От чего зависит восприятие звука. Физиологический механизм восприятия звука. Особенности слухового восприятия, безопасность прослушивания, слуховые пороги, адаптация, правильный уровень громкости

Современная психология рассматривает всякое восприятие как действие, подчеркивая его активный характер. Это целиком относится к восприятию речи, в ходе которого слушающий не просто фиксирует и обрабатывает поступающую информацию, а, проявляя встречную активность, непрерывно прогнозирует, моделирует ее, сличает фактически услышанное с моделью, вносит необходимые поправки и, наконец, принимает окончательное решение относительно смысла, заключенного в прослушанной части сообщения

Чтобы правильно ориентироваться в окружающем мире, важно воспринимать не только каждый отдельный предмет (стол, цветок, радугу), но и ситуацию, комплекс каких-то предметов в целом (игровую комнату, картину, звучащую мелодию) Объединить отдельные свойства предметов и создать целостный образ помогает восприятие - процесс отражения человеком предметов и явлений окружающего мира при их непосредственном воздействии на органы чувств. Восприятие даже какого-нибудь простого предмета очень сложный процесс, который включает работу сенсорных (чувствительных), двигательных и речевых механизмов. Восприятие опирается не только на ощущения, которые каждое мгновение позволяют чувствовать окружающий мир, но и на предыдущий опыт растущего человека

Ребенок не рождается с готовым умением воспринимать окружающий мир, а учится этому. В младшем дошкольном возрасте образы воспринимаемых предметов отличаются большой смутностью и нечеткостью. Так, дети трех-четырех лет не узнают на утреннике переодетую в костюм лисицы воспитательницу, хотя ее лицо и открыто. Если детям попадается изображение незнакомого объекта, они выхватывают из изображения какую-то деталь и, опираясь на нее, осмысливают весь изображенный предмет. Например, впервые увидев монитор компьютера, ребенок может воспринять его как телевизор.

Несмотря на то, что ребенок с самого рождения может видеть, улавливать звуки, его необходимо систематически учить рассматривать, слушать и понимать то, что он воспринимает. Механизм восприятия готов, но пользоваться им ребенок еще только учится

Слуховые реакции в младенческом возрасте отражают активный процесс реализации языковой способности и приобретения слухового опыта, а не пассивные реакции организма на звук.

Уже в течение первого месяца жизни происходит совершенствование слуховой системы и выявляется врожденная приспособленность слуха человека к восприятию речи. В первые месяцы жизни ребенок реагирует на голос матери, выделяя его среди других звуков и незнакомых голосов.

У новорожденных детей, даже недоношенных, в ответ на громкий голос или звук погремушки появляются различные двигательные реакции: ребенок закрывает глаза, наморщивает лоб, у него появляется гримаса плача, учащается дыхание. Иногда реакции могут быть другими: ребенок вытягивает ручки, растопыривает пальцы, открывает рот, делает сосательные движения. Реакция на громкий звук может также сопровождаться подергиванием глазных яблок, сужением, а затем расширением зрачков. На 2-й неделе жизни появляется слуховое сосредоточение -- плачущий ребенок умолкает при сильном слуховом раздражителе и прислушивается.

Развитие восприятия младших дошкольников непосредственно связано с сенсорным воспитанием. Сенсорное воспитание направлено на то, чтобы научить детей более полному, точному и детальному восприятию таких свойств предметов как цвет, форма и величина. Именно младший дошкольный возраст является наиболее благоприятным для совершенствования деятельности органов чувств ребенка. Хорошо развитое восприятие является залогом успешного обучения ребенка в школе, а также необходимо для многих видов профессиональной деятельности взрослого человека.

Успешность сенсорного развития ребенка во многом зависит от грамотного проведения взрослым специальных игр-занятий. Без подобных занятий восприятие детей долго остается поверхностным, отрывочным, что, в свою очередь, затрудняет последующее развитие их мышления, памяти, воображения.

Восприятие формируется в связи с развитием, усложнением деятельности анализаторов. Сталкиваясь ежедневно с определёнными людьми и с окружающими предметами, ребёнок постоянно испытывает зрительные, слуховые, кожные и другие раздражения. Постепенно раздражения, вызываемые данным предметом, выделяются из всех воздействий окружающих предметов и явлений, связываются между собой, что приводит к возникновению восприятия особенностей данного предмета.

Важнейшее значение для формирования восприятия, как и других психических процессов, имеет подкрепление.

Выделение комплекса раздражителей, относящихся к данному предмету, и образование связей между ними проходит успешно в том случае, если этот предмет приобрёл какое-либо важное значение для ребёнка или же в силу своей необычности вызывает ориентировочно-исследовательский рефлекс.

В таком случае правильное выделение комплекса раздражителей и формирование соответствующих связей подкрепляется достижением необходимого результата, вследствие чего и происходит развитие, совершенствование восприятия

Характерно, что ребёнок начинает воспринимать первым то, что имеет для него наибольшее жизненное значение, то, что связано с удовлетворением его жизненных потребностей. Так, из всех окружающих людей и предметов младенец раньше всего выделяет и узнаёт заботящуюся о нём мать. В дальнейшем круг воспринимаемых предметов и явлений всё более расширяется.

Больших успехов достигает преддошкольник в восприятии слов родного языка, а также в различении простых мелодий.

Вместе с тем называние взрослым, а затем и самим ребёнком воспринимаемых предметов и явлений привлекает прошлый опыт, связанный с данным словом, что придаёт восприятию осмысленный, сознательный характер.

В условиях правильно организованного педагогического процесса дошкольник постепенно научается не довольствоваться первыми впечатлениями, но более тщательно и планомерно исследовать, рассматривать, ощупывать окружающие предметы, более внимательно выслушивать то, что ему говорят. В результате этого возникающие в его голове образы восприятия окружающей действительности становятся более точными и богатыми по содержанию.

Одновременно со зрительным у них развиваются также другие виды восприятия, среди которых нужно в первую очередь отметить осязательные и слуховые

Ребенка окружает множество звуков: музыка, щебетание птиц, шелест травы, шум ветра, журчание воды...

Вслушиваясь в звуки, сопоставляя их звучание и пытаясь повторить их, ребенок начинает не только слышать, но и различать звуки родной природы

Слуху принадлежит ведущая роль в образовании звуковой речи. Он функционирует уже с первых часов жизни ребенка. Уже с первого месяца вырабатываются слуховые условные рефлексы, а с пяти месяцев этот процесс совершается достаточно быстро. Младенец начинает различать голос матери, музыку и т.п. Без подкрепления эти рефлексы скоро, угасают. Такое раннее участие коры в развитии слуха обеспечивает раннее развитие звуковой речи. Но хотя слух в своем развитии и опережает развитие движений органов речи, все же на первых порах и он недостаточно развит, что обусловливает ряд несовершенств речи.

Звуки, и слова окружающих воспринимаются недифференцированно (не осознается разница между ними), т.е. нечетко, искаженно. Поэтому дети смешивают один звук с другим, плохо понимают речь.

На протяжении дошкольного возраста, под влиянием соответствующей воспитательной работы, возрастает роль звуковых сигналов в организации детского восприятия.

Следует отметить, что работа, направленная на развитие слухового восприятия, имеет очень важное значение в общем развитии детской психики

Развитие слухового восприятия имеет большое значение для подготовки дошкольника к поступлению в школу.

Рассмотрев теорию распространения и механизмы возникновения звуковых волн, целесообразно понять, каким образом звук "интерпретируется" или воспринимается человеком. За восприятие звуковых волн в человеческом организме отвечает парный орган - ухо. Человеческое ухо - весьма сложный орган, который отвечает за две функции: 1) воспринимает звуковые импульсы 2) выполняет роль вестибулярного аппарата всего человеческого организма, определяет положение тела в пространстве и даёт жизненно важную способность удерживать равновесие. Среднестатистическое человеческое ухо способно улавливать колебания 20 - 20000 Гц, однако бывают отклонения в большую или меньшую сторону. В идеале, слышимый частотный диапазон составляет 16 - 20000 Гц, что так же соответствует 16 м - 20 см длины волны. Ухо делится на три составляющие: внешнее, среднее и внутреннее ухо. Каждое из этих "отделов" выполняет свою собственную функцию, однако все три отдела тесно связаны друг с другом и фактически осуществляют передачу волны звуковых колебаний друг другу.

Внешнее (наружнее) ухо

Внешнее ухо состоит из ушной раковины и наружного слухового прохода. Ушная раковина - упругий хрящ сложной формы, покрытый кожей. В нижней части ушной раковины располагается мочка, которая состоит из жировой ткани и также покрыта кожей. Ушная раковина выполняет роль приёмника звуковых волн из окружающего пространства. Особая форма строения ушной раковины позволяет лучше улавливать звуки, в особенности звуки среднечастотного диапазона, отвечающего за передачу речевой информации. Этот факт во многом обусловлен эволюционной необходимостью, поскольку человек большую часть жизни проводит в устном общении с представителями своего вида. Ушная раковина человека практически неподвижна, в отличии от большого числа представителей животного вида, которые используют движения ушами для более точной настройки на источник звука.

Складки человеческой ушной раковины устроены таким образом, что вносят поправки (незначительные искажения) относительно вертикальной и горизонтальной локации источника звука в пространстве. Именно за счёт этой уникальной особенности человек способен достаточно чётко определять местоположение объекта в пространстве относительно него самого, ориентируясь только по звуку. Эта особенность так же хорошо известна под термином "локализация звука". Основная функция ушной раковины - уловить как можно больше звуков в слышимом диапазоне частот. Дальнейшая судьба "пойманых" звуковых волн решается в слуховом проходе, длина которого 25-30 мм. В нём хрящевая часть внешней ушной раковины переходит в костную, а кожная поверхность слухового прохода наделена сальными и серными железами. В конце слухового прохода располагается эластичная барабанная перепонка, до которой доходят колебания звуковых волн, вызывая тем самым её ответные колебания. Барабанная перепонка в свою очередь передаёт эти полученные вибрации в область среднего уха.

Среднее ухо

Колебания, переданные барабанной перепонкой, попадают в область среднего уха, называемой "барабанная область". Это область объёмом около одного кубического сантиметра, в которой расположены три слуховые косточки: молоточек, наковальня и стремечко. Именно эти "промежуточные" элементы выполняют важнейшую функцию: передача звуковых волн во внутреннее ухо и одновременное усиление. Слуховые косточки представляют собой чрезвычайно сложную цепочку передачи звучания. Все три косточки тесно соединены друг с другом, а так же с барабанной перепонкой, за счёт чего и происходит передача колебаний "по цепочке". На подходе к области внутреннего уха имеется окно преддверия, которое перекрывается основанием стремечка. Для выравнивания давления с двух сторон барабанной перепонки (например, в случае изменений внешнего давления), область среднего уха соединяется с носоглоткой посредством евстахиевой трубы. Всем нам хорошо знаком эффект закладывания ушей, который возникает именно по причине такой тонкой настройки. Из среднего уха звуковые колебания, уже усиленные, попадают в область внутреннего уха, наиболее сложную и чувствительную.

