотах до 1000 Гц преобладающую роль играют запаздывание и фазовый сдвиг сигнала; при частотах более 4000 Гц – разница в громкости; в промежуточном диапазоне – оба механизма. Оптимальным считается уровень громкости в 70 фон.

Расчет разницы во времени достижения звуком правого и левого уха Направление источника звука можно достаточно определить при бинауральном слухе. Т. к. одно ухо обычно расположено несколько дальше от источника звука, чем другое, то звук достигает его чуть раньше. Δt = Δs/v, где Δt – временная задержка звука, Δs – разница расстояния до источника звука, v – скорость звука. Надежно определяется задержка в 3 • 10 -5 с, что соответствует отклонению источника звука от средней линии на 30.

Механизмы пространственной локализации источника звука Сдвиг фазы сигналов, поступающих в разные уши. Бинауральная фазовая чувствительность наиболее выражена для частот 200250 Гц, в сторону более высоких низких частот ухудшается, при 20003000 Гц практически отсутствует. Разность фаз в 1800 соответствует смещению источника звука на 900. Разница интенсивности сигналов, приходящих в правое и левое ухо, менее 1 фон создает впечатление отклонения источника звука от средней плоскости на 2 -30. Увеличение разности усиливает эффект.

Слуховые пути центральной нервной системы 1. Чувствительные аксоны улиткового узла заканчиваются в улитковом ядре мозгового ствола. 2. Аксоны нейронов улиткового ядра идут к верхнему ядру оливы или к нижнему холмику. 3. Аксоны нижнего холмика идут к медиальному коленчатому ядру таламуса. 4. Нейроны таламуса идут к слуховой зоне коры головного мозга. 5. Нейроны верхнего ядра оливы направляют аксоны к нижнему холмику, назад во внутреннее ухо или к двигательным ядрам мозгового ствола, направляющего эфферентные волокна к мышцам среднего уха.

Элементы психофизики слуха Чтобы звук можно было услышать, он должен превысить определенный уровень звукового давления. Этот слуховой порог зависит от частоты; человеческое ухо наиболее чувствительно к частотам в пределах 2 -5 к. Гц. При более высоких или низких частотах требуются значительно более высокие значения звукового давления для достижения порога. Громкость. Тон какой-либо частоты при превышении порога ощущается как более громкий, если увеличивается звуковое давление. Связь между физическим значением уровня звукового давления и субъективно воспринимаемой громкостью может быть количественно описана. У человека можно выяснить не только, является ли данный тон для него слышимым (надпороговым), но и воспринимает ли он два последовательных тона одинаковой или различной частоты как одинаково громкие или различающиеся по этому показателю. Например, тестируемый и эталонный тоны частотой 1 к. Гц предъявляются один за другим, и испытуемому предлагают установить потенциометр так, чтобы громкость эталонного тона воспринималась такой же, как тестируемого. При достижении такого результата говорят, что два тона имеют одинаковый уровень громкости. Уровень громкости звука выражается в фонах - т. е. величине уровня звукового давления тона с частотой 1 к. Гц при равной громкости звука. Таким образом, если тон частотой 1 к. Гц имеет УЗД, равное 70 д. Б, когда ощущение громкости тестируемого тона уравнивается с ним, то это значит, что тестируемый тон имеет уровень громкости 70 фон. Поскольку тон 1 к. Гц используется как стандарт, он имеет одинаковые значения в децибелах и фонах.

Элементы психофизики слуха Слуховой порог 1 — мопоуральное слушание (давление создается телефоном и измеряется у барабанной перепонки); 2 — бинауральное слушание (давление создается множеством источников, беспорядочно расположенных в горизонтальной плоскости вокруг головы и измеряется в момент, когда голова слушателя не находится в звуковом поле); 3 — бинауральное слушание (давление создается одним источником, расположенным перед слушателем на небольшом расстоянии, и измеряется в момент, когда голова слушателя не находится в звуковом Чтобы звук можно было услышать, он должен превысить определенный уровень звукового давления. Этот слуховой порог зависит от частоты; человеческое ухо наиболее чувствительно к частотам в пределах 2 -5 к. Гц. При более высоких или низких частотах требуются значительно более высокие значения звукового давления для достижения порога.

Индивидуальная вариабельность слуховых порогов Отмечается заметная вариабельность порогов чувствительности. На рисунке штриховкой в виде клеток показана область индивидуальных порогов, соответствующая 50% испытуемых, вертикальной штриховкой – 75%. Вертикальные линии показывают диапазон отклонений от средних всего контингента испытуемых.

