Слуховая система - Альтман Я.А.
Скачать (прямая ссылка):
животных достаточно хорошо развиты и позволяют ориентировать ушную раковину в направлении звука без поворота головы.
Основное назначение ушной раковины — концентрация энергии •и согласование импедансов воздушной среды свободного акустического поля и наружного слухового прохода. Как было показано выше, узкая трубка, подобная наружному слуховому проходу, помещенная в свободном акустическом поле, может рассматриваться как жесткая траница, и, следовательно, из-за сильного отражения в нее должна поступать лишь незначительная часть энергии акустического поля. Ушная раковина как раз и осуществляет необходимое согласование.
Наружный слуховой проход уха человека расположен между ушной раковиной и барабанной перепонкой и представляет трубку, ¦стенки которой в латеральной части (составляющей менее половины длины) состоят из хряща, а в медиальной части — из кости.
Среднее сечение канала неодинаково по длине и в среднем составляет порядка 0.37 см2. Сечение в латеральной части обычно больше и имеет форму, близкую к эллиптической (Johansen, 1975). Размеры осей сечения у входа в наружный слуховой проход примерно 9Х Хб.5 мм (?=0.46 см2). В медиальной части сечение канала ближе к круглому, при среднем диаметре 0.63 см. Общий объем канала порядка 1.01 см3+0.15 см3. В самом конце канала находится барабанная перепонка, которая располагается не перпендикулярно центральной оси канала, а под углом около 30°, так что дорсокаудальная стенка наружного слухового прохода плавно переходит в барабанную перепонку. Таким образом, площадь поперечного сечения канала 1в самой его медиальной части постепенно уменьшается до нуля.
Точное измерение длины канала наружного слухового прохода предпринималось неоднократно, и при зтом использовались самые различные методы (Johansen, 1975; Zemplenyi et al., 1985).
По последним, уточненным данным средняя длина канала наружного уха взрослого человека, I, измеренная по центральной оси, составляет 26 мм (Johansen, 1975). Несколько меньшие значения, вследствие изогнутости канала, были получены с помощью оптических методов (Zemplenyi et al., 1985).
Распространение звуковой волны в канале наружного уха на низких частотах, когда волну еще можно рассматривать как одномерную, аналогично распространению волны в цилиндрической трубке, открытой на одном конце и закрытой на другом, с внутренним диаметром d, существенно меньшим ее длины I. Поскольку канал наружного уха представляет закрытую с одного конца трубку, вдоль нее на определенных частотах возникают стоячие волны с максимумами амплитуды звукового давления в медиальной части. Стоячие волны возникают при условии, если вдоль канала укладывается целое число четвертей длины волны X, т. е. если выполняется условие (2п— —1)Х/4=/, где и=0, 1, . . ., т. е. резонансы наблюдаются при частотах входного сигнала
Ввиду того что сечение канала наружного уха на конце уменьшается плавно, формулу (1) можно рассматривать как приближенную. Подставляя в формулу (1) значения для длины канала Z, можно получить, что первые резонансы приходятся на частоты примерно , 3, 9 и 15 кГц. Вследствие резонансов в наружном слуховом проходе существенно повышается уровень звукового давления, что в свою-очередь приводит к увеличению пороговой чувствительности слуха на этих частотах.
На высоких частотах, при / > 0.586 C/d, где С — скорость звука в воздухе, a d — диаметр канала, волна перестает быть плоской ж одномерной (Skudrzyk, 1971), поскольку ее длина становится соизмеримой с диаметром трубки. В этом случае начинают играть роль к поперечные волны в канале; накладываясь на основную волну, она
Рис. 65. Амплитудно-частотные характеристики системы наружного уха (по:
Wiener, Ross, 1946).
По оси. абсцисс — частота, кГц; по оси ординат — относительная амплитуда, дБ. 1— амплитудно-частотная характеристика ушной раковины, ? — наружного слухового прохода, 3 —
всей системы наружного уха.
создают сложный узор максимумов и минимумов звукового давления на барабанной перепонке (Tonndorf, Khaima, 1972; L0kberg et al., 1980).
Поскольку барабанная перепонка расположена под углом к осевой линии и имеет диаметр наибольшей оси порядка 1 см, поперечные волны в канале наружного уха начинают серьезно сказываться на распределении звукового давления по поверхности барабанной перепонки на частотах начиная от 20 кГц, т. е. на более низких частотах,, чем это следует из приведенной выше формулы.
Еще один фактор, который влияет на характеристики наружного уха, связан с тем, что сечение канала в медиальной части сужается. Вследствие зтой неоднородности имеет место возрастание (трансформация) звукового давления по отношению к максимальному звуковому давлению в латеральной части слухового канала (Shaw, Stinson, 1983).
Как показывают измерения, выполненные на физических моделях (Stevens et al., 1987), эффект усиления звукового давления начинает проявляться на частотах от 5 кГц и может достигать 7 дБ в области частот 15—20 кГц даже в тех случаях, когда возбуждение осуществлялось от источника с внутренним импедансом, согласованным с характеристическим сопротивлением модели. Другими словами, даже когда сопротивление источника согласовано с характеристи-
