Звуковой анализатор является филогенетически наиболее молодым из органов чувств и представляет собой наиболее позднее и совершенное приобретение человека.
Реагируя на малые изменения среды, происходящие на больших расстояниях, он является важнейшим дистантным рецептором. Биологическое значение его не может быть переоценено, так как звук является наиболее постоянным спутником любой деятельности, любой активности, любого движения во внешней среде, что объясняет большое распространение звуков в природе. Они постоянно доходят до нас, от них не заслоняет нас ни ночная тьма, ни окружающие предметы, для уха не существует приспособления, аналогичного веку глаза.
Поэтому сигнальное значение этого анализатора особенно велико. Вследствие наличия звукового анализатора мы не только дробим звук на отдельные элементы, но благодаря образованию условных связей узнаем значение окружающих нас звуков — шагов, лая собаки, шума трамвая и т. д.
Наконец, членораздельная речь осуществляется деятельностью второй сигнальной системы.
При помощи звукового анализатора человек различает звуки по их высоте, громкости и окраске (тембру). Высота того или другого звука (тона) определяется частотой колебаний. Человеческое ухо воспринимает звуки с частотой колебаний примерно от 16 до 20 000 Гц. Нижний и верхний пределы не представляют собой резко очерченную границу, а скорее некоторую область. Так, например, нижняя область охватывает звуки от 12 до 24 Гц, а верхняя от 18 000 до 22 000 Гц. Чем больше их амплитуда, тем более широко раздвигаются пределы слышимости. Это явление объясняется, по-видимому, тем, что локализация звуковых частот на основной мембране ограничена зоной от 100 до 10 000-13 000 Гц. Для более низких и высоких частот специальных участков (волокон) не существует. Восприятие этих звуков осуществляется благодаря обертонам, которые возникают при большой силе звуков. Поэтому при нарастании интенсивности звука верхняя граница восприятия повышается. Определение высоты тона в этой области отсутствует. При восприятии наиболее низких тонов примешивается ощущение вибрации, что затрудняет точное установление нижней границы.
Звуковые колебания с частотой ниже 16 колебаний относят к инфразвукам, выше 20 000 Гц — к ультразвукам. Диапазон звуков, воспринимаемых животными, не совпадает с объемом слышимых человеком звуков. Методом условных рефлексов доказано, что собаки воспринимают звуки до 30 000 Гц, кошки — до 40 000 Гц. Летучие мыши издают звуки высотой в 50 000-60 000 Гц и воспринимают их. Этим объясняется их способность избегать столкновения с предметами даже при выключенном зрении (принцип радара). В пределах своего диапазона нормальное человеческое ухо воспринимает все тоны беспрерывно, без пропусков.
Для высоты тона, помимо частотного числа, можно применять и нотные обозначения. Октавой называется тон, обладающий двойной частотой по отношению к первому. В октаве различают 7 ступеней, которые называются в музыке до (c), ре (d), ми (e), фа (f), соль (g), ля (a), си (h).
Для восприятия слышимости частот, однако, требуется еще другое непременное условие — это достаточная амплитуда колебаний (сила или интенсивность звука). Поэтому не существует изолированного качественного исследования слуха (различения высоты) и количественного исследования (распознавания силы). Оба качества звука — его сила и частота — взаимосвязаны, и мы можем говорить о силе звука только конкретно по отношению к той или другой частоте. При этом обнаруживаются три изумительных свойства уха: 1) чрезвычайная чувствительность, т. е. восприятие даже слабейших звуковых сигналов; 2) большая выносливость по отношению к интенсивным звукам; 3) большое различие чувствительности к разным частотам.
Легко получить изображение функциональной способности уха, если по оси абсцисс отложить частоты звуков, а по оси ординат — их силу (в единицах давления — барах — или энергии — эргах, рис. 19).
Так как имеются очень большие колебания в частоте и особенно в силе звуков, то при изображении нарастания частот на графике применяется не арифметическая, а геометрическая прогрессия; интенсивность звука изображается в логарифмических единицах. При этом нижняя кривая соответствует порогам слышимости, т. е. отражает чувствительность уха к различным частотам. Как известно, порогом (абсолютным) слышимости называется наименьшая сила звука, которую воспринимает ухо при данной частоте.
Чувствительность соответствует величине, обратной пороговой интенсивности:
E0 = 1/J0,
где E0 — чувствительность уха; J0 — интенсивность на пороге слышимости.
Наибольшей чувствительностью ухо обладает к звукам в зоне 1000-4000 Гц, где порог соответствует звуковому давлению P0 = 0,000204 бара, т. е. 10-9 эрг/см2 сек или 10-16 Вт/см2 сек.
При удалении в обе стороны от этой оптимальной зоны чувствительность уха быстро падает, и в зоне 200 Гц и 10 000 Гц пороговая сила звука уже в 1000 раз больше, чем для звуков в 1000-4000 Гц.
Если исследовать звуки надпороговой силы, то оказывается, что при большом усилении звуки приобретают неприятный оттенок, а дальше примешиваются уже ощущения давления и боли в глубине уха. Для звука любой частоты можно определить эту зону давления и боли и, таким образом, получить кривую, ограничивающую зону слуха сверху — кривую давления и боли. Все, что находится между кривой чувствительности и кривой давления, составляет звуковое поле.
Объем этого звукового поля особенно значителен в оптимальной зоне слуха (1000-4000 Гц). Различие между обоими порогами в этой зоне (10-9 эрг — порог чувствительности и 10-4 эрг — порог давления) составляет величину, равную 10-13 . Техника не знает примера, где один и тот же прибор мог бы отвечать на воздействия, разнящиеся друг от друга на такие астрономические величины.
Представляется в высшей степени удобным выражать отношения между двумя интенсивностями звука в логарифмических единицах:
lg 10J/J0.
Эта единица называется бел (в честь изобретателя телефона Белла).
При этом весь диапазон интенсивности охватывается 13 логарифмическими единицами или 13 бел. Нулевой уровень звуковой энергии J0 может быть выбран произвольно, например 1 бар, тогда другие уровни будут отсчитываться от него вверх и вниз. Обычно за нулевой принимают уровень, равный 10-9 эрг/см2 сек, что соответствует силе звука несколько ниже порога для наиболее чувствительной зоны. В таком случае все слышимые звуки будут исчисляться в положительных единицах.
На практике более удобно пользоваться меньшей единицей — децибелом, которая равняется 0,1 бел.
При этом число децибелов (N) определяется формулой:
N = 10 lg 10J/J0.
Эта единица оказалась удобной еще и в том отношении, что она соответствует примерно той прибавке в силе звука, при которой уже возможно отличить по громкости один звук от другого.
Таким образом, децибел — это 0,1 десятичного логарифма отношения силы данного звука (J) к нулевому уровню (J0).
Если исходить из величины звукового давления, то число децибелов (N) будет соответствовать:
N = 10 lg 10P2/P02 = 20 lg 10P/P0.
Для наглядности приводим таблицу децибелов и соответствующих отношений звуковых интенсивностей (выраженных в эргах и барах).
Таблица 1
| Дб | 1 | 3 | 6 | 10 | 20 | 40 | 60 | 80 | 100 | 150 |
| 1,26 | 2 | 4 | 10 | 102 | 104 | 106 | 108 | 1010 | 1014 | |
| P/P0 | 1,12 | 1,41 | 2 | 3,16 | 10 | 102 | 103 | 104 | 105 | 107 |
Чувствительность звукового анализатора характеризуется не только величиной абсолютного порога (т. е. различение тишины от едва заметного звукового ощущения), но и способностью определять надпороговые звуки по их частоте и силе. Для этого следует определить тот минимальный прирост по частоте или силе звука, который различается ухом. Поэтому разностным, или дифференциальным, порогом частоты звука называется отношение еле заметного прироста в частоте к первоначальной частоте звука. Эти пороги — наименьшие в зоне частот 500—5000 гц и равны 0,003. Это значит, что изменение частоты звука всего на 3 гц при тоне в 1000 гц уже различается ухом как другая высота. При 4000 гц требуется прирост в 12 гц, и т. д.
Разностные пороги в зоне низких частот выше и достигают для 50 гц 0,01.
Разностным порогом силы звука называется тот минимальный прирост силы звука, при котором ощущается еле заметное усиление громкости первоначального звука.
Разностные пороги силы звука в среднем составляют 0,1—0,12, т. е. для того, чтобы один звук казался громче другого, следует усилить звук на 1/10 его первоначальной величины. Однако это оказывается правильным только для звуков средней силы, например в 40—60 дб над уровнем ощущения. Согласно закону Вебера-Фехнера, эта величина должна была быть постоянной для звуков слабых и громких. Однако оказалось, что для слабых звуков (близких к порогам) еле ощущаемый прирост достигает 1/4 и более. Упомянутые величины соответствуют примерно 0,4—2 дб, и т. д.; 1 дб — это средняя величина прироста силы, которую мы воспринимаем. Следует отметить, что разностный порог силы зависит и от частоты исследуемых звуков; порог особенно велик в зоне басовых звуков и наименьший — в зоне 500—4000 гц.
Соотношения между громкостью (особым ощущением звука) и силой звука (физическая величина) очень сложны, и поэтому следует четко различать эти понятия. Два равных по силе, но разных по частоте звука не являются равными по громкости: так, например, звук 64 гц при 40 дб (исчисленными по нормальному нулевому уровню) еще не слышен. Для сравнения громкостей звуков разной высоты принято определять еще уровень громкости, для чего сравнивают громкость исследуемого звука с равногромким звуком в 1000 гц и берут обозначение соответствующей силы в децибелах.