О слухе

Добро пожаловать в царство чувств

Люди устроены настолько сложно, что наша психоэмоциональная сфера таит немало секретов. В этой статье немецкого аудиолога Ули Вогдта речь пойдет об одной из наиболее интересных областей психофизиологии — психоакустике.

Психоакустика пытается изолировано рассмотреть, оценить и измерить восприятие человеком различных звуковых ситуаций, а также воздействие звуковых раздражителей на психику.

Для начала необходимо развести (как и в психологии) такие понятия, как «восприятие» и «ощущение». «Ощущение» — это прямая реакция на раздражитель посредством рецепторов. Полученная информация обрабатывается нашим мозгом, оценивается, интерпретируется, воспринимается. (рисунок 1).

Рисунок 1: Этапы переработки звукового сигнала в ощущения очень сложны.

Наши классические пять чувств — слух, зрение, осязание, обоняние и вкус — основываются на той информации, которая поступает из окружающей среды и обрабатывается в центральной нервной системе. Все эти чувства формируют весь наш опыт. Несмотря на то, что чувства нельзя рассматривать по отдельности, психоакустика всё же пытается описать опыт человека, который формируется исключительно из акустической среды.

Участники тестирования описывали своё восприятие определённых акустических сигналов в изолированных психоакустических тестах. Исходя из этого выдающиеся учёные ввели и дали определение психоакустическим величинам, которые должны установить математическую связь между физическими показателями и их восприятием. Таким образом, полученные величины восприятия звука, такие как громкость, тональность, интенсивность и резкость, являются уже устоявшимися признаками, которые используются при описании акустического восприятия. Сюда также стоит отнести чёткость, субъективную долготу сигнала и пауз, силу колебаний, мелодичность.

Также были разработаны измерительные приборы, которые вместо или наряду с физическими представлениями физико-­акустических величин могут также масштабировать значение психоакустических величин. Наряду со стандартными методами психоакустики при определённых условиях можно получить новые сведения, например, о том, как человек воспринимает определённые шумы. Так, можно, опираясь на уже существующие опыты в области психоакустики, доказать, что уже существующие методы измерения уровня звука и вычисления среднего значения LAeg не описывают в полном объёме восприятие человеком звуковой ситуации.

Эти научные выводы играют всё большую роль при использовании средств защиты органов слуха как в области строительной физики, так и в области аудиологии. То, как влияют звуки на человеческий слух, учитывается и при продаже «шумной» продукции: будь то автомобиль, пылесос или кухонные приборы. Инженеров и разработчиков такого рода продукции всё больше интересует, какой звук издаёт устройство. Качественный звук и подходящее звуковое оформление (звуковой дизайн) — это важные аргументы, которые увеличивают продажи, при этом уровень громкости звука играет второстепенную роль. И всё же, каким образом сенсорные впечатления преобразуются в несчётное количество картинок, хранящихся в «голове», в опыт и знания о жизни, трудно сказать и, конечно, невозможно вывести какой-то алгоритм. Но можно быть уверенными в том, что благодаря искусственному интеллекту удастся получить новые сведения в области нормирования звукового восприятия. (рисунок 2).

Рисунок 2: Сравнение пространственного соотношения величин слухового и зрительного центров отражает частотный диапазон от полученного возбуждения. Обратите внимание на достаточно большой размер ассоциативного поля и области зрительных воспоминаний

Человек как измерительный инструмент

Отобранные участники эксперимента, на удивление, оказались хорошими «измерительными инструментами» для верификации звуковых данных. Была взята группа людей с нормальным слухом, и из полученных психоакустических измерений выведен общий показатель восприятия звука человеком. Такой способ может показаться убедительным, но, на мой взгляд, это не так. В зависимости от акустических данных (будь то музыка, шум, плач своего или чужого ребёнка) индивидуальные показатели восприятия каждого конкретного человека могут сильно отличаться друг от друга. Результаты измерений, собранные таким образом, всегда вызывают вопросы. Они могли бы подойти для небольшой группы испытуемых в определённое время и при определённых обстоятельствах, но эти результаты нельзя считать универсальными. Оснований для этого множество: физиологические, психологические, культурные или социологические причины, которые могут возникнуть постепенно по одной или все сразу. Для испытуемых первостепенное значение будет иметь собственное, сиюминутное восприятие, а не его усреднённое значение. Совокупность субъективных ощущений испытуемых вместе с восприятием сенсорного стимула даёт возможность интерпретировать акустический сигнал. В зависимости от представлений сигнал может трактоваться по-разному.

