Анализ, синтез и восприятие речи - Джеймс Л. Фланаган
Скачать (прямая ссылка):
4.1. Устройство уха
4.1.1. Общая схема
Наши знания акустико-механических процессов в периферическом отделе слухового анализатора достаточно полны. Основным источником этих знаний являются эксперименты Бекеши
104
УХО И СЛУХ
(G. von Вёкёэу), отмеченные Нобелевской премией в 1961 г. Однако сведений о том, как механические колебания преобразуются нервной системой во внутреннем ухе, имеется сравнительно мало. Еще меньше известно о передаче нервной информации в мозг и о конечных механизмах восприятия.
Несмотря на эти трудности, некоторые аспекты слухового восприятия поддаются количественной оценке. Можно, например, наблюдать и измерять отклики соответствующих органов на определенные звуковые воздействия, получая, таким образом, данные, необходимые для построения систем речевой связи. В некоторых случаях можно установить четкую связь между реакциями, определяемыми восприятием, и физиологическими процессами, происходящими в периферической части слуховой системы. В настоящей главе предлагаются общепринятые представления о физиологии уха и психоакустических явлениях, а также о степени их взаимосвязи.
Первичный акустический !Преобразователь, используемый человеком, схематически показан на рис. 4.1. Акустико-механиче-ские компоненты этого органа обычно разделяются на три области: наружное, среднее и внутреннее ухо.
Рис. 4.1. Схема уха человека. Показаны области наружного, среднего н внутреннего уха. Рисунок выполнен без соблюдения масштаба. Для наглядности структуры внутреннего н среднего уха увеличены:
1 — ушная раковина, 2 — слуховой проход, 3, 4, 5 — слуховые косточки — соответственно стремечко, наковальня, молоточек, 6 — наружное ухо. 7 — среднее ухо, 8 — внутреннее ухо, 9 — вестибулярный аппарат с полуокружными каналами, 10 — вестибулярный не.ів, // — слуховой нерв, 12 — улитка, 13 — полость иоса, 14 — евстахиева труба, 15 — круглое окно, 16 — овальное окно, 17 — барабанная перепонка
УСТРОЙСТВО УХА
105
4.1.2. Наружное ухо
Обычно термином ухо обозначают ушную раковину, которая окружает вход в слуховой проход. Главное назначение ушной раковины человека состоит в защите слухового прохода, хотя ее характеристики направленности на высоких частотах слухового диапазона, вероятно, также облегчают и локализацию источников звука (у некоторых животных акустические свойства направленности ушной раковины используются более полно).
Слуховой проход человека имеет длину около 2,7 см, диаметр— около 0,7 см, объем —около 1 см3; форма поперечного сечения не постоянна и изменяется от овальной до круглой с площадью от 0,3 до 0,5 см2 (Бекеши и Розенблит — Bekesy and Rosenblith; Девис — Davis, 1951). Слуховой проход заканчивается тонкой мембраной, называемой барабанной перепонкой. Эта мембрана представляет собой относительно жесткий конус, направленный внутрь, с углом у вершины около 135°. Поверхность мембраны — около 0,8 см2. При грубой аппроксимации слуховой проход можно представить как однородную трубу — открытую на одном конце и закрытую на другом. На резонансных частотах вдоль трубы укладывается нечетное число четвертей длины волны. Таким образом, первый резонанс приходится на частоту /~ ~с/4(2,7)—3000 гц. Можно полагать, что этот резонанс повышает чувствительность слуха в данном диапазоне частот. Действительно, измерения показывают, что вследствие резонанса звуковое давление у барабанной перепонки повышается на 5— 10 дб по сравнению с давлением у входа в слуховой проход (Винер и Росс — Wiener and Ross).
4.1.3. Среднее ухо
За барабанной перепонкой находится заполненная воздухом полость среднего уха, содержащая слуховые косточки: молоточек, наковальню, стремечко. Основное назначение слуховых косточек заключается в преобразовании импеданса цепи, начинающейся у воздушной среды наружного уха и заканчивающейся у жидкой среды внутреннего уха1). К барабанной перепонке прикреплен молоточек. Молоточек соприкасается с наковальней, которая, в свою очередь, при помощи маленькой связки соединяется со стремечком. Подножная пластинка стремеч-
') Трансформация импеданса при преобразовании наружного звукового давления в смещение объема жидкости во внутреннем ухе является весьма важной функцией среднего уха (см. раздел 4.1.4).
106
УХО И СЛУХ
ка расположена в отверстии, называемом овальным окном, в котором она удерживается с помощью круговой связки. Овальное окно служит входом во внутреннее ухо.
Звуковая волна проходит через наружное ухо и слуховой проход, вызывая колебание барабанной перепонки. Это колебание через три слуховые косточки передается во внутреннее ухо. Акустико-механический импеданс внутреннего уха намного превышает импеданс воздуха, поэтому для эффективной передачи энергии звука требуется преобразование (повышение) импеданса. Эту задачу выполняют слуховые косточки. Во-первых, эффект рычага обеспечивает увеличение силы при передаче от молоточка к стремечку в 1,3 раза (Бекеши, 1960). Во-вторых, эффективная поверхность барабанной перепонки значительно больше эффективной поверхности стремечка, что также приводит к повышению давления, приложенного к стремечку. Бекеши измерил коэффициент трансформации давления и установил, что он равен примерно 15:1.
