К наружному уху относятся ушная раковина, слуховой проход и барабанная перепонка, которая закрывает внутренний конец слухового прохода. Слуховой проход имеет неправильную изогнутую форму. У взрослого человека длина его составляет около 2,5 см, а диаметр около 8 мм. Поверхность слухового прохода покрыта волосками и содержит железы, выделяющие ушную серу, которая необходима для поддержания влажности кожи. Слуховой проход обеспечивает также постоянную температуру и влажность барабанной перепонки.
- Среднее ухо
Среднее ухо – это заполненная воздухом полость за барабанной перепонкой. Эта полость соединяется с носоглоткой посредством евстахиевой трубы – узкого хрящевого канала, который обычно находится в закрытом состоянии. Глотательные движения открывают евстахиеву трубу, что обеспечивает поступление воздуха в полость и выравнивание давления по обе стороны барабанной перепонки для ее оптимальной подвижности. В полости среднего уха находятся три миниатюрные слуховые косточки: молоточек, наковальня и стремя. Одним концом молоточек соединен с барабанной перепонкой, другой его конец связан с наковальней, которая, в свою очередь соединена со стременем, а стремя с улиткой внутреннего уха. Барабанная перепонка постоянно колеблется под действием улавливаемых ухом звуков, а слуховые косточки передают ее колебания во внутреннее ухо.
- Внутреннее ухо
Во внутреннем ухе содержится несколько структур, но к слуху отношение имеет только улитка, получившая свое название из-за спиральной формы. Улитка разделена на три канала, заполненные лимфатическими жидкостями. Жидкость в среднем канале отличается по составу от жидкости в двух других каналах. Орган, непосредственно ответственный за слух (Кортиев орган), находится в среднем канале. Кортиев орган содержит около 30000 волосковых клеток, которые улавливают колебания жидкости в канале, вызванные движением стремени, и генерируют электрические импульсы, которые по слуховому нерву передаются к слуховой зоне коры головного мозга. Каждая волосковая клетка реагирует на определенную звуковую частоту, причем высокие частоты улавливаются клетками нижней части улитки, а клетки, настроенные на низкие частоты, располагаются в верхней части улитки. Если волосковые клетки по каким-либо причинам гибнут, человек перестает воспринимать звуки соответствующих частот.
- Слуховые проводящие пути
Слуховые проводящие пути – это совокупность нервных волокон, проводящих нервные импульсы от улитки к слуховым центрам коры головного мозга, в результате чего возникает слуховое ощущение. Слуховые центры расположены в височных долях головного мозга. Время, потраченное на прохождение слухового сигнала от внешнего уха к слуховым центрам мозга, составляет около 10 миллисекунд.
Как устроено ухо человека (рисунок предоставлен фирмой Siemens)
Восприятие звука
Ухо последовательно преобразует звуки в механические колебания барабанной перепонки и слуховых косточек, затем в колебания жидкости в улитке и, наконец, в электрические импульсы, которые по проводящим путям центральной слуховой системы передаются в височные доли мозга для распознавания и обработки.
Мозг и промежуточные узлы слуховых проводящих путей извлекают не только информацию о высоте и громкости звука, но и другие характеристики звука, например, интервал времени между моментами улавливания звука правым и левым ухом – на этом основана способность человека определять направление, по которому приходит звук. При этом мозг оценивает как информацию, полученную от каждого уха в отдельности, так и объединяет всю полученную информацию в единое ощущение.
В нашем мозгу хранятся «шаблоны» окружающих нас звуков – знакомых голосов, музыки, опасных звуков и т.д. Это помогает мозгу в процессе обработки информации о звуке быстрее отличить знакомые звуки от незнакомых. При снижении слуха мозг начинает получать искаженную информацию (звуки становятся более тихими), что приводит к ошибкам в интерпретации звуков. С другой стороны, нарушения в работе мозга в результате старения, травмы головы или неврологических болезней и расстройств могут сопровождаться симптомами, похожими на симптомы снижения слуха, например, невнимательность, отрешенность от окружения, неадекватная реакция. Для того чтобы правильно слышать и понимать звуки, необходима согласованная работа слухового анализатора и мозга. Таким образом, без преувеличения можно сказать, что человек слышит не ушами, а мозгом!
Органы слуха
Процесс включает в себя восприятие, передачу и интерпретацию звука. Ухо улавливает и превращает слуховые волны в нервные импульсы, которые получает и интерпретирует мозг.
В ухе есть много такого, что не видно глазу. То, что мы наблюдаем, только часть внешнего уха - мясисто-хрящевой вырост, иначе говоря, ушная раковина. Внешнее ухо состоит из раковины и ушного канала, заканчивающегося у барабанной перепонки, которая обеспечивает связь между наружным и средним ухом, где располагается слуховой механизм.
Ушная раковина направляет звуковые волны в слуховой канал, наподобие того, как старинная слуховая труба направляла звук в ушную раковину. Канал усиливает звуковые волны и направляет их на барабанную перепонку. Звуковые волны, ударяясь о барабанную перепонку, вызывают вибрацию, передающуюся дальше через три маленькие слуховые косточки: молоточек, наковальню и стремечко. Они вибрируют по очереди, предавая звуковые волны через среднее ухо. Самая внутренняя из этих косточек, стремечко, - самая маленькая кость в организме.
Стремечко, вибрируя, ударяет мембрану, называемую овальным окном. Звуковые волны через нее идут во внутреннее ухо.
Что происходит во внутреннем ухе?
Там идет сенсорная часть слухового процесса. Внутреннее ухо состоит их двух основных частей: лабиринта и улитки. Часть, начинающаяся у овального окна и изгибающаяся наподобие настоящей улитки, действует как переводчик, превращая звуковые колебания в электрические импульсы, которые можно передать в мозг.
Как устроена улитка?
Она заполнена жидкостью, в которой как бы подвешена базилярная (основная) мембрана, напоминающая резиновую ленту, прикрепленную концами к стенкам. Мембрана покрыта тысячами крошечных волосков. У основания этих волосков расположены маленькие нервные клетки. Когда вибрации стремечка задевают овальное окно, жидкость и волоски приходят в движение. Движение волосков стимулирует нервные клетки, которые посылают сообщение, уже в виде электроимпульса, в мозг через слуховой, или акустический, нерв.
Лабиринт - это группа трех взаимосвязанных полукружных каналов, контролирующих чувство равновесия. Каждый канал заполнен жидкостью и расположен под прямым углом к остальным двум. Так что, как бы вы ни двигали головой, один или больше каналов фиксируют это движение и передают информацию в мозг.
Если вам случалось застудить ухо или сильно высморкаться, так что в ухе "щелкает", то появляется догадка - ухо каким-то образом связано с горлом и носом. И это верно. Евстахиева труба напрямую соединяет среднее ухо с ротовой полостью. Ее роль - пропускать воздух внутрь среднего уха, уравновешивая давление по обе стороны барабанной перепонки.
Нарушения и расстройства в любой части уха могут ухудшить слух, если они влияют на прохождение и интерпретацию звуковых колебаний.
Давайте проследим путь звуковой волны. Она попадает в ухо через ушную раковину и направляется по слуховому каналу. Если раковина деформирована или канал перекрыт, затрудняется путь звука к барабанной перепонке и снижается слуховая способность. Если звуковая волна благополучно добралась до барабанной перепонки, а она повреждена, звук может не достичь слуховых косточек. Любое расстройство, не дающее косточкам вибрировать, помешает звуку попасть во внутреннее ухо. Во внутреннем ухе звуковые волны вызывают пульсацию жидкости, приводящую в движение крошечные волоски в улитке. Повреждение волосков или нервных клеток, с которыми они соединены, помешает превращению звуковых колебаний в электрические. Но, когда звук благополучно превратился в электрический импульс, он еще должен достичь мозга. Понятно, что повреждение слухового нерва или мозга скажется на способности слышать.
Отчего же случаются такие расстройства и повреждения?
Причин много, мы еще обсудим их. Но чаще всего виноваты посторонние предметы в ухе, инфекции, болезни ушей, другие болезни, дающие осложнения на уши, травмы головы, ототоксичные (т.е. ядовитые для уха) вещества, изменения атмосферного давления, шум, возрастная дегенерация. Все это вызывает два основных типа потери слуха.
Потеря слуха, причины, лечение, подробнее... http://www.medeffect.ru/lor/#hear
Как мы слышим
Итак, мы рассказали Вам о строении органов речи человека. Вы узнали, как с помощью голосовых связок речь наполняется звуком, а также познакомились с фонемной и дифонной моделями речи.
Наибольший объем информации об окружающем мире человек (и животные) получает через глаза и уши. Наличие пары ушей обеспечивает «стереофонический слух», с помощью которого человек может быстро определять направление на источник звука.
Уши воспринимают колебания воздуха и превращают их в электрические сигналы, поступающие в мозг. В результате обработки по неизвестным нам пока алгоритмам эти сигналы превращаются в образы. Создание таких алгоритмов для компьютеров и есть научная задача, решение которой необходимо для разработки по-настоящему хорошо работающих систем распознавания речи.
В оставшейся части первой главы нам предстоит узнать, как работают органы слуха человека, позволяющие ему слышать речь и различные звуки. Изучение внутреннего уха помогает исследователям понять механизмы, с помощью которых человек способен распознавать речь, хотя это и не так просто. Как мы уже говорили, многие изобретения человек подсматривает у природы. Такие попытки предпринимаются и специалистами в области синтеза и распознавания речи.
Читателей, интересующихся деталями анатомии, мы отправляем к . Там Вы найдете полное описание устройства уха и всевозможные медицинские подробности, далеко выходящие за рамки нашей книги.
Строение уха
Чтобы увидеть внутреннее строение человеческого уха, нужно обратиться к анатомическому атласу. На рис. рис. 1-6 мы показали в разрезе наиболее важные части человеческого уха.
Рис. 1-6. Внутренняя структура уха
Студенты-медики, изучавшие анатомию, хорошо знают, что анатомическое ухо делится на три части:
· наружное ухо;
· среднее ухо;
· внутреннее ухо.
Наружное ухо
Наружное ухо Вы можете изучить самостоятельно при помощи зеркала. Оно состоит из ушной раковины и наружного слухового прохода.
Функционально наружное ухо предназначено, во-первых, для улавливания и фокусировки звуковых волн (что нужно для улучшения слуха), и, во-вторых, для защиты среднего и внутреннего уха от механических повреждений. Что же касается преобразования звуковых колебаний воздуха в электрические импульсы, то наружное ухо не имеет к этому процессу никакого отношения.
Среднее ухо
Внутреннее строение среднего уха показано на рис. 1-7. Среднее ухо герметично отделено от наружного уха барабанной перепонкой. Таким образом, когда вода попадает к Вам в ухо, она может залить только наружное ухо, но дальше она не пройдет.
Толщина барабанной перепонки всего 0.1 мм, и ее легко повредить. Поэтому относитесь серьезно к советам врачей, и никогда не вставляйте в уши посторонние предметы.
Рис. 1-7. Среднее ухо
Внутренняя область среднего уха, называемая барабанной полостью, соединена при помощи евстахиевой трубы с носоглоткой. Это позволяет поддерживать давление внутри барабанной полости, равному внешнему атмосферному давлению.
Воздух попадает в барабанную полость через евстахиеву трубу, когда человек глотает. Пре резком изменении внешнего давления (например, в самолете) появляется давящее ощущение в ушах. Однако стоит сделать несколько глотков - и проблем исчезнет, так как давление уровняется через евстахиеву трубу.
В барабанной полости находится система так называемых слуховых косточек, состоящая из молоточка, наковальни и стремени. Эти косточки связаны между собой в единую подвижную цепь, состоящую из рычагов.
Задача системы слуховых косточек заключается в передаче звуковых колебаний от барабанной перепонки в область внутреннего уха.
Внутреннее ухо
Внутреннее ухо представляет наибольший интерес для специалистов по распознаванию речи, так как именно оно ответственно за преобразование звуковых колебаний в электрические импульсы.
