Вухо людини сприймає звуки у діапазоні. Про діапазон частот, які чує людське вухо. Діагностика зниження слуху

Слух людини

Слух- Здатність біологічних організмів сприймати звуки органами слуху; спеціальна функція слухового апарату, що збуджується звуковими коливаннями навколишнього середовища, наприклад повітря або води. Одне з біологічних дистантних відчуттів, зване також акустичним сприйняттям. Забезпечується слуховою сенсорною системою.

Людський слух здатний чути звук у межах від 16 Гц до 22 кГц при передачі коливань повітрям, і до 220 кГц при передачі звуку по кістках черепа. Ці хвилі мають важливе біологічне значення, наприклад звукові хвилі в діапазоні 300-4000 Гц відповідають людському голосу. Звуки вище 20 000 Гц мають мале практичне значення, оскільки швидко гальмуються; коливання нижче 60 Гц сприймаються завдяки вібраційному почуттю. Діапазон частот, які здатна чути людина, називається слуховим чи звуковим діапазоном; Вищі частоти називаються ультразвуком, а нижчі - інфразвуком.

Здатність розрізняти звукові частоти залежить від конкретної людини: її віку, статі, спадковості, схильності до захворювань органу слуху, тренованості і втоми слуху. Деякі люди здатні сприймати звуки щодо високої частоти – до 22 кГц, а можливо, й вище.
Людина, як і більшість ссавців, органом слуху є вухо. У ряду тварин слухова перцепція здійснюється завдяки комбінації різних органів, які можуть значно відрізнятися за своєю будовою від вуха ссавців. Деякі тварини здатні сприймати акустичні коливання, які не чують людиною (ультра- або інфразвук). Кажани під час польоту використовують ультразвук для ехолокації. Собаки здатні чути ультразвук, на чому й ґрунтується робота беззвучних свистків. Існують свідчення того, що кити та слони можуть використовувати інфразвук для спілкування.
Людина може розрізняти кілька звуків одночасно завдяки тому, що у вушному равлику одночасно може бути кілька стоячих хвиль.

Механізм роботи слухової системи:

Звуковий сигнал будь-якої природи може бути описаний певним набором фізичних характеристик:
частота, інтенсивність, тривалість, тимчасова структура, спектр та ін.

Їм відповідають певні суб'єктивні відчуття, що виникають при сприйнятті звуків слуховою системою: гучність, висота, тембр, биття, консонанси-дисонанси, маскування, локалізація-стереоефект тощо.
Слухові відчуття пов'язані з фізичними характеристиками неоднозначно і нелінійно, наприклад, гучність залежить від інтенсивності звуку, його частоти, від спектру тощо. Ще в минулому столітті було встановлено закон Фехнера, який підтвердив, що цей зв'язок нелінійний: "Відчуття
пропорційні відношенню логарифмів стимулу". Наприклад, відчуття зміни гучності в першу чергу пов'язані зі зміною логарифму інтенсивності, висоти - зі зміною логарифму частоти і т.д.

Всю звукову інформацію, яку людина отримує із зовнішнього світу (вона становить приблизно 25% від загальної), вона розпізнає за допомогою слухової системи та роботи вищих відділів мозку, переводить у світ своїх відчуттів і приймає рішення, як треба на неї реагувати.
Перш ніж приступити до вивчення проблеми, як слухова система сприймає висоту тону, коротко зупинимося на механізмі роботи слухової системи.
У цьому напрямі зараз отримано багато нових та дуже цікавих результатів.
Слухова система є своєрідним приймачем інформації та складається з периферичної частини та вищих відділів слухової системи. Найбільш вивчені процеси перетворення звукових сигналів у периферичній частині слухового аналізатора.

Периферична частина

Це акустична антена, що приймає, локалізує, фокусує і посилює звуковий сигнал;
- мікрофон;
- частотний та тимчасовий аналізатор;
- аналого-цифровий перетворювач, що перетворює аналоговий сигнал на двійкові нервові імпульси - електричні розряди.

Загальний вигляд периферичної слухової системи показано першому малюнку. Зазвичай периферичну слухову систему ділять на три частини: зовнішнє, середнє та внутрішнє вухо.

Зовнішнє вухоскладається з вушної раковини та слухового каналу, що закінчується тонкою мембраною, званою барабанною перетинкою.
Зовнішні вуха та голова – це компоненти зовнішньої акустичної антени, яка з'єднує (узгоджує) барабанну перетинку із зовнішнім звуковим полем.
Основні функції зовнішніх вух - бінауральне (просторове) сприйняття, локалізація звукового джерела та посилення звукової енергії, особливо в галузі середніх та високих частот.

Слуховий канал являє собою вигнуту циліндричну трубку довжиною 22,5 мм, яка має першу резонансну частоту близько 2,6 кГц, тому в цій області частот він суттєво посилює звуковий сигнал, і саме тут знаходиться максимальна чутливість слуху.

Барабанна перетинка - тонка плівка завтовшки 74 мкм, має вигляд конуса, зверненого вістрям у бік середнього вуха.
На низьких частотах вона рухається як поршень, на вищих - на ній утворюється складна система вузлових ліній, що також має значення для посилення звуку.

Середнє вухо- заповнена повітрям порожнина, з'єднана з носоглоткою євстахієвою трубою для вирівнювання атмосферного тиску.
При зміні атмосферного тиску повітря може входити або виходити із середнього вуха, тому барабанна перетинка не реагує на повільні зміни статичного тиску – спуск-підйом тощо. У середньому вусі три маленькі слухові кісточки:
молоточок, ковадло і стремечко.
Молоточок прикріплений до барабанної перетинки одним кінцем, другим він стикається з ковадлом, яка за допомогою маленької зв'язки з'єднана зі стремінцем. Основа стремінця з'єднана з овальним вікном у внутрішнє вухо.

Середнє вуховиконує такі функції:
узгодження імпедансу повітряного середовища з рідким середовищем равлика внутрішнього вуха; захист від гучних звуків (акустичний рефлекс); посилення (важільний механізм), за рахунок якого звуковий тиск, що передається у внутрішнє вухо, посилюється майже на 38 дБ у порівнянні з тим, що потрапляє на барабанну перетинку.

Внутрішнє вухо знаходиться в лабіринті каналів у скроневій кістці, і включає орган рівноваги (вестибулярний апарат) і равлик.

Равлик(cochlea) відіграє основну роль у слуховому сприйнятті. Вона являє собою трубку змінного перерізу, згорнуту три рази подібно до хвоста змії. У розгорнутому стані вона має довжину 3,5 см. Усередині равлик має надзвичайно складну структуру. По всій довжині вона розділена двома мембранами на три порожнини: сходи напередодні, серединна порожнина та барабанні сходи.

Перетворення механічних коливань мембрани на дискретні електричні імпульси нервових волокон відбуваються у органі Корті. Коли базилярна мембрана вібрує, вії на волоскових клітинах згинаються, і це генерує електричний потенціал, що викликає потік електричних нервових імпульсів, що несуть всю необхідну інформацію про звуковий сигнал, що надійшов в мозок для подальшої переробки і реагування.

Вищі відділи слухової системи (включаючи слухові зони кори), можна розглядати як логічний процесор, який виділяє (декодує) корисні звукові сигнали на тлі шумів, групує їх за певними ознаками, порівнює з наявними в пам'яті образами, визначає їх інформаційну цінність та приймає рішення про у відповідь діях.

Ми часто оцінюємо якість звуку. При виборі мікрофона, програми для обробки звуку або формату запису звукового файлу одне з найважливіших питань – наскільки добре це звучатиме. Але існують різницю між характеристиками звуку, які можна виміряти і тими, які можна почути.

Тон, тембр, октава.

Мозок сприймає звуки певних частот. Це з особливостями механізму внутрішнього вуха . Рецептори, розташовані на основний мембрані внутрішнього вуха, перетворюють звукові коливання в електричні потенціали, що збуджують волокна слухового нерва. Волокна слухового нерва мають частотну вибірковість, обумовлену збудженням клітин кортієва органу, що у різних місцях основний мембрани: високі частоти сприймаються поблизу овального вікна, низькі – біля вершини спіралі.

