ВРЕМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЛУХОВОГО ВОСПРИЯТИЯ.

По данным теории Флетчера и Гельмгольца слух не реагирует на фазу колебаний синусоидальной зву­ковой волны, регистрируя только ее амплитуду и часто­ту.

Согласно теории Г.Гельмгольца, основным органом слуха является улитка, функционирующая как набор резонаторов, с помощью которых сложные звуки могут быть разложены на парциальные тоны. Отдельные волокна основной мембраны являются как бы струнами, настроенными на различные тоны в пределах от нижней до верхней границы слуха. Гельмгольц сравнил их со струнами музыкального инструмента – арфы. Более короткие волокна, лежащие у основания улитки, должны воспринимать высокие ноты; более длинные волокна, находящиеся у вершины ее, – низкие. Поскольку волокна мембраны легко отделяются друг от друга в поперечном направлении, они легко могут колебаться изолированно. Число этих волокон колеблется в пределах 13-24 тысяч; число слуховых нервных окончаний составляет примерно 23 500. Это хорошо согласуется с нашей слуховой способностью различения, позволяющей нам воспринимать тысячи ступеней тонов (примерно 11 октав).

Свою резонансную теорию слуха Гельмгольц обосновывал прежде всего анатомическими данными. Анатомическое строение преддверия таково, что маловероятной является возможность передачи колебаний перелимфы не только в улитку, но и на полукружные каналы, поскольку преддверие более или менее полно разделено перегородкой. К тому же оба конца каждого полукружного канала открываются в преддверии очень близко друг от друга; поэтому колебания перепонки овального окна вряд ли могут вовлекать в колебание перелимфу каналов. Таким образом, основным органом слуха приходится признать улитку.

Кроме анатомических данных резонансная теория подтверждается также наблюдениями клиники. Явления, называемые пропуском тонов и островами тонов, заключаются в том, что в первом случае выпадают ощущения большей или меньшей области тонов как если бы были разрушены отдельные резонаторы, или же из области тонов остаются только небольшие "островки", т.е. способность слышать звуки только определенной высоты; заболевание верхушки улитки влечет за собой глухоту к басу, т.е. нечувствительность к низким тонам, как если бы большинство резонаторов было уничтожено. Эксперименты по методу условных рефлексов с животными, улитка которых разрушалась в определенной области, также подтвердили, что "изолированное повреждение кортиева органа, в зависимости от места этого повреждения, вызывает выпадение слуха на отдельные тоны".

Исследования поврежденных улиток подтверждают, что потеря слуха на определенные тоны всегда связана с дегенерацией нервных волокон в соответствующей области основной мембраны. Удалось даже точно локализовать отдельные тоны. Например, тон 3192 Гц локализован примерно на расстоянии 10-15 мм, тон 2048 Гц – на расстоянии 18,5-2,5 мм.

В пользу теории Гельмгольца говорит и эффект Увера-Брея, или эффект улитки, а также то обстоятельство, что повреждение, перерождение или отсутствие органа Корти при сохранении других основных элементов улитки вызывает ослабление или отсутствие эффекта Увера-Брея. Изменение величины порога электрического эффекта улитки в различных ее точках подтвердило намеченную Гельмгольцем картину распределения восприятия тонов вдоль основной мембраны (низкие тоны локализуются у вершины улитки, высокие – у основания, близ круглого окна, средние – в области среднего завитка улитки) и т.д.

Таким образом, в пользу теории Гельмгольца свидетельствуют многочисленные и веские данные. Но все же с самого начала она вызывала и серьезные возражения. Непонятно, во-первых, почему ничтожная по размерам перепонка отвечает на тон определенной высоты изолированными колебаниями одной единственной струны или узкой полосы этих струн, тем более что эти струны соединены в общую перепонку. Однако главную трудность для теории Гельмгольца составляет объяснение не каких-либо частных вопросов, а восприятия всей совокупности звуков, особенно различия в большом диапазоне силы звука. Диапазон изменения громкости, в котором наблюдается несколько сот градаций, весьма трудно объяснить с точки зрения резонансной теории. В самом деле, каждое нервное волокно может давать ощущение только одной неизменной силы. Если раздражение меньше порога чувствительности, то нерв не реагирует вовсе. Если оно превышает порог, то сила нервного процесса оказывается постоянной. Число волокон, затрагиваемых действием одного тона, исчисляется максимум 1-2 десятками. И непонятно, каким образом это небольшое число волокон дает столь большое число градаций.

