Я опущу главки про способность различать нашим слуховым аппаратом высоту и продолжительность звуков в зависимости от тембрального состава, это несколько сложновато. Одно могу сказать - невозможно создать сейчас электро-акустические приспособления достаточного качества для воспроизведения музыки "без искажений".

Остановимся на "Анатомии музыки и устройстве слухового аппарата"

Часть вторая

Анатомия

2.1. Строение уха

2.2. Как работает слуховая система человека?

2.3. Как мы определяем высоту звука?

2.4. Нелинейные свойства слуха

2.5. Бинауральное слияние звуков и биения

2.6. Слуховая маскировка и демаскировка,

«эффект вечеринки»

2.7. Органы слуха у животных. Про комаров и не...

2.8. Восприятие звуков с точки зрения нейрофизиологии. Музыка мозга. «Эффект Моцарта»

2.9. Биоакустика

2.10. Воздействие звука на кровь человека

   

2.1. Строение уха
(внешнего, среднего, внутреннего)

Как я уже писал в самом начале книги, когда я был школьником, у меня возникало много вопросов, касающихся непосредственно уха. Нашего, человеческого, уха. Непонятно было, как оно устроено и как работает. Вроде бы всё просто: ухо — человеческий орган, который в ко- личестве двух штук прикреплен к голове. Скорее всего то, что мы ви- дим, — некий вариант рупора наоборот. Эдакий прибор, усиливающий и направляющий поток звуковых волн в слуховой канал. На самом де- ле и это далеко не очевидно. Очень странная форма у человеческого уха, зачем — непонятно. Вот были бы у нас уши как у лошадей или со- бак (конусообразные) и вращались в сторону источника звука — было бы понятно. А так уши скорее отражают звук, идущий сзади. Ну и что? Это было первым непонятным вопросом.

В школьном учебнике биологии было нарисовано, как молоточек стучит по наковальне, зачем-то есть какое-то стремечко, и все это пе- редает звук дальше, прямо в мозг. Даже тогда мне было ясно, что ни одна косточка не может стучать по другой косточке с частотой 20 кГц. И вообще, убогая какая-то конструкция, ненадежная, а ведь природа все стремится делать просто и надежно. Это было вторым непонятным вопросом.

Третий вопрос — как это молоточек, или что там есть еще, может передавать колебания, являющиеся суммой нескольких колебаний? Человек легко слышит одновременно 2, 3, 7, 10 звуков и легко разли- чает их. Как же тогда устроено наше ухо?

Через какое-то время к этим трем вопросам добавился еще один, из современной жизни. Звук — это аналоговый сигнал. Аналоговая ин- формация занимает весьма много места и с трудом обрабатывается. Сравните виниловые пластинки, CD, MP3 — насколько по-разному там используется объем информации. Как обрабатывает и хранит наш мозг аналоговую информацию? Непонятно.

Чтобы найти ответы, рассмотрим устройство нашего уха, без сом- нения — одного из сложнейших и уникальных творений природы.

2.2. Как работает слуховая система человека?

Часть вторая

То, что мы обычно называем ухом, — это всего лишь наружное ухо, ушная раковина, рупор, не самая главная часть слуховой системы, во- обще говоря. Человек может слышать звуки вовсе без ушной раковины, хуже, конечно, но может. Однако не будем их удалять у младенцев, как крайнюю плоть, крайнюю и ненужную вещь.

Обычно ученые, медики и я выделяем в слуховой системе челове- ка три основные части: внешнее, среднее и внутреннее ухо.

Внешнее ухо состоит из ушной раковины и слухового канала, за- канчивающегося тонкой мембраной — барабанной перепонкой. Вне- шнее ухