Область акустических колебаний, способных вызвать ощущение звука при воздействии на орган слуха, ограничена по частоте. В среднем, человек от 12 до 25 лет слышит частоты от 20 Гц до 20 кГц. С возрастом в «улитке» внутреннего уха отмирают нервные окончания. Таким образом, верхняя граница слышимых частот значительно понижается.

Область от 20 Гц до 20 кГц, принято называть звуковым диапазоном, а частоты, лежащие в этой области звуковыми частотами.

Колебания ниже 20 Гц называются, инфразвуковыми, а колебания с частотой выше 20000 Гц – ультразвуковыми.

Эти частоты не воспринимаются нашими ушами. Область инфразвука, при достаточной мощности, может оказывать определенное влияние на эмоциональное состояние слушателя. В природе инфразвук встречается крайне редко, однако его удалось зафиксировать при надвигающимся землетрясении, урагане, громе. Животные более чувствительны к инфразвуку, это объясняет причины их беспокойства перед катаклизмами. Так же животные используют ультразвук для ориентации в пространстве, например летучие мыши и дельфины перемещаются в условиях плохой видимости, издавая ультразвуковые сигналы, а отражения этих сигналов говорят о наличии или отсутствия препятствий на пути следования. Длина волны ультразвука очень мала, поэтому от внимания животных не ускользает даже самые незначительные препятствия (провода электропередач).

Записать и воспроизвести инфразвук практически невозможно в силу физических причин, этим частично объясняется преимущество прослушивания музыкальных произведений вживую, а не на записи. Генерация ультразвуковых частот применяется для воздействия на эмоциональное состояние животных (отпугивание грызунов).

Наши уши способны различать частоты в пределах слышимого диапазона. Есть люди с абсолютным музыкальным слухом, они способны различить частоты, называя их по музыкальной шкале – по нотам.

Нотная система это последовательность точно зафиксированных звуков, каждому из которых соответствует определённая частота, измеряемая в герцах (Гц).

Расстояния между нотами имеет строгую зависимость в частотном отображении, однако достаточно понять, что разнице в «октаву» соответствует удвоение частоты.

Нота «ля» первой октавы = (440 Гц) А-1

Нота «ля» второй октавы = (880 Гц) А-2

Люди, обладающие абсолютным слухом, различают изменения высоты звука достаточно точно и могут определить, что частота выросла или понизилась, используя систему нотного деления. Однако для определения частот измеряемых в герцах потребуется прибор - «спектроанализатор».

В жизни нам достаточно пользоваться фиксированными значениями и различать изменения высот опираясь на ноты, этого будет достаточно, чтобы дать определение поднялся или опустился звук (примеры музыкантов, которые пользуются нотной системой фиксации звуковых изменений). Однако при профессиональной работе со звуком могут потребоваться точные численные значения в герцах (или метрах), которые необходимо определять приборами.

Виды звуков.

Все существующие в природе звуки делятся на: музыкальные и шумовые. Основную роль в музыке играют музыкальные звуки, хотя используются и шумовые (в частности почти все ударные инструменты издают шумовые звуки).

Шумовые звуки не имеют точно выраженной высоты, например треск, скрип, стук, гром, шорох и т. п.

К таким инструментам относятся почти все ударные: треугольник, малый барабан, разнообразные виды тарелок, большой барабан и др. В этом присутствует некоторая доля условности, о которой не следует забывать. Например, такой ударный инструмент как "деревянная коробочка" имеет звучание с достаточно ясно выраженной высотностью, однако этот инструмент все равно причисляется к шумовым. Поэтому отличать шумовые инструменты надежнее по тому критерию, возможно ли на данном инструменте исполнить мелодию, или нет.

Музыкальными называются звуки, имеющие определённую высоту, которую можно измерить с абсолютной точностью. Всякий музыкальный звук можно повторить голосом или на каком-либо инструменте.

"Область акустических колебаний, способных создавать ощущение звука при воздействии на орган слуха, ограничена по частоте. Для большинства людей от 18 до 25 лет, обладающих нормальным слухом, полоса частот колебаний, воспринимаемых в виде звука, лежит, с некоторыми отклонениями, в пределах между колебаниями с частотой 20 Гц (низшая граничная частота) и 20000 Гц (высшая граничная частота). Эту полосу частот принято называть звуковым диапазоном, а частоты, лежащие в его пределах - звуковыми частотами.

Колебания с частотами менее 20 Гц, называются инфразвуковыми, а колебания с частотами более 20000 Гц - ультразвуковыми: Эти частоты наш слух не воспринимает, однако, известно, что "инфразвук" оказывает определенное влияние на эмоциональное состояние слушателя. К сожалению, инфразвуковые частоты, которые, как показали современные исследования, в составе колебаний музыки и речи присутствуют, воспроизвести с магнитофонных записей, по техническим причинам, невозможно.

Это не единственное и, пожалуй, не самое главное, но все же препятствие, не позволяющее достичь при прослушивании музыки, переданной через электроакустическую систему, того же эмоционального воздействия, какое испытывает слушатель в концертном зале.

