Нейронные структуры слухового анализатора 5 страница

Нейронные структуры слухового анализатора 5 страница - student2.ru

Рис. 5.3. Характеристики звуковой волны

Основными физическими характеристиками звуковых волн являются частота, амплитуда, или интенсивность, и сложность.

Одной из характеристик звуковых волн, свидетельствующей о том, насколько бы­стро протекает цикл (период) изменений давления, является число циклов (периодов) изменения давле­ния (т.е. переходов от сжатия к разрежению и обратно), происходящих в течение 1 секунды. Она называется частотой (f) и измеряется в герцах (Гц); единица измерения часто­ты, названная в честь немецкого физика Генриха Герца (1857-1894), равна числу изменений звукового давления, или циклов, в секунду. Так, если частота звука равна 1000 Гц, значит, за 1 секунду происходит 1000 циклов, или изменений, звукового дав­ления. Считается, что молодые люди способны воспринимать звуки с частотой от 16 до 20 000 Гц; звуки, частота которых ниже 16 или выше 20 000 Гц, находятся ниже и выше порога слухового восприятия человека, и называются соответственно – инфразвук и ультразвук.

Для описания звуковых волн используется также и такая характеристика, как длина одиночной волны. Это свойство весьма полезно для понимания многих аспек­тов такого феномена, как локализация звука. Длина звуковой волны — это линей­ное расстояние между двумя последовательными сжатиями (этот параметр обозначается греческой буквой — λ).

Длина волны обратно пропорциональна частоте. Чем больше частота звука, тем чаще в течение определенного промежутка вре­мени изменяется давление, и тем короче сама волна. Так, низкочастотный звук имеет длинную волну, а высокочастотный — короткую.

Звуки отличаются друг от друга не только по высоте, но и по амплитуде — коли­честву изменения звукового давления, т.е. степени смещения (сжатия или разрежения) относительно положения покоя. При низком давлении амплитуда звука мала и звук слабый, при высоком давлении воздуха амплитуда звука велика и слышен интенсивный звук. Характеризующие звук термины амп­литуда и интенсивность — взаимозаменяемые.

Будучи физическим параметром, амплитуда, или интенсивность, звука зависит от давления или силы, воздействующих на его источник. Основной единицей изме­рения давления является сила на единицу площади. Несмотря на то что давление звука может быть выражено во многих других единицах, для удобства в акустике (разделе физики, занимающемся изучением упругих волн) давление измеряется в динах на квадратный сантиметр (дин/см2). Иногда давление звука оценивается в эквивалентной единице — в микробарах, сокращенно мбар. Сравнительно недав­но изменение давления стали выражать в ньютонах на квадратный метр, Н/м2, и микропаскалях, мкПа.

Интервал амплитуд, к которым чувствительно ухо, чрезвычай­но широк. Сила самого громкого звука в миллиарды раз превышает интенсивность самого слабого звука, улавливаемого человеческим ухом. Поскольку этот интер­вал огромен, удобно пользоваться логарифмической шкалой давлений, названной в честь Александра Грэма Белла децибельной (дБ) шкалой. Преимущество логарифмической шкалы децибелов для оценки интенсивности звука заключается в том, что она сокращает огромный интервал возможных значений амплитуд и пре­вращает все их значения, доступные человеку, в значительно более узкую и удоб­ную для практического использования шкалу, изменяющуюся от 0 до приблизи­тельно 160.

Сила звука в децибелах равна:

Nдб =20 log Р°/Рг,

где: Nдб — число децибел, Ре — звуковое давление, которое нужно выразить в деци­белах; Рг — эталонное давление, равное 0,0002 дин/см2.

Звуковое давление, которое нужно выразить в децибелах (Ре), соотносится именно с таким эталонным давлением потому, что по своему абсолютному значе­нию оно близко к среднему слуховому порогу человека (для звука с частотой 1000 Гц).