Внутреннее ухо заполнено жидкостью. Оно состоит из двух частей: вестибулярного аппарата и улитки. Свое название улитка получила из-за своей формы - улитка свернута спирально, наподобие раковины обычной улитки.
Механизм функционирования внутреннего уха достаточно сложен и описан в . Важно, что внутри улитки имеются чувствительные волоски, «подключенные» при помощи нервов к головному мозгу (рис. 1-8).
Рис. 1-8. Чувствительные волоски внутри улитки
Улитка разделена эластичной перегородкой на два канала, заполненных жидкостью. В этой перегородке и находятся упомянутые выше чувствительные волоски и нервы.
Частотный диапазон звуковых колебаний
Согласно , человеческое ухо воспринимает звуковые волны длиной примерно от 1,6 см до 20 м, что соответствует частотному диапазону 16-20 000 Гц. Животные могут слышать звуки более низкой или более высокой частоты. Так, например, дельфинам и летучим мышам доступно общение при помощи ультразвука, а китам - инфразвука. Поэтому человек не слышит весь частотный диапазон звуков, издаваемых этими и некоторыми другими животными.
Что же касается человеческой речи, то ее частотный диапазон 300-4000 Гц. Надо заметить, что разборчивость речи останется вполне удовлетворительной при ограничении этого диапазона до 300-2400 Гц. Когда мы занимались любительской радиосвязью, то добавляли в приемники соответствующие полосовые фильтры, улучшающие прием в условиях помех. Надо сказать, что частотный диапазон обычных телефонных каналов тоже не слишком широкий, однако это не сказывается заметным образом на разборчивость речи.
Сказанное означает, что для улучшения качества распознавания речи компьютерные системы могут исключить из анализа частоты, лежащие вне диапазона 300-4000 Гц или даже вне диапазона 300-2400 Гц.
В ЗДОРОВОЙ КОЖЕ - ЗДОРОВЫЙ СЛУХ.
"Слышал звон - да не знает где он..."
1. Звукопроводящая и звуковоспринимающая части слухового аппарата.
2. Роль наружного уха.
3. Роль среднего уха.
4. Роль внутреннего уха.
5. Определение локализации источника звука в горизонтальной плоскости - бинауральный эффект.
6. Определение локализации источника звука в вертикальной плоскости.
7. Слуховые аппараты и протезы. Тимпанометрия.
8. Задачи.
Слух - восприятие звуковых колебаний, которое осуществляется органами слуха.
4.1. Звукопроводящая и звуковоспринимающая части слухового аппарата
Орган слуха человека представляет собой сложную систему, состоящую из следующих элементов:
1 - ушная раковина; 2 - наружный слуховой проход; 3 - барабанная перепонка; 4 - молоточек; 5 - наковальня; 6 - стремечко; 7 - овальное окно; 8 - вестибулярная лестница; 9 - круглое окно; 10 - барабанная лестница; 11 - улитковый канал; 12 - основная (базилярная) мембрана.
Строение слухового аппарата показано на рис. 4.1.
По анатомическому признаку в слуховом аппарате человека выделяют наружное ухо (1-3), среднее ухо (3-7) и внутреннее ухо (7-13). По выполняемым функциям в слуховом аппарате человека выделяют звукопроводящую и звуковоспринимающую части. Такое деление представлено на рис. 4.2.
Рис. 4.1. Строение слухового аппарата (а) и элементы органа слуха (б)
Рис. 4.2.
Схематическое представление основных элементов слухового аппарата человека
4.2. Роль наружного уха
Функционирование наружного уха
Наружное ухо состоит из ушной раковины, слухового прохода (в виде узкой трубки), барабанной перепонки. Ушная раковина играет роль звукоулавливателя, концентрирующего звуковые
волны на слуховом проходе, в результате чего звуковое давление на барабанную перепонку увеличивается по сравнению со звуковым давлением в падающей волне примерно в 3 раза. Наружный слуховой проход вместе с ушной раковиной можно сравнить с резонатором типа трубы. Барабанная перепонка, отделяющая наружное ухо от среднего уха, представляет собой пластинку, состоящую из двух слоев коллагеновых волокон, ориентированных по-разному. Толщина перепонки около 0,1 мм.
Причина наибольшей чувствительности уха в области 3 кГц
Звук поступает в систему через наружный слуховой канал, который является закрытой с одной стороны акустической трубой длиной L = 2,5 см. Звуковая волна проходит через слуховой проход и частично отражается от барабанной перепонки. В результате происходит интерференция падающей и отраженной волн и образуется стоячая волна. Возникает акустический резонанс. Условия его проявления: длина волны в 4 раза больше длины воздушного столба в слуховом проходе. При этом столб воздуха внутри канала будет резонировать на звук с длиной волны, равной четырем его длинам. В слуховом канале, как в трубе, будет резонировать волна длиной λ = 4L = 4x0,025 = 0,1 м. Частота, на которой возникает акустический резонанс, определяется так: ν = v/λ = 340/(4x0,025) = 3,4 кГц. Этот резонансный эффект объясняет тот факт, что человеческое ухо имеет наибольшую чувствительность на частоте около 3 кГц (см. кривые равной громкости в лекции 3).
4.3. Роль среднего уха
Строение среднего уха
Среднее ухо является устройством, предназначенным для передачи звуковых колебаний из воздушной среды наружного уха в жидкую среду внутреннего уха. Среднее ухо (см. рис. 4.1) содержит барабанную перепонку, овальное и круглое окна, а также слуховые косточки (молоточек, наковальню, стремечко). Оно представляет собой своеобразный барабан (объемом 0,8 см 3), который отделяется от наружного уха барабанной перепонкой, а от внутреннего уха - овальным и круглым окнами. Среднее ухо заполнено воздухом. Любая разность
давлений между наружным и средним ухом приводит к деформации барабанной перепонки. Барабанная перепонка - это воронкообразная мембрана, вдавленная внутрь среднего уха. От нее звуковая информация передается косточкам среднего уха (форма барабанной перепонки обеспечивает отсутствие собственных колебаний, что весьма существенно, так как собственные колебания перепонки создавали бы шумовой фон).