Частота звуковых колебаний определяет высоту (тон) звука: самые медленные колебания воспринимаются как низкие, басовые ноты; самые быстрые - как высокие звуки, напоминающие, например, комариный писк. Следует заметить, что люди не одинаково хорошо слышат все частоты звукового диапазона. Так, с возрастом, верхняя граница слышимых частот значительно понижается. Звуковой диапазон частот определяет предельные возможности слуха человека, выявленные с помощью многочисленных исследований и усреднения результатов многих опытов, проведенных со слушателями различных возрастов и с разной тренировкой."- пишет Б.Я.Меерзон -"Акустические основы звукорежиссуры". Уч. изд. ГИТР

"Эквалайзер - устройство коррекции тембра сигнала, изменяющее амплитуды его частотных составляющих. Изначально эквалайзеры применялись чисто технически, для коррекции амплитудно-частотной характеристики неидеального звукового тракта. Однако вскоре они стали использоваться и творчески - для создания нужных тембров или аккуратного совмещения инструментов в фонограмме.

Основным параметром эквалайзера является амплитудно-частотная характеристика (АЧХ, частотная характеристика, frequency response). Она показывает, насколько эквалайзер усиливает или ослабляет те или иные частоты входного сигнала.

Наиболее распространенными типами частотных характеристик эквалайзеров являются «колокол» (bell), «полка» (shelf), обрезные НЧ- и ВЧ-фильтры (low-pass, high-pass), показанные на рис рисунке. (В отечественной литературе фильтром низких частот называется фильтр, пропускающий низкие частоты и подавляющий высокие частоты (low-pass). Аналогично с фильтром высоких частот (high-pass).)

По типу управления частотной характеристикой эквалайзеры делятся на параметрические и графические .

В параметрических эквалайзерах пользователь может выбирать одну из имеющихся форм АЧХ и задавать ее параметры: центральную частоту, коэффициент усиления и добротность.

Центральная частота - это частота центра «колокола» или частота, на которой происходит изгиб АЧХ (для «полок» и обрезных фильтров - это обычно точка уровня −3 дБ).

Коэффициент усиления для «колокола» задает усиление на центральной частоте, а для «полки» - в полосе усиления/подавления.

Добротность для эквалайзера типа «колокол» задает ширину усиливаемой или подавляемой полосы частот и определяется как отношение центральной частоты к ширине этой полосы, лежащей в пределах 3 дБ от коэффициента усиления на центральной частоте. Обозначается добротность обычно буквой Q. Аналогичная величина для «полок» и обрезных фильтров называется «крутизной спада» АЧХ и измеряется в децибелах на октаву. Увеличивая добротность, можно превратить фильтр-колокол в т.н. notch-фильтр, или режекторный фильтр, подавляющий конкретную частоту или очень узкую полосу частот. Комбинируя несколько эквалайзеров, можно получить более сложные формы АЧХ.

В графических эквалайзерах пользователь «рисует» требуемую АЧХ непосредственно на дисплее или с помощью набора регуляторов усиления на различных частотах.

Параграфические эквалайзеры - это гибрид параметрических и графических эквалайзеров. Они, как правило, позволяют управлять коэффициентами усиления с помощью ползунков (или в графическом виде на дисплее), но при этом имеют настройки добротности и центральной частоты для каждой полосы.

Большинство аналоговых эквалайзеров вносят в сигналы частотно-зависимый сдвиг по времени. Другими словами, различные частотные компоненты сигнала задерживаются на различное время. Как правило, это нежелательный эффект, т.к. если на вход поступает импульсный сигнал (резкий удар или щелчок), то и на выходе желательно получить импульс, не размазанный во времени.

Фазово-частотная характеристика (ФЧХ, фазовая характеристика, phase response) показывает, насколько меняется фаза сигнала при прохождении через эквалайзер.

Для большинства аналоговых эквалайзеров можно построить ФЧХ по известной АЧХ. При этом наибольшие изменения в ФЧХ происходят в местах быстрого изменения АЧХ. Это означает, что чем сильнее вмешательство в частотный диапазон, тем сильнее будут проявляться фазовые искажения - в обиходе часто говорят, что эквалайзер «крутит» фазу.

Частотными компенсаторами пользуются не только для речевой фонограммы. Их применяют также для корректи­ровки шумов, а в некоторых случаях - музыки.

Наличие в пультах перезаписи фильтров, резко отсе­кающих низкие и высокие частоты, позволяет корректиро­вать такие дефекты, как низкочастотные помехи, иногда ~ высокочастотный шум и др.

Включение в речевой канал фильтра, круто обрезающего низкие частоты (фильтр ВЧ), в ряде случаев облегчает сглаживание «разнобоя» речевой фонограммы в области низких частот.

Комбинация фильтра ВЧ с фильтром, подавляющим узкую полосу около 200 Гц, позволяет избавиться от не­приятной для слуха глухой бочковатости, свойственной небольшим ателье речевых озвучений.