З фізичною характеристикою звуку, частотою, тісно пов'язана висота тону, що відчувається нами. Частота вимірюється як кількість повних циклів синусоїдальної хвилі за секунду (герц, Гц). Це визначення частоти полягає в тому, що з синусоїдальної хвилі форма коливань хвиль точно зберігається. У реальному житті дуже небагато звуків мають таку властивість. Однак будь-який звук можна уявити набором синусоїдальних коливань. Такий набір ми зазвичай називаємо тоном. Тобто, тон – це сигнал певної висоти, що має дискретний спектр (музичні звуки, голосні звуки мови), у якому виділяється частота синусоїдальної хвилі, що має в цьому наборі максимальну амплітуду. Сигнал, що має широкий безперервний спектр, всі частотні складові якого мають однакову середню інтенсивність, називають білим шумом.

Поступове збільшення частоти звукових коливань сприймається як поступова зміна тону від найнижчого (басового) до найвищого.

Ступінь точності, з якою людина визначає висоту звуку на слух, залежить від гостроти та тренування його слуху. Вухо людини добре розрізняє два близькі за висотою тони. Наприклад, в області частот приблизно 2000 Гц людина може розрізняти два тони, які відрізняються один від одного за частотою 3-6 Гц або навіть менше.

Спектр частот музичного інструменту чи голосу містить послідовність рівномірно розташованих піків - гармонік. Вони відповідають частотам, кратним деякою базовою частотою, найінтенсивнішою зі складових звук синусоїдальних хвиль.

Особливий звук (тембр) музичного інструменту (голосу) пов'язані з відносної амплітудою різних гармонік, а висота тону, що сприймається людиною, найбільш точно передає базова частота. Тембр, будучи суб'єктивним відображенням звуку, що сприймається, не має кількісної оцінки і характеризується тільки якісно.

У «чистому» тоні є лише одна частота. Зазвичай сприймається звук складається з частоти основного тону і кількох " " домішкових " частот, званих обертонами. Обертони кратні частоті основного тону і від його амплітуді. Від розподілу інтенсивності по обертонам залежить тембр звуку. Більш складним виявляється спектр поєднання музичних звуків, званий акордом .У такому спектрі присутні кілька основних частот разом із супутніми обертонами.

Якщо частота одного звуку рівно вдвічі перевищує частоту іншого, звукова хвиля вкладається одна в іншу. Частотна відстань між такими звуками називається октавою. Діапазон частот, що сприймаються людиною, 16-20 000 Гц, охоплює приблизно десять-одинадцять октав.

Амплітуда звукових коливань та гучність.

Чутну частину діапазону звуків поділяють на низькочастотні звуки – до 500 Гц, середньочастотні – 500-10000 Гц та високочастотні – понад 10000 герц. Найбільш чутливим є вухо до порівняно вузького діапазону середньочастотних звуків від 1000 до 4000 Гц. Тобто звуки однакової сили в середньочастотному діапазоні можуть сприйматися як гучні, а в низькочастотному або високочастотному - як тихі або зовсім не чути. Така особливість сприйняття звуку пов'язані з тим, що звукова інформація, необхідна існування людини – мова чи звуки природи – передається, переважно, в среднечастотном діапазоні. Отже, гучність – це фізичний параметр, а інтенсивність слухового відчуття, суб'єктивна характеристика звуку, що з особливостями нашого сприйняття.

Слуховий аналізатор сприймає підвищення амплітуди звукової хвилі рахунок збільшення амплітуди вібрації основний мембрани внутрішнього вуха і стимуляції все більшого числа волоскових клітин із передачею електричних імпульсів із більшою частотою і з більшому числу нервових волокон.

Наше вухо може розрізняти інтенсивність звуку в діапазоні від найслабшого шепоту до найгучнішого шуму, що приблизно відповідає збільшенню амплітуди руху основної мембрани в 1 млн. разів. Однак вухо інтерпретує цю величезну різницю у амплітуді звуку приблизно як 10000-кратна зміна. Тобто, шкала інтенсивності сильно «стиснута» механізмом сприйняття звуку слухового аналізатора. Це дозволяє людині інтерпретувати відмінності інтенсивності звуку в надзвичайно широкому діапазоні.

Інтенсивність звуку вимірюється в децибелах (дБ) (1 біл дорівнює десятикратному збільшенню амплітуди). Цю систему застосовують визначення зміни гучності.