Возрастные изменения слуховых порогов С возрастом пороги чувствительности , особенно на высоких частотах, возрастают Потеря слуховой чувствительности в зависимости от возраста

Громкость звука Тон какой-либо частоты при превышении порога ощущается как более громкий, если увеличивается звуковое давление. Связь между физическим значением уровня звукового давления и субъективно воспринимаемой громкостью может быть количественно описана. У человека можно выяснить не только, является ли данный тон для него слышимым (надпороговым), но и воспринимает ли он два последовательных тона одинаковой или различной частоты как одинаково громкие или различающиеся по этому показателю. Например, тестируемый и эталонный тоны частотой 1 к. Гц предъявляются один за другим, и испытуемому предлагают установить потенциометр так, чтобы громкость эталонного тона воспринималась такой же, как тестируемого. При достижении такого результата говорят, что два тона имеют одинаковый уровень громкости. Уровень громкости звука выражается в фонах - т. е. величине уровня звукового давления тона с частотой 1 к. Гц при равной громкости звука. Таким образом, если тон частотой 1 к. Гц имеет УЗД, равное 70 д. Б, когда ощущение громкости тестируемого тона уравнивается с ним, то это значит, что тестируемый тон имеет уровень громкости 70 фон. Поскольку тон 1 к. Гц используется как стандарт, он имеет одинаковые значения в децибелах и фонах.

Кривые равных уровней громкости (изофоны) Различия между уровнем громкости и уровнем интенсивности звука тем больше, чем ниже частота (особенно менее 500 Гц) и слабее звук. Показаны кривые равной слышимости выше порогового уровня, вычисленные по средней реакции молодых здоровых испытуемых (большая международная выборка). Все тоны на каждой кривой расцениваются как одинаково громкие независимо от их частоты. Такие кривые называются изофонами. Пороговая кривая также является изофонной, все ее тоны воспринимаются как одинаково громкие — чуть слышимые. Средний слуховой порог здорового человека равен 4 фонам, хотя, конечно, возможны отклонения от среднего значения в ту или другую сторону.

Шкала громкости в фонах является шкалой сравнения с эталонами, позволяющая определять условия, в которых звуки разных частот будут слышны как равногромкие, но не разрешающая количественно сравнивать разные громкости. Для этого используют т. н. натуральную (субъективную) шкалу громкости в сонах. 1 сон – это громкость звука, равная громкости тона 1 к. Гц при уровне интенсивности 40 д. Б над порогом (примерно соответствует громкости шепота на расстоянии 0, 3 м). Отношение громкостей звуков в сонах показывает, во сколько раз один из них субъективно воспринимается громче другого. Зависимость громкости в сонах от громкости в фонах имеет нелинейный характер, но для громкостей выше 40 фон близок к линейному. В этом случае увеличение громкости на 10 фон ощущается как удвоения громкости. Кривая приближенно аппроксимируется формулой Стивенса: lg S = 0, 03 P – 1, 2, где S – громкость (сон), Р – уровень громкости (фон) Натуральная шкала громкости

Пороги различения интенсивности звука Так как шкала фонов основывается на субъективном восприятии, интересно установить, насколько оно точно, т. е. каким должно быть различие звуковых давлений двух тонов (которые для простоты могут иметь одинаковую частоту) для того, чтобы их громкость воспринималась неодинаково. Дифференциальная чувствительность зависит от интенсивности и частоты звука: K = ΔI / I, где К – константа Вебера. При уровнях громкости 40 – 100 фон и частотах 0, 5 -3 к. Гц К = 0, 04 -0, 05. В крайних зонах области слухового восприятия дифференциальная чувствительность снижается. Так, при I = 20 д. Б ощущаемое ΔI = 2 -6 д. Б, т. е. К = 0, 1 -0, 3. Наибольшая дифференциальная чувствительность наблюдается в диапазоне частот 0, 5 -10 к. Гц. Так, при частоте 1 к. Гц в диапазоне от порога слышимости до болевого порога воспринимается 270 -300 градаций громкости. Индивидуальные значения К при прочих равных (частота 800 Гц, I = 80 д. Б) варьируется от 0, 02 до 0, 065.