Включение фильтра присутствия, приподнимающего частоты в области 2000-4000 Гц, сообщает голосам свое­образную рельефность, выделяя их на фоне других зву­ков. Сказывается, по-видимому, эффективность формант: усиление этих обертонов придает голосу серебристый от­тенок, силу и звонкость. Наибольшей чувствительностью слух обладает к частотам в области 2000-4000 Гц и если в голосе исполнителя формант, лежащих в этой полосе, побольше, то при одной и той же акустической энергии он будет выигрывать в звонкости и громкости.-

Иной раз чрезмерное обилие свистящих в первичной записи речи удается скорректировать фильтром, подавляю­щим узкую полосу частотной характеристики в области 3000 Гц. В то же время известны случаи, когда кажущееся обилие свистящих звуков, как это ни парадоксально, устра­нялось именно подъемом частотной характеристики ее стороны высоких.

Так или иначе, какие бы комбинации фильтров ни применялись, надо, чтобы речь звучала «остро», зубные или шипящие звуки были четкими и даже слегка подчеркнутыми; без этого речь в фильме может быть неразборчивой.

Режекторными фильтрами можно вырезать (подавить) очень узкий участок в различных местах частотной полосы и, не ухудшая практически общего качества звукопередачи, вы­править тем самым некоторые технические дефекты фонограмм.

Пример использования. По одной только громкости нельзя судить о расстоянии до источника звука. Так, голос на открытом воздухе и в негулких помещениях доходит до слушателей с потерей низких частот. Поэтому, ослабляя фильтрами низкие час­тоты, иногда можно добиться эффекта отдаленного звука, если в первичной фонограмме речь звучит близко. Также простое регулирование громкости не дает и полноценного впечатленияприближения или удаления оркестра. В естественных условиях меняется не толькоинтенсивность звучания, но также окраска и соотношение прямых и отраженных звуков. Вспомним эффект приближения ду­хового оркестра на улице, когда вначале слышны одни только басовые звуки (туба, большой барабан), и только вблизи становятся различимы инструменты высоких ре­гистров.

Многообразие цифровых эквалайзеров, как аппаратных, так и программных, показало, что параметрические и графические эквалайзеры не имеют существенного преимущества друг перед другом в качестве звучания - и в том, и в другом лагере попадаются удачные и неудачные модели. Определяющей составляющей качества эквалайзера является его управляемость, особенности алгоритмов и способность контроля параметров прибора: АЧХ, ФЧХ, импульсной характеристики."- написал А.Лукин. "Цифровые эквалайзеры ". "Звукорежиссёр"

Человек - это действительно самое умное из животных, населяющих планету. Однако наш ум нередко лишает нас превосходства в таких способностях, как восприятие окружающего посредством обоняния, слуха и других сенсорных ощущений. Так, большинство животных намного опережают нас, если речь идет о слуховом диапазоне. Диапазон слуха человека - это ряд частот, которые может воспринимать человеческое ухо. Попробуем понять, как работает ухо человека в отношении восприятия звука.

Диапазон слуха человека в нормальных условиях

В среднем человеческое ухо может улавливать и различать звуковые волны в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц (20000 Гц). Однако по мере старения слуховой диапазон человека уменьшается, в частности понижается его верхняя граница. У пожилых людей она обычно намного ниже, чем у молодых, при этом максимально высокими слуховыми способностями обладают младенцы и дети. Слуховое восприятие высоких частот начинает ухудшаться с восьмилетнего возраста.

Человеческий слух в идеальных условиях

В лаборатории диапазон слуха человека определяется при помощи аудиометра, который испускает звуковые волны различной частоты, и настроенных соответствующим образом наушников. В таких идеальных условиях человеческое ухо может распознавать частоты в диапазоне от 12 Гц до 20 кГц.

Диапазон слуха у мужчин и женщин

Между слуховым диапазоном мужчин и женщин существует значительная разница. Обнаружено, что женщины по сравнению с мужчинами более чувствительны к высоким частотам. Восприятие низких частот находится у мужчин и женщин на более или менее одинаковом уровне.

Различные шкалы для указания диапазона слуха

Хотя частотная шкала является наиболее распространенной шкалой для измерения диапазона слуха человека, его также нередко измеряют в паскалях (Па) и децибелах (дБ). Однако измерение в паскалях считается неудобным, так как эта единица предполагает работу с очень крупными цифрами. Один мкПа - это расстояние, преодолеваемое звуковой волной во время колебания, которое равно одной десятой диаметра атома водорода. Звуковые волны в человеческом ухе преодолевают намного большее расстояние, что делает указание диапазона слуха человека в паскалях затруднительным.

Самый мягкий звук, который может быть распознан ухом человека, равняется примерно 20 мкПа. Шкала децибел более проста в использовании, так как она представляет собой логарифмическую шкалу, которая напрямую ссылается на шкалу Па. Она принимает 0 дБ (20 мкПа) как точку отсчета и далее продолжает сжимать эту шкалу давления. Таким образом, 20 миллионов мкПа равняются всего 120 дБ. Так получается, что диапазон человеческого уха составляет 0-120 дБ.

