Автор: Владимир Меркулов
ПРОЦЕССОР В УХЕ
Еще в Древней Греции философ и математик Пифагор Самосский (Pythagoras; 570-490 до н. э.) установил, что звук - это распространяющиеся во все стороны колебания/сотрясение воздуха. А вот природа слуха долгое время была тайной за семью печатями.
Лишь в 1851 году, после того как итальянский гистолог А.Корти (Marquis Alfonso Giacomo Gaspare Corti; 1822-1876) дал описание строения находящейся во внутреннем ухе улитки, которую позже в его честь назвали «Кортиевым органом», немецкий физик и физиолог Г.Гельмгольц (Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz; 1821-1894) высказал интересную гипотезу. Он обратил внимание, что во время пения без аккомпанемента начинают резонировать струны стоящего неподалеку рояля. Г.Гельмгольц предположил, что подобным же образом реагируют на звуковые колебания волосковые клетки, покрывающие поверхность базальной (основной) мембраны кортиева органа, то есть каждая из них отзывается на тон определенной высоты.
Г.Гельмгольц интересовался акустикой и как разделом физики. В частности, он изобрел резонаторы, которые и поныне используются в воспроизводящих звуковых колонках низкочастотной домашней и концертной аппаратуры и известны под названием «фазоинвертор».
Прошло еще почти сто лет, когда ставший впоследствии лауреатом Нобелевской премии 1961 года по медицине и членом Национальной академии наук США венгерский физик Г.Бекеши (Georg von Bekesy; 1899–1972) увлекся анатомией и попытался разобраться в механизме слуха. Он научился делать вскрытия органов слуха умерших людей и животных, но поначалу потерпел неудачу: после усопления, напрмер, человека кортиев орган быстро обезвоживается, и исследователю не удавалось проследить поведение базальной мембраны улитки в динамике. В 1928 году Г.Бекеши решил подойти к решению проблемы с другой стороны и построил механическую модель улитки. Чтобы было проще следить за происходящими в улитке процессами, многие детали изобретатель сделал из прозрачных материалов, а мембрану - из резиновой пластины.
Подавая на вход улитки механические звуковые колебания, Бекеши обратил внимание, что вибрации различной частоты вынуждают колебаться разные участки мембраны: высокие тона деформируют ее часть, примыкающую к среднему уху, низкие тона вызывают деформации в дальнем конце (рис. 3). Деформации и возбуждают находящиеся в этих областях рецепторы - волосковые клетки. Подобное свойство мембраны Г.Бекеши назвал «эффектом бегущей волны» [1].
У КОГО УШИ ЛУЧШЕ?
Великий русский учёный-физиолог, создатель науки о высшей нервной деятельности и представлений о процессах регуляции пищеварения; основатель крупнейших российской и зарубежных физиологических школ; лауреат Нобелевской премии в области медицины и физиологии 1904 года "за работы по физиологии пищеварения" Иван Петрович Павлов (1849-1936) проводил свои исследования на собаках не в одиночестве.
В 1920-1930-х годах в Советском Союзе многие образованные люди приобщались к радиолюбительству, увлекались обменами краткими телеграфными посланиями по радио с другими отечественными и зарубежными любителями посредством коротких волн. Отдельные радиолюбители-коротковолновики замечали, что при сеансах связи (работе телеграфным ключом на передачу) в ближайших домах собаки начинали гавкать.
Знаменитый российский ученый и дрессировщик животных, цирковой артист и Заслуженный артист Российской Советской Федеративной Социалистической Республики (РСФСР) Владимир Леонидович Дуров (1863-1934) в исследованиях более всего уделял внимания любимой собаке Марс. Известно, что у В.Л.Дурова собака Марс, будучи изолированной в соседнем помещении, по его мысленным заданиям гавкала «точками по азбуке С.Морзе» - и один, и два, и три раза, ... и более - до 7 раз.
Многие собаки обладают музыкальным слухом и способностями к пению. Выдающегося русского оперного певца, лирико-драматического тенора Большлго театра Дмитрия Алексеевича Смирнова (1882-1944) пригласили как-то летом поздним вечером выступить с концертом романсов в саду одного из богатых купеческих владений. Д.А.Смирнов высказал опасение, что его пение может обеспокоить жителей близрасположенных домов. На что жена купца ответила, что опасаться не следует, поскольку недавно ее семья весьма терпимо перенесла похожий музыкальный концерт у соседей, после чего их собака еще и выла (пела) всю оставшуюся ночь - не давала спать.