Непонятным оказывается также бинауральный эффект. Оценка разницы времени прихода одинаковых фаз волны к обоим ушам может происходить, очевидно, лишь в мозговых центрах, а значит, периодический характер звукового процесса должен как-то отображаться в нервных процессах коры. Между тем теория Гельмгольца, будучи теорией "периферического анализатора", относит оценку звука исключительно к возбуждению нервов в данной области улитки.

Затруднения, объяснить которые теория Гельмгольца пока не в состоянии, вызывают к жизни все новые и новые теории слуха. Одной из таких теорий является теория Г.Флетчера. Согласно этой теории, на звуковые волны отвечают не отдельные струны основной перепонки, а пере- и эндолимфа улитки. Пластинка стремечка передает звуковые колебания жидкости улитки к основной перепонке, причем максимум амплитуды этих колебаний при более высоких тонах лежит ближе к основанию улитки, при более низких – ближе к ее вершине. Оканчивающиеся на основной перепонке нервные волокна резонируют лишь на частоты выше 60-80 Гц; волокон, воспринимающих более низкие частоты, на основной мембране нет. Тем не менее в сознании формируется ощущение высоты вплоть до 20 Гц. Оно возникает как комбинационный тон высоких гармоний. Таким образом, с точки зрения гипотезы Флетчера, восприятие высоты низких тонов объясняется ощущением всего комплекса гармонических обертонов, а не только восприятием частоты основного тона, как это обычно принималось до сих пор. А так как состав обертонов в значительной степени зависит от силы звуков, то становится понятной тесная связь между тремя субъективными качествами звука – его высотой, громкостью и тембром. Все эти элементы, каждый в отдельности, зависят и от частоты, и от силы, и от состава обертонов звука.

Согласно гипотезе Флетчера, резонансные свойства присущи механической системе улитки в целом, а не только волокнам основной мембраны. Под действием определенного тона колеблются не только резонирующие на данную частоту волокна, но вся мембрана и та или иная масса жидкости улитки. Высокие тоны приводят в движение лишь небольшую массу жидкости вблизи основания улитки, низкие – замыкаются ближе к геликотреме. Флетчер преодолевает также основное затруднение резонансной теории, связанное с объяснением большого диапазона громкости. Он считает, что громкость определяется суммарным числом нервных импульсов, приходящих к мозгу от всех возбужденных нервных волокон основной мембраны.

Теория Флетчера в общем не отрицает существа теории Гельмгольца и может быть отнесена к теориям "периферического анализатора".

Другую группу теорий составляют теории "центрального анализатора", или так называемые телефонные теории. Согласно этим теориям, звуковые колебания превращаются улиткой в синхронные волны в нерве и передаются к мозгу, где и происходит их анализ и восприятие высоты тона. К этой группе теорий принадлежит теория И.Эвальда, согласно которой при действии звука в улитке образуются стоячие волны с длиной, определяемой частотой звука. Высота тона определяется восприятием формы узора стоячих волн. Ощущению определенного тона соответствует возбуждение одной части нервных волокон; ощущению другого тона – возбуждение другой части. Анализ звуков происходит не в улитке, но в центрах головного мозга. Эвальду удалось построить модель основной мембраны, размером приблизительно соответствующей реальной. При возбуждении ее звуком в колебательное движение приходит вся перепонка; возникает "звуковая картина" в виде стоячих волн с длиной тем меньшей, чем выше звук.

В случае сложных колебаний, состоящих из не­скольких частотных составляющих, слух непосредствен­но не реагирует на фазовые сдвиги между ними, вос­принимая только амплитуды и частоты колебаний каж­дой из составляющих, если они не попадают в одну и ту же критическую полоску слуха. Это объясняется тем, что каждая из частотных составляющих звука воспринимается своим участком основной мембраны, а для восприятия фазы колебаний у нее нет аппарата. Сдвиг по фазе может быть замечен, когда он превра­щается в запаздывание во времени. Малые фазовые сдвиги в ряде случаев могут обнаруживаться слухом из-за его нелинейности.