Децибелы — не такие абсолютные, фиксированные единицы, как граммы, мет­ры или ватты. Выражая интенсивность звука в децибелах, мы показываем, во сколь­ко раз он более интенсивен или менее интенсивен, чем звук, соответствующий эта­лонному звуковому давлению Рг. Децибельная шкала, построенная относительно эталонного давления, равного 0,0002 дин/см2 и принятого в качестве порогового значения, обычно называется уровнем звукового давления. Это название вве­дено в обиход в связи с тем, что для практических целей при определении децибел нередко используются и другие эталонные давления.

В таблице представлены децибелы, рассчитанные по вышеприведенной фор­муле для интервала давлений (Ре), создаваемых некоторыми знакомыми нам ис­точниками звуков. Для наглядности отобраны такие значения давлений, которые отличаются друг от друга на порядки (например, давление, равное 200 дин/см2, в десять раз больше давления, равного 20 дин/см2, которое, в свою очередь, в 10 раз больше давления, равного 2 дин/см2 и т. д.).

Таблица 1.

Связь между звуковым давлением и децибелами для некоторых хорошо известных источников звуков

Давление Ре дин/см2 дБ Источник звука
      2, 0     0,2 0,02   0,002   0,0002                 Реактивный самолет в момент взлета. Раскат грома, Тяжелый рок ( рок-музыка) Интенсивный транспортный поток, Шум метро Заводской шум, Фен для сушки волос, Пылесос Обычный разговор Офис, Жилое помещение Шепот, Шелест листвы Слуховой порог

Приведенные в таблице данные свидетельствуют о том, что изменения звуко­вого давления и децибелы связаны между собой не линейной, а скорее логариф­мической зависимостью. Сравнение данных, приведенных в первых двух графах, показывает, что при десятикратном увеличении звукового давления (Ре) число децибел увеличивается на 20. Например, если интенсивность одного звука равна 80 дБ, а интенсивность второго — 60 дБ, то в первом случае звуковое давление в 10 раз выше, чем во втором (разница в силе звуков равна 20 дБ). Обращает внима­ние то, что интенсивность шепота на 20 дБ превышает интенсивность звука, соответствующего слуховому порогу и имеющего интенсивность (в децибелах), равную нулю. В данном случае тоже имеет место десятикратное увеличение звукового дав­ления. Для сравнения: амплитуда звуковой волны, соответствующей обычному разговору, на 60 дБ больше, чем эталонный уровень, что соответствует тысячекрат­ному увеличению звукового давления.

В зависимости от слож­ности акустического сигнала, воспринимаемые звуки могут быть простыми и сложными. Простые звуки - синусоидальные колебания, физическими характеристиками которых являются амплитуда, частота, интенсивность. Сложные звуки представляют собой комбинацию колеба­ний различной формы.

5.3. Сложность звуковой волны

Большинство встречающихся в природе звуков невозможно представить простой синусоидальной волной. Звук, соот­ветствующий по своим свойствам идеальной синусоиде с постоянной частотой и амплитудой, может быть получен лишь в лабораторных условиях. Большинство звуков, которые мы слышим в реальной жизни, — это сочетания акустических сиг­налов, каждый из которых может быть представлен своей собственной синусоидой, вследствие чего их общая, суммарная, синусоида отличается сложностью.

Фортепиано

Нейронные структуры слухового анализатора 5 страница - student2.ru

Флейта

Кларнет

Человеческий голос

Взрыв

Рис. 5.4. Сложные звуковые волны

Так, большинство окружающих нас звуков — голоса людей и животных, шум, донося­щийся с улиц, забитых транспортными средствами, звуки музыкальных инстру­ментов и т. п. — это результат взаимного наложения различных волн с разными частотами. Для подобных звуков характерны чрезвычайно сложные циклы изме­нений давления — циклы сжатия и разрежения. В сложных звуковых волнах, создаваемых музыкальными инструментами, про­является важное свойство источников звуковых колебаний. Как правило, любой источник сложных звуковых колебаний одновременно создает звуковые волны с разными частотами. Самые низкие частоты, называемые фундаментальнойчасто­той (или первой гармоникой),определяют высоту сложного звука. Задетая скри­пичная или гитарная струна колеблется как единое целое, вызывая чередование сжатий и разрежений окружающего ее воздуха. Однако колебания создает не толь­ко вся струна целиком (что является источником фундаментальной частоты); од­новременно звуковые волны генерируются и отдельными участками струны, пред­ставляющими собой строго определенные доли ее общей длины.