Слуховой диапазон значительно разнится от человека к человеку. Поэтому для выявления потери слуха лучше всего измерять диапазон слышимых звуков по отношению к опорной шкале, а не по отношению к обычной стандартизированной шкале. Тесты могут проводиться при помощи сложных инструментов для диагностики слуха, которые позволяют точно определять степень и диагностировать причины потери слуха.

О разделе

Этот раздел содержит статьи, посвященные феноменам или версиям, которые так или иначе могут быть интересны или полезны исследователям необъясненного.
Статьи разделены по категориям:
Информационные. Содержат полезную для исследователей информацию из различных областей знаний.
Аналитические. Включают аналитику накопленной информации о версиях или феноменах, а также описания результатов проведенных экспериментов.
Технические. Аккумулируют информацию о технических решениях, которые могут найти применение в сфере изучения необъясненных фактов.
Методики. Содержат описания методик, применяемых участниками группы при расследовании фактов и исследовании феноменов.
Медиа. Содержат информацию об отражении феноменов в индустрии развлечений: фильмах, мультфильмах, играх и т.п.
Известные заблуждения. Разоблачения известных необъясненных фактов, собранные в том числе из сторонних источников.

Тип статьи:

Информационные

Особенности восприятия человека. Слух

Звук – это колебания, т.е. периодическое механическое возмущение в упругих средах – газообразных, жидких и твердых. Такое возмущение, представляющее собой некоторое физическое изменение в среде (например, изменение плотности или давления, смещение частиц), распространяется в ней в виде звуковой волны. Звук может быть неслышимым, если его частота лежит за пределами чувствительности человеческого уха, или он распространяется в такой среде, как твердое тело, которая не может иметь прямого контакта с ухом, или же его энергия быстро рассеивается в среде. Таким образом, обычный для нас процесс восприятия звука – лишь одна сторона акустики.

Звуковые волны

Звуковая волна

Звуковые волны могут служить примером колебательного процесса. Всякое колебание связано с нарушением равновесного состояния системы и выражается в отклонении её характеристик от равновесных значений с последующим возвращением к исходному значению. Для звуковых колебаний такой характеристикой является давление в точке среды, а её отклонение - звуковым давлением.

Рассмотрим длинную трубу, наполненную воздухом. С левого конца в нее вставлен плотно прилегающий к стенкам поршень. Если поршень резко двинуть вправо и остановить, то воздух, находящийся в непосредственной близости от него, на мгновение сожмется. Затем сжатый воздух расширится, толкнув воздух, прилегающий к нему справа, и область сжатия, первоначально возникшая вблизи поршня, будет перемещаться по трубе с постоянной скоростью. Эта волна сжатия и есть звуковая волна в газе.
То есть резкое смещение частиц упругой среды в одном месте, увеличит давление в этом месте. Благодаря упругим связям частиц, давление передаётся на соседние частицы, которые, в свою очередь, воздействуют на следующие, и область повышенного давления как бы перемещается в упругой среде. За областью повышенного давления следует область пониженного давления, и, таким образом, образуется ряд чередующихся областей сжатия и разряжения, распространяющихся в среде в виде волны. Каждая частица упругой среды в этом случае будет совершать колебательные движения.

Звуковая волна в газе характеризуется избыточным давлением, избыточной плотностью, смещением частиц и их скоростью. Для звуковых волн эти отклонения от равновесных значений всегда малы. Так, избыточное давление, связанное с волной, намного меньше статического давления газа. В противном случае мы имеем дело с другим явлением – ударной волной. В звуковой волне, соответствующей обычной речи, избыточное давление составляет лишь около одной миллионной атмосферного давления.

Важно то обстоятельство, что вещество не уносится звуковой волной. Волна представляет собой лишь проходящее по воздуху временное возмущение, по прохождении которого воздух возвращается в равновесное состояние.
Волновое движение, конечно, не является характерным только для звука: в форме волн распространяются свет и радиосигналы, и каждому знакомы волны на поверхности воды.

Таким образом, звук, в широком смысле - упругие волны, распространяющиеся в какой-либо упругой среде и создающие в ней механические колебания; в узком смысле - субъективное восприятие этих колебаний специальными органами чувств животных или человека.
Как и любая волна, звук характеризуется амплитудой и спектром частот. Обычно человек слышит звуки, передаваемые по воздуху, в диапазоне частот от 16-20 Гц до 15-20 кГц. Звук ниже диапазона слышимости человека называют инфразвуком; выше: до 1 ГГц, - ультразвуком, от 1 ГГц - гиперзвуком. Среди слышимых звуков следует также особо выделить фонетические, речевые звуки и фонемы (из которых состоит устная речь) и музыкальные звуки (из которых состоит музыка).

Различают продольные и поперечные звуковые волны в зависимости от соотношения направления распространения волны и направления механических колебаний частиц среды распространения.
В жидких и газообразных средах, где отсутствуют значительные колебания плотности, акустические волны имеют продольный характер, то есть направление колебания частиц совпадает с направлением перемещения волны. В твёрдых телах, помимо продольных деформаций, возникают также упругие деформации сдвига, обусловливающие возбуждение поперечных (сдвиговых) волн; в этом случае частицы совершают колебания перпендикулярно направлению распространения волны. Скорость распространения продольных волн значительно больше скорости распространения сдвиговых волн.