Звуковые предпочтения не являются фиксированными величинами. Они могут меняться, например, в зависимости от изменения отношения к сигналу. К примеру, мотоциклист в молодости радуется «рёву» своей машины. Но, уже будучи молодым отцом, он будет злиться, если этот звук разбудит его ребёнка. Стандартизированные психоакустические измерения, которые используются также в технических измерительных приборах, всегда базируются на усреднённых показателях восприятия определённых групп испытуемых. Возникают резонные вопросы: сколько человек участвовало в исследовании, какие возрастные группы должны принимать участие в исследовании, и какие акустические условия необходимо создать для того, чтобы увидеть наиболее объективную картину?

И всё же для начала нужно разобраться с анатомическим строением и рассмотреть, как функционирует слуховая сенсорная система (слуховой анализатор). Здоровое ухо — это отличный микрофон, который улавливает малейшие звуковые колебания, оказывающиеся в зоне слышимости человека (особенно в лингвистической области). Долгое время даже самые качественные микрофоны не обладали таким же частотным диапазоном и таким же диапазоном интенсивности. Ухо принимает звуковые сигналы, поступающие из окружающей среды, фильтрует их и усиливает, для того чтобы эти сигналы мозгом были преобразованы в электрические импульсы, расшифрованы и в зависимости от индивидуальных воспоминаний и знаний человека проанализированы и обработаны.

Человеческий слух

Анатомически ухо человека разделено на три части: внешнее ухо, среднее ухо и внутреннее ухо. К слуху относятся также слуховые проходы, нервные проводники (нейроны), слуховые ядра в слуховой коре головного мозга (часть коры больших полушарий, в которой обрабатывается только что услышанная информация из нервных импульсов, и это трактуется человеком как слуховое восприятие).

Внешнее ухо состоит из ушной раковины и внешнего слухового прохода. Также к внешнему уху, возможно, стоит отнести голову и даже торс человека, потому что поступающий звук уже на этом этапе (не только в ушной раковине) проходит спектральную фильтрацию, и от этого зависит траектория звука и его направление. Таким образом, нам удаётся понять, откуда исходит звук (спереди или сзади, слева или справа, сверху или снизу). Форма ушной раковины позволяет улавливать и концентрировать звуковые волны. Кроме того, такая форма позволяет выделить наиболее высокие частоты — около 3 КГц. Частоты большинства звуков речи лежат в этом интервале. В наружном слуховом проходе длиной 25 мм и диаметром примерно от 6 мм до 8 мм, открытым с одной стороны, происходит первое резонансное усиление, которое повышает резонанс в этой области на несколько децибел.

Среднее ухо находится в заполненной воздухом и покрытой слизистой оболочкой барабанной полости (тимпанальной), размером с горошину. От внешнего слухового прохода его отделяет только тонкая барабанная перепонка (0,1 мм). В среднем ухе находятся маленькие слуховые косточки (молоточек, наковальня, стремя) с их мышцами (мышца, натягивающая барабанную перепонку (tensor tympani), мышца стремени (stapedius)). Слуховые косточки соединены соответствующими суставами.

Работа среднего уха феноменальна: тонкая барабанная перепонка площадью 60 мм2 способна переносить бессчётное количество амплитуд колебаний. В диапазоне звукового порога, при уровне акустического давления около 0 Дб, амплитуда колебаний барабанной перепонки находится в пределах диаметра атома водорода (т. е. около 1 ангстрома) — это соответствует десятимиллионной части миллиметра (сведения получены путём проведения интерферометрии лазером Доплера). Давайте попробуем мысленно увеличить среднее ухо до размеров футбольного поля (68 м х 105 м) = 7140 м2, для того чтобы хотя бы примерно себе представить числовые соотношения. Линейный коэффициент увеличения был бы в этом случае около 10 908,7. Соответственно, толщина этой огромной ткани была бы 1,0908 мм, амплитуда колебания в диапазоне звукового порога только 0,00109087мм — в это сложно поверить! Увидеть колебания барабанной перепонки и движение слуховых косточек можно только в случае воздействия слишком высокого, искусственно созданного звукового удара или при проведении пневматической отоскопии.

Стремечко своим основанием закреплено в овальном окне, на входе во внутренне ухо. Поскольку слизистые оболочки поглощают кислород, барабанная полость должна вентилироваться через евстахиеву трубу. При простудных заболеваниях, сопровождающихся закупоркой евстахиевой трубы, в среднем ухе возникает возрастающее, вызывающее порой болезненные ощущения давление, таким образом, барабанная перепонка находится в напряжении, это ограничивает колебательные способности и ухудшает восприятие звуковых сигналов.