Как всякая механическая и электрическая система, слуховой аппарат инерционен: при исчезновении звука слуховое ощущение исчезает не сразу, а постепенно уменьшаясь до нуля. Время, в течение которого ощу­щение по уровню громкости уменьшается на 8—10 фон, называется постоянной времени слуха. Эта постоянная зависит от ряда обстоятельств, а также от параметров воспринимаемого звука. В среднем она равна 150—200 мс. Экспериментально установлено, что если к слу­шателю приходят два коротких звуковых импульса, одинаковые по составу и уровню, но один из них запаз­дывает, то они будут восприняты слитно, когда запаз­дывание не превышает 50 мс .Правда, при запаздывании более 30 мс будет прослушиваться некоторое качественное изменение звучания.

Эта слитность звучания полу­чается из-за того, что ощущение от первого импульса за 50 мс пос­ле его окончания уменьшается примерно на 3 дБ, даже если бы он прекратился мгновенно. На самом деле это уменьшение по­лучается еще меньшим, и имен­но поэтому такие звуки воспри­нимаются слитно. При больших интервалах запаздывания ощу­щение от первого импульса уже становится малым и не маски­рует второй, поэтому оба импуль­са воспринимаются раздельно. Это явление называют эхом. Ес­ли встать перед стеной на рас­стоянии более 9м похлопать в ладоши, то услышим эхо в пов­торении хлопков, так как раз­ность хода прямого и отраженного звуков будет более 18 м. При меньшем расстоянии этого не наблюдается, так как расстояние, равное 17 м, соответствует запаз­дыванию в 50 мс.

Если уровень запаздывающего звука намного мень­ше уровня первого, то он не будет принят раздельно даже при запаздывании больше 50 мс, так как оста­точное ощущение от первого звука может маскировать запаздывающий звук. На рис. 2.9 приведена зависи­мость между временем запаздывания и необходимой разностью уровней для слитного восприятия обоих звуков (кривая /). На кривой 2 дана разность уров­ней, при которой эхо мешает восприятию первого звука.

К одной из временных характеристик слуха отно­сится явление послемаскировки: слабые звуки, идущие сразу после громких, оказываются полностью или частично замаскированными из-за последействия преды­дущего звука.

.

Следует еще упомянуть об интегрирующей способ­ности слуха при восприятии короткого импульса. В пределах 50 мс интегрируется интенсивность импульса, из-за этого более длительный импульс (в пределах до 50 мс), но с меньшей амплитудой воспринимается так же громко, как и короткий импульс с большей ампли­тудой, если произведение интенсивности импульсов на их длительность будет одинаковым.

К временным характеристикам слуха относится и время установления тональности звука, точнее, его вы­соты. По данным необходимо два-три периода ко­лебаний, чтобы слух мог определить высоту звука, т. е. приближенно частоту колебаний. На низких частотах это время составляет около 30 м/с, на высоких — не­сколько меньше.

Поскольку слуховое ощущение исчезает не сразу, то при сравнении двух тонов, следующих сразу один за другим и имеющих небольшую разницу по частоте, прослушиваются биения этих тонов, что помогает об­наруживать очень малые разности частот и медленные изменения частоты в небольших пределах.

НЕЛИНЕЙНЫЕ СВОЙСТВА СЛУХА.

Экспериментально установлено, что при воздействии звука с одной частотной составляю­щей (чистый тон) и уровнем интенсивности 100 дБ че­ловек слышит вторую гармонику с уровнем интенсив­ности 88 дБ, третью — с уровнем 74 дБ и т. д. Нали­чие этих гармоник в слуховом ощущении легко просле­дить с помощью «ищущего» тона: к уху дополнитель­но подводится другой тон — «ищущий», частота кото­рого плавно изменяется в диапазоне частоты исследуе­мого тона и выше. На каждой кратной ему частоте про­слушиваются биения, как будто в подводимом звуке были эти составляющие. Эти гармонические состав­ляющие называются субъективными. Именно поэтому наблюдается маскировка звука на частотах, кратных частоте маскирующего тона (см. рис. 2.7а).

При воздействии на слух двух чистых тонов с ча­стотами, не попадающими в одну и ту же критическую полоску слуха, человек часто слышит тон разностной частоты с достаточно высоким уровнем громкости и тон суммарной частоты и других комбинационных частот с меньшими уровнями.

