Биофизика - Владимиров Ю.А.
Скачать (прямая ссылка):
базилярном каналах внутреннего уха заставляет колебаться базилярную
мембрану, следуя частоте и силе звука. Движение базилярной мембраны
стимулирует рецепторные клетки, расположенные в кортиевом органе (не
показан на рис. 112), в результате появляются потенциалы действия,
передаваемые звуковыми слуховыми нервами в кору головного мозга-
252
5
Рис. 112. Схема строения органа слуха человека.
1 - наружный слуховой проход; 2- барабанная перепонка; 3 - мышца,
натягивающая барабанную перепонку; 4 - молоточек; 5 - связки; 6 -
наковальня; 7 - стремечко, давящее на овальное окно; 8 - вестибулярная
часть внутреннего уха; 9 - мембрана Рейсиера; 10. 11 - вестибулярный и
барабанный каналы (соответственно), заполненные перилимфой; 12 -
геликотрема; 13 - улитковый канал, заполненный эндолимфой; 14 -
базилярная мембрана; 15 - улитка (развернута); 16 - круглое окно
внутреннего уха; 17 - евстахиева труба; 18 - среднее ухо: 19 - овальное
окно внутреннего уха.
Рассмотрим некоторые понятия, используемые в биоакустике. Интенсивностью
звука называют количество энергии, проходя цей через единицу площади
поверхности, перпендикулярно к направлению распространения звуковой
волны:
где Е - энергия, S - площадь, t - время.
При решении практических задач проще измерить не энергию колебаний, а
звуковое давление (р), регистрируемое при помощи микрофона и выражаемое в
Паскалях. Ззуковое давление линейно связано с амплитудой звуковых
колебаний, и поэтому его квадрат пропорционален энергии звука. При любых
двух интенсивностях:
/х//г = Ех!Ег = р\! р\, (13.3)
253
Рис. 113. Кривые рав-ной громкости. Нижняя кривая соответствует порогу
слуха чистого тона, верхняя - порогу тактильного ощущения.
20 100 юоо юооо
Частота, Гц
Порог слышимости чистого тона при частоте 1 кГц принято считать равным 2
• 10~5 Па, хотя могут наблюдаться многократные индивидуальные колебания
порога слышимости (в пределах 30 дБ). Кроме того, порог слышимости
значительно меняется с частотой (рис. 113). Может также сильно
различаться и наивысшая воспринимаемая частота (от 8 до 25 кГц).
По закону Вебера - Фехнера ощущение громкости [так же как и зрительное
ощущение, см. (13.1) и (13.2)1 связано с создающим его физическим
раздражением логарифмической зависимостью. Эго стимулировало введение
единиц громкости, выражаемых в децибелах:
L - 10 lg (///0) = 20 lg (р/ро) (в децибелах), (13.4)
где р о - пороговое значение звукового давления, равное 2 • 10~5 Па при
частоте звука 1 кГц, р - регистрируемое значение звукового давления, /0 -
пороговая интенсивность звука. Таким образом, нулевая точка шкалы
громкости соответствует 0 дБ при 1 кГц. При других частотах порог слуха
отличается от 0 дБ (см. рис. 113).
Наружное ухо человека состоит из ушной раковины и наружного слухового
прохода, имеющего длину 2,7 см и напоминающего органную трубу, закрытую с
одного конца барабанной перепонкой. Резонанс наблюдается, если длина
резонатора составляет V4 длины волны. Наружный слуховой проход имеет
поэтому резонансную частоту около 3 кГц, что соответствует максимальной
чувствительности слуха (см. рис. 113). Таким образом прослеживает-
254
ся связь между геометрией наружного уха и максимальной чувствительностью
слуха в области 1-4 кГц.
Среднее ухо является устройством, предназначенным для трансформации
звуковых колебаний воздуха в звуковые колебания жидкой среды внутреннего
уха, т. е. среды, имеющей значительно большую инерцию, чем воздух. Чтобы
привести в движение инерционную жидкость, нужно получить выигрыш в
давлении. Это достигается за счет двух факторов. Во-первых, косточки
среднего уха (молоточек, наковальня и стремечко) работают как рычаг,
обеспечивающий выигрыш в силе в 1,3 раза. Во-вторых, площадь барабанной
перепонки человека (0,7 см2) значительно больше площади овального окна
внутреннего уха (0,032 см2) поэтому обе мембраны и связывающие их
косточки выполняют функцию трансформатора давления. Очевидно, что сила,
действующая на молоточек и обусловленная звуковой волной, равна
произведению давления на перепонку (рб) на площадь контакта перепонки с
молоточком (примерно 5,5 • 10~5 м2), откуда Fc - 5,5 • 10"Б • р0. Сила,
приложенная к стремечку в отсутствие трения, равна: Fc = = 1,3 • FM.
Давление р00, оказываемое стремечком на овальное окно при площади
контакта 3,2 - 10-6 м2, может быть найдено из соотношения: pw = FJ3,2
• 10_6. Те-
перь легко вычислить усиление давления в отсутствие сил трения: рю/'р0 =
22. Бекеши экспериментально измерил эту величину и получил усиление
давления в 17 раз (или на 25 дБ).
Другой важной функцией среднего уха является защита внутреннего уха от
чрезмерных механических нагрузок при воздействии очень громких звуков.
Это достигается за счет изменения характера колебаний стремечка в
зависимости от силы звука. При пороговых значениях звукового давления
стремечко колеблется как поршень. Абсолютные значения смещения очень малы
и повторяют движения барабанной перепонки. Для барабанной перепонки