Для порівняння можна навести приблизний рівень інтенсивності різних звуків: чутний звук (поріг чутності) 0 дБ; шепіт біля вуха 25-30 дБ; мова середньої гучності 60-70 дБ; дуже гучне мовлення (крик) 90 дБ; на концертах рок та поп музики у центрі залу 105-110 дБ; поряд з авіалайнером, що злітає, 120 дБ.

Величина збільшення гучності сприйманого звуку має поріг розрізнення. Число градацій гучності, що розрізняється на середніх частотах, не перевищує 250, на низьких і високих частотах різко зменшується і в середньому становить близько 150.

Частоти
​

Частота- фізична величина, характеристика періодичного процесу, що дорівнює кількості повторень чи виникнення подій (процесів) в одиницю часу.

Як відомо, людське вухо чує частоти від 16 Гц до 20 000 кГц. Але це дуже усереднено.

Звук виникає з різних причин. Звук – це хвилеподібний тиск повітря. Якби не було повітря, ми не чули б жодного звуку. У космосі немає звуку.
Ми чуємо звук тому, що наші вуха чутливі до зміни тиску повітря - звукових хвиль. Найбільш простою звуковою хвилею є короткий звуковий сигнал - ось такий:

Звукові хвилі, проникаючи в слуховий канал, призводять до коливання барабанної перетинки. Через ланцюг кісточок середнього вуха коливальний рух перетинки передається рідині равлика. Хвилястий рух цієї рідини, своєю чергою, передається основний мембрані. Рух останньої спричиняє подразнення закінчень слухового нерва. Такий головний шлях звуку від джерела до нашої свідомості. ТИЦ
​

Коли ви плескаєте в долоні повітря між долонями виштовхується і створюється звукова хвиля. Підвищений тиск змушує молекули повітря поширюватися на всі боки зі швидкістю звуку, що дорівнює 340 м/с. Коли хвиля досягає вуха, вона змушує вібрувати барабанну перетинку, з якою сигнал передається в мозок і ви чуєте бавовну.
Бавовна - це коротке одиночне коливання, яке швидко згасає. Графік звукових коливань типової бавовни виглядає так:

Інший типовий приклад простої звукової хвилі – періодичне коливання. Наприклад, коли дзвонить дзвін, повітря трясеться від періодичних коливань стін дзвона.

То з якої частоти починає чути звичайне людське вухо? Частоту в 1 Гц воно не почує, а лише може побачити на прикладі коливальної системи. Людське вухо саме чує, починаючи з частот 16 Гц. Тобто коли коливання повітря сприймає наше вухо як звук.

Скільки звуків чує людина?

Не всі люди з нормальним слухом однаково чують. Одні здатні розрізняти близькі за висотою та гучністю звуки та вловлювати в музиці чи шумі окремі тони. Інші ж цього зробити не можуть. Для людини із тонким слухом існує більше звуків, ніж для людини із нерозвиненим слухом.

Але наскільки взагалі має відрізнятися частота двох звуків, щоб їх можна було чути як два різні тони? Чи можна, наприклад, відрізнити один від одного тону, якщо різниця в частотах дорівнює одному коливанню за секунду? Виявляється, що для деяких тонів це можливо, а для інших – ні. Так, тон із частотою 435 можна відрізнити по висоті від тонів із частотами 434 і 436. Але якщо брати вищі тони, то відмінність позначається вже за більшої різниці частот. Тона з числом коливань 1000 і 1001 вухо сприймає як однакові і вловлює різницю у звучанні лише між частотами 1000 і 1003. Для вищих тонів ця різниця у частотах ще більше. Наприклад, для частот близько 3000 вона дорівнює 9 коливань.

Так само не однакова наша здатність відрізняти звуки, близькі за гучністю. При частоті 32 можна почути лише три звуки різної гучності; при частоті 125 – вже 94 звуки різної гучності, при 1000 коливань – 374, при 8000 – знову менше і, нарешті, при частоті 16 000 ми чуємо лише 16 звуків. Усього ж звуків, різних за висотою та гучністю, наше вухо може вловити понад півмільйона! Це лише півмільйона найпростіших звуків. Додайте до цього незліченну комбінацію з двох і більше тонів - співзвуччя, і ви отримаєте враження про різноманіття того звукового світу, в якому ми живемо і в якому наше вухо так вільно орієнтується. Ось чому вухо вважається, поряд з оком, найчутливішим органом почуття.

Тому для зручності уявлення про звук ми використовуємо не звичайну шкалу з поділами в 1 кГц

А логарифмічну. З розширеним уявленням частот від 0 Гц до 1000 Гц. Спектр частот, таким чином, можна подати у вигляді ось такої діаграми від 16 до 20000 Гц.

Але не всі люди, навіть із нормальним слухом, однаково чутливі до звуків різної частоти. Так, діти зазвичай без напруги сприймають звуки із частотою до 22 тисяч. Більшість дорослих чутливість вуха до високих звуків вже знижено до 16–18 тисяч коливань на секунду. Чутливість вуха у старих обмежена звуками з частотою в 10-12 тисяч. Вони часто зовсім не чують комариного співу, стрекотіння коника, цвіркуна і навіть цвірінькання горобця. Таким чином, від ідеального звуку (рис. вище) у міру старіння людини він уже звуки чує в більш звуженому ракурсі.

Наведу приклад діапазону частот музичних інструментів

Тепер стосовно Нашої тематики. Динаміку, як коливальній системі, через ряд його особливостей, не вдається відтворити весь спектр частот з постійними лінійними характеристиками. В ідеалі це був би широкосмуговий динамік, що відтворює спектр частот від 16 Гц до 20 кГц з одним рівнем гучності. Тому в автозвуку використовують кілька типів динаміків для відтворення певних частот.

Виглядає це поки що умовно ось так (для трисмугової системи + сабвуфер).

Сабвуфер від 16 Гц до 60 Гц
Мідбас від 60 Гц до 600 Гц
Мідрендж від 600 Гц до 3000 Гц
Твітер від 3000 Гц до 20000 Гц

Звук як сигнал має нескінченну кількість коливань і може переносити таку ж нескінченну кількість інформації. Ступінь сприйняття її буде різною залежно від фізіологічної можливості вуха, у разі виключаючи психологічні чинники. Залежно від роду шуму, його частоти та тиску, людина відчуває на собі її вплив.

Порог чутливості вуха людини у децибелах

Людина приймає частоту звуку від 16 до 20000 Гц. Вушні перетинки чутливі до тиску звукових коливань, рівень яких вимірюють децибелах (дБ). Оптимальний рівень від 35 до 60 дБ, шум у 60-70 дБ покращує розумову роботу, більше 80 дБ, навпаки, послаблює увагу та погіршує процес мислення, а тривале сприйняття звуку більше 80 дБ може спровокувати втрату слуху.

Частота до 10-15 Гц - це інфразвук, що не сприймається органом слуху, що викликає резонансні коливання. Здатність керувати коливаннями, які створює звук – найпотужніша зброя масового ураження. Нечутний вухом інфразвук здатний долати великі відстані, передаючи накази, які змушують людей діяти за певним сценарієм, викликають паніку і жах, змушують забувати про все, що не має відношення до бажання сховатися, врятуватися від цього страху. А при певному співвідношенні частоти і тиску звуку такий апарат здатний не тільки придушувати волю, а й вбивати, травмуючи тканини людини.

Поріг абсолютної чутливості вуха людини у децибелах

Діапазон від 7 до 13 Гц випромінюють стихійні лиха: вулкани, землетруси, тайфуни та викликають почуття паніки та жаху. Так як людське тіло так само має частоту коливань, яка становить від 8 до 15 Гц, за допомогою такого інфразвуку нічого не варто створити резонанс і збільшити амплітуду в десятки разів, щоб довести людину до самогубства або зашкодити внутрішнім органам.

При низьких частотах і високому тиску з'являється нудота та шлунковий біль, який швидко переходить у серйозні порушення шлунково-кишкового тракту, а збільшення тиску до 150дБ призводить до фізичних ушкоджень. Резонанси внутрішніх органів на низьких частотах викликають кровотечу та спазми, при середніх частотах – нервове збудження та травмування внутрішніх органів, при високих – до 30Гц- опік тканин.

У сучасному світі активно йде розробка звукової зброї і, мабуть, не дарма німецький мікробіолог Роберт Кох передбачав те, що від шуму треба буде шукати щеплення як від чуми чи холери.

Являє собою складний спеціалізований орган, що складається з трьох відділів: зовнішнього, середнього та внутрішнього вуха.

Зовнішнє вухо є звукоуловлюючим апаратом. Звукові коливання уловлюються вушними раковинами і передаються по зовнішньому слуховому проходу до барабанної перетинки, яка відокремлює зовнішнє вухо від середнього. Уловлювання звуку і весь процес слухання двома вухами, так званий бініуральний слух, мають значення визначення напряму звуку. Звукові коливання, що йдуть збоку, сягають найближчого вуха на кілька десяткових часток секунди (0,0006 с) раніше, ніж до іншого. Цієї гранично малої різниці в часі приходу звуку до обох вух достатньо, щоб визначити його напрямок.

Середнє вухо є повітряною порожниною, яка через євстахієву трубу з'єднується з порожниною носоглотки. Коливання від барабанної перетинки через середнє вухо передають 3 слухові кісточки, з'єднані один з одним, - молоточок, ковадло і стремечко, а останнє через перетинку овального вікна передає ці коливання рідини, що знаходиться у внутрішньому вусі - перилимфе. Завдяки слуховим кісточкам амплітуда коливань зменшується, а сила їх збільшується, що дозволяє рухати стовп рідини у внутрішньому вусі. У середньому вусі є особливий механізм адаптації змін інтенсивності звуку. При сильних звуках спеціальні м'язи збільшують натяг барабанної перетинки та зменшують рухливість стремінця. Тим самим знижується амплітуда коливань, і внутрішнє вухо захищається від ушкоджень.

Внутрішнє вухо з розташованим у ньому равликом знаходиться в пірамідці скроневої кістки. Равлик у людини утворює 2,5 спіральних виток. Равликовий канал розділений двома перегородками (основною мембраною та вестибулярною мембраною) на 3 вузькі ходи: верхній (вестибулярні сходи), середній (перетинковий канал) і нижній (барабанні сходи). На вершині равлика є отвір, що з'єднує верхній і нижній канали в єдиний, що йде від овального вікна до вершини равлика і далі до круглого вікна. Порожнина заповнена рідиною - перилимфой, а порожнину середнього перетинчастого каналу заповнена рідиною іншого складу - ендолімфою. У середньому каналі розташований звукосприймаючий апарат – кортієвий орган, в якому знаходяться рецептори звукових коливань – волоскові клітини.

Механізм сприйняття звуку. Фізіологічний механізм сприйняття звуку заснований на двох процесах, що відбуваються в равлику: 1) поділ звуків різної частоти за місцем їх найбільшого впливу на основну мембрану равлика та 2) перетворення рецепторними клітинами механічних коливань на нервове збудження. Звукові коливання, що надходять у внутрішнє вухо через овальне вікно, передаються перилимфе, а коливання цієї рідини призводять до усунення основної мембрани. Від висоти звуку залежить висота стовпа рідини, що коливається і, відповідно, місце найбільшого зміщення основної мембрани. Таким чином, при різних за висотою звуках збуджуються різні волоскові клітини та різні нервові волокна. Збільшення сили звуку призводить до збільшення числа збуджених волоскових клітин та нервових волокон, що дозволяє розрізняти інтенсивність звукових коливань.
Перетворення коливань на процес збудження здійснюється спеціальними рецепторами - волосковими клітинами. Волоски цих клітин занурені в покривну мембрану. Механічні коливання при дії звуку призводять до зміщення покривної мембрани щодо рецепторних клітин та згинання волосків. У рецепторних клітинах механічне усунення волосків викликає процес збуджень.

Провідність звуку. Розрізняють повітряну та кісткову провідність. У звичайних умовах у людини переважає повітряна провідність: звукові хвилі вловлюються зовнішнім вухом, і повітряні коливання передаються через зовнішній слуховий прохід у середнє та внутрішнє вухо. У разі кісткової провідності звукові коливання передаються через кістки черепа безпосередньо равлику. Цей механізм передачі звукових коливань має значення при занурення людини під воду.
Людина зазвичай сприймає звуки із частотою від 15 до 20 000 Гц (в діапазоні 10-11 октав). У дітей верхня межа досягає 22 000 Гц, з віком вона знижується. Найбільш висока чутливість виявлено в області частот від 1000 до 3000 Гц. Ця область відповідає частотам людської мови і музики, що найчастіше зустрічаються.