Если бы не было среднего уха, мы бы вряд ли могли слышать, поскольку звук, распространяемый в воздухе, при попадании на овальное окно слуховой улитки и вместе с этим на звуконепроницаемую лимфатическую жидкость почти полностью отражался бы. Задача среднего уха заключается в согласовании сопротивления проводимости звука в воздухе (оно достаточно мало 400 Ns/m3) с очень высоким сопротивлением проводимости звука в слуховой улитке, заполненной жидкостью (примерно 1,5 х 106 Ns/m3, улитка, внутреннее ухо). В связи с этим давление звукового удара на овальное окно становится во много раз выше давления, оказываемого на барабанную перепонку. Согласование импедансов в ухе зависит от соотношения площадей поверхности барабанной перепонки (60 мм2) и овального окна (3,2 мм2). Часто исследователи также ссылаются на механическое преимущество рычажной конструкции с постоянной 1,3 внутри конструкции в виде цепочки подвижно сочленённых косточек (поскольку молоточек длиннее наковальни). Но не учитывается тот факт, что рукоятка молоточка тесно срастается с барабанной перепонкой, и таким образом появляются другие соотношения длин. Это работает, прежде всего, на фоне того, что барабанная перепонка в зависимости от частоты звукового сигнала демонстрирует разный характер колебаний, который к тому же способствует смещению уровней колебаний и осей колебаний цепочки слуховых косточек.

Если не учитывать рычажный принцип действия, окажется, что при соотношении площадей барабанной перепонки и овального окна произойдёт повышение давления с постоянной 18,7 (обратно пропорциональная связь (давление/площадь) p1/p2= A1/A2). Это приводит к усилению звукового удара на V=20 lg(18,75)=25,4 Дб (рисунок 3).

Рисунок 3: Графическое изображение того, как функционирует базилярная мембрана во время слухового процесса.

При рычажном принципе действия от 1,3 до 1 общее повышение давления составило бы 24,375, а усиление 27,7 Дб. Последнее вряд ли возможно.

Функции мышц среднего уха заключаются в следующем: они поддерживают нормальный тонус барабанной перепонки и цепи слуховых косточек, защищают внутреннее ухо от чрезмерных звуковых раздражений (высоких или очень низких частот). Согласно исследованиям Бекеши и Гельмгольца, при очень высоком уровне звукового давления цепочка слуховых косточек всё же смещается так, что напрягающая барабанную перепонку мышца не сможет защитить слух.

Во внутреннем ухе находится вестибулярный аппарат (система из трех полукружных каналов, 3D), слуховая улитка (Cochlea), которая оснащена каналом костного лабиринта длиной примерно 3,5 см и которая огибает свою горизонтальную ось в 2,5 раза. Этот канал по всей своей длине делится на три кольцевых канала: по центру находится улитковый проток (Ductus cochlearis), заполненный эндолимфой, над ним размещается лестница преддверия (вестибулярная лестница) (Scala vestibuli) и под ним — барабанная лестница (Scala tympani). Верхний и нижний каналы заполнены перелимфой. Эти два канала связаны друг с другом на вершине улитки (Helcotrema). Когда колеблющееся стремечко нажимает на перепонку овального окна, по лимфе начинают двигаться гидравлические ударные волны и заставляют колебаться прилегающие стенки, эти колебания передаются в очень чувствительный (рецепторный отдел) слухового анализатора — кортиев орган.

Кортиев орган расположен на базилярной пластинке, которая отделяет преддверие от барабанной лестницы. Ширина базилярной мембраны в начале улитки составляет 0,6 мм, в конце 0,2 мм. На таком сверхузком участке расположено 25 000 чувствительных волосковых клеток, называемых также внутренними волосковыми клетками.

Волосковые клетки представляют собой механические рецепторы. Силы давления, напряжения вызывают раздражение этих волосковых клеток. Волосковые клетки — это мельчайшие чувствительные пучки волосков, состоящие из неподвижных волосков (стереоцилии) и формирующие верхушечный контакт (tip link). Преобразование механического раздражения в биоэлектрический сигнал возникает у основания волосков (стереоцилии). Переменное давление в лимфе, которое вызвано звуковым воздействием, способствует смещению базилярной пластины, которое вызывает тангенциальное отклонение пучков волосковых клеток. Верхушечные контакты (tip links) растягиваются и в то же время открывают маленькие катионные каналы — таким образом происходит обмен электрических потенциалов.

Четыре ряда волосковых клеток состоят из внутренних волосковых клеток, а также трех параллельных рядов внешних волосковых клеток. Внутренние волосковые клетки проводят звуковую информацию через слуховой нерв в восходящую ветвь слуховой системы. Она восприимчива к уровню громкости звука от 60 Дб. Внешние волосковые клетки частично связаны с покровной мембраной. Они механически усиливают колебательное движение кортиева органа, и вместе с тем являются входным стимулом для внутренних волосковых клеток (кохлеарный усилитель) при уровне громкости звука меньше 60 Дб. В процессе волосковые клетки периодически сжимаются в частотном ритме, что изменяет дистанцию между базилярной пластиной и покровной мембраной. Это приводит к взаимному перекрёстному движению мембран и деформации пучков волосковых клеток. Эти волосковые клетки проводят тысячи нервных волокон с информацией о частоте, интенсивности и звуковой окраске в область мозга, отвечающую за восприятие.

Если функция внешних волосковых клеток нарушена, наблюдается потеря слуха, вызванная шумом (проблемы во внутреннем ухе). Людям с такими нарушениями сложно разобрать тихую речь. При этом им некомфортно, если в помещении слишком громко. Это связано с тем, что звук выше 60 Дб ими воспринимается нормально.

Эти микроскопические пучки волосковых клеток состоят не из обычных волос, как можно предположить, опираясь на их название. Они скорее имеют желеобразную консистенцию, и за счёт этого очень чувствительны к механическому воздействию. От слишком сильного звукового давления реснички могут скомкиваться, надламываться или ломаться. В результате это может привести к закрытию катионного канала, и в таком случае усилительный механизм перестаёт работать. Также при слишком высоких звуковых перегрузках клетки полностью разрушаются и физиологически исчезают.

Из всего описанного следует, что человеческие уши создавались, чтобы чутко прислушиваться к звукам, а ни в коем случае не для передачи слишком громких звуков.

А сейчас в качестве отступления один интересный рассказ из области актуальных исследований слуха.

Акустическое восприятие создаёт картинки

Наши чувства являются трансляторами нашего внутреннего состояния, показывают то, как мы воспринимаем окружающую действительность. Как уже отмечалось, чувства не существуют изолировано друг от друга. Наши представления о мире вокруг нас формируют, прежде всего, зрение, слух и тактильные ощущения. Доминирующим чувством человека, без сомнения, является зрение. Окружающий нас мир мы воспринимаем в первую очередь зрительно. Мы можем много раз присматриваться к предметам и явлениям, для того чтобы их исследовать и постигать. Зрение — это ворота в окружающий мир.

Ухо находит и анализирует. Услышать что-то и понять, по большому счёту, можно только один раз. Акустические сигналы поступают в ухо также без определённого указания на звуковое явление. Ухо принимает акустические сигналы вне зависимости от того, интересуют они нас или нет (а иногда нам и вовсе что-то не хотелось бы слышать). Слух — это ворота в область человеческих желаний. Мы же, когда описываем чувственные впечатления, пользуемся чаще визуальными признаками. Свои ощущения мы почти всегда визуализируем и представляем их с помощью цвета, в виде графиков и диаграмм, картинок или понятий из начертательной геометрии. Люди думают и мечтают картинками. Таким образом, всё, что мы слышим, мы переводим в образы.

Услышанное может быть представлено в виде звуковых волн, спектрального анализа, уровней тона, звуковых кривых, масштабирования. Звуковые впечатления часто заимствуются из оптических ощущений. Все люди соотносят услышанное с определёнными геометрическими формами. Слова, которые произносятся на высоких частотах, люди часто соотносят с пиками или углами. Круглые и гладкие формы ассоциируют с низкочастотными звуками.

Что же происходит, когда человек не может видеть, если, к примеру, он слеп? В актуальном исследовании учёных в области «Биологической психологии и нейропсихологии» Гамбургского университета под руководством профессора доктора Бриджит Рёдер описана зависимость восприятия звуков и ассоциируемых форм и остроты зрения в детском возрасте. Результаты этого исследования были представлены учёными в научном журнале «Psychological Science» (Sourav et al. 2019). Исследование было проведено в группе слепых детей до 12 лет (в этом возрасте дети наиболее восприимчивы к обучению). Учёные попытались выяснить, какие геометрические формы в этом случае будут соотноситься с услышанными звуками. Благодаря этому исследованию удалось выяснить, что после того, как зрение у этих детей было восстановлено (после оперативного вмешательства), систематических ассоциаций между геометрическими формами и услышанными звуками у этой группы испытуемых не было, в отличие от людей из контрольной группы (с нормальным зрением).

«Исследование имеет важное значение для понимания того, как взаимодействуют различные чувства между собой, и показывает, как сильно опыт, приобретённый человеком в раннем детском возрасте, оказывает влияние на умственное развитие в дальнейшем», — считает доктор Гамбургского университета и первый автор исследования Судда Сурав. Таким образом, возникает вопрос, как результаты, полученные изолированно (в процессе научных изысканий), применить в повседневной жизни.

Кроме того, существуют психоакустические приборы обработки звуковых сигналов, и вызывает огромный интерес то, как в условиях звукоизоляции на восприятие влияет наличие и акустических и визуальных раздражителей разной модальности одновременно.

Ули Вогдт

Материал взят из журнала Hörakustik, № 11 2019 г.

Оставить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Нажимая кнопку «Отправить», я даю свое согласие на обработку моих персональных данных, в соответствии с Федеральным законом от 27.07.2006 года № 152-Ф3 "О персональных данных"