Внутреннее ухо

Наиболее сложную форму представляет внутреннее ухо, названное по этой причине лабиринтом. Костный лабиринт включает в себя: преддверие, улитку и полукружные каналы, а также вестибулярный аппарат , отвечающий за равновесие. Непосредственно к слуху в этой связке относится именно улитка. Улитка представляет собой спиралевидный перепончатый канал, заполненый лимфатической жидкостью. Внутри канал делится на две части ещё одной перепончатой перегородкой под названием "основная мембрана". Данная мембрана представляют собой волокна различной длины (общим количеством более 24000), натянутые как струны, каждая струна резонирует на свой определённый звук. Деление канала мембраной осуществляется на верхнюю и нижнюю лестницу, сообщающиеся у верхушки улитки. С противоположного конца канал соединяется с рецепторным аппаратом слухового анализатора, который покрыт мельчайшими волосковыми клетками. Этот аппарат слухового анализатора так же носит название "Кортиев орган". Когда колебания из среднего уха попадают в улитку, лимфатическая жидкость, заполняющая канал, также начинает вибрировать, передавая колебания основной мембране. В этот момент в действие вступает аппарат слухового анализатора, волосковые клетки которого, расположенные в несколько рядов, осуществляют превращение звуковых колебаний в электрические "нервные" импульсы, которые по слуховому нерву передаются в височную зону коры головного мозга. Таким сложным и витиеватым образом человек в конечном случае услышит искомый звук.

Особенности восприятия и формирования речи

Механизм речеобразования формировался у человека на протяжении всего эволюционного этапа. Смысл этой способности заключается в передачи вербальной и невербальной информации. Первая несёт в себе словесную и смысловую нагрузку, вторая отвечает за передачу эмоциональной составляющей. Процесс создания и восприятия речи включает в себя: формулировка сообщения; кодирование в элементы по правилам существующего языка; переходные нейромускульные действия; движения голосовых связок; излучение акустического сигнала; Далее в действие вступает слушатель, осуществляя: спектральный анализ полученного акустического сигнала и выделение акустических признаков в периферической слуховой системе, передача выделенных признаков по нейронным сетям, распознавание языкового кода (лингвистический анализ), понимание смысла сообщения.
Аппарат формирования речевых сигналов можно сравнить со сложным духовым инструментом, однако многогранность и гибкость настройки и возможности воспроизведения малейших тонкостей и деталей не имеет аналогов в природе. Голосообразующий механизм состоит из трёх неразрывных составляющих:

1. Генератор - лёгкие в качестве резервуара воздушного объёма. В лёгких запасается энергия избыточного давления, далее через выводящий канал при помощи мускульной системы осуществляется вывод этой энергии через трахею, соединённой с гортанью. На этом этапе воздушная струя прерывается и видоизменяется;
2. Вибратор - состоит из голосовых связок. Так же на поток воздействуют воздушные турбулентные струи (создают краевые тоны) и импульсные источники (взрывы);
3. Резонатор - включает резонансные полости сложной геометрической формы (глотка, ротовая и носовая полости).

В совокупности индивидуального устройства данных элементов формируется неповторимый и индивидуальный тембр голоса каждого человека в отдельности.

Генерация энергии воздушного столба осуществляется в легких, которые создают определённый поток воздуха при вдохе и выдохе за счет разницы атмосферного и внутрилегочного давления. Процесс накопления энергии осуществляется посредством вдоха, процесс освобождения характеизуется выдохом. Происходит это за счет сжатия и расширения грудной клетки, которые осуществляются с помощью двух групп мышц: межреберных и диафрагмы, при глубоком усиленном дыхании и пении сокращаются также мышцы брюшного пресса, груди и шеи. При вдохе диафрагма сжимается и опускается вниз, сокращение наружных межреберных мышц поднимает ребра и отводит их в стороны, а грудину вперед. Увеличение грудной клетки приводит к падению давления внутри лёгких (по отношению к атмосферному), и это пространство стремительно заполняется воздухом. При выдохе соответственно происходит расслабление мускул и всё возвращается в прежнее состояние (грудная клетка возвращается в исходное состояние за счёт своей собственной тяжести, диафрагма поднимается, уменьшается объём ранее расширившихся легких, давление внутрилёгочное растет). Вдох можно описать как процесс, требующий затраты энергии (активный); выдох – процесс накопления энергии (пассивный). Управление процессом дыхания и формирования речи происходит бессознательно, но при пении постановка дыхания требует осознанного подхода и длительного дополнительного обучения.

Количество энергии, которое впоследствии расходуется на формирование речи и голоса, зависит от объема запасенного воздуха и от величины дополнительного давления в легких. Максимально развиваемое давление у тренированного оперного певца может достигать 100-112 дБ. Модуляция воздушного потока вибрацией голосовых связок и создание подглоточного избыточного давления, эти процессы совершаются в гортани, которая представляет собой своеобразный клапан, расположенный на конце трахеи. Клапан выполняет двойственную функцию: предохраняет лёгкие от попадания посторонних предметов и поддерживает высокое давление. Именно гортань выступает в качестве источника речи и пения. Гортань представляет собой совокупность хрящей, соединённых мышцами. Гортань имеет достаточно сложное строение, главным элементом которой являются пара голосовых связок. Именно голосовые связки - основной (но не единственный) источник голосообразования или "вибратор". Во время этого процесса голосовые связки приходят в движение, сопровождаемое трением. Для защиты от этого выделяется особая слизистая секреция, выполняющая роль смазки. Образование речевых звуков определяется колебаниями связок, что приводит к формированию потока воздуха, выдыхаемого из легких, к определённому виду амплитудной характеристики. Между голосовыми складками располагаются небольшие полости, выполняющие роль акустических фильтров и резонаторов тогда, когда это требуется.

Особенности слухового восприятия, безопасность прослушивания, слуховые пороги, адаптация, правильный уровень громкости

Как видно из описания строения человеческого уха, орган этот весьма нежный и достаточно сложный по строению. Принимая этот факт во внимание, нетрудно определить, что этот чрезвычайно тонкий и чувствительный аппарат имеет набор ограничений, порогов и т.д. Человеческая слуховая система приспособлена к восприятию тихих звуков, а так же звуков средней интенсивности. Длительное воздействие громких звуков влечёт за собой необратимые сдвиги слуховых порогов, а так же прочие проблемы со слухом, вплоть до полной глухоты. Степень повреждения прямопропорциональна времени воздействия в громкой среде. В этот момент так же вступает в силу механизм адаптации - т.е. под действием длительных громких звуков чувствительность постепенно снижается, ощущаемая громкость уменьшается, слух адаптируется.

Адаптация изначально стремится защитить органы слуха от слишком громких звуков, однако, именно влияние этого процесса чаще всего заставляет человека неконтролируемо прибавлять уровень громкости аудиосистемы. Защита реализуется благодаря работы механизма среднего и внутреннего уха: стремечко отводится от овального окна, тем самым предохраняя от излишне громких звуков. Но механизм защиты не идеален и имеет задержку по времени, срабатывая только через 30-40 мс после начала поступления звука, притом полная защита не достигается ещё при длительности 150 мс. Механизм защиты активизуруется, когда уровень громкости переходит уровень 85 Дб, притом сама защита до 20 Дб.
Наиболее опасным, в данном случае, можно считать явление "сдвига слухового порога", что обычно происходит на практике в результате длительного воздействия громких звуков выше 90 Дб. Процесс восстановления слуховой системы после такого вредного воздействия может длиться до 16 часов. Сдвиг порогов начинается уже с уровня интенсивности 75 Дб, и увеличивается пропорционально с повышением уровня сигнала.

При рассмотрении проблемы правильного уровня звуковой интенсивности хуже всего осознавать тот факт, что проблемы (приобретённые или врождённые), связанные со слухом, практически не поддаются лечению в наш век достаточно развитой медицины. Всё это должно наводить любого здравомыслящего человека на мысли о бережном отношении к своему слуху, если конечно планируется сохранить его первозданную целостность и способность слышать весь частотный диапазон как можно дольше. К счастью, всё не так страшно, как может показаться на первый взгляд, и соблюдая ряд мер предосторожности можно легко сохранить слух даже в старости. Прежде чем рассматривать эти меры, необходимо вспомнить про одну важную особенность слухового восприятия человека. Слуховой аппарат воспринимает звуки нелинейно. Заключается подобное явление в следующем: если представить какую-то одну частоту чистого тона, например 300 Гц, то нелинейность проявляется при возникновении в ушной раковине обертонов этой основной частоты по логарифмическому принципу (если основную частоту принять за f, то обертоны частоты будут 2f, 3f и т.д. по возрастающей). Эта нелинейность так же проще для восприятия и знакома многим под названием "нелинейные искажения" . Поскольку в первоначальном чистом тоне таких гармоник (обертонов) не возникает, получается, что ухо само по себе вносит свои поправки и призвуки в первоначальное звучание, но определить их можно только в качестве субъективных искажений. При уровне интенсивности ниже 40 дБ субъективные искажения не возникают. При увеличении интенсивности с 40 дБ уровень субъективных гармоник начинает нарастать, однако ещё на уровне 80-90 дБ их негативный вклад в звучание относительно невелик (поэтому данный уровень интенсивности условно можно считать своеобразной "золотой серединой" в музыкальной сфере).

Основываясь на этой информации, можно без труда вывести безопасный и приемлимый уровень громкости, который не навредит слуховым органам и при этом даст возможность услышать абсолютно все особенности и детали звучания, например в случае работы с "hi-fi" системой. Этот уровень "золотой середины" составляет примерно 85-90 дБ. Именно при такой интенсивности звука реально услышать всё то, что заложено в аудиотракте, при этом риск преждевременного повреждения и снижения слуха сводится к минимуму. Практически полностью безопасным можно считать уровень громкости 85 дБ. Чтобы разобраться, в чём заключается опасность громкого прослушивания и почему слишком низкий уровень громкости не позволяет услышать всех нюансов звучания, рассмотрим этот вопрос подробнее. Что касается низких уровней громкости, то отсутствие целесообразности (но чаще субъективного желания) прослушивания музыки на низких уровнях обуславливается следующими причинами:

1. Нелинейность слухового восприятия человека;
2. Особенности психоакустического восприятия, которые будут рассмотрены отдельно.