Проникновение звуковой волны через границу «воздух-жидкость»
Для того чтобы понять назначение среднего уха, рассмотрим непосредственный переход звука из воздушной среды в жидкую. На границе раздела двух сред одна часть падающей волны отражается, а другая часть переходит во вторую среду. Доля энергии, перешедшей из одной среды в другую, зависит от величины коэффициента пропускания β (см. формулу 3.10).
То
есть при переходе из воздуха в воду уровень интенсивности звука
уменьшается на 29 дБ. С энергетической точки зрения такой переход
абсолютно неэффективен.
По этой причине существует специальный
передаточный механизм - система слуховых косточек, которые выполняют
функцию согласования волновых сопротивлений воздушной и жидкой сред для
уменьшения энергетических потерь.
Физические основы функционирования системы слуховых косточек
Система косточек представляет собой последовательное звено, начало которого (молоточек) связано с барабанной перепонкой внешнего уха, а конец (стремечко) - с овальным окном внутреннего уха (рис. 4.3).
Рис. 4.3.
Схема распространения звуковой волны от наружного уха через среднее ухо во внутреннее ухо:
1 - барабанная перепонка; 2 - молоточек; 3 - наковальня; 4 - стремечко; 5 - овальное окно; 6 - круглое окно; 7 - барабанный ход; 8 - улиточный ход; 9 - вестибулярный ход
Рис. 4.4.
Схематическое представление расположения барабанной перепонки и овального окна: S бп - площадь барабанной перепонки; S оо - площадь овального окна
Площадь барабанной перепонки равна Б бп = 64 мм 2 , а площадь овального окна S оо = 3 мм 2 . Схематически их
взаимное расположение представлено на рис. 4.4.
На барабанную перепонку действует звуковое давление Р 1 , создающее силу
Система косточек работает как рычаг с соотношением плеч
L 1 /L 2 = 1,3, который дает выигрыш в силе со стороны внутреннего уха в 1,3 раза (рис. 4.5).
Рис. 4.5.
Схематическое представление работы системы косточек как рычага
Поэтому на овальное окно действует сила F 2 = 1,3F 1 , создающая в жидкой среде внутреннего уха звуковое давление Р 2 , которое равно
Выполненные
расчеты показывают, что при прохождении звука через среднее ухо
происходит увеличение уровня его интенсивности на 28 дБ. Потери уровня
интенсивности звука при переходе из воздушной среды в жидкую составляют
29 дБ. Общая потеря интенсивности составляет лишь 1 дБ вместо 29 дБ, что
имело бы место при отсутствии среднего уха.
Еще одна функция среднего уха - ослабление передачи колебаний в случае звука большой интенсивности. С помощью мышц рефлекторно может быть ослаблена связь между косточками при слишком больших интенсивностях звука.
Сильное изменение давления в окружающей среде (например, связанное с изменением высоты) может вызвать растяжение барабанной перепонки, сопровождающееся болевыми ощущениями, или даже ее разрыв. Для защиты от таких перепадов давления служит небольшая евстахиева труба, которая соединяет полость среднего уха с верхней частью глотки (с атмосферой).
4.4. Роль внутреннего уха
Звуковоспринимающей системой слухового аппарата являются внутреннее ухо и входящая в него улитка.
Внутреннее ухо представляет собой замкнутую полость. Эта полость, называемая лабиринтом, имеет сложную форму и заполнена жидкостью - перилимфой. Она состоит из двух основных частей: улитки, преобразующей механические колебания в электрический сигнал, и полукружия вестибулярного аппарата, обеспечивающего равновесие тела в поле силы тяжести.
Строение улитки
Улитка является полым костным образованием длиной 35 мм и имеет форму конусообразной спирали, содержащей 2,5 завитка.
Сечение улитки показано на рис. 4.6.
По всей длине улитки вдоль нее проходят две перепончатые перегородки, одна из которых называется вестибулярной мембраной, а другая - основной мембраной. Пространство между
Рис. 4.6.
Схематическое
строение улитки, содержащей каналы: В - вестибулярный; Б - барабанный; У
- улитковый; РМ - вестибулярная (рейснерова) мембрана; ПМ - покровная
пластина; ОМ - основная (базилярная) мембрана; КО - кортиев орган
ними - улитковый ход - заполнено жидкостью, называемой эндолимфой.
Вестибулярный и барабанный каналы заполнены особой жидкостью - перилимфой. В верхней части улитки они соединяются между собой. Колебания стремечка передаются мембране овального окна, от нее перилимфе вестибулярного хода, а затем через тонкую вестибулярную мембрану - эндолимфе улиточного хода. Колебания эндолимфы передаются основной мембране, на которой находится кортиев орган, содержащий чувствительные волосковые клетки (около 24 000), в которых возникают электрические потенциалы, передаваемые по слуховому нерву в мозг.
Барабанный ход заканчивается мембраной круглого окна, которая компенсирует перемещения перелимфы.
Длина основной мембраны приблизительно равна 32 мм. Она очень неоднородна по своей форме: расширяется и утончается в направлении от овального окна к верхушке улитки. Вследствие этого модуль упругости основной мембраны вблизи основания улитки примерно в 100 раз больше, чем у вершины.
Частотно-избирательные свойства основной мембраны улитки
Основная мембрана является неоднородной линией передачи механического возбуждения. При действии акустического раздражителя по основной мембране распространяется волна, степень затухания которой зависит от частоты: чем меньше частота раздражения, тем дальше от овального окна распространится волна по основной мембране. Так, например, волна с частотой 300 Гц до затухания распространится приблизительно на 25 мм от овального окна, а волна с частотой 100 Гц - приблизительно на 30 мм.
В настоящее время считается, что восприятие высоты тона определяется положением максимума колебаний основной мембраны.
Колебания основной мембраны стимулируют рецепторные клетки, расположенные в кортиевом органе, в результате чего возникают потенциалы действия, передаваемые слуховым нервом в кору головного мозга.
4.5. Определение локализации источника звука в горизонтальной плоскости - бинауральный эффект
Бинауральный эффект - способность устанавливать направление на источник звука в горизонтальной плоскости. Суть эффекта поясняется на рис. 4.7.
Пусть источник звука поочередно располагают в точках А, В и С. Из точки А, находящейся прямо перед лицом, звуковая волна попадает одинаково в оба уха, при этом путь звуковой волны до ушных раковин один и тот же, т.е. для обоих ушей разность хода δ и разность фаз Δφ звуковых волн равны нулю: δ = 0, Δφ = 0. Поэтому приходящие волны имеют одинаковую фазу и интенсивность.
Из точки В звуковая волна приходит в левую и правую ушные раковины в разных фазах и с отличающимися интенсивностями, так как проходит до ушей разное расстояние.
Если источник расположен в точке С, против одной из ушных раковин, то в этом случае разность хода δ можно принять равной расстоянию между ушными раковинами: δ ≈ L ≈ 17 см = 0,17 м. При этом разность фаз Δφ можно рассчитать по формуле: Δφ = (2π/λ) δ. Для частоты ν = 1000 Гц и v « 340 м/с λ = v/ν = 0,34 м. Отсюда получим: Δφ = (2π/λ) δ = (2π/0,340)*0,17 = π. В данном примере волны приходят в противофазе.
Всем реальным направлениям на источник звука в горизонтальной плоскости будут соответствовать разности фаз от 0 до π (от 0
Таким образом, разность фаз и неодинаковость интенсивностей звуковых волн, попадающих в разные уши, обеспечивают бинауральный эффект. Человек с нор-
Рис. 4.7.
Различная локализация источника звука (А, В, С) в горизонтальной плоскости: L - расстояние между ушными раковинами
мальным слухом может фиксировать направление на источник звука при разности фаз 6°, что соответствует фиксированию направления на источник звука с точностью до 3°.
4.6. Определение локализации источника звука в вертикальной плоскости
Рассмотрим теперь случай, когда источник звука расположен в вертикальной плоскости, ориентированной перпендикулярно прямой, соединяющей оба уха. В этом случае он одинаково удален от обоих ушей и разности фаз не возникает. Значения интенсивности звука, попадающего в правое и левое ухо, при этом совпадают. На рисунке 4.8 показаны два таких источника (А и С). Различит ли слуховой аппарат эти источники? Да. В данном случае это произойдет благодаря особой форме ушной раковины, которая (форма) способствует определению локализации источника звука.
Звук, исходящий от этих источников, падает на ушные раковины под различными углами. Это приводит к тому, что дифракция звуковых волн на ушных раковинах происходит по-разному. В результате на спектр звукового сигнала, попадающего в наружный слуховой проход, накладываются дифракционные максимумы и минимумы, зависящие от положения источника звука. Эти различия и позволяют определять положение источника звука в вертикальной плоскости. По всей видимости, в результате огромного опыта слушания люди научились ассоциировать различные спектральные характеристики с соответствующими направлениями. Это подтверждается опытными данными. В частности, установлено, что специальным подбором спектрального состава звука ухо можно «обмануть». Так, человек воспринимает звуковые волны, содержащие основную часть энергии в области 1 кГц,
Рис. 4.8.
Различная локализация источника звука в вертикальной плоскости
локализованными «сзади» независимо от действительного направления. Звуковая волна с частотами ниже 500 Гц и в области 3 кГц воспринимается локализованной «спереди». Звуковые источники, содержащие большую часть энергии в области 8 кГц, распознаются локализованными «сверху».
4.7. Слуховые аппараты и протезы. Тимпанометрия
Потеря слуха в результате нарушения проведения звука или частичного поражения звуковосприятия может быть компенсирована с помощью слуховых аппаратов-усилителей. В последние годы в этой области происходит большой прогресс, связанный с развитием аудиологии и быстрым внедрением достижений электроакустической аппаратуры на основе микроэлектроники. Созданы миниатюрные слуховые аппараты, работающие в широком частотном диапазоне.
Однако при некоторых тяжелых формах тугоухости и глухоты слуховые аппараты не помогают больным. Это имеет место, например, когда глухота связана с поражением рецепторного аппарата улитки. В этом случае улитка не генерирует электрические сигналы при воздействии механических колебаний. Такие поражения могут быть вызваны неправильной дозировкой лекарственных препаратов, применяемых для лечения заболеваний, совсем не связанных с лор-болезнями. В настоящее время возможна частичная реабилитация слуха и у таких больных. Для этого необходимо имплантировать электроды в улитку и подавать на них электрические сигналы, соответствующие тем, которые возникают при воздействии механического стимула. Такое протезирование основной функции улитки осуществляется с помощью кохлеарных протезов.
Тимпанометрия - метод измерения податливости звукопроводящего аппарата слуховой системы под влиянием аппаратного изменения воздушного давления в слуховом проходе.
Данный метод позволяет оценить функциональное состояние барабанной перепонки, подвижность цепи слуховых косточек, давление в среднем ухе и функцию слуховой трубы.
Рис. 4.9.
Определение податливости звукопроводящего аппарата методом тимпанометрии
Исследование начинается с установки зонда с надетым на него ушным вкладышем, который герметично перекрывает слуховой проход в начале наружного слухового прохода. Через зонд в слуховом проходе создается избыточное (+) или недостаточное (-) давление, а затем подается звуковая волна определенной интенсивности. Дойдя до барабанной перепонки, волна частично отражается и возвращается к зонду (рис. 4.9).
Измерение интенсивности отраженной волны позволяет судить о звукопроводящих возможностях среднего уха. Чем больше интенсивность отраженной звуковой волны, тем меньше подвижность звукопроводящей системы. Мерой механической податливости среднего уха является параметр подвижности, измеряемый в условных единицах.
В процессе исследования давление в среднем ухе изменяют от +200 до -200 дПа. При каждом значении давления определяется параметр подвижности. Результатом исследования является тимпанограмма, отражающая зависимость параметра подвижности от величины избыточного давления в слуховом проходе. При отсутствии патологии среднего уха максимум подвижности наблюдается при отсутствии избыточного давления (Р = 0) (рис. 4.10).
Рис. 4.10.
Тимпанограммы при различной степени подвижности системы
Повышенная подвижность свидетельствует о недостаточной упругости барабанной перепонки или о вывихе слуховых косточек. Пониженная подвижность указывает на избыточную жесткость среднего уха, связанную, например, с наличием жидкости.
При патологии среднего уха вид тимпанограммы изменяется
4.8. Задачи
1. Размер ушной раковины равен d = 3,4 см. При какой частоте будут наблюдаться дифракционные явления на ушной раковине? Решение
Явление дифракции становится заметным, когда длина волны сравнима с размерами препятствия или щели: λ ≤ d. При меньших длинах волн или больших частотах дифракция становится незначительной.
λ = v/ν = 3,34, ν = v/d = 334/3,34*10 -2 = 10 4 Гц. Ответ: менее 10 4 Гц.
Рис. 4.11.
Основные
типы тимпанограмм при патологиях среднего уха: А - отсутствие
патологии; В - экссудативный средний отит; С - нарушение проходимости
слуховой трубы; D - атрофические изменения барабанной перепонки; Е -
разрыв слуховых косточек
2. Определить максимальную силу, действующую на барабанную перепонку уха человека (площадь S = 64 мм 2) для двух случаев: а) порог слышимости; б) порог болевого ощущения. Частоту звука принять равной 1 кГц.
Решение
Звуковые давления, соответствующие порогам слышимости и болевого ощущения равны ΔΡ 0 = 3?10 -5 Па и ΔP m = 100 Па, соответственно. F = ΔΡ*S. Подставив пороговые значения получим: F 0 = 310 -5 ?64?10 -6 = 1,9-10 -9 H; F m = 100? 64-10 -6 = 6,410 -3 H.
Ответ: а) F 0 = 1,9 нН; б) F m = 6,4 мН.
3. Разность хода звуковых волн, приходящих в левое и правое ухо человека, составляет χ = 1 см. Определить сдвиг фаз между обоими звуковыми ощущениями для тона с частотой 1000 Гц.
Решение
Разность фаз, возникающая вследствие разности хода, равна: Δφ = 2πνχ/ν = 6,28x1000x0,01/340 = 0,18. Ответ: Δφ = 0,18.
И морфологи эту структуру называют органелуха и равновесия (organum vestibulo-cochleare). В нем выделяют три отдела:
- наружное ухо (наружный слуховой проход, ушная раковина с мышцами и связками);
- среднее ухо (барабанная полость, сосцевидные придатки, слуховая труба)
- (перепончатый лабиринт, располагающийся в костном лабиринте внутри пирамиды кости).
1. Наружное ухо концентрирует звуковые колебания и направляет их в наружное слуховое отверстие.
2. В слуховой канал проводит звуковые колебания к барабанной перепонке
3. Барабанная перепонка – это мембрана, которая вибрирует под действием звука.
4. Молоточек своей рукояткой прикреплен к центру барабанной перепонки при помощи связок, а его головка соединяется с наковальней (5), которая, в свою очередь, прикреплена к стремени (6).
Крошечные мышцы способствуют передаче звука, регулируя движение этих косточек.
7. Евстахиева (или слуховая) труба соединяет среднее ухо с носоглоткой. При изменении давления окружающего воздуха давление по обе стороны барабанной перепонки выравнивается через слуховую трубу.
Kортиев орган состоит из ряда чувствительных, снабженных волосками клеток (12), которые покрывают базилярную мембрану (13). Звуковые волны улавливаются волосковыми клетками и преобразуются в электрические импульсы. Далее эти электрические импульсы передаются по слуховому нерву (11) в головной . Слуховой нерв состоит из тысяч тончайших нервных волокон. Каждое волокно начинается от определенного участка улитки и передает определенную звуковую частоту. Низкочастотные звуки, передаются по волокнам, исходящим из верхушки улитки (14), а высокочастотные – по волокнам, связанным с ее основанием. Таким образом, функцией внутреннего уха является преобразование механических колебаний в электрические, так как мозг может воспринимать только электрические сигналы.
Наружное ухо является звукоулавливающим аппаратом. Наружный слуховой проход проводит звуковые колебания к барабанной перепонке. Барабанная перепонка, отделяющая наружное ухо от барабанной полости, или среднего уха, представляет собой тонкую (0,1 мм) перегородку, имеющую форму направленной внутрь воронки. Перепонка колеблется при действии звуковых колебаний, пришедших к ней через наружный слуховой проход.
Звуковые колебания улавливаются ушными раковинами (у животных они могут поворачиваться к источнику звука) и передаются по наружному слуховому проходу к барабанной перепонке, которая отделяет наружное ухо от среднего. Улавливание звука и весь процесс слушания двумя ушами - так называемый бинауральный слух - имеет значение для определения направления звука. Звуковые колебания, идущие сбоку, доходят до ближайшего уха на несколько десятитысячных долей секунды (0.0006 с) раньше, чем до другого. Этой ничтожной разницы во времени прихода звука к обоим ушам достаточно, чтобы определить его направление.
Среднее ухо является звукопроводящим аппаратом. Оно представляет собой воздушную полость, которая через слуховую (Евстахиеву) трубу соединяется с полостью носоглотки. Колебания от барабанной перепонки через среднее ухо передают соединенные друг с другом 3 слуховые косточки - молоточек, наковальня и стремячко, а последнеe через перпонку овального окна передает эти колебания жидкости, находящейся во внутреннем ухе, - перилимфе.
Благодаря особенностям геометрии слуховых косточек стремечку передаются колебания барабанной перепонки уменьшенной амплитуды, но увеличенной силы. Кроме того, поверхность стремечка в 22 раза меньше барабанной перепонки, что во столько же раз усиливает его давление на мембрану овального окна. В результате этого даже слабые звуковые волны, действующие на барабанную перепонку, способны преодолеть сопротивление мембраны овального окна преддверия и привести к колебаниям жидкости в улитке.
При сильных звуках специальные мышцы уменьшают подвижность барабанной перепонки и слуховых косточек, адаптируя слуховой аппарат к таким изменениям раздражителя и предохраняя внутреннее ухо от разрушения.
Благодаря соединению через слуховую трубу воздушной полости среднего уха с полостью носоглотки возникает возможность выравнивания давления по обе стороны барабанной перепонки, что предотвращает ее разрыв при значительных изменениях давления во внешней среде - при погружениях под воду, подъемах на высоту, выстрелах и пр. Это барофункция уха.
В среднем ухе расположены две мышцы: напрягающая барабанную перепонку и стременная. Первая из них, сокращаясь, усиливает натяжение барабанной перепонки и тем самым ограничивает амплитуду ее колебаний при сильных звуках, а вторая фиксирует стремечко и тем самым ограничивает его движения. Рефлекторное сокращение этих мышц наступает через 10 мс после начала сильного звука и зависит от его амплитуды. Этим внутреннее ухо автоматически предохраняется от перегрузок. При мгновенных сильных раздражениях (удары, взрывы и т. д.) этот защитный механизм не успевает сработать, что может привести к нарушениям слуха (например, у взрывников и артиллеристов).
Внутреннее ухо является звуковоспринимаюшцм аппаратом. Оно расположено в пирамидке височной кости и содержит улитку, которая у человека образует 2.5 спиральных витка. Улитковый канал разделен двумя перегородками основной мембраной и вестибулярной мембраной на 3 узких хода: верхний (вестибулярная лестница), средний (перепончатый канал) и нижний (барабанная лестница). На вершине улитки имеется отверстие, соединяющее верхний и нижний каналы в единый, идущий от овального окна к вершине улитки и далее к круглому окну. Полость его заполнена жидкостью - пери-лимфой, а полость среднего перепончатого канала заполнена жидкостью иного состава - эндолимфой. В среднем канале расположен звуковоспринимаюший аппарат- Кортиев орган, в котором находятся механорецепторы звуковых колебаний - волосковые клетки.
Основным путем доставки звуков к уху является воздушный. Подошедший звук колеблет барабанную перепонку, и далее через цепь слуховых косточек колебания передаются на овальное окно. Одновременно возникают и колебания воздуха барабанной полости, которые передаются на мембрану круглого окна.
Другим путем доставки звуков к улитке является тканевая или костная проводимость . При этом звук непосредственно действует на поверхность черепа, вызывая его колебания. Костный путь передачи звуков приобретает большое значение, если вибрирующий предмет (например, ножка камертона) соприкасается с черепом, а также при заболеваниях системы среднего уха, когда нарушается передача звуков через цепь слуховых косточек. Кроме воздушного пути, проведения звуковых волн существует тканевый, или костный, путь.
Под влиянием воздушных звуковых колебаний, а также при соприкосновении вибраторов (например, костного телефона или костного камертона) с покровами головы кости черепа приходят в колебание (начинает колебаться и костный лабиринт). На основании последних данных (Бекеши - Bekesy и др.) можно допустить, что звуки, распространяющиеся по костям черепа, только в том случае возбуждают кортиев орган, если они, аналогично воздушным волнам, вызывают выгибание определенного участка основной мембраны.
Способность костей черепа проводить звук объясняет, почему самому человеку его голос, записанный на магнитофонную пленку, при воспроизведении записи кажется чужим, в то время как другие его легко узнают. Дело в том, что магнитофонная запись воспроизводит ваш голос не полностью. Обычно, разговаривая, вы слышите не только те звуки, которые слышат и ваши собеседники (т. е. те звуки, которые воспринимаются благодаря воздушно-жидкостной проводимости), но и те низкочастотные звуки, проводником которых являются кости вашего черепа. Однако слушая магнитофонную запись собственного голоса, вы слышите только то, что можно было записать, - звуки, проводником которых является воздух.
Бинауральный слух . Человек и животные обладают пространственным слухом, т. е. способностью определять положение источника звука в пространстве. Это свойство основано на наличии бинаурального слуха, или слушания двумя ушами. Для него важно и наличие двух симметричных половин на всех уровнях . Острота бинаурального слуха у человека очень высока: положение источника звука определяется с точностью до 1 углового градуса. Основой этого служит способность нейронов слуховой системы оценивать интерауральные (межушные) различия времени прихода звука на правое и левое ухо и интенсивности звука на каждом ухе. Если источник звука находится в стороне от средней линии головы, звуковая волна приходит на одно ухо несколько раньше и имеет большую силу, чем на другом ухе. Оценка удаленности источника звука от организма связана с ослаблением звука и изменением его тембра.
При раздельной стимуляции правого и левого уха через наушники задержка между звуками уже в 11 мкс или различие в интенсивности двух звуков на 1 дБ приводят к кажущемуся сдвигу локализации источника звука от средней линии в сторону более раннего или более сильного звука. В слуховых центрах есть с острой настройкой на определенный диапазон интерауральных различий по времени и интенсивности. Найдены также клетки, реагирующие лишь на определенное направление движения источника звука в пространстве.
Слуховой анализатор воспринимает колебания воздуха и трансформирует механическую энергию этих колебаний в импульсы, которые в коре головного мозга воспринимаются как звуковые ощущения.
Воспринимающая часть слухового анализатора включает - наружное, среднее и внутреннее ухо (рис. 11.8.). Наружное ухо представлена ушной раковиной (звукоуловитель) и наружным слуховым проходом, длина которого составляет 21-27 мм, а диаметр 6-8 мм. Наружное и среднее ухо разделяет барабанная перепонка - мало податливая и слабо растягивающаяся мембрана.
Среднее ухо состоит из цепи соединенных между собой косточек: молоточек, наковальня и стремечко. Рукоятка молоточка прикрепляется к барабанной перепонке, основание стремечка - к овальному окну. Это своеобразный усилитель который в 20 раз усиливает колебания. В среднем ухе, кроме того, имеется две маленькие мышцы, прикрепляющиеся к косточкам. Сокращение этих мышц приводит к уменьшению колебаний. Давление в среднем ухе выравнивается за счет евстахиевой трубы, которая открывается в ротовую полость.
Внутреннее ухо соединено со средним при помощи овального окна, к которому прикрепляется стремечко. Во внутреннем ухе находится рецепторный аппарат двух анализаторов - воспринимающего и слухового (рис. 11.9.). Рецепторный аппарат слуха представлен улиткой . Улитка, длиной 35 мм и имеющая 2,5 завитка, состоит из костной и перепончатой части. Костная часть разделена двумя мембранами: основной и вестибулярной (рейснеровой) на три канала (верхний - вестибулярный, нижний - тимпанический, средний - барабанный). Средняя часть, называется улиточный ход (перепончатый). У верхушки - верхние и нижние каналы связаны геликотремой. Верхние и нижние каналы улитки заполнены перилимфой, средние - эндолимфой. Перилимфа по ионному составу напоминает плазму, эндолимфа - внутриклеточную жидкость (в 100 раз больше ионов К и в 10 раз ионов Nа).
Основная мембрана состоит из слабо натянутых эластических волокон, поэтому может колебаться. На основной мембране - в среднем канале расположены звуковоспринимающие рецепторы - кортиев орган (4 ряда волосковых клеток - 1 внутренний (3,5 тыс. клеток) и 3 наружных - 25-30 тыс. клеток). Сверху - тектореальная мембрана.
Механизмы проведения звуковых колебаний . Звуковые волны пройдя через наружный слуховой проход колеблют барабанную перепонку, последняя приводит в движение косточки и мембрану овального окна. Колеблется перилимфа и к вершине колебания затухают. Колебания перилимфы передаются на вестибулярную мембрану, а последняя начинает колебать эндолимфу и основную мембрану.
В улитке регистрируется: 1) Суммарный потенциал (между кортиевым органом и средним каналом - 150 мВ). Он не связан с проведением звуковых колебаний. Он обусловлен уравнем окислительно-восстановительных процессов. 2) Потенциал действия слухового нерва. В физиологии также известен и третий - микрофонный - эффект заключающий в следующем: если в улитку ввести электроды и соединить с микрофоном, предварительно усилив его, и произносить в ухо кошке различные слова, то микрофон воспроизводит эти же слова. Микрофонный эффект генерируется поверхностью волосковых клеток, т. к. деформация волосков приводит к появлению разности потенциалов. Однако, этот эффект превосходит энергию вызвавших его звуковых колебаний. Отсюда микрофонный потенциал - непростое преобразование механической энергии в электрическую, а связан с обменными процессами в волосковых клетках. Местом возникновения микрофонного потенциала является область корешков волосков волосковых клеток. Звуковые колебания, действующие на внутреннее ухо, накладывают возникающий микрофонный эффект на эндокохлеарный потенциал.
Суммарный потенциал отличается от микрофонного тем, что отражает не форму звуковой волны, а ее огибающую и возникает при действии на ухо высокочастотных звуков (рис. 11.10.).
Потенциал действия слухового нерва генерируется в результате электрического возбуждения, возникающего в волосковых клетках в виде микрофонного эффекта и суммарного потенциала.
Между волосковыми клетками и нервными окончаниями имеются синапсы, при этом имеет место и химический и электрический механизмы передачи.
Механизм передачи звука различной частоты. В течение длительного времени в физиологии господствовала резонаторная теория Гельмгольца : на основной мембране натянуты струны различной длины, подобно арфе они имеют разную частоту колебаний. При действии звука начинает колебаться та часть мембраны, которая настроена в резонанс данной частоте. Колебания натянутых нитей раздражают соответствующие рецепторы. Однако, эта теория критикуется, т. к. струны не натянуты и их колебания в каждый данный момент включают слишком много волокон мембраны.
Заслуживает внимания теория Бекеше . В улитке имеется явление резонанса, однако, резонирующим субстратом являются не волокна основной мембраны, а столб жидкости определенной длины. По данным Бекеше, чем больше частота звука, тем меньше длина колеблющегося столба жидкости. При действии звуков низкой частоты длина колеблющегося столба жидкости увеличивается, захватывая большую часть основной мембраны, причем колеблются не отдельные волокна, а значительная их часть. Каждой высоте тона соответствует определенное количество рецепторов.
В настоящее время наиболее распространенной теорией восприятия звука разной частоты является “теория места ”, согласно которой не исключается участие воспринимающих клеток в анализе слуховых сигналов. Предполагается что волосковые клетки, расположенные на различных участках основной мембраны обладают различной лабильностью, что оказывает влияние на звуковые восприятия, т. е. речь идет о настройке волосковых клеток на звуки разной частоты.
Повреждения в различных участках основной мембраны приводит к ослаблению электрических явлений, возникающих при раздражении звуков разной частоты.
Согласно резонансной теории, различные участки основной пластинки реагируют колебанием своих волокон на звуки разной высоты. Сила звука зависит от величины колебаний звуковых волн, которые воспринимаются барабанной перепонкой. Звук будет тем сильнее, чем больше величина колебаний звуковых волн и соответственно барабанной перепонки, Высота звука зависит от частоты колебаний звуковых волн, Большая частота колебаний в единицу времени будет. восприниматься органом слуха в виде более высоких тонов (тонкие, высокие звуки голоса) Меньшая частота колебаний звуковых волн воспринимается органом слуха в виде низких тонов (басистые, грубые звуки и голоса) .
Восприятие высоты, силы звука и локализации источника звука начинается с попадания звуковых волн в наружное ухо, где они приводят в движение барабанную перепонку. Колебания барабанной перепонки через систему слуховых косточек среднего уха передаются на мембрану овального окна, что вызывает колебание перилимфы вестибулярной (верхней) лестницы. Эти колебания через геликотрему передаются перилимфе барабанной (нижней) лестницы и доходят до круглого окна, смещая его мембрану по направлению к полости среднего уха. Колебания перилимфы передаются также на эндолимфу перепончатого (среднего) канала, что приводит в колебательные движения основную мембрану, состоящую из отдельных волокон, натянутых, как струны рояля. При действии звука волокна мембраны приходят в колебательные движения вместе с рецепторны-ми клетками кортиева органа, расположенными на них. При этом волоски рецепторных клеток контактируют с текториальной мембраной, реснички волосковых клеток деформируются. Возникает вначале рецепторный потенциал, а затем потенциал действия (нервный импульс), который далее проводится по слуховому нерву и передается в другие отделы слухового анализатора.