Воздух не везде однороден для звука. Известно, что воздух постоянно находится в движении. Скорость его движения в различных слоях не одинакова. В слоях, близких к земле, воздух соприкасается с её поверхностью, зданиями, лесами и поэтому скорость его здесь меньше, чем вверху. Благодаря этому и звуковая волна идёт не одинаково быстро вверху и внизу. Если движение воздуха, т. е. ветер - попутчик звуку, то в верхних слоях воздуха ветер будет сильнее подгонять звуковую волну, чем в нижних. При встречном ветре звук вверху распространяется медленнее, чем внизу. Такое различие в скоростях сказывается на форме звуковой волны. В результате искажения волны звук распространяется не прямолинейно. При попутном ветре линия распространения звуковой волны изгибается вниз, при встречном - вверх.

Ещё одна причина неравномерного распространения звука в воздухе. Это - различная температура отдельных его слоёв.

Неодинаково нагретые слои воздуха, подобно ветру, изменяют направление звука. Днём звуковая волна изгибается вверх, потому что скорость звука в нижних более нагретых слоях больше, чем в верхних слоях. Вечером, когда земля, а с ней и близлежащие слои воздуха, быстро остывают, верхние слои становятся теплее нижних, скорость звука в них больше, и линия распространения звуковых волн изгибается вниз. Поэтому по вечерам на ровном месте бывает лучше слышно.

Наблюдая за облаками, часто можно заметить, как на разных высотах они движутся не только с различной скоростью, но иногда и в разных направлениях. Значит, ветер на различной высоте от земли может иметь неодинаковые скорость и направление. Форма звуковой волны в таких слоях будет также изменяться от слоя к слою. Пусть, например, звук идёт против ветра. В этом случае линия распространения звука должна изогнуться и направиться вверх. Но если на её пути встретится слой медленно движущегося воздуха, она вновь изменит своё направление и может снова вернуться на землю. Вот тогда-то на пространстве от места, где волна поднимается в высоту, до места, в котором она возвращается на землю, и возникает «зона молчания».

Органы восприятия звука

Слух - способность биологических организмов воспринимать звуки органами слуха; специальная функция слухового аппарата, возбуждаемая звуковыми колебаниями окружающей среды, например, воздуха или воды. Одно из биологических пяти чувств, называемое также акустическим восприятием.

Ухо человека воспринимает звуковые волны длиной примерно от 20 м до 1,6 см, что соответствует 16 - 20 000 Гц (колебаний в секунду) при передаче колебаний по воздуху, и до 220 кГц при передаче звука по костям черепа. Эти волны имеют важное биологическое значение, например, зву¬ковые волны в диапазоне 300-4000 Гц соответствуют человеческому голосу. Звуки выше 20 000 Гц имеют малое практическое значение, так как быстро тормозятся; колебания ниже 60 Гц воспринимаются благодаря вибрационному чувству. Диапазон частот, которые способен слышать человек, называется слуховым или звуковым диапазоном; более высокие частоты называются ультразвуком, а более низкие - инфразвуком.
Способность различать звуковые частоты сильно зависит от конкретного человека: его возраста, пола, подверженности слуховым болезням, тренированности и усталости слуха. Отдельные личности способны воспринимать звук до 22 кГц, а возможно - и выше.
Человек может различать несколько звуков одновременно благодаря тому, что в ушной улитке одновременно может быть несколько стоячих волн.

Ухо - сложный вестибулярно-слуховой орган, который выполняет две функции: воспринимает звуковые импульсы и отвечает за положение тела в пространстве и способность удерживать равновесие. Это парный орган, который размещается в височных костях черепа, ограничиваясь снаружи ушными раковинами.

Орган слуха и равновесия представлен тремя отделами: наружным, средним и внутренним ухом, каждый из которых выполняет свои конкретные функции.

Наружное ухо состоит из ушной раковины и наружного слухового прохода. Ушная раковина - сложной формы упругий хрящ, покрытый кожей, его нижняя часть, называемая мочкой,- кожная складка, которая состоит из кожи и жировой ткани.
Ушная раковина у живых организмов работает как приемник звуковых волн, которые затем передаются во внутреннюю часть слухового аппарата. Значение ушной раковины у человека намного меньше, чем у животных, поэтому у человека она практически неподвижна. Но вот многие звери, поводя ушами, способны гораздо точнее, чем человек, определить нахождение источника звука.

Складки человеческой ушной раковины вносят в поступающий в слуховой проход звук небольшие частотные искажения, зависящие от горизонтальной и вертикальной локализации звука. Таким образом мозг получает дополнительную информацию для уточнения местоположения источника звука. Этот эффект иногда используется в акустике, в том числе для создания ощущения объёмного звука при использовании наушников или слуховых аппаратов.
Функция ушной раковины - улавливать звуки; ее продолжением является хрящ наружного слухового прохода, длина которого в среднем составляет 25-30 мм. Хрящевая часть слухового прохода переходит в костную, а весь наружный слуховой проход выстлан кожей, содержащей сальные, а также серные железы, представляющие собой видоизмененные потовые. Этот проход заканчивается слепо: от среднего уха он отделен барабанной перепонкой. Уловленные ушной раковиной звуковые волны ударяются в барабанную перепонку и вызывают ее колебания.