Восприятие высоты звуковых сигналов График зависимости ощущения высоты звука (в мелах) от его частоты Восприятие высоты звуковых сигналов в основном зависит от частотных характеристик, а также частично от силы звукового раздражителя и состава сложного звука. Ощущение тональных сигналов нелинейно зависит от частоты. Ощущение высоты звука измеряют в мелах. Высота тона частоты 1 к. Гц при уровне 40 д. Б над порогом слышимости равна 1000 мелам. Изменение числа мел на какую-либо величину означает пропорциональное изменение ощущения высоты звука. С увеличением уровня громкости ощущение высоты тона низких частот несколько понижается, высоких – растет. В среднем диапазоне частот (1 -2 к. Гц) ощущение высоты практически не зависит от громкости.

Приборы для измерения уровня звукового давлении и уровня громкости Исходя из психофизических особенностей восприятия звука ясно, что определить звук в фонах простыми физическими методами так, как это делается при измерении с помощью соответствующих микрофонов и усилителей (измерителей уровня звука) звукового давления, невозможно. Чтобы хотя бы приблизительно измерить уровень громкости, можно использовать такой измеритель, снабженный частотными фильтрами, приблизительно соответствующими по характеристикам пороговому уровню или другой изофоне. Прибор, таким образом, имеет почти такую же дифференцированную чувствительность к различным частотам, как человеческое ухо. Он менее чувствителен в областях низких и высоких частот. Существуют три международные характеристики фильтров, обозначаемые А, В и С. При изложении результатов, полученных с помощью такого прибора, указывают, какая характеристика была использована, добавляя к значению в децибелах соответствующую букву. Результат, например, может быть представлен в такой форме: 30 д. Б (А), что соответствует приблизительно 30 фонам. Характеристика фильтра А разработана в соответствии с кривой слухового порога и должна употребляться в области низких значений интенсивности звука, однако для упрощения измерений в настоящее время почти все результаты представляют в виде д. Б (А), даже если это и вносит дополнительную ошибку. Аналогичным образом измерения опасных для здоровья шумов для простоты проводятся с использованием фильтровой характеристики (А), хотя, строго говоря, в данном случае должна быть использована шкала сонов. Например, шум работающей на холостом ходу машины составляет приблизительно 75 д. Б (А).

Пределы слышимости и речевая область Слышимость тона зависит от его частоты так же, как от звукового давления. Молодой и здоровый человек способен слышать в частотных пределах от 20 до 16000 Гц (16 к. Гц). Частоты выше 16 к. Гц называются ультразвуковыми, а ниже 20 Гц - инфразвуковыми. Пределы слышимости для человека, таким образом, простираются от 20 Гц до 16 к. Гц и от 4 до 130 фон. Зона слышимости расположена между верхней и нижней кривыми. Частоты и интенсивности, характерные для речи, находятся в центре этой зоны и закрашены красным; это речевая зона. Чтобы обеспечить адекватное понимание речи, системы связи (например, телефон) должны передавать частоты по крайней мере от 300 Гц до 3, 5 к. Гц. Чувствительность к высоким частотам у пожилых людей постепенно снижается (так называемая старческая тугоухость). Порог различения частот. Из повседневного опыта нам известно, что тоны различаются не только по громкости, но и по высоте, которая коррелирует с их частотой, он называется «высоким» , если высока его частота, и наоборот. Способность человека различать высоты последовательных слышимых тонов поразительно высока. В оптимальной области около 1000 Гц порог различения частот составляет 0, 3% (около 3 Гц).

Дискомфортные расстройства Звуковая травма. Если резко повысить уровень звукового давления, может возникнуть ощущение боли в ушах. Эксперименты показали, что боль возникает при уровне громкости около 130 фонов. Звук такой интенсивности вызывает не только боль, но и обратимую утрату слуха (ОУС, временное повышение слухового порога) или, если воздействие было длительным, - необратимую утрату слуха (стойкое повышение слухового порога, звуковая травма). При этом либо повреждаются сенсорные клетки, либо нарушается микроциркуляция в улитке. Звуковая травма может возникнуть и при действии звуков существенно более низкой интенсивности, если их воздействие было достаточно длительным при интенсивностях выше 90 д. Б (А). Лицам, постоянно подвергающимся действию звука высокой интенсивности, грозит опасность утраты слуха; для них существуют предохранительные приспособления (наушники или «беруши» ). Если не принимать соответствующих мер предосторожности, то в течение нескольких лет развивается тугоухость. Субъективные реакции на шум. Помимо звуковой травмы - объективно наблюдаемого повреждения внутреннего уха громким звуком - звук может вызывать также некоторые неприятные ощущения субъективного характера (могущие, однако, сопровождаться и объективными симптомами повышением артериального давления или бессонницей). Дискомфорт, вызываемый звуком, в значительной степени зависит от психологических особенностей отношения субъекта к источнику звука