Нелинейность слухового восприятия, рассмотренная выше, оказывает существенное влияние на любой громкости ниже 80 дБ. На практике это выглядит следующим образом: если включить музыку на тихом уровне, например 40 дБ, то отчётливее всего будет слышно среднечастотный диапазон музыкальной композиции, будь то вокал исполнителя/исполнительницы или инструменты, играющие в этом диапазоне. В это же время будет ощущаться явная нехватка низких и высоких частот, обусловленная как раз нелинейностью восприятия а так же тем, что различные частоты звучат с разной громкостью. Таким образом очевидно, что для полноценного восприятия всей полноты картины, частотный уровень интенсивности необходимо максимально выровнять к единому значению. Несмотря на то, что даже на уровне громкости 85-90 дБ идеализированного выравнивания громкости разных частот не происходит, уровень становится приемлимым для нормального повседневного прослушивания. Чем ниже громкость в тоже время, тем отчётливей будет восприниматься на слух характерная нелинейность, а именно ощущение отсутствия должного количества высоких и низких частот. Вместе с этим получается, что при такой нелинейности нельзя говорить серьёзно о воспроизведении звучания "hi-fi" качества высокой точности, ибо точность передачи оригинальной звуковой картины будет крайне низкой в данной конкретной ситуации.

Если вникнуть в эти выводы, то становится понятно, почему на низком уровне громкости прослушивание музыки хоть и максимально безопасное с точки зрения здоровья, но крайне отрицательно ощущается на слух по причине создания явно неправдоподобных образов музыкальных инструментов и голоса, отсутствия масштабности звуковой сцены. В целом, тихое воспроизведение музыки можно использовать в качестве фонового сопровождения, но совершенно противопоказано проводить прослушивание высокого "hi-fi" качества на низкой громкости, по вышеуказанным причинам невозможности создания натуралистичных образов звуковой сцены, которая была сформирована звукорежиссёром в студии, на этапе звукозаписи. Но не только низкая громкость вводит определённые ограничения на восприятие конечного звучания, гораздо хуже ситуация обстоит с повышенной громкостью. Повредить слух и достаточно сильно понизить чувствительность можно и достаточно просто, если продолжительное время слушать музыку на уровнях выше 90 дБ. Эти данные основаны на большом количестве медицинских исследований, заключающие, что звук громкостью выше 90 дБ оказывает реальный и практически непоправимый вред здоровью. Механизм этого явления кроется в слуховом восприятии и особенностях строения уха. Когда звуковая волна интенсивностью выше 90 дБ попадает в слуховой канал, в дело вступают органы среднего уха, вызывая явление, называемое слуховой адаптацией.

Принцип происходящего в этом случае такой: стремечко отводится от овального окна и предохраняет внутреннее ухо от слишком громких звуков. Этот процесс носит название акустического рефлекса . На слух подобное воспринимается как кратковременное снижение чувствительности, что может быть знакомо каждому, кто хоть раз посещал рок-концерты в клубах, например. После такого концерта возникает кратковременное снижение чувствительности, которая по истечению некоторого периода времени восстанавливается на прежний уровень. Однако восстановление чувствительности будет далеко не всегда и напрямую зависит от возраста. За всем этим и кроется большая опасность громких прослушиваний музыки и других звуков, интенсивность которых превышает 90 дБ. Возникновение акустического рефлекса не единственная "видимая" опасность потери слуховой чувствительности. При длительном воздействии слишком громких звуков, волоски, расположенные в области внутреннего уха (которые реагируют на колебания), отклоняются очень сильно. В этом случае происходит эффект, что волосок, отвечающий за восприятие определённой частоты отклоняется под воздействием звуковых вибраций большой амплитуды. В определённый момент такой волосок может отклониться слишком сильно и обратно уже не вернуться. Это вызовет соответствующий эффект потери чувствительности на конкретной определённой частоте!

Самым страшным во всей этой ситуации является то, что болезни уха практически не поддаются лечению, даже самыми современными методами, известными медицине. Всё это наводит на определённые серьёзные выводы: звук выше 90 дБ опасен для здоровья и практически гарантированно вызовет преждевременную потерю слуха или существенное снижение чувствительности. Ещё неприятнее и то, что в игру со временем вступает ранее упомянутое свойство адаптации. Этот процесс у человеческих слуховых органов происходит практически незаметно, т.е. человек, медленно теряющий чувствительность, близко к 100% вероятности не заметит этого до момента, пока окружающие люди сами не обратят внимание на постоянные переспрашивания, вроде: "Что Вы только что сказали?". Вывод в итоге предельно простой: при прослушивании музыки жизненно важно не допускать уровней интенсивности звука выше 80-85 дБ! В этом же моменте кроется и положительная сторона: уровень громкости 80-85 дБ примерно соответствует уровню звукозаписи музыки в студийных условиях. Вот и возникает понятие "Золотой середины", выше которой лучше не подниматься, если вопросы здоровья имеют хоть какое-то значение.

Даже достаточно кратковременное прослушивание музыки на уровне 110-120 дБ может вызвать проблемы со слухом, например во время живого концерта. Очевидно, что избежать этого временами нельзя или очень трудно, но крайне важно стараться это делать для сохранения целостности слухового восприятия. Теоретически, кратковременное воздействие громких звуков (не превышающих 120 дБ), ещё до момента возникновения "слуховой утомляемости", не приводит к серьёзным негативным последствиям. Но на практике обычно встречаются случаи длительного воздействия звуком такой интенсивности. Люди оглушают сами себя, не осознавая всей степени опасности в автомобиле при прослушивании аудиосистемы, дома в аналогичных условиях, или в наушниках портативного плеера. Почему так происходит, и что вынуждает делать звук всё громче и громче? Ответов на этот вопрос два: 1) Влияние психоакустики, о которой будет рассказано отдельно; 2) Постоянная необходимость "перекричать" громкостью музыки какие-то внешние звуки. Первый аспект проблемы достаточно интересен, и будет детально рассмотрен далее, а вот вторая сторона проблемы больше наводит на негативные мысли и выводы об ошибочном понимании истинных основ правильного прослушивания звучания "hi-fi" класса.

Не вдаваясь в особенности, общий вывод о прослушивании музыки и правильной громкости звучит следующим образом: прослушивание музыки должно происходить при уровнях звуковой интенсивности не выше 90 дб, не ниже 80 дБ в помещении, в котором сильно заглушены или полностью отсутствуют посторонние звуки внешних источников (такие как: разговоры соседей и прочий шум, за стеной квартиры; шумы улицы и технические шумы в случае, если вы находитесь в салоне автомобиля, и т.д.). Хочется выделить раз и навсегда, что именно в случае соблюдения таких, вероятно жёстких требований, можно достичь долгожданного баланса громкости, которая не вызовет преждевременных нежелательных повреждений слуховых органов, а так же доставит истинное удовольствие от прослушивания любимых музыкальных произведений с мельчайшими деталями звучания на высоких и низких частотах и точностью, которую преследует само понятие "hi-fi" звучания.

Психоакустика и особенности восприятия

Чтобы наиболее полно ответить на некоторые важные вопросы, касающиеся конечного восприятия человеком звуковой информации, существует целый раздел науки, изучающий огромное многообразие подобных аспектов. Этот раздел именуется "психоакустикой". Дело в том, что слуховое восприятие не заканчивается только на работе слуховых органов. После непосредственного восприятия звука органом слуха (ухо), далее в действие вступает самый сложный и малоизученный механизм анализа полученной информации, за это всецело отвечает головной мозг человека, который устроен таким образом, что при работе генерирует волны определённой частоты, и они так же обозначаются в Герцах (Гц). Различные частоты мозговых волн соответствуют определённым состояниям человека. Таким образом получается, что прослушивание музыки способствует изменению настройки частоты мозга, и это важно учитывать при прослушивании музыкальных композиций. На основании этой теории существует так же метод звукотерапии путём прямого влияния на психическое состояние человека. Мозговые волны бывают пяти типов:

1. Дельта-волны (волны ниже 4 Гц). Соответствует состоянию глубокого сна без сновидений, при этом полностью отсутствуют ощущения тела.
2. Тета-волны (волны 4-7 Гц). Состояние сна или глубокой медитации.
3. Альфа-волны (волны 7-13 Гц). Состояния расслабления и релаксации во время бодрствования, сонливость.
4. Бета-волны (волны 13-40 Гц). Состояние активность, повседневного мышления и мыслительной деятельности, возбуждение и познание.
5. Гамма-волны (волны выше 40 Гц). Состояние сильной умственной активности, страха, возбуждения и осознания.

Психоакустика, как раздел науки, ищет ответы на самые интересные вопросы, касающиеся конечного восприятия человеком звуковой информации. В процессе изучения этого процесса вскрывается огромное количество факторов, влияние которых неизменно происходит как в процессе прослушивания музыки, так и в любом другом случае обработки и анализа любой звуковой информации. Психоакуситка изучает практически всё многообразие возможных влияний, начиная с эмоционального и психического состояния человека в момент прослушивания, заканчивая особенностями строения голосовых связок (в случае, если речь идёт об особенностях восприятия всех тонкостей вокального исполнения) и механизма преобразования звука в электрические импульсы мозга. Наиболее интересные, а главное важные факторы (которые жизненно необходимо учитывать каждый раз при прослушивании любимых музыкальных композиций, а так же при построении профессиональной аудиосистемы) будут рассмотрены далее.

Понятие созвучности, музыкальной созвучности

Устройство человеческой слуховой системы уникально в первую очередь механизмом восприятия звука, нелинейностью слуховой системы, способностью группировать звуки по высоте с достаточно высокой степенью точности. Наиболее интересной особенностью восприятия можно отметить нелинейность слуховой системы, которая проявляется в виде возникновения дополнительных несуществующих (в основном тоне) гармоник, особенно часто проявляется у людей с музыкальным или абсолютным слухом. Если же подробнее остановится и проанализировать все тонкости восприятия музыкального звучания, то легко выделяется понятие "консонансности" и "диссонансности" различных аккордов и интервалов звучания. Понятие "консонанс" определяется как согласное (от французского слова "согласие") звучание, и соответственно наоборот, "диссонанс" - несогласное, нестройное звучание. Несмотря на многообразие различных трактовок этих понятий характеристики музыкальных интервалов, наиболее удобно использовать "музыкально-психологическую" расшифровку терминов: консонанс определяется и ощущается человеком как приятное и комфортное, мягкое звучание; диссонанс же можно охарактеризовать с другой стороны как звучание, вызывающее раздражение, беспокойство и напряжение. Подобная терминология носит слегка субьективный характер, а так же, за историю развития музыки совершенно различные интервалы принимались за "созвучные" и наоборот.