В свою очередь, колебания барабанной перепонки передаются в среднее ухо.

Среднее ухо
Основной частью среднего уха является барабанная полость - небольшое пространство объемом около 1см³, находящееся в височной кости. Здесь находятся три слуховые косточки: молоточек, наковальня и стремечко - они передают звуковые колебания из наружного уха во внутреннее, одновременно усиливая их.

Слуховые косточки - как самые маленькие фрагменты скелета человека, представляют цепочку, передающую колебания. Рукоятка молоточка тесно срослась с барабанной перепонкой, головка молоточка соединена с наковальней, а та, в свою очередь, своим длинным отростком - со стремечком. Основание стремечка закрывает окно преддверия, соединяясь таким образом с внутренним ухом.
Полость среднего уха связана с носоглоткой посредством евстахиевой трубы, через которую выравнивается среднее давление воздуха внутри и снаружи от барабанной перепонки. При изменении внешнего давления иногда «закладывает» уши, что обычно решается тем, что рефлекторно вызывается зевота. Опыт показывает, что ещё более эффективно заложенность ушей решается глотательными движениями или если в этот момент дуть в зажатый нос.

Внутреннее ухо
Из трех отделов органа слуха и равновесия наиболее сложным является внутреннее ухо, которое из-за своей замысловатой формы называется лабиринтом. Костный лабиринт состоит из преддверия, улитки и полукружных каналов, но непосредственное отношение к слуху имеет только улитка, заполненная лимфатическими жидкостями. Внутри улитки находится перепончатый канал, также заполненный жидкостью, на нижней стенке которого расположен рецепторный аппарат слухового анализатора, покрытый волосковыми клетками. Волосковые клетки улавливают колебания жидкости, заполняющей канал. Каждая волосковая клетка настроена на определенную звуковую частоту, причем клетки, настроенные на низкие частоты, располагаются в верхней части улитки, а высокие частоты улавливаются клетками нижней части улитки. Когда волосковые клетки от возраста или по другим причинам гибнут, человек теряет способность воспринимать звуки соответствующих частот.

Пределы восприятия

Человеческое ухо номинально слышит звуки в диапазоне от 16 до 20 000 Гц. Верхний предел имеет тенденцию снижаться с возрастом. Большинство взрослых людей не могут слышать звук частотой выше 16 кГц. Ухо само по себе не реагирует на частоты ниже 20 Гц, но они могут ощущаться через органы осязания.

Диапазон громкости воспринимаемых звуков огромен. Но барабанная перепонка в ухе чувствительна только к изменению давления. Уровень давления звука принято измерять в децибелах (дБ). Нижний порог слышимости определён как 0 дБ (20 микропаскаль), а определение верхнего предела слышимости относится скорее к порогу дискомфорта и далее - к нарушение слуха, контузия и т. д. Этот предел зависит от того, как долго по времени мы слушаем звук. Ухо способно переносить кратковременное повышение громкости до 120 дБ без последствий, но долговременное восприятие звуков громкостью более 80 дБ может вызвать потерю слуха.

Более тщательные исследования нижней границы слуха показали, что минимальный порог, при котором звук остаётся слышен, зависит от частоты. Этот график получил название абсолютный порог слышимости. В среднем, он имеет участок наибольшей чувствительности в диапазоне от 1 кГц до 5 кГц, хотя с возрастом чувствительность понижается в диапазоне выше 2 кГц.
Существует также способ восприятия звука без участия барабанной перепонки - так называемый микроволновый слуховой эффект, когда модулированное излучение в микроволновом диапазоне (от 1 до 300 ГГц) воздействует на ткани вокруг улитки, заставляя человека воспринимать различные звуки.
Иногда человек может слышать звуки в низкочастотной области, хотя в реальности звуков такой частоты не было. Так происходит из-за того, что колебания базилярной мембраны в ухе не являются линейными и в ней могут возникать колебания с разностной частотой между двумя более высокочастотными.

Синестезия

Один из самых необычных психоневрологических феноменов, при котором не совпадают род раздражителя и тип ощущений, которые человек испытывает. Синестетическое восприятие выражается в том, что помимо обычных качеств могут возникать дополнительные, более простые ощущения или стойкие «элементарные» впечатления - например, цвета, запаха, звуков, вкусов, качеств фактурной поверхности, прозрачности, объемности и формы, расположения в пространстве и других качеств, не получаемых при помощи органов чувств, а существующих только в виде реакций. Такие дополнительные качества могут либо возникать как изолированные чувственные впечатления, либо даже проявляться физически.

Выделяют, например, слуховую синестезию. Это способность некоторых людей «слышать» звуки при наблюдении за движущимися предметами или за вспышками, даже если они не сопровождаются реальными звуковыми явлениями.
Следует учитывать, что синестезия, скорее психоневрологическая особенность человека и не является психическим расстройством. Такое восприятие окружающего мира может почувствовать обычный человек путем употребления некоторых наркотических веществ.

Общей теории синестезии (научно доказанного, универсального представления о ней) пока нет. На денный момент существует множество гипотез и проводится масса исследований в данной области. Уже появились оригинальные классификации и сопоставления, выяснились определенные строгие закономерности. Например, мы ученые уже выяснили, что у синестетов есть особый характер внимания - как бы «досознательный» - к тем явлениям, которые вызывают у них синестезию. У синестетов - немного иная анатомия мозга и кардинально иная его активация на синестетические «стимулы». А исследователи из Оксфордского университета (Великобритания) поставили серию экспериментов в ходе которых выяснили, что причиной синестезии могут быть сверхвозбудимые нейроны. Единственное, что можно сказать точно, что такое восприятие получается на уровне работы мозга, а не на уровне первичного восприятия информации.

Вывод

Волны давления, проходя через внешнее ухо, барабанную перепонку и косточки среднего уха, достигают заполненного жидкостью внутреннего уха, имеющего форму улитки. Жидкость, колеблясь, ударяется о мембрану, покрытую крохотными волосками, ресничками. Синусоидальные составляющие сложного звука вызывают колебания различных участков мембраны. Колеблющиеся вместе с мембраной реснички возбуждают связанные с ними нервные волокна; в них возникают серии импульсов, в которых «закодированы» частота и амплитуда каждой составляющей сложной волны; эти данные электрохимическим способом передаются мозгу.

Из всего спектра звуков прежде всего выделяют слышимый диапазон: от 20 до 20000 герц, инфразвуки (до 20 герц) и ультразвуки – от 20000 герц и выше. Инфразвуки и ультразвуки человек не слышит, но это не значит, что они не оказывают на него воздействия. Известно, что инфразвуки, особенно ниже 10 герц, способны влиять на психику человека, вызывать депрессивные состояния. Ультразвуки могут вызывать астено-вегетативные синдромы и др.
Слышимую часть диапазона звуков разделяют на низкочастотные звуки – до 500 герц, среднечастотные – 500-10000 герц и высокочастотные – свыше 10000 герц.

Такое подразделение очень важно, так как ухо человека неодинаково чувствительно к разным звукам. Наиболее чувствительно ухо к сравнительно узкому диапазону среднечастотных звуков от 1000 до 5000 герц. К более низко- и высокочастотным звукам чувствительность резко падает. Это приводит к тому, что человек способен услышать в среднечастотном диапазоне звуки с энергией около 0 децибел и не слышать низкочастотные звуки в 20-40-60 децибел. То есть, звуки с одной и той же энергией в среднечастотном диапазоне могут восприниматься как громкие, а в низкочастотном как тихие или быть вовсе не слышны.

Такая особенность звука сформирована природой не случайно. Звуки, необходимые для его существования: речь, звуки природы, – находятся в основном в среднечастотном диапазоне.
Восприятие звуков значительно нарушается, если одновременно звучат другие звуки, шумы близкие по частоте или составу гармоник. Значит, с одной стороны, ухо человека плохо воспринимает низкочастотные звуки, а, с другой, если в помещении посторонние шумы, то восприятие таких звуков может еще более нарушаться и извращаться.

Сейчас в Интернете очень много возможностей проверить остроту своего слуха онлайн. Для этого нужно запустить видео со звуком, частота которого нарастает. Создатели теста рекомендуют проводить проверку в наушниках, чтобы не мешали посторонние шумы. Диапазон звуковых частот в ролике начинается с таких высоких значений, услышать которые могут единицы. Дальше частота звука плавно понижается, и в конце видео слышен звук, который услышит даже человек с ослабленным слухом.

На протяжении ролика пользователю показывают значение частоты звука, который воспроизводится. Условия теста предполагают, что видео нужно остановить в тот момент, когда человек сможет расслышать звук. Далее следует посмотреть, на какой отметке остановилась частота. Ее значение даст понять, что слух в норме, лучше, чем у большинства людей, либо стоит обратиться к врачу. Некоторые тесты показывают, какому возрасту соответствует предельная частота, которую смог услышать человек.

Что собой представляет звук и звуковая волна

Звук — это субъективное ощущение, но слышим мы его, потому что в наше ухо попадает что-то реально существующее. Это звуковая волна. Физиков интересует, как ощущения, которые мы испытываем, связаны с характеристиками звуковой волны.

Звуковые волны — это продольные механические, обладающие малой амплитудой волны, диапазон частот которых 20 Гц-20 кГц. Малая амплитуда — это когда изменение давления вследствие сжатия-разрежения гораздо меньше, чем давление в этой среде. В воздухе в областях сжатия-разрежения изменение давления гораздо меньше атмосферного. Если амплитуда того же порядка или больше атмосферного давления, то это уже не звуковые волны, а ударные, они распространяются со сверхзвуковой скоростью.