Эти дополнительные колебания с частотами, кратными фундаментальной ча­стоте, называются гармониками(или обертонами). Иными словами, фундамен­тальная частотапредставляет собой самую низкую частоту сложной звуковой волны; все более высокие частоты, кратные частоте фундаментальной волны, пред­ставляют собой гармоникипоследней. Роль фундаментальной частоты и ее гармо­ник будет рассмотрена ниже, в разделе, посвященном патологии слуха.

Анализ Фурье.Несмотря на то, что сложный звук не может быть представлен в виде одной синусоидальной волны, его можно представить несколькимисинусоидами. Согласно теореме Фурье, любая сложная периодическая волна может быть представлена в виде суммы ряда про­стых синусоидальных волн, каждая их которых имеет свои собственные частоту и амплитуду. Разложение сложной волны любой формы на компоненты, имеющие синусоидальную форму, называется анализом Фурье.Синтез волн, имеющих сложные формы, из простых синусоидальных волн называется синтезомФурье.

Математически анализ Фурье начинается с фундаментальной (основной) частоты — самой низкой частоты из всех, представленных в сложной волне. Именно к ней добавляются синусоидальные волны, более высо­кие частоты которых кратны фундаментальной частоте.

Высота сложного тона определяется его фундаментальной частотой. Если ис­пытуемому предъявить сложный звук, а затем попросить его подобрать простой соответствующий ему по высоте, то он выберет звук, который можно представить простой синусоидой с частотой, примерно равной фундаментальной частоте сложного звука. Иными словами, высота сложного тона приблизительно рав­на высоте звука, который можно представить синусоидой с частотой, близкой к фундаментальной частоте сложного тона.

Акустический закон Ома.Аудиальная система может, правда лишь приблизительно, анализировать сложные волны по методу Фурье: она разлагает их на со­ставляющие компоненты и направляет информацию о представленных в ней частотах на более высокие уровни аудиальной системы. Этот феномен, известный под названием акустического закона Ома(названного в честь немецкого физика Георга Ома (1787-1854), более известного своими работами в области электричества), заключается в следующем: когда на нас воздействует относительно сложный звук, например, когда мы слышим аккорд, образованный несколькими нотами, мы спо­собны оценить вклад, внесенный в него отдельно каждой нотой. Иными словами, из закона Ома следует, что мы способны воспринимать индивидуальные частот­ные компоненты сложного звука.

Тембр.Психологическим аспектом восприятия звука, отражающим сложность звуковой волны, является тембр(от старофранцузского слова tamber, что значит «маленький колокольчик»). Тембр — это отличительное качество тона того или иного звука, являющееся результатом числа и интенсивности гармоник (или обер­тонов), которые производит этот звук. Например, сложный звук музыкального инструмента образован фундаментальной частотой и обертональными частотами, всегда кратными фундаментальной частоте и присутствующими в звуке в разных количествах. Количество и характер обертонов, создаваемых разными музыкаль­ными инструментами, различны, вследствие чего различны и тембры. Именно благодаря тембру мы отличаем музыкальные инструменты друг от друга даже тогда, когда звучат одни и те же ноты одинаковой высоты. Различия в тембрах музыкаль­ных инструментов — следствие различий их обертонов.

Подводя итог, можно сказать, что высота сложного звука зависит в первую оче­редь от его фундаментальной частоты, а тембр — от гармоник. Именно поэтому такие инструменты, как гитара и фортепиано, создающие много обертонов, обла­дают и более наполненным, богатым звуком, нежели инструменты, издающие от­носительно чистый, однородный звук (в частности, флейта).

Гармонические колебания.Сложность состава звуковых колебаний выражается в том, что к основной частоте, обладающей определенной амплитудой, примеши­ваются дополнительные колебания, имеющие меньшую амплитуду. Дополнительные колебания, частота которых превышает частоту ос­новного колебания в кратное количество раз, называются гармоника­ми и дают ощущение музыкального тона, т. е. создают тембральную окраску звука.

Особый класс звуков образуют щелчки, продолжающиеся иногда всего лишь тысячные доли секунды.

В музыке одновременный комплект звуков называется аккордом. Если частоты колебаний составляющих акустических сигналов крат­ны по частоте, то аккорд воспринимается как консонанс (обратное - диссонанс).

Фаза.За один полный цикл звуковая волна проходит точку сжатия, точку покоя, при ко­торой давление равно нулю, точку разрежения, затем снова точку покоя и, наконец, снова точку сжатия, иными словами, она перемещается от пика к пику (см. рис. ). Та часть цикла, которую звуковая волна проделала к данному моменту времени, называется фазой.Полный цикл может быть также охарактеризован и угловой ме­рой, называемой фазовым углом. Чтобы этой мерой было удобно пользоваться, за один полный цикл звуковой волны принят цикл, в котором начало (точка покоя) соответствует 0°, первый пик (первое сжатие) — 90°, точка покоя — 180°, разреже­ние — 270° и вторая точка покоя — 360°. Подобный подход позволяет выразить лю­бую часть полного цикла звуковой волне в градусах от 0 до 360.

Возникающие одновременно звуковые волны взаимодействуют друг с другом. Два звука одинаковой частоты, звучащие одновременно, могут быть представле­ны синусоидами, все точки которых абсолютно одинаковы; эти волны накладыва­ются друг на друга, и образуется волна, амплитуда которой равна сумме амплитуд исходных волн. О таких волнах говорят, что они синфазны, т. е. «совпадают по фа­зе». Но если из двух звуковых волн, имеющих одинаковые частоты, одна возникла чуть раньше другой, им будут соответствовать разные синусоиды и они будут до­стигать разрежений и сжатий в разное время. Например, звуки одинаковой гром­кости, одновременно исходящие из двух громкоговорителей, не связанных между собой и расположенных на разном расстоянии от слушателя, могут разойтись по фазе. Иная ситуация, приводящая к несовпадению звуков по фазе, возникает тогда, когда звук от единственного громкоговорителя проходит разные расстояния, прежде чем достигает и правого, и левого уха слушателя: при этом звуки, воспри­нимаемые левым и правым ухом, тоже оказываются «не в фазе». Разница между фазами измеряется в градусах.

Если одна звуковая волна достигает точки сжатия на одну четвертую цикла быстрее, чем другая (т.е. на 1/4от 360°), то говорят, что волны разошлись по фазе на 90°. Если одна волна опережает другую на полцикла, расхож­дение по фазе между этими волнами составляет 180°. При этом если их частоты и амплитуды соответственно равны между собой, волны оказыва­ют диаметрально противоположное влияние на воздушную среду: когда одна волна достигает пика сжатия воздуха, вторая достигает пика его разрежения, в резуль­тате чего они нейтрализуют результаты воздействия друг друга и не будет слышно никакого звука. Про волну, которая является зеркальным отражением другой волны , можно сказать, что она «обратна» по фазе этой волне.

Фаза и шумоподавление.Способность звуковых волн, расходящихся по фазе на 180°, нейтрализовать воздействие друг друга имеет большое практическое зна­чение. Отмена, или нейтрализация, звукового давления с помощью звуковой вол­ны той же амплитуды и частоты, но обратной по фазе может быть использована для «глушения» источников нежелательного шума. Этот метод, получив­ший название метода шумоподавления(в физике его называют деструктивной интерференцией или — иногда — полной аннуляцией. Он был разработан в 70-х гг. XIX в. английским физиком Джоном Уильямом Страттом).

Метод шумоподавления особенно полезен для борьбы с предсказуемым, про­должительным или системным шумом, являющимся результатом смешения таких неприятных, раздражающих, а иногда и потенциально вредных звуков, как гул, рев, вибрация и вой, источниками которых служат промышленные установки конди­ционирования воздуха, различное заводское оборудование и двигатели самолетов, В течение нескольких микросекунд микрофон «отбирает пробу» нежелательного шума, которая затем анализируется компьютером. То, что делает компьютер, по своей сути — анализ Фурье: он выявляет основные обертоны шума и его периоди­ческие компоненты. (На практике эта операция наиболее успешно выполняется с низкочастотным шумом.) Практически немедленно компьютер генерирует иден­тичную звуковую волну, имеющую ту же частоту и амплитуду, что и нежелатель­ный шум, но являющуюся ее зеркальным отражением, т. е. обратную ей по фазе (или расходящуюся с ней по фазе на 180°). Результат одновременного распростра­нения этих двух сложных волн — «антишум», или тишина. При этом исчезают мно­гие раздражающие посторонние шумы, а такие звуки, физические характеристики которых нестабильны (например, человеческая речь), полностью сохраняются. На самом деле метод отмены шума «удваивает количество» последнего, но слыш­на лишь очень небольшая его часть.

Резонанс.Большинство твердых объектов, если по ним ударить или привести их в движение, приложив необходимую для этого силу, вибрируют с определенной частотой. Сто­ит только ударить ложкой по краю стеклянного стакана, и он начнет колебаться с определенной частотой. Частота, с которой колеблется приведенный в движение объект, называется естественной, или резонансной, частотой данного объекта и за­висит от массы и упругости объекта. Вызывать колебания объектов с такой частотой, которая совпадает с частотой ко­лебаний внешнего воздействия, т. е. заставить объекты резонировать, могут различ­ные внешние гармонические воздействия, в том числе и звук. Резкое возрастание амплитуды колебаний объекта при воздействии на него источника звука, частота которого соответствует его собственной естественной, или резонансной, частоте, называется резонансом.

Общее правило, касающееся достижения резонансной вибрации объекта, тако­во: чем меньше разница между резонансной частотой объекта и частотой, воздейст­вующей на него, тем легче она достигается. Наибольшие шансы вызвать резонанс­ную вибрацию объекта имеет тот источник звука, частота которого равна естествен­ной, или резонансной, частоте объекта. Вам самим не раз приходилось наблюдать это явление: вибрацию оконного стекла в помещении, в котором стерео­система включена на полную мощность. Вибрацию стекла вызывают те звуки, ис­пускаемые стереосистемой, которые имеют одинаковую с ним резонансную часто­ту. Причиной того, что, поднеся к уху раковину, мы слышим «шум прибоя», тоже является резонанс: воспринимаемый нами звук — результат совместного воздей­ствия воздуха, который содержится в раковине и резонирует со свойственными ему частотами (представляющими собой сложную смесь преимущественно высоких частот), и внешних звуков. Под воздействием внешних звуков (т. е. звуков вне ра­ковины), даже если они и очень слабы, содержащийся в раковине воздух начинает резонировать, в результате чего и возникает характерный звук морского прибоя.

5.4. Анатомия органа слуха и механизмы звуковых ощущений

Рассмотрим те функции органов слуха, благодаря ко­торым описанные выше сложные колебания давления воспринимаются нами как звуки.

На рисунке 5.5. показан орган слуха - ухо человека.

Нейронные структуры слухового анализатора 5 страница - student2.ru

Рис. 5.5. Ухо человека

1 – слуховой проход

2 – барабанная перепонка

3 – молоточек

4 – наковаленка

5 – стремечко

6 – овальное окно

7 – полукружные каналы вестибулярного аппарата

8 – улитка

9 – круглое окно

10- выход слухового нерва.

В первую очередь нас интересуют органы-рецепторы, воспринимающие звуковую энергию, и механизмы ее преобразования в нервные импульсы, а также функции органов-рецепторов. Хотя в природе существует огромное число струк­тур, способных воспринимать акустическую энергию, основным объектом нашего внимания будет ухо человека.

Нейронные структуры слухового анализатора 5 страница - student2.ru

Рис. 5.6. Строение слухового рецептора

Как следует из рис. 5.6., слуховая рецепторная система может быть условно разделена на три основных структурных компонента: наружное ухо, среднее ухо и внутреннее ухо.

Наружное ухо

Наружное ухо большинства млекопитающих состоит из ушной раковины, наруж­ного слухового прохода и барабанной перепонки.

Ушная раковинаисполняет несколько функций: защищает от механических повреждений чувстви­тельные, легко травмируемые внутренние структуры, предотвращая попадание в слуховой проход инородных тел, и направляет в него улавливаемые ею колебания воздуха. Благодаря своей форме ушная раковина также усиливает высокочастот­ные звуки, частота которых колеблется в пределах 4000 Гц. Кроме того, ушная раковина играет некоторую роль и в тех случаях, когда, услышав звук, человек должен понять, где находится его источник, — впереди или позади него.

Ушная раковина также важна при определении вертикально расположенных источников звука.

Хотя подавляющее большинство людей не имеют возможности управлять мус­кульной системой, контролирующей ушные раковины, многим млекопитающим это доступно. Всем приходилось наблюдать, как кошки или собаки, заслышав ка­кой-нибудь звук, рефлекторно поворачивают свои подвижные ушные раковины в ту сторону, откуда он доносится. Конечно же, при этом способность ушной рако­вины улавливать колебания воздуха, а следовательно, и степень ее участия в лока­лизации источников звуков возрастают. Однако ушные раковины есть не у всех млекопитающих. Такие морские животные, как дельфины и киты, лишены ушных раковин, возможно, потому, что сами их тела способны воспринимать возникающие в воде звуковые волны. Кроме того, выступающие ушные раковины, умень­шая обтекаемость тел, одновременно уменьшали бы скорость передвижения. Возможно, отсутствие ушных раковин у низших позвоночных — рыб, земноводных, рептилий и птиц — объясняется этой же причиной. Наружные слуховые проходы птиц прикрыты перьями, что может даже понизить остроту слуха, но это необхо­димо для уменьшения шума, создаваемого ветром во время полета.

Наружный слуховой проход— это полость, имеющая вид желобка длиной 2,5-3 см и диаметром, равным примерно 7 мм, и с открытым вход­ным (наружным) и слепым выходным (внутренним) отверстиями. Основное назначение наружного слухового прохода – улавливание звуковых колебаний и передача их барабанной перепонке, но он также защищает её от инородных тел и поддерживает определенный температурный режим и влажность вблизи нее. Слухо­вой проход играет роль звукоприемника, и в первую очередь — частот, примерно равных 3000 Гц, усиливая вследствие резонанса чувствительность уха к таким зву­кам. Благодаря резонансной частоте слухового канала звуковое давление у бара­банной перепонки повышается на 8-10 дБ, и ухо становится более чувствитель­ным к звукам с частотой около 3000 Гц. Резонансная частота наружного слухового прохода человека очень близка к часто­там тех звуков, к которым наша аудиальная система наиболее чувствительна.

Барабанная перепонка— тонкая, полупрозрачная мембрана, которая отделяет наружный слуховой проход от среднего уха. Звуковое давление вызывает вибра­цию барабанной перепонки, и именно на ней изменения звукового давления пре­образуются в механическое движение. Смещения барабанной перепонки под воз­действием звуковых волн, необходимые для восприятия звуков, соответствующих слуховому порогу, ничтожно малы. Для восприятия резонансных частот, достаточ­но такого смещения барабанной перепонки, которое меньше по величине, чем ди­аметр атома водорода.

Среднее ухо

Как показано на рис. 5.6., за барабанной перепонкой находится заполнен­ная воздухом полость среднего уха. Среднее ухо трансформирует колебания бара­банной перепонки в механическую энергию, которую и передает внутреннему уху. Непосредственно к барабанной перепонке примыкает молоточек— первая косточка в цепи, состоящей из трех мелких косточек, которые называются слуховыми косточкамии связывают среднее ухо с внутренним. Мо­лоточек связан с наковальней, которая, в свою очередь, связа­на со стременем, самой мелкой из всех слуховых косточек; основание стремени вставлено в овальное окно,которое является входом во внутреннее ухо. Слуховые косточки, общая длина которых рав­на приблизительно 18 мм, прочно соединены связками и передают колебания барабанной перепонки овальному окну, действуя как система рычагов, причем осно­вание стремени играет роль поршня.