Эксперименты показали, что если уровень каждого из чистых тонов составляет 60 дБ, то уровень громкости разностного тона не превышает 40 фон. При уровнях интенсивности составляющих, равных 80 дБ, уровень громкости разностного тона до­стигает 80 фон.

При воздействии на слух сложных звуков, имею­щих составляющие с кратными частотами, получается

ощущение такого же звука по частотному составу толь­ко с несколько измененным соотношением амплитуд составляющих, так как комбинационные частоты сов­падают по частоте с исходными частотами звука.

При воздействии сложного звука, состоящего из тонов с некратными частотами, получается ощущение сильных искажений: прослушивается много разност­ных и других комбинационных тонов.

Интересно отметить, что при срезании частотного диапазона ниже 1000 Гц при высокой громкости пере­дачи человек все же слышит низкие частоты вследст­вие нелинейности слуха. Поэтому при плохой передаче низких частот слушатели стремятся прослушивать пе­редачи на высоких уровнях громкости, так как при этом создается впечатление более громкого звучания низких частот.

И хотя при этом искажается звучание на высоких частотах, это не очень заметно при переда­че современной поп-музыки. Причины нелинейности слуха можно, по-видимому, объяснить нелинейностью характеристик среднего уха и, что более существенно, вихревыми явлениями в улитке.

Из-за нелинейности слуха в некоторых случаях об­наруживается сдвиг фаз. Если сдвиги фаз между со­ставляющими таковы, что амплитуды гармоник ариф­метически складываются и создают пикообразную фор­му кривой звуковой волны (рис.2.10, кривая 1), то из-за нелинейности слуха появятся более значитель­ные амплитуды субъективных гармоник, нежели при сдвигах фаз тех же составляющих, дающих, например, прямоугольную форму волны. По­этому будет обнаруживаться разница в их звучании.

БИНАУРАЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ.

Бинауральным эффектом называют эффект двуухового слушания. По аналогии со зрительным ощущением для двух глаз его называют стереоакустическим эффек­том. Бинауральный эффект заключается в том, что вследствие двуухового слушания человек может опре­делить направление прихода звуковых волн с большой точностью; человек «ощущает» поперечные размеры источника звука, а также глубину его, т. е. создается акустическая перспектива.

Слуховая локализация источника звука зависит от расстояния между ушами. В обычных условиях чело­век определяет направление прихода звуковых волн в горизонтальной плоскости с точностью 3—4°. Если к ушам приставить раструбы с большим расстоянием между их отверстиями, то точность определения на­правления прихода звуковых волн может быть значи­тельно повышена (такими звукоулавливателями поль­зовались до войны при определении местонахождения самолета). Это расстояние влияет как на разность Бре­мени прихода звуковых волн к ушам, так и на соотно­шение между амплитудами этих волн около ушных ра­ковин.

Как указывалось, человек одним ухом слитно вос­принимает два звука, если их время прихода отличает­ся меньше чем на 50 мс. Но если звук поступает в од­но ухо со сдвигом во времени по отношению к друго­му уху, то слух воспринимает эти звуки раздельно, так как электрические импульсы, возбуждаемые звуковы­ми колебаниями, поступают в слуховой центр по неза­висимым путям. Именно поэтому суммарная громкость таких звуков сильно зависит от сдвига по времени. Этим объясняется бинауральный эффект на низких ча­стотах. На высоких частотах он объясняется разностью уровней звуков, поступающих в каждое из ушей, вслед­ствие того, что размеры головы на этих частотах ста­новятся соизмеримыми с размерами длин звуковых волн.

Если человек слушает одну и ту же передачу от двух источников звука, которые находятся на разных расстояниях от слушателя, то при равных уровнях громкости на месте ближайшего источника ощущается кажущийся (виртуальный) источник звука. Можно создать ощущение раздельного звучания обоих источ­ников, если уровень ближайшего сделать меньше, чем уровень удаленного. Это и определяет ощущение глу­бины источника звука. Все это положено в основу сте­реофонии.

Заметим, что человек плохо ощущает перемещение источника звука в вертикальной плоскости, проходя­щей перпендикулярно к линии ушей. Это объясняется тем, что в этом случае звуковые волны приходят в оба уха с одинаковыми фазой и амплитудой.