Слышимость звуков

Мы уже выяснили, каков диапазон звуковых частот, но что же лежит за его границами? Если частота меньше 20 Гц, такие волны называются инфразвуковыми. Если больше 20 кГц — это ультразвуковые волны. И инфра-, и ультразвук не вызывают слуховых ощущений. Границы достаточно размыты: младенцы слышат 22-23 кГц, нестарые люди могут воспринять 21 кГц, кто-то слышит 16 Гц. То есть чем младше человек, тем выше частоты он может услышать.

Собаки слышат более высокие частоты. Эту их способность используют дрессировщики, они подают команды ультразвуковым свистком, не слышимым людьми. На рисунке показаны диапазоны частот, доступные для восприятия разными животными.

Звук как оружие полицейских

Приведем пример случая, который показывает, что диапазон звуковых частот, слышимых человеком, приблизителен и зависит от индивидуальных особенностей.

В Вашингтоне полиция нашла способ ненасильственного разгона молодежи. Юноши и девушки постоянно собирались около одной из станций метро, общались. Власти посчитали, что их бесцельное времяпрепровождение мешает другим, т. к. у входа скапливается слишком много людей. Полицейские установили устройство «Москит», издававшее звук на частоте 17,5 кГц. Этот прибор предназначен для отпугивания насекомых, но производители уверяли, что звуковые волны данной частоты воспринимаются только подростками от 13 и не старше 25 лет.

Благодаря устройству от молодежи удалось избавиться, но мужчина 28 лет услышал звук и пожаловался в администрацию города. Местным властям пришлось прекратить использование прибора.

Диапазон длины волны

Волны звуковых частот в разных средах имеют разные характеристики. Отличаются длина и скорость распространения волны. В воздухе (при комнатной температуре) скорость составляет 340 м/ с.

Рассмотрим волны с частотами, находящимися в слышимом для нас диапазоне. Их минимальная длина — 17 мм, максимальная — 17 м. Звук с наименьшей длиной волны находится на грани ультразвука, а с наибольшей — приближается к инфразвуку.

Скорость звуковой волны

Считается, что свет распространяется мгновенно, а для распространения звука нужно определенное время. На самом деле свет тоже имеет скорость, просто она является предельной, быстрее, чем свет, ничего не движется. Что касается звука, то наибольший интерес представляет его распространение в воздухе, хотя скорость звуковой волны в более плотных средах намного выше. Вспомним грозу: вначале мы видим вспышку молнии, затем слышим раскат грома. Звук запаздывает, потому что его скорость во много раз ниже, чем скорость света. Впервые скорость звука измеряли, фиксируя промежуток времени между выстрелом из мушкета и звуком. Затем брали расстояние между орудием и исследователем и делили его на время «опоздания» звука.

Такой способ имеет два недостатка. Во-первых, это погрешность секундомера, особенно на близком расстоянии до источника звука. Во-вторых, это скорость реакции. При таком измерении результаты не будут точными. Для вычисления скорости удобнее брать известную частоту определенного звука. Существует генератор частот, прибор с диапазоном звуковых частот от 20 Гц до 20 кГц.

Его включают на нужную частоту, в ходе эксперимента измеряют длину волны. Перемножив обе величины, получают скорость звука.

Гиперзвук

Длина волны вычисляется путем деления скорости на частоту, поэтому с увеличением частоты длина волны уменьшается. Можно создать колебания настолько высокой частоты, что длина волны будет одного порядка с длиной свободного пробега молекул газа, например, воздуха. Это и есть гиперзвук. Он плохо распространяется, потому что воздух перестает считаться сплошной средой, т. к. длина волны ничтожно мала. В нормальных условиях (при атмосферном давлении) длина свободного пробега молекул равна 10 -7 м. Каков диапазон частот волн? Звуковыми они не являются, потому что мы их не слышим. Если рассчитать частоту гиперзвука, то окажется, что она составляет 3×10 9 Гц и выше. Измеряют гиперзвук в гигагерцах (1 ГГц = 1 миллиард Гц).

Как частота звука влияет на его высоту

Диапазон звуковых частот влияет на диапазон высоты. Хотя высота звука — это субъективное ощущение, но определяется она объективной характеристикой звука, частотой. Высокие частоты порождают высокий звук. Зависит ли высота звука от длины волны? Конечно, скорость, частота и длина волны взаимосвязаны. Однако звук одной и той же частоты будет иметь разную длину волны в разных средах, но восприниматься он будет одинаково.

Мы слышим звук, потому что изменения давления заставляют колебаться нашу барабанную перепонку. Давление меняется с одной и той же частотой, поэтому неважно, что в разной среде длина волны разная. Из-за одинаковой частоты мы воспримем звук как высокий или низкий хоть в воде, хоть в воздухе. В воде скорость звука составляет 1,5 км/ с, что почти в 5 раз больше, чем в воздухе, следовательно, намного больше и длина волны. Но если тело будет вибрировать с неизменной частотой (допустим, 500 Гц) в обоих средах, высота звука будет одинаковой.

Существуют звуки, не имеющие высоты, например, звук «ш-ш-ш». Их колебания частоты не периодические, а хаотичные, поэтому мы воспринимаем их как шум.