В наше время данные понятия так же сложно воспринимать однозначно, поскольку наблюдаются различия у людей с отличными музыкальными предпочтениями и вкусами, а также нет общепризнанного и согласованного понятия гармонии. Психоакустическая основа восприятия различных музыкальных интервалов в качестве консонансных или диссонансных напрямую зависит от понятия "критической полосы". Кртическая полоса - это определённая ширина полосы, внутри которой слуховые ощущения резко изменяются. Ширина критических полос с повышением частоты пропорционально расширяется. Поэтому, ощущение консонансов и диссонансов напрямую связано с наличием критических полос. Слуховой орган человека (ухо), как уже было сказано ранее, выполняет роль полосового фильтра на определённом этапе анализа звуковых волн. Эта роль отводится базилярной мембране, на которой располагается 24 критических полосы с частотнозависимой шириной.

Таким образом, созвучность и несогласованность (консонансность и диссонансность) напрямую зависит от разрешающей способности слуховой системы. Получается, что если два разных тона звучат в унисон или разница частот равна нулю, то это совершенный консонанс. Такой же консонанс возникает в случае, если разница частот будет больше, чем критическая полоса. Диссонанс же возникает лишь тогда, когда разница частот составляет от 5% до 50% от критической полосы. Наивысшая степень диссонанса в данном отрезке прослушивается, если разница составляет одну четверть от ширины критической полосы. На основании этого легко проанализировать любую сведённую музыкальную запись и сочетание инструментов на предмет созвучности или диссонансности звучания. Нетрудно догадаться, какую большую роль в этом случае играет звукорежиссёр, студия звукозаписи и прочие составляющие конечного цифрового или аналогового оригинала звуковой дорожки, и всё это ещё даже до попытки воспроизведения на звуковоспроизводящем оборудовании.

Локализация звука

Воспринимать всю полноту пространственной звуковой картины человеку помогает система бинаурального слуха и пространственной локализации. Этот механизм восприятия реализуется за счёт двух приёмников слуха и двух слуховых каналов. Звуковая информация, которая поступает по этим каналам, в последствии обрабатывается в переферической части слуховой системы и подвергается спектрально временному анализу. Далее, эта информация передаётся в высшие отделы головного мозга, где сравнивается разница левого и правого звукового сигнала, а так же формируется единый звуковой образ. Этот описанный механизм именуется бинауральным слухом . Благодаря этому, у человека имеются такие уникальные возможности:

1) локализация звуковых сигналов от одного или нескольких источников, при этом формируется пространственная картина восприятия звукового поля
2) разделение сигналов, приходящих от различных источников
3) выделение одних сигналов, на фоне других (например, выделение речи и голоса из шума или звучания инструментов)

Пространственную локализацию легко наблюдать на простом примере. На концерте, со сценой и некоторым количеством музыкантов на ней в определённом отдалении друг от друга, можно легко (при желании даже закрыв глаза) определить направление прихода звукового сигнала каждого инструмента, оценить глубину и пространственность звукового поля. Таким же образом ценится хорошая hi-fi система, способная достоверно "воспроизвести" подобные эффекты пространственности и локализации, тем самым фактически "обманув" мозг, заставив почувствовать полноценное присутствие на живом выступлении любимого исполнителя. Локализацию звукового источника обычно обуславливают три основных фактора: временной, интенсивностный и спектральный. Независимо от этих факторов, имеется ряд закономерностей, с помощью которых можно понять основы, касающиеся локализации звука.

Наибольший эффект локализации, воспринимаемый человеческими органами слуха, находится в области средних частот. В то же время, практически невозможно определить направление звуков частот выше 8000 Гц и ниже 150 Гц. Последний факт особенно широко используется в системах hi-fi и домашнего театра при выборе местоположения сабвуфера (низкочастотного звена), расположение которого в помещении ввиду отсутствия локализации частот ниже 150 Гц практически не имеет значения, и у слушателя в любом случае возникает целостный образ звуковой сцены. Точность локализации зависит от расположения источника излучения звуковых волн в пространстве. Таким образом, наибольшая точность локализации звуков отмечается в горизонтальной плоскости, достигая значения 3°. В вертикальной плоскости человеческая слуховая система гораздо хуже определяет направление источника, точность в этом случае составляет 10-15° (из-за специфического строения ушных раковин и сложной геометрии). Точность локализации слегка варьируется в зависимости от угла расположения излучающих звук объектов в пространстве углами относительно слушателя, а так же, на конечный эффект оказывает влияние степень дифракции звуковых волн головы слушателя. Следует так же заметить, что широкополосные сигналы локализуются лучше, чем узкополосный шум.

Гораздо интереснее обстоит дело с определением глубины направленного звука. Например, человек по звуку может определить расстояние до объекта, однако, происходит это в большей степени за счёт изменения звукового давления в пространстве. Обычно, чем дальше объект от слушателя, тем больше происходит ослабление звуковых волн в свободном пространстве (в помещении добавляется влияние отражённых звуковых волн). Таким образом можно заключить, что точность локализации выше в закрытом помещении именно за счёт возникновения ревербации. Отражённые волны, возникающие в закрытых помещениях, дают возможность появлению таких интересных эффектов, как расширение звуковой сцены, обволакивание и пр. Данные явления возможны именно за счёт восприимчивости трёхмерной локализации звуков. Основные зависимости, которые и определяют горизонтальную локализацию звука: 1) разница по времени прихода звуковой волны в левое и правое ухо; 2) разница в интенсивности, возникающая из-за дифракции на голове слушателя. Для определения глубины звука важна разница уровня звукового давления и разница спектрального состава. Локализация в вертикальной плоскости так же сильно зависима от дифракции в ушной раковине.

Сложнее обстоит дело с современными системами пространственного звучания на основе технологии dolby surround и аналогов. Казалось бы, принцип построения систем домашнего кинотеатра чётко регламентируют способ воссоздания достаточно натуралистичной пространственной картины 3D звучания с присущим объёмом и локализацией виртуальных источников в пространстве. Однако, не всё так тривиально, поскольку обычно не принимаются во внимание сами механизмы восприятия и локализации большого количества источников звука. Преобразование звука органами слуха предполагает процесс сложения сигналов разных источников, пришедших в разные уши. Притом, если фазовая структура разных звуков более менее синхронна, такой процесс на слух воспринимается как звук, исходящий от одного источника. Имеется ещё и целый ряд трудностей, включая особенности механизма локализации, затрудняющий точность определения направления источника в пространстве.

Ввиду вышесказанного, наиболее трудной задачей становится разделение звуков от разных источников, особенно, если эти разные источники проигрывают схожий амплитудно-частотный сигнал. А именно это и происходит на практике в любой современной системе пространственного звучания, и даже в обычной стереосистеме. Когда человек прослушивает большое количество звуков, исходящих от разных источников, сначала происходит определение принадлежности каждого конкретного звука тому источнику, который его создаёт (группировка по частоте, высоте, тембру). И только вторым этапом слух пытается локализовать источник. После этого приходящие звуки разделяются по потокам, основываясь на пространственных признаках (разница во времени поступления сигналов, разница по амплитуде). На основе полученной информации формируется более менее статичный и фиксированный слуховой образ, из которого которого возможно определить, откуда идёт каждый конкретный звук.

Очень удобно отследить данные процессы на примере обычной сцены, с фиксированно расположенными на ней музыкантами. При этом, очень интересно то, что если вокалист/исполнитель, занимая изначально определённую позицию на сцене начнёт плавно перемещаться по сцене в любом направлении, ранее сформированный слуховой образ не изменится! Определение направления звука, исходящего от вокалиста, останется субъективно прежним, как-буд-то он стоит на том же месте, на котором стоял до перемещения. Только в случае резкого изменения местоположения исполнителя на сцене произойдёт расщипление сформированного звукового образа. Помимо рассмотренных проблем и сложности процессов локализации звуков в пространстве, в случае с многоканальными системами пространственного звучания достаточно большую роль оказывает процесс ревербации в конечном помещении для прослушивания. Наиболее ярко эта зависимость наблюдается, когда большое число отражённых звуков приходит со всех сторон - точность локализации существенно ухудшается. Если же энергетическая насыщенность отражённых волн больше (преобладает) чем прямых звуков, критерий локализации в таком помещении становится крайне размытым, говорить о точности определения таких источников крайне затруднительно (если вообще возможно).

Однако, в сильно ревербирующем помещении локализация теоретически происходит, в случае широкополосных сигналов слух ориентируется по параметру разницы интенсивности. В этом случае определение направления осуществляется по высокочастотной составляющей спектра. В любом помещении точность локализации будет зависеть от времени прихода отражённых звуков после прямых звуков. При слишком малом интервале разрыва между этими звуковыми сигналами в помощь слуховой системе начинает работать "закон прямой волны". Суть этого явления: если звуки с коротким интервалом задержки по времени приходят с разных направлений, то локализация всего звука происходит по первому пришедшему звуку, т.е. слух игнорирует в какой-то степени отраженный звук, если он приходит через слишком короткий отрезок времени после прямого. Подобный эффект проявляется и тогда, когда происходит определение направления прихода звука в вертикальной плоскости, но в этом случае гораздо слабее (по причине того, что восприимчивость слуховой системы к локализации в вертикальной плоскости заметно хуже).

Суть эффекта предшествования гораздо глубже и имеет психологическую, нежели физиологическую природу. Было проведено большое количество экспериментов, на основании которых установлена зависимость. Возникает этот эффект преимущественно тогда, когда время появления эха, его амплитуда и направление совпадают с некоторым "ожиданием" слушателя от того, как акустика данного конкретного помещения формирует звуковой образ. Возможно, человек уже имел опыт прослушивания в данном помещении или аналогичных, что и формирует предрасположенность слуховой системы к возникновению "ожидаемого" эффекта предшествования. Чтобы обойти данные ограничения, присущие человеческому слуху, в случае с несколькими источниками звука используются различные уловки и хитрости, с помощью которых и формируется в конечном счёте более менее правдоподобная локализация музыкальных инструментов/других источников звука в пространстве. По большому счёту, воспроизведение стерео и многоканальных звуковых образов строится на большом обмане и создании слуховой иллюзии.

Когда две или большее число акустических систем (например, 5.1 или 7.1, или даже 9.1) воспроизводят звук из разных точек помещения, слушатель при этом слышит звуки, исходящие из несуществующих или мнимых источников, воспринимая определенную звуковую панораму. Возможность этого обмана заключается в биологических особенностях устройства организма человека. Скорее всего, человек не успел адаптироваться к распознаванию подобного обмана по причине того, что принципы "искусственного" звуковоспроизведения появились сравнительно недавно. Но, хоть и процесс создания мнимой локализации оказался возможным, реализация по сей день далека от совершенства. Дело в том, что слух действительно воспринимает источник звука там, где его на самом деле нет, но правильность и точность передачи звуковой информации (в частности тембра) оказывается под большим вопросом. Методом многочисленных опытов в реальных ревербационных помещениях и в заглушенных камерах было установлено, что тембр звуковых волн от реальных и мнимых источников отличается. В основном это сказывается на субъективном восприятии спектральной громкости, тембр в этом случае видоизменяется существенным и заметным образом (при сравнении с аналогичным звуком, воспроизведённом реальным источником).

В случае с многоканальными системами домашнего кинотеатра уровень искажений заметно выше, по нескольким причинам: 1) Много схожих по амплитудно-частотной и фазофой характеристике звуковых сигналов одновременно приходит с разных источников и направлений (включая переотражённые волны) на каждый ушной канал. Это приводит к увеличению искажений и появлению гребенчатой фильтрации. 2) Сильное разнесение громкоговорителей в пространстве (относительно друг друга, в многоканальных системах это расстояние может быть несколько метров и более) способствует росту тембровых искажений и окраске звука в области мнимого источника. В качестве итога можно сказать, что окрашивание тембра в системах многоканального и объёмного звучания на практике происходят по двум причинам: явление гребенчатой фильтрации и влияние ревербационных процессов конкретного помещения. В случае, если за воспроизведение звуковой информации отвечает более одного источника (это касается и стереосистемы с 2-умя источниками), неизбежно появление эффекта "гребенчатой фильтрации", вызванной разным временем прибытия звуковых волн на каждый слуховой канал. Особая неравномерность наблюдается в области верхней середины 1-4 кГц.

Психоакустика - область науки, граничащая между физикой и психологией, изучает данные о слуховом ощущении человека при действии на ухо физического раздражения - звука. Накоплен большой объем данных о реакциях человека на слуховые раздражения. Без этих данных трудно получить правильное представление о работе систем передачи сигналов звуковой частоты. Рассмотрим наиболее важные особенности восприятия звука человеком.
Человек ощущает изменения звукового давления, происходящие с частотой 20-20 000 Гц. Звуки с частотой ниже 40 Гц сравнительно редко встречаются в музыке и не существуют в разговорной речи. На очень высоких частотах музыкальное восприятие исчезает и возникает некое неопределенное звуковое ощущение, зависящее от индивидуальности слушателя, его возраста. С возрастом чувствительность слуха у человека уменьшается и прежде всего в области верхних частот звукового диапазона.
Но было бы неправильно делать на этом основании вывод, что для пожилых людей неважна передача звуковоспроизводящей установкой широкой полосы частот. Эксперименты показали, что люди, даже едва воспринимающие сигналы выше 12 кГц, очень легко распознают в музыкальной передаче недостаточность верхних частот.

Частотные характеристики слуховых ощущений

Область слышимых человеком звуков в диапазоне 20-20000 Гц ограничивается по интенсивности порогами: снизу - слышимости и сверху - болевых ощущений.
Порог слышимости оценивается минимальным давлением, точнее, минимальным приращением давления относительно границы чувствителен к частотам 1000-5000 Гц - здесь порог слышимости самой низкий (звуковое давление около 2- 10 Па). В сторону низших и высших звуковых частот чувствительность слуха резко падает.
Порог болевых ощущений определяет верхнюю границу восприятия звуковой энергии и соответствует примерно интенсивности звука 10 Вт/м или 130 дБ (для опорного сигнала с частотой 1000 Гц).
При увеличении звукового давления увеличивается и интенсивность звука, причем слуховое ощущение нарастает скачками, называемыми порогом различения интенсивности. Число этих скачков на средних частотах примерно 250, на низких и высоких частотах оно уменьшается и в среднем по частотному диапазону составляет около 150.

Поскольку диапазон изменения интенсивностей 130 дБ, то элементарный скачок ощущений в среднем по диапазону амплитуд равен 0,8 дБ, что соответствует изменению интенсивности звука в 1,2 раза. При низких уровнях слуха эти скачки достигают 2-3 дБ, при высоких уровнях они уменьшаются до 0,5 дБ (в 1,1 раза). Увеличение мощности усилительного тракта меньше чем в 1,44 раза практически не фиксируется ухом человека. При более низком звуковом давлении, развиваемом громкоговорителем, даже двукратное увеличение мощности выходного каскада может не дать ощутимого результата.

Субъективные характеристики звука

Качество звукопередачи оценивается на основе слухового восприятия. Поэтому правильно определить технические требования к тракту звукопередачи или отдельным его звеньям можно, только изучив закономерности, связывающие субъективно воспринимаемое ощущение звука и объективными характеристиками звука являются высота, громкость и тембр.
Понятие высоты звука подразумевает субъективную оценку восприятия звука по частотному диапазону. Звук принято характеризовать не частотой, а высотой тона.
Тон - это сигнал определенной высоты, имеющий дискретный спектр (музыкальные звуки, гласные звуки речи). Сигнал, обладающий широким непрерывным спектром, все частотные составляющие которого имеют одинаковую среднюю мощность, называется белым шумом.

Постепенное увеличение частоты звуковых колебаний от 20 до 20 000 Гц воспринимается как постепенное изменение тона от самого низкого (басового) до наиболее высокого.
Степень точности, с которой человек определяет высоту звука на слух, зависит от остроты, музыкальности и тренировки его слуха. Следует отметить, что высота звука в какой-то степени зависит от интенсивности звука (при больших уровнях звуки большей интенсивности кажутся ниже, чем слабые..
Ухо человека хорошо различает два близких по высоте тона. Например, в области частот примерно 2000 Гц человек может различать два тона, которые отличаются друг от друга по частоте на 3-6 Гц.
Субъективный масштаб восприятия звука по частоте близок к логарифмическому закону. Поэтому увеличение частоты колебаний вдвое (независимо or начальной частоты) всегда воспринимается как одинаковое изменение высоты тона. Интервал высоты, соответствующий изменению частоты в 2 раза, называется октавой. Диапазон частот, воспринимаемых человеком, 20-20 000 Гц, он охватывает приблизительно десять октав.
Октава - достаточно большой интервал изменения высоты тона; человек различает значительно меньшие интервалы. Так, в десяти октавах, воспринимаемых ухом, можно различить более тысячи градаций высоты тона. В музыке используются меньшие интервалы, называемые полутонами и соответствующие изменению частоты приблизительно в 1,054 раза.
Октаву делят на полуоктавы и треть октавы. Для последних стандартизован следующий ряд частот: 1; 1,25; 1,6; 2; 2,5; 3; 3,15; 4; 5; 6,3: 8; 10, являющихся границами третьоктав. Если эти частоты расположить на равных расстояниях по оси частот, то получится логарифмический масштаб. Исходя из этого все частотные характеристики устройств передачи звука строят в логарифмическом масштабе.
Громкость передачи зависит не только от интенсивности звука, но и от спектрального состава, условий восприятия и длительности воздействия. Так, два звучащих тона средней и низкой частоты, имеющие одинаковую интенсивность (или одинаковое звуковое давление), воспринимаются человеком не как одинаково громкие. Поэтому введено понятие уровня громкости в фонах для обозначения звуков одинаковой громкости. За уровень громкости звука в фонах принимают уровень звукового давления в децибелах такой же громкости чистого тона частотой 1000 Гц, т.е для частоты 1000 Гц уровни громкости в фонах и децибелах совпадают. На других частотах при одном и том же звуковом давлении звуки могут казаться более громкими или более тихими.
Опыт работы звукорежиссеров по записи и монтажу музыкальных произведений показывает, что для лучшего обнаружения дефектов звучания, которые могут возникнуть в процессе работы, уровень громкости, при контрольном прослушивании следует поддерживать высоким, примерно соответствующим уровню громкости в зале.
При длительном воздействии интенсивного звука чувствительность слуха постепенно снижается, и тем больше, чем выше громкость звука. Обнаруживаемое снижение чувствительности связано с реакцией слуха на перегрузку, т.е. с естественной его адаптацией, После некоторого перерыва в прослушивании чувствительность слуха восстанавливается. К этому следует добавить, что слуховой аппарат при восприятии сигналов высокого уровня привносит свои, так называемые субъективные, искажения (что свидетельствует о нелинейности слуха). Так, при уровне сигнала 100 дБ первая и вторая субъективные гармоники достигают уровня 85 и 70 дБ.
Значительный уровень громкости и длительность его воздействия вызывают необратимые явления в слуховом органе. Отмечено, что у молодежи за последние годы резко возросли пороги слышимости. Причиной этого явилось увлечение поп-музыкой, отличающейся высокими уровнями громкости звучания.
Уровень громкости измеряют с помощью электроакустического прибора - шумомера. Измеряемый звук сначала преобразуется микрофоном в электрические колебания. После усиления специальным усилителем напряжения этих колебаний измеряют стрелочным прибором, отрегулированным в децибелах. Чтобы показания прибора как можно более точно соответствовали субъективному восприятию громкости, прибор снабжен специальными фильтрами, изменяющими его чувствительность к восприятию звука разных частот в соответствии с характеристикой чувствительности слуха.
Важной характеристикой звука является тембр. Способность слуха различать его позволяет воспринимать сигналы с большим разнообразием оттенков. Звучание каждого из инструментов и голосов благодаря характерным для них оттенкам становится многокрасочным и хорошо узнаваемым.
Тембр, являясь субъективным отображением сложности воспринимаемого звучания, не имеет количественной оценки и характеризуется терминами качественного порядка (красивый, мягкий, сочный и др.). При передаче сигнала по электроакустическому тракту возникающие искажения в первую очередь влияют на тембр воспроизводимого звука. Условием правильной передачи тембра музыкальных звуков является неискаженная передача спектра сигнала. Спектром сигнала называют совокупность синусоидальных составляющих сложного звука.
Простейшим спектром обладает так называемый чистый тон, в нем присутствует только одна частота. Более интересным оказывается звук музыкального инструмента: его спектр состоит из частоты основного тона и нескольких ""примесных" частот, называемых обертонами (высшими тонами). Обертоны кратны частоте основного тона и обычно меньше его по амплитуде.
От распределения интенсивности по обертонам зависит тембр звука. Звуки разных музыкальных инструментов различаются по тембру.
Более сложным оказывается спектр сочетания музыкальных звуков, называемый аккордом. В таком спектре присутствуют несколько основных частот вместе ссоответствуюшими обертонами
Различия в тембре onpeделяются в основном низко-средне частотными составляющими сигнала, следовательно, и большое разнообразие тембров связано с сигналами, лежащими в нижней части частотного диапазона. Сигналы же, относяшиеся к верхней его части, по мере повышения все больше теряют свою окраску тембра, что обусловлено постепенным уходом их гармонических составляющих за пределы слышимых частот. Это можно объяснить тем, что в образовании тембра низких звуков активно участвуют до 20 и более гармоник, средних 8 - 10, высоких 2 - 3, так как остальные либо слабы, либо выпадают из области слышимых частот. Поэтому высокие звуки, как правило, по тембру беднее.
Практически у всех естественных источников звука, в том числе и у источников музыкальных звуков, наблюдается специфическая зависимость тембра от уровня громкости. К такой зависимости приспособлен и слух - для него является естественным определение интенсивности источника по окраске звука. Громкие звуки обычно являются и более резкими.

Музыкальные источники звука

Большое влияние на качество звучания электроакустических систем оказывает ряд факторов, характеризующих первичные источники звуков.
Акустические параметры музыкальных источников зависят от состава исполнителей (оркестр, ансамбль, группа, солиста и типа музыки: симфоническая, народная, эстрадная и пр.).

Зарождение и формирование звука на каждом музыкальном инструменте имеет свою специфику, связанную с акустическими особенностями звукообразования в том или ином музыкальном инструменте.
Важным элементом музыкального звука является атака. Это - специфический переходный процесс, в течение которого устанавливаются стабильные характеристики звука: громкость, тембр, высота. Любой музыкальный звук проходит три стадии -начало, середину и конец, причем и начальная, и конечная стадии имеют некоторую продолжительность. Начальная стадия называется атакой. Длится она по-разному: у щипковых, ударных и некоторых духовых инструментов 0-20 мс, у фагота 20-60 мс. Атака - это не просто нарастание громкости звука от нуля до некоторого установившегося значения, она может сопровождаться таким же изменением высоты звука и его тембра. Причем характеристики атаки инструмента неодинаковы в разных участках его диапазона при разной манере игры: скрипка по богатству возможных выразительных способов атаки - наиболее совершенный инструмент.
Одна из характеристик любого музыквльного инструмента - это частотный диапазон звучания. Кроме основных частот каждый инструмент характеризуется дополнительными высококачественными составляющими - обертонами (или, как принято в электроакустике, - высшими гармониками), определяющими его специфический тембр.
Известно, что звуковая энергия неравномерно распределяется по всему спектру звуковых частот, излучаемых источником.
Большинство инструментов характеризуется усилением основных частот, а также отдельных обертонов в определенных (одной или нескольких) относительно узких полосах частот (формантах), различных для каждого инструмента. Резонансные частоты (в герцах) формантной области составляют: для трубы 100-200, валторны 200-400, тромбона 300-900, трубы 800-1750, саксофона 350-900, гобоя 800-1500, фагота 300-900, кларнета 250-600.
Другое характерное свойство музыкальных инструментов - сила их звука, обусловливается большей или меньшей амплитудой (размахом) их звучащего тела или воздушного столба (большей амплитуде соответствует более сильное звучание и наоборот). Значение пиковых акустических мощностей (в ваттах) составляет: для большого оркестра 70, большого барабана 25, литавр 20, малого барабана 12, тромбона 6, фортепиано 0,4, трубы и саксофона 0,3, трубы 0,2, контрабаса 0.(6, малой флейты 0,08, кларнета, валторны и треугольника 0,05.
Отношение мощности звука, извлекаемого из инструмента при исполнении "фортиссимо", к мощности звука при исполнении "пианиссимо" принято называть динамическим диапазоном звучания музыкальных инструментов.
Динамический диапазон музыкального источника звука зависит от вида исполнительского коллектива и характера исполнения.
Рассмотрим динамический диапазон отдельных источников звука. Под динамическим диапазоном отдельных музыкальных инструментов и ансамблей (различные по составу оркестры и хоры), а также голосов понимают отношение максимальных звуковых давлений, создаваемых данным источником, к минимальным, выраженное в децибелах.
На практике при определении динамического диапазона источника звука обычно оперируют только уровнями звукового давления, вычисляя или измеряя соответствующую их разность. Например, если максимальный уровень звучания оркестра составляет 90, а минимальный 50 дБ, то говорят, что динамический диапазон равен 90 - 50= = 40 дБ. При этом 90 и 50 дБ - это уровни звукового давления относительно нулевого акустического уровня.
Динамический диапазон для данного источника звука - величина непостоянная. Она зависит от характера исполняемого произведения и от акустических условий помещения, в котором происходит исполнение. Реверберация расширяет динамический диапазон, который обычно достигает максимального значения в помещениях, имеющих большой объем и минимальное звукопоглощение. Почти у всех инструментов и человеческих голосов динамический диапазон неравномерен по регистрам звучания. Например, уровень громкости самого низкого звука на "форте" у вокалиста равен уровню самого высокого звука на "пиано".

Динамический диапазон той или иной музыкальной программы выражается таким же образом, как и для отдельных источников звука, но максимальное звуковое давление отмечается при динамическом ff (фортиссимо) оттенке, а минимальное при рр (пианиссимо).

Наибольшей громкости, обозначаемой в нотах fff (форте-, фортиссимо), соответствует акустический уровень звукового давления примерно 110 дБ, а наименьшей громкости, обозначаемой в нотах ррр (пиано-пианиссимо), примерно 40 дБ.
Следует отметить, что динамические оттенки исполнения в музыке относительны и их связь с соответствующими уровнями звукового давления до некоторой степени условна. Динамический диапазон той или иной музыкальной программы зависит от характера сочинения. Так, динамический диапазон классических произведений Гайдна, Моцарта, Вивальди редко превышает 30-35 дБ. Динамический диапазон эстрадной музыки обычно не превышает 40 дБ, а танцевальной и джазовой - всего около 20 дБ. Большинство произведений для оркестра русских народных инструментов также имеют небольшой динамический диапазон (25-30 дБ). Это справедливо и для духового оркестра. Однако максимальный уровень звучания духового оркестра в помещении может достигать достаточно большого уровня (до 110 дБ).

Эффект маскировки

Субъективная оценка громкости зависит от условий, в которых звук воспринимается слушателем. В реальных условиях акустический сигнал не существует в абсолютной тишине. Одновременно с ним воздействуют на слух посторонние шумы, затрудняющие звуковое восприятие, маскируюшие в определенной мере основной сигнал. Эффект маскировки чистого синусоидального тона посторонним шумом оценивается величиной, указываюшей. на сколько децибел повышается порог слышимости маскируемого сигнала над порогом его восприятия в тишине.
Опыты по определению степени маскировки одного звукового сигнала другим показывают, что тон любой частоты маскируется более низкими тонами значительно эффективнее, чем более высокими. Например, если два камертона (1200 и 440 Гц) излучают звуки с одинаковой интенсивностью, то мы перестаем слышать первый тон, он замаскирован вторым (погасив вибрацию второго камертона, мы снова услышим первый).
Если одновременно существуют два сложных звуковых сигнала, состоящих из определенных спектров звуковых частот, то возникает эффект взаимной маскировки. При этом если основная энергия обоих сигналов лежит в одной и той же области диапазона звуковых частот, то эффект маскировки будет наиболее сильным, Так, при передаче оркестрового произведения из-за маскировки аккомпанементом партия солиста может стать плохо разборчивой, невнятной.
Достижение четкости или, как принято говорить, "прозрачности" звучания при звукопередаче оркестров или эстрадных ансамблей становится весьма трудным, если инструмент или отдельные группы инструментов оркестра играют в одном или близких регистрах одновременно.
Режиссер, производя запись оркестра, обязательно учитывает особенности маскировки. На репетициях он с помощью дирижера устанавливает баланс между силой звучания инструментов одной группы, а также между группами всего оркестра. Ясность основных мелодических линий и отдельных музыкальных партий достигается в этих случаях близким расположением микрофонов к исполнителям, умышленным выделением звукорежиссером наиболее важных в данном месте произведения инструментов и другими специальными приемами звукорежиссуры.
Явлению маскировки противостоит психофизиологическоя способность органов слуха выделять из обшей массы звуков один или несколько, несущих наиболее важную информацию. Например, при звучании оркестра дирижер замечает малейшие неточности в исполнении партии на каком-либо инструменте.
Маскировка может существенно влиять на качество передачи сигнала. Четкое восприятие принимаемого звука возможно в том случае, если его интенсивность существенно превышает уровень составляющих помех, находящихся в той же полосе, что и принимаемый звук. При равномерной помехе превышение сигнала должно быть 10- 15 дБ. Эта особенность слухового восприятия находит практическое применение, например, при оценке электроакустических характеристик носителей. Так, если отношение сигнал-шум аналоговой грампластинки 60 дБ, то динамический диапазон записанной программы может быть не более 45- 48 дБ.

Временные характеристики слухового восприятия

Слуховой аппарат, как и любая другая колебательная система, инерционен. При исчезновении звука слуховое ощущение исчезает не сразу, а постепенно, уменьшаясь до нуля. Время, в течение которого ошущение по уровню громкости уменьшается на 8- 10 фон, называется постоянной времени слуха. Эта постоянная зависит от ряда обстоятельств, а также от параметров воспринимаемого звука. Если к слушателю приходят два коротких звуковых импульса, одинаковых пи частотному составу и уровню, но один из них запаздывает, то они будут восприниматься слитно при запаздывании, не превышающем 50 мс. Пои больших интервалах запаздывания оба импульса воспринимаются раздельно, возникает эхо.
Эта особенность слуха учитывается при конструировании некоторых приборов обработки сигналов, например электронных линий задержки, ревербератов и др.
Следует отметить, что благодаря особому свойству слуха ощушение громкости кратковременного звукового импульса зависит не только от его уровня, но и от продолжительности воздействия импульса на ухо. Так, кратковременный звук, длящийся всего 10-12 мс, воспринимается ухом тише, чем звук такой же но уровню, но воздействующий на слух в течение, например 150-400 мс. Поэтому при прослушивании передачи громкость является результатом усреднения энергии звуковой волны в течение некоторого интервала. Кроме того, слух человека обладает инерцией, в частности, при восприятии нелинейных искажений он не ощущает таковых, если продолжительность звукового импульса меньше 10-20 мс. Именно поэтому в индикаторах уровня звукозаписывающей бытовой радиоэлектронной аппаратуры осуществляется усреднение мгновенных значений сигнала за промежуток, выбираемый в соответствии с временными характеристиками органов слуха.

Пространственное представление о звуке

Одной из важных способностей человека является возможность определять направление источника звука. Эта способность называется бинауральным эффектом и объясняется тем, что человек имеет два уха. Данные экспериментов показывают, откуда приходит звук: один для высокочастотных тонов, другой для низкочастотных.

До уха, обращенного к источнику, звук проходит более короткий по времени путь, чем до второго уха. Вследствие этого давление звуковых волн в ушных каналах различается по фазе и амплитуде. Амплитудные различия значительны только на высоких частотах, когда длина звуковой волны становится сравнимой с размерами головы. Когда разница в амплитудах превышает пороговое значение, равное 1 дБ, то кажется, что источник звука находится на той стороне, где амплитуда больше. Угол отклонения источника звука от средней линии (линии симметрии) приблизительно пропорционален логарифму отношения амплитуд.
Для определения направления источника звука с частотами ниже 1500-2000 Гц существенны фазовые различия. Человеку кажется, что звук приходит с той стороны, с которой волна, опережаюшая по фазе, достигает уха. Угол отклонения звука от средней линии пропорционален разности времени прихода звуковых волн к обоим ушам. Тренированный человек может заметить разность фаз при разннице во времени 100 мс.
Способность определять направление звука в вертикальной плоскости развита значительно слабее (примерно в 10 раз). Эту особенность физиологии связывают с ориентацией органов слуха в горизонтальной плоскости.
Специфическая особенность пространственного восприятия звука человеком проявляется в том, что органы слуха способны ощушать суммарную, интегральную локализацию, создаваемую с помошью искусственных средств воздействия. Например, в помещении по фронту на расстоянии 2-3 м друг от друга установлены две АС. На таком же расстоянии от оси соединяющей системы строго по центру находится слушатель. В помешении через АС излучаются два одинаковых по фазе, частоте и интенсивности звука. В результате идентичности звуков, проходящих в орган слуха, человек не может их разделить, его ощущения дают представления о едином, кажущемся (виртуальном) источнике звука, который находится строго по центру на оси симметрии.
Если теперь уменьшить громкость одной АС, то кажущийся источник переместится в сторону более громко работающего громкоговорителя. Иллюзию перемещения источника звука можно получить не только изменением уровня сигнала, но и искусственной задержкой одного звука относительно другого; в этом случае кажущийся источник сместится в сторону АС, излучающей сигнал с опережением.
Для иллюстрации интегральной локализации приведем пример. Расстояние между АС 2м, расстояние от фронтальной линии до слушателя 2 м; для того чтобы источник как бы сместился на 40 см влево или вправо, необходимо подать два сигнала с разностью по уровню интенсивности в 5 дБ или с временным запаздыванием в 0,3 мс. При разности уровней в 10 дБ или задержке по времени 0,6 мс источник "переместится" на 70 см от центра.
Таким образом, если изменять создаваемое АС звуковое давление, то возникает иллюзия перемещения источника звука. Это явление называется суммарной локализацией. Для создания суммарной локализации применяется двухканальная стереофоническая система звукопередачи.
В первичном помешении устанавливаются два микрофона, каждый из которых работает на свой канал. Во вторичном - два громкоговорителя. Микрофоны располагаются на определенном расстоянии друг от друга по линии, параллельной размещению излучателя звука. При перемещении излучателя звука на микрофон будет действовать разное звуковое давление и время прихода звуковой волны будет различно из-за неодинакового расстояния между излучателем звуха и микрофонами. Эта разница и создает во вторичном помешении эффект суммарной локализации, в результате чего кажущийся источник локализуется в определенной точке пространства, находящейся между двумя громкоговорителями.
Следует сказать о биноуральной системе звукопередачи. При использовании этой системы, называемой системой "искусственной головы", в первичном помешении размещают два отдельных микрофона, располагая их на расстоянии друг от друга, равном расстоянию между ушами человека. Каждый из микрофонов имеет независимый канал звукопередачи, на выходе которого во вторичном помещении включены телефоны для левого и правого уха. При идентичности каналов звукопередачи такая система точно передает бинауральный эффект, создаваемый около ушей "искусственной головы" в первичном помещении. Наличие головных телефонов и необходимость пользования ими в течение длительного времени является недостатком.
Орган слуха определяет расстояние до источника звука по ряду косвенных признаков и с некоторыми погрешностями. В зависимости от того, мало или велико расстояние до источника сигнала, субъективная его оценка меняется под воздействием различных факторов. Было установлено, что если определяемые расстояния невелики (до 3 м), то их субъективная оценка почти линейно связана с изменением громкости перемещающегося по глубине источника звука. Дополнительным фактором для сложного сигнала является его тембр, который становится все более "тяжелым"" по мере приближения источника к слушателю. Это связано со все большим усилением обертонов низкого по сравнению с обертонами высокого регистра, вызванным происходящим при этом повышением уровня громкости.
Для средних расстояний 3-10 м. удаление источника от слушателя будет сопровождаться пропорциональным уменьшением громкости, причем это изменение будет одинаково относиться к основной частоте и к гармоническим составляюшим. В результате происходит относительное усиление высокочастотной части спектра и тембр становится более ярким.
С ростом расстояния потери энергии в воздухе будут расти пропорционально квадрату частоты. Увеличенная потеря обертонов высокого регистра приведет к снижению тембральной яркости. Таким образом, субъективная оценка расстояний связана с изменением его громкости и тембра.
В условиях закрытого помещения сигналы первых отражений, запаздывающие относительно прямого на 20-40 мс, воспринимаются органом слуха как приходящие с различных направлений. Вместе с этим все большее их запаздывание создает впечатление о значительном удалении точек, от которых происходят эти отражения. Таким образом, по времени запаздывания можно судить об относительной удаленности вторичных источников или, что то же, о размерах помещения.

Некоторые особенности субъективного восприятия стереофонических передач.

Стереофоническая система звукопередачи имеет ряд существенных особенностей по сравнению с обычной монофонической.
Качество, отличающее стереофоническое звучание, объемность, т.е. естественную акустическую перспективу, можно оценить с помощью некоторых дополнительных показателей, не имеющих смысла при монофонической технике передачи звука. К таким дополнительным показателям следует отнести: угол слышимости, т.е. угол, под которым слушатель воспринимает звуковую стереофоническую картину; стереофоническую разрешающую способность, т.е. определяемую субъективно локализацию отдельных элементов звукового образа в определенных точках пространства в пределах угла слышимости; акустическую атмосферу, т.е. эффект возникновения у слушателя ощущения присутствия в первичном помещении, где происходит передаваемое звуковое событие.

О роли акустики помещения

Красочность звучания достигается не только с помощью аппаратуры воспроизведения звука. Даже при достаточно хорошей аппаратуре качество звучания может оказаться низким, если помещение, предназначенное для прослушивания, не обладает определенными свойствами. Известно, что в закрытом помешении возникает явление нослезвучания, называемое реверберацией. Воздействуя на органы слуха, реверберация (в зависимости от ее длительности) может улучшать или ухудшать качество звучания.

Человек, находящийся в помещении, воспринимает не только прямые звуковые волны, создаваемые непосредственно источником звука, но и волны, отраженные потолком и стенами помещения. Отраженные волны слышны еше некоторое время после прекращения действия источника звука.
Иногда считают, что отраженные сигналы играют только отрицательную роль, создавая помехи восприятию основного сигнала. Однако такое представление неправильно. Определенная часть энергии начальных отраженных эхосигналов, достигая ушей человека с малыми задержками, усиливает основной сигнал и обогашает его звучание. Напротив, более поздние отраженные эхосигналы. время задержки которых превышает некоторое критическое значение, образуют звуковой фон, затрудняющий восприятие основного сигнала.
Помещение прослушивания не должно иметь большое время реверберации. Жилые комнаты, как правило, имеют малое воемя реверберации в силу ограниченности своих размеров и наличия звукопоглощающих поверхностей, мягкой мебели, ковров, занавесок и т. п.
Различные по характеру и свойствам преграды характеризуются коэффициентом поглощения звука, который представляет собой отношение поглощенной энергии к полной энергии падающей звуковой волны.

Для повышения звукопоглощающих свойств ковра (и снижения шумов в жилом помещении) ковер желательно вешать не вплотную к стене, а с зазором 30-50 мм).

Слуховой анализатор человека представляет собой специализированную систему для восприятия звуковых колебаний, формирования слуховых ощущений и опознавания звуковых образов. Вспомогательный аппарат периферической части анализатора — это ухо (рисунок 15).

Различают наружное ухо, в состав которого входят ушная раковина, наружный слуховой проход и барабанная перепонка; среднее ухо, состоящее из системы соединенных между собой слуховых косточек — молоточка, наковальни и стремени, и внутреннее ухо, которое включает улитку, где расположены рецепторы, воспринимающие звуковые колебания, а также преддверие и полукружные каналы. Полукружные каналы представляют собой периферическую рецепторную часть вестибулярного анализатора, о котором пойдет отдельный разговор.

Наружное ухо устроено таким образом, что обеспечивает подведение звуковой энергии к барабанной перепонке. При помощи ушных раковин происходит относительно небольшое концентрирование этой энергии, а наружный слуховой проход обеспечивает поддержание постоянной температуры и влажности как факторов, обусловливающих стабильность работы звукопередающего аппарата.

Барабанная перепонка представляет собой тонкую перегородку толщиной около 0,1 миллиметра, состоящую из волокон, идущих в различных направлениях. Функция барабанной перепонки хорошо отражена в ее названии — она начинает колебаться, когда на нее падают звуковые колебания воздуха со стороны наружного слухового прохода. При этом ее строение позволяет ей передавать практически без искажения все частоты звукового диапазона. Система слуховых косточек обеспечивает передачу колебаний от барабанной перепонки к улитке.

Рецепторы, которые обеспечивают восприятие звуковых колебаний, расположены во внутреннем ухе — в улитке (рисунок 16). Это название связано со спиралеобразной формой данного образования, состоящего из 2,5 витков.

В среднем канале улитки на основной мембране расположен кортиев орган (по имени итальянского анатома Корти, 1822-1888 годы). В этом органе и находится рецепторный аппарат слухового анализатора (рисунок 17).

Как же происходит формирование ощущений звука? Вопрос, который и в настоящее время привлекает пристальное внимание исследователей. Впервые (1863 год) весьма убедительное толкование процессов во внутреннем ухе представил немецкий физиолог Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц, разработавший так называемую резонансную теорию. Он обратил внимание, что основную мембрану улитки образуют волокна, идущие в поперечном направлении. Длина таких волокон увеличивается к вершине улитки. Отсюда понятна аналогия работы этого органа с арфой, у которой различная тональность достигается разной длиной струн. По представлению Гельмгольца, при воздействии звуковых колебаний вступает в резонанс какое-то определенное волокно, ответственное за восприятие данной частоты. Очень подкупающая своей простотой и завершенностью теория, но которую, увы, пришлось оставить, поскольку оказалось, что струн — волокон — в основной мембране слишком мало, чтобы воспроизводить все слышимые человеком частоты, натянуты эти струны слишком слабо, да и кроме того, их изолированные колебания невозможны. Эти трудности для резонансной теории оказались непреодолимы, но они послужили импульсом для последующих исследований.

По современным представлениям, передача и воспроизведение звуковых колебаний обусловлены частотно-резонансными свойствами всех сред улитки. При помощи весьма остроумных экспериментов было обнаружено, что при низких частотах колебаний (100-150 герц, может быть несколько выше, но не более 1000 герц) волновой процесс охватывает всю основную мембрану, возбуждаются все рецепторы кортиева органа, расположенного на этой мембране. При возрастании частоты звуковых волн в колебательный процесс вовлекается только часть основной мембраны, и тем меньше, чем выше звук. При этом максимум резонанса сдвигается по направлению к основанию улитки.

Однако мы пока еще не рассмотрели вопрос, каким же образом происходит трансформация энергии механических колебаний в процесс нервного возбуждения. Рецепторный аппарат слухового анализатора представлен своеобразными волосковыми клетками, которые являются типичными механорецепторами, то есть для которых адекватным раздражителем служит механическая энергия, в данном случае колебательные движения. Специфической особенностью волосковых клеток является наличие на их вершине волосков, которые находятся в непосредственном соприкосновении с покровной мембраной. В кортиевом органе различают один ряд (3,5 тысячи) внутренних и 3 ряда (12 тысяч) наружных волосковых клеток, которые различаются по уровню чувствительности. Для возбуждения внутренних клеток требуется больше энергии, и это является одним из механизмов органа слуха воспринимать звуковые раздражители в широком диапазоне интенсивностей.

При возникновении колебательного процесса в улитке в результате движений основной мембраны, а вместе с ней и кортиева органа происходит деформация волосков, упирающихся в покровную мембрану. Эта деформация и служит пусковым моментом в цепи явлений, приводящих к возбуждению рецепторных клеток. В специальном эксперименте было обнаружено, что если во время подачи звукового сигнала от поверхности волосковых клеток отводить биотоки и затем, усилив их, подвести к громкоговорителю, то мы обнаружим достаточно точное воспроизведение звукового сигнала. Это воспроизведение распространяется на все частоты, в том числе и на человеческий голос. Не правда ли, достаточно близкая аналогия с микрофоном? Вот отсюда и название — микрофонный потенциал. Доказано, что этот биоэлектрический феномен и представляет собой рецепторный потенциал. Отсюда следует, что волосковая рецепторная клетка достаточно точно (до определенного предела по интенсивности) через параметры рецепторного потенциала отражает параметры звукового воздействия — частоту, амплитуду и форму.

При электрофизиологическом исследовании волокон слухового нерва, которые подходят непосредственно к структурам кортиева органа, регистрируются нервные импульсы. Примечательно то, что частота такой импульсации зависит от частоты воздействующих звуковых колебаний. При этом до 1000 герц отмечается практически их совпадение. Хотя более высокие частоты в нерве не регистрируются, но сохраняется определенная количественная зависимость между частотами звукового раздражителя и афферентной импульсации.

Итак, мы ознакомились со свойствами человеческого уха и механизмами функционирования рецепторов слухового анализатора при воздействии звуковых колебаний воздуха. Но возможна передача и не только через воздух, а посредством так называемой костной проводимости. В последнем случае колебания (например, камертона) передаются костями черепа и затем, минуя среднее ухо, попадают непосредственно в улитку. Хотя в данном случае способ подведения акустической энергии иной, но механизм взаимодействия ее с рецепторными клетками остается тот же самый. Правда, при этом несколько различны и количественные отношения. Но в том и в другом случае возбуждение, первично возникшее в рецепторе и несущее определенную информацию, передается по нервным структурам до высших слуховых центров.

Каким же образом кодируется информация о таких параметрах звуковых колебаний, как частота и амплитуда? Сначала о частоте. Вы, очевидно, обратили внимание на своеобразный биоэлектрический феномен — микрофонный потенциал улитки. Он ведь по существу свидетельствует о том, что в значительном диапазоне колебания рецепторного потенциала (а они отражают работу рецептора и по восприятию, и последующей передаче) практически точно соответствуют по частоте звуковым колебаниям. Однако, как уже тоже отмечалось, в волокнах слухового нерва, то есть в тех волокнах, которые воспринимают информацию от рецепторов, частота нервных импульсов не превышает 1000 колебаний в секунду. А это значительно меньше, чем частоты воспринимаемых звуков в реальных условиях. Как же эта задача решается в слуховой системе? Ранее мы с вами, когда рассматривали работу кортиева органа, отмечали, что при низких частотах звукового воздействия колеблется вся основная мембрана. Следовательно, возбуждаются все рецепторы, и частота колебаний без изменения передается волокнам слухового нерва. При больших же частотах в колебательный процесс вовлекается только часть основной мембраны и, следовательно, только часть рецепторов. Они передают возбуждение соответствующей части нервных волокон, но уже с трансформацией ритма. В этом случае определенной частоте соответствует определенная часть волокон. Такой принцип обозначают как пространственный способ кодирования. Таким образом, информация о частоте обеспечивается частотно-пространственным кодированием.

Однако хорошо известно, что подавляющее большинство реальных звуков, воспринимаемых нами, в том числе и речевые сигналы, представляют собой не правильные синусоидальные колебания, а процессы, имеющие гораздо более сложную форму. Как же в этом случае обеспечивается передача информации? Еще в начале 19-го века выдающийся французский математик Жан Батист Фурье разработал оригинальный математический метод, позволяющий любую периодическую функцию представить в виде суммы ряда синусоидальных составляющих (ряда Фурье). Строгими математическими методами доказывается, что эти составляющие имеют периоды, равные Т, Т/2, Т/3 и так далее, или, иначе говоря, имеют частоты, кратные основной частоте. И немецкий физик Георг Симон Ом (которого все очень хорошо знают по его закону в электротехнике) в 1847 году выдвинул идею, что в кортиевом органе происходит именно такое разложение. Так появился еще один закон Ома, который отражает очень важный механизм звуковосприятия. Благодаря своим резонансным свойствам основная мембрана разлагает сложный звук на его составляющие, каждая из которых воспринимается соответствующим нервно-рецепторным аппаратом. Таким образом, пространственный рисунок возбуждения несет информацию о частотном спектре сложного звукового колебания.

Для передачи информации об интенсивности звука, то есть амплитуде колебаний, в слуховом анализаторе имеется механизм, также отличный от способа работы других афферентных систем. Чаще всего информация об интенсивности передается частотой нервной импульсации. Однако в слуховой системе, как это следует из только что рассмотренных процессов, такой способ невозможен. Оказывается, что и в данном случае используется принцип пространственного кодирования. Как уже отмечалось, внутренние волосковые клетки имеют чувствительность ниже, чем наружные. Таким образом, различной интенсивности звука соответствует разное сочетание возбужденных рецепторов двух этих видов, то есть специфическая форма пространственного рисунка возбуждения.

В слуховом анализаторе вопрос о специфических детекторах (как это хорошо выражено в зрительной системе) остается все еще открытым, тем не менее и здесь имеются механизмы, которые позволяют выделять все более и более сложные признаки, что в конечном итоге завершается формированием такого рисунка возбуждения, который соответствует определенному субъективному образу, опознаваемому по соответствующему «эталону».

Позднее всего в ходе эволюции возникли высшие виды чувствительности - восприятие звуков (слух) и света (). Исключительное значение слуха и зрения состоит в том, что они уже издали сигнализируют о тех или иных предметах и явлениях окружающей среды. Поэтому их называют в физиологии дистантными анализаторами. Высший вид химической чувствительности - обоняние также в значительной мере обладает данным свойством. Однако особой степени развития оно достигает именно в органах слуха и зрения.

Возник на основе чувствительности к механическому раздражению. Однако здесь воспринимаются уже не прикосновения тех или иных предметов, а несравненно более тонкие явления - колебания воздуха. Восприятие же колебаний воздуха имеет колоссальное значение.

Все окружающие нас предметы - твердые тела, жидкости и газы - обладают определенной упругостью. Поэтому при соприкосновении одного тела с другим, а тем более при ударе их друг друга тела эти совершают ряд колебательных движений - попросту говоря, вибрируют, дрожат. В непосредственно окружающей нас природе нет пустоты. Поэтому всякое движение одного предмета приводит к его соприкосновению с другим - предметы вибрируют, а эти колебания передаются воздуху. В результате мы слышим звук - информацию о движении вокруг нас. Дрожит ли наковальня под ударами молота, колеблется ли вода от брошенного в нее камня, дрожат ли голосовые связки певца под напором струи воздуха, дрожат ли страницы книги под перелистывающей их рукой - все это вызывает колебания воздуха, распространяющиеся вокруг со скоростью 340 м в секунду, или 1 км в 3 секунды, и мы слышим звук. Как происходит восприятие его?

Колебания воздуха воздействуют на тонкую, но упругую мембрану, в которую упирается наружный слуховой проход; мембрана эта - барабанная перепонка. Толщина ее - 0,1 мм. От нее через цепочку из трех крохотных косточек, уменьшающих в 50 раз размах колебаний, но зато в 50 раз увеличивающих их силу, колебания передаются жидкости, находящейся во внутреннем ухе. Только здесь, собственно, и начинается восприятие звука. Поскольку барабанная перепонка - это лишь одно из звеньев передачи звука во внутреннее ухо, нарушение ее целости не приводит к потере слуха, хотя, конечно, несколько снижает его.

Главной частью внутреннего уха является трубочка, закрученная в виде улитки, а потому и называемая улиткой. Между ее стенками натянуто около 24 тысяч тончайших волоконец, нитей, длина которых от верхушки улитки к ее основанию постепенно убывает. Это - наши струны. Если перед роялем громко произнести какой-нибудь звук, рояль нам ответит. Если мы пробасили, то рояль ответит низким звуком. Если мы пропищали, то и в ответ услышим высокий звук. Явление это называется резонансом. Каждая струна рояля настроена на звук определенной высоты, т. е. на то, чтобы колебаться с определенной частотой (чем чаще колебания, тем выше кажется звук). Если на струну воздействуют колебания воздуха той же частоты, как и та частота, на которую она настроена, струна резонирует, отвечает.

На том же принципе основано восприятие звука нашим ухом. В связи с разной длиной волоконец каждое из них настроено на определенную частоту колебаний - от 16 до 20 000 в секунду. Длинные волоконца в верхушке улитки воспринимают колебания малой частоты, т. е. низкие звуки, а короткие волоконца основания улитки - частые колебания. Это было доказано учеником И. П. Павлова, тонким экспериментатором Л. А. Андреевым. Метод позволил наконец узнать, слышит ли животное определенные звуки при разрушении той или иной части улитки. Было выяснено, что если разрушить у собаки верхнюю часть улитки, то, сколько бы раз перед кормлением ни давать низкие звуки, условного рефлекса на них не образуется. Это бесспорно доказывает, что животное теперь не воспринимает данных звуков. Таким путем был «прощупан» ряд отделов улитки. Только опыты Л. А. Андреева окончательно доказали, что действительно волоконца улитки - это наши резонаторы. Выдвинувший резонансную теорию слуха еще в прошлом веке знаменитый Г. Гельмгольц не имел возможности доказать ее экспериментально.

Если воздух колеблется чаще чем 20 000 раз в секунду, мы уже не воспринимаем ухом этих колебаний. Их называют ультразвуками. У собаки же, как показали исследования методом условных рефлексов, граница слуха доходит до 40 000 Гц. Значит, собака слышит ультразвуки, недоступные человеку. Этим могут пользоваться, между прочим, цирковые дрессировщики для подачи животному тайных сигналов.