Функции среднего уха: выравнивание импедансов.Полости наружного и среднего уха заполнены воздухом, а внутреннее ухо — водянистой жидкостью. Это различие имеет важное значение для передачи звуков во внутреннее ухо. Воздух представляет собой легко сжимаемую среду, а вода в силу своей большей плотности сжимается труднее, а это значит, что передача звуков в водной среде требует более значительных усилий, чем их передача в воздухе. Разница в сопротивлении (или в импедансах), существующая между такими средами, как воздух и вода, обнаружи­вается очень легко: достаточно сравнить не требующее практически никаких уси­лий движение собственного кулака в воздухе и усилие, с которым он преодолевает сопротивление воды. Сопротивление, оказываемое средой при прохождении через нее звуковых волн, называется импедансом, а разница между сопротивлением зву­ковым волнам, имеющим место в разных средах, называется разностью импедан­сов.Переход звуковой волны из одной среды в другую — из заполненной воздухом полости среднего уха в камеры улитки внутреннего уха, заполненные жидкостью, - приводит к возникновению разности импедансов, осложняющей процесс передачи звука специфическими механическими проблемами. Если колебания воздуха не будут трансформированы и каким-то образом сконцентрированы, они не смогут преодолеть сопротивления водянистой жидкости, содержащейся во внутреннем ухе, и аудиальная система утратит значительную часть своей чувствительности.

Основное назначение среднего уха — преобразование импеданса воздушной среды наружного уха в импеданс жидкой среды внутреннего уха и обеспечение эффективной трансмиссии звуковых колебаний из первого во второе. Для повы­шения эффективности передачи звука во внутреннее ухо структурные элементы среднего уха выполняют два важных механических преобразования. Хотя переда­ча колебаний от барабанной перепонки стремени к овальному окну усиливается слуховыми косточками, играющими роль некоего рычага, лишь незначительно, это усиление очень важно. Слуховые косточки способствуют более эффективным механическим движениям стремени, усиливая тем самым колебания и на нем, и на овальном окне приблизительно в 1,3 раза.

Однако большее значение для трасформации колебаний имеет, прежде всего, разница между эффективными поверхностями барабанной перепонки и основания стремени. Площадь барабанной перепонки, равная приблизительно 70 мм2, значи­тельно превосходит площадь подножки связанного с овальным окном стремени, которая равна приблизительно 3 мм2. Концентрация колебаний сравнительно боль­шой барабанной перепонки на заметно уступающем ей по площади стремени суще­ственно увеличивает давление. (Более конкретно — давление на единицу поверх­ности.) Если равные по величине усилия воздействует на большую и меньшую поверхности, изменение давления будет больше во втором случае. (Точно так же удар молотка оставит на вашем столе лишь незначительный след, а удар такой же силы по маленькой шляпке гвоздя вгонит гвоздь в стол.) Разница в величине эффек­тивных поверхностей двух структур приводит к тому, что на основании стремени и на овальном окне давление приблизительно в 20-25 раз больше, чем на бара­банной перепонке. Этим успешно компенсируется разность импедансов, возника­ющая в связи с возрастанием плотности среды внутреннего уха. Именно поэтому среднее ухо называют также органом,предназначенным для выравнивания импе­дансов.

Итак, среднее ухо играет роль механического преобразователя, назначение которого заключается, прежде всего, в обеспечении продвижения звуковой волны через жидкость, содержащуюся во внутреннем ухе. Слух людей с дисфункцией среднего уха, вызванной патологией слуховых косточек, может быть значительно понижен. Напротив, многие биологические виды, которые обитают в воде и кото­рым в обычных условиях не приходится воспринимать звуки из воздуха, не испы­тывают потребности в механической трансформации, аналогичной той, которая происходит в среднем ухе. Именно поэтому у многих видов рыб нет органов, ана­логичных наружному или среднему уху. Слуховые косточки млекопи­тающих возникли в результате эволюции среднего уха земноводных и рептилий, которое, в свою очередь, — результат эволюции челюстных костей их эволюцион­ных предшественников. Следовательно, возникновение такого чувствительного органа, как среднее ухо живущих на суше млекопитающих, благодаря которому внутреннее ухо, заполненное плотной жидкостью, способно воспринимать аудиальную стимуляцию, зародившуюся в воздухе,— результат эволюционного разви­тия биологических видов, изначально приспособленных только к жизни в воде.

Наши рекомендации