Автору данной статьи известна собака породы «колли», любящая подпевать (подвывать) французскому певцу, композитору и музыканту американского происхождения Джо Дассену (Joseph Ira Dassin; 1938-1980) при воспроизведениии (с компакт- диска), исполняемой им мелодии Et si tu n'existais pas (Если б не было тебя). Современные технические средства позволяют документально фиксировать собачью любовь к пению. Например:
- http://www.youtube.com/watch?v=MkTeXd4ur-Q
- http://www.youtube.com/watch?v=r1I9d9SOWA8 .
Предрасположенность к пению собаки унаследовали от своих прямых предков - волков, сыздавна отличавшихся любовью попеть в одиночку и хором. Петь могут не только волки, собаки и птицы. Выдающийся российский ученый и цирковой артист (клоун) Анатолий Леонидович Дуров (1864-1916) - основатель цирковой династии Дуровых (брат В.Л.Дурова) в программах своих выступлений объявлял, что на сцене "Хор свиней исполнит несколько песен". К сожалению записи «Хора свиней» А.Л.Дурова ло нашего времени не дошли.
Еще в начале прошлого века отдельные ученые-физиологи и владельцы служебных и домашних собак замечали у животных предрасположенность к слышимости звуковых сотрясений воздуха неулавливаемых человеческим ухом (16 - 23000 колебаний в секунду). Проведенные у собак в «послевоенные» годы (после 1945) с помощью радиоаппаратуры подробные измерения диапазона слышимости звуков показали, что персональный слуховой орган позволяет им осязаать вибрации молекул воздуха с частотой до 45000 колебаний в секунду.
Эмпирические наблюдения многих владельцев собак обнаружили у них способность к различению и запоминанию множеств сложнейших и схожих звуковых образований. Так, например, им свойственно умение избирательно реагировать на шум работающего мотора легкового или грузового автомобиля хозяина и даже в окружении акустических излучений от двигателей других аналогичных машин (одинаковых моделей). С решением подобной задачи не справляются музыканты, имеющие абсолютный слух.
Аналогичные аудиоизмерения восприятий звуковых рядов котами и кошками обнаружили, что у «мурлеток» слух даже лучше чем у собак: они способны улавливать воздушные сотрясения в диапазоне до 65000 колебаний в секунду. Встречаются отдельные люди, которые могут шевелить ушами. Но кошки и собаки шевелить ушами могут все, да еще независимо, иначе говоря каждым ухом асинхронно. Кроме того выяснилось, что кошки могут ушные раковины направлять автономно в сторону шумовых нарушителей спокойствия, то есть одновременно отслеживать два источниками звука.
В 1970-1980 годах были проведены обследования слуха многих других одомашненных и диких представителей животного мира. Результаты измерений приведены в таблице (с указанием в цифрах экстремальных значений слышимости звуковых колебаний в секундную единицу времени):
Летучая мышь 2000 - 212000
Дельфин/морская свинья 75 - 150000
Зубатый кит/белуха 1000 - 123000
Мышь 1000 - 91000
Крыса 200 - 76000
Опоссум 500 - 64000
Песчанка (грызун) 100 - 60000
Морская свинка 54 - 50000
Ежик 250 - 45000
Хорек 16 - 44000
Кролик 360 - 42000
Енот 100 - 40000
Корова 23 - 35000
Лошадь 55 - 33500
Овца, баран 100 - 30000
Шиншилла 90 - 22800 .
Летучие мыши, дельфины (морские свиньи), зубатые киты (белухи) в дополнение к тому, что хорошо слышат в широких диапазонах звуковых и ультразвуковых волн, еще и генерируют аналогичные по частоте акустические сигналы в основном для эхолокации добычи, обнаружения препятствий и коммуникации с себе подобными.
ЦИФРОВОЕ ИСКУССТВЕННОЕ УХО
Прорывными в области исследования физиологии слуха нужно считать работы группы сотрудников Гарвардского университета (США) под руководством профессора психологии Ч.Кунга (Ching Kung) . В 1965 году там начали эксперименты по определению параметров сигналов, идущих от кортиева органа в соответствующие отделы полушарий головного мозга.
Исследования проводились на животных и энтузиастах-добровольцах. В волокна слухового нерва им вводили тончайшие электроды. Ученым удалось установить, что в ответ на звуковой раздражитель от улитки через отдельное волокно идут серии импульсов, тем более длинные, чем более высоким был звук. Волокно могло пропускать до 200-300 импульсов в единицу времени (секунду). Поскольку человек способен слышать звуки с частотой до 20 000 колебаний в секунду (герц = Гц), следует предположить, что в передаче информации в мозг даже для сигнала одной основной частоты участвуют множество нервных волокон.
В середине 1970-х годов работы в этом направлении продолжили американцы М.Сакс (M.Sacks) и Э.Янг (E.de Jong) из Университета Джона Хопкинса (Johns Hopkins University). Они исследовали реакцию слухового нерва на сложные сигналы, в частности на речь. Оказалось, что мозг не только определяет частоту звука, но и получает более обширную информацию по распределению импульсов в серии. Благодаря этому свойству мозга мы можем среди шума улавливать речь или локализовать источник звука в пространстве.
Сделанные открытия позволили прийти к выводу, что кортиев орган совмещает в себе функции анализатора спектра и своеобразного аналого-цифрового преобразователя.
Результаты, достигнутые учеными, позволили создать устройства, дающие возможность слышать абсолютно глухим людям. «Искусственное ухо» преобразует звуковой сигнал в серии импульсов. С помощью вживленных в волокна слухового нерва сверхминиатюрных электродов (их число в наиболее совершенных аппаратах может достигать 22) импульсы передаются в соответствующий отдел коры головного мозга. Пациенты получают возможность распознавать одно- и двусложные слова, что уже обеспечивает довольно устойчивую их связь с внешним миром.
СТАНДАРТЫ ГРОМКОСТИ
В конце 1920-х годов выпускалось много радиоаппаратуры, оснащенной усилителями низкой, или звуковой, частоты. Однако отсутствовала теоретическая база, которая позволяла бы грамотно подбирать параметры этих усилителей, в частности амплитудно-частотную характеристику, поскольку не было известно, как ухо воспринимает те или иные частоты.
Проблемой занялись специалисты из нью-йоркской Лаборатории Белла. Работами руководил известный акустик, изобретатель стереофонического звука Х.Флетчер (Harvey Fletcher; 1884-1981), сконструировавший первые слуховые аппараты для американского промышленника, финансиста и филантропа А.Дюпона (Alfred Irenee du Pont; 1864-1935) и всемирно известного американского изобретателя и предпринимателя Т.Эдисона (Thomas Alva Edison; 1847-1931).
Чтобы установить характер и степень чувствительности уха к различным частотам слышимого диапазона, Х.Флетчер провел широкомасштабные эксперименты. Для испытаний выбирались здоровые молодые мужчины и женщины в возрасте 18-25 лет. В наушниках они слышали сигналы различной частоты и сообщали, при каком звуковом давлении громкость этих сигналов им казалась одинаковой. Чтобы уменьшить субъективные погрешности, каждый тест повторяли по многу раз.
Результаты были оформлены в виде семейства так называемых «Кривых равной громкости» (рис. 4). Они показывают чувствительность уха к различным частотам в зависимости от громкости звука. Для характеристики субъективного восприятия громкости ученые предложили особую единицу - фон. Каждой кривой присваивают свое значение в фонах. На частоте 1000 Гц 1 фон = 1 децибел (дБ). Возьмем для примера кривую громкостью 40 фон, наиболее комфортной для слуха на этой частоте, где ей соответствует звуковое давление 40 дБ. На частоте, например, 4000 Гц громкость 40 фон = 35 дБ, на частоте 10 000 Гц 40 фон = 50 дБ, а на частоте 80 Гц 40 фон = 80 дБ. После опубликования кривых в 1933 году Международная организация стандартизации ISO (International Organization for Standardization) рекомендовала использовать их в качестве стандарта.
Как видно, при большой громкости кривые чувствительности имеют более плоский характер, а при низких громкостях разница в чувствительности выше. Инженеры немедленно воспользовались этими характеристиками, и чтобы сделать звучание радиоаппаратуры более естественным, ее снабжали одним или двумя регуляторами тембра. В качестве регуляторов громкости высококачественных усилителей применяли тонкомпенсаторы, которые при малой громкости снижали коэффициент усиления на высоких и средних частотах. Позже появились и более сложные устройства - эквалайзеры.
Высокая чувствительность в диапазонах 1000-5000 Гц имеет важное значение и в теории музыки. Голоса с обертонами, находящимися в этой частотной области, называют высокой певческой формантой. Обладатели таких голосов могут, не напрягаясь, добиться того, что их услышат на самых задних рядах даже очень больших концертных залов.
В 1956 году два американских инженера Д.Робинсон (D.W.Robinson) и Р.Дадсон (R.S.Dadson) для определения кривых равной громкости использовали два громкоговорителя, что больше соответствовало реальной жизни, когда человек находится в открытом пространстве звукового поля. Семейство «Кривых равной громкости» получилось несколько иным, чем у Х.Флетчера, который пользовался наушниками. Новые эксперименты показали, например, меньшую чувствительность уха к низким частотам и позволили построить иной график порога слышимости. Эти кривые служили международным стандартом до 2003 года. Однако выполненные на самом современном техническом уровне аудиометрические измерения в Англии, Германии, Дании, США, Японии показали, что кривые Х.Флетчера ближе к истине, и на их основе разработан действующий стандарт ISO 226:2003.
СЫТОЕ БРЮХО - К МУЗЫКЕ ГЛУХО
По информативности орган слуха не уступает глазам, а подчас и превосходит их. Даже во время сна слух работает - иначе не появился бы в нашем обиходе такой прибор, как будильник.
К сожалению, качество слуха у человека на протяжении жизни ухудшается. К старости верхняя граница слышимого диапазона падает до 7000-8000 Гц. Это лишает многих пожилых людей возможности заниматься профессией, выбранной в молодые годы. Хороший слух важен не только для музыкантов, но и для врачей-терапевтов или механиков по двигателям внутреннего сгорания - они по спектрам звуков определяют состояние человеческого организма и работоспособность машины.
Раннему снижению слуха способствуют те же факторы, которые вызывают атеросклероз, - малоподвижный образ жизни, насыщенная жирами еда, курение.
Чувствительность к звукам меняется и в течение более коротких промежутков времени. Так, слух заметно ухудшается на 2-3 часа после еды. Вообще, в послеобеденное время снижается общий тонус организма, поскольку в области органов пищеварения скапливается много крови. Музыканты приходят на концерт или гидроакустики заступают на вахту непременно натощак. То же касается и посетителей (слушателей) концертов. Чтобы получить максимум удовольствия от музыкального произведения, его лучше воспринимать на голодный желудок.
У органа слуха есть еще одна интересная особенность [2,3]. В отличие, скажем, от зрения информация, поступающая в мозг от левого и правого уха, не полностью равноценна. Как правило, у правшей главное ухо - правое (у левшей - наоборот). Это заметно хотя бы по тому, что, например, при разговоре по телефону мы прикладываем трубку именно к правому уху. Если слушать «неправильным» ухом, то возникает определенный психологический дискомфорт. Так же инстинктивно мы поворачиваемся к говорящему шепотом именно тем ухом, которым лучше слышим.
Специалисты объясняют феномен правого уха тем, что сигналы от него поступают в левое полушарие, где находится речевой центр. Сигналы от левого уха поступают сначала в правое полушарие, а оттуда по нервным связям - в левое полушарие, хотя и с крошечной задержкой.
ИЛЛЮСТРАЦИИ
Рис. 1. Памятник человеческому уху, установленный на площади Рудольфа в Кёльне (Германия). Правый кулак символа по габаритам больше левого, что указывает на преимущество правого уха.
Рис. 2. Аллегорическая скульптура, показывающая женщину с направленной к небесам слуховой трубкой, приставленной к правому уху; божественные небесные указаиия женщина перенаправляет мужчине также через правое ухо.
Рис. 3. Исполненное Георгом Бекеши графическое изображение улитки человеческого уха.
Рис. 4. Кривые равной громкости Харви Флетчера.
ЛИТЕРАТУРА
1. Georg von Bekesy. Concerning the Pleasures of Observing, and the Mechanics of the Inner Ear; Nobel Lecture, December 11, 1961. Web-адрес:
2. Меркулов В. Поликлиника в ухе. Web-адрес: http://www.proza.ru/2014/04/21/1342
3. Меркулов В. Поликлиника в ухе. Журнал «Наука и жизнь» 2006, №12.
Web-версия: http://www.nkj.ru/archive/articles/8345/.
Журнальная версия статьи опубликована в журнале «Наука и жизнь» 2006, №10 (http://www.nkj.ru/archive/articles/7615/).
Меркулов В.: hodakova.a@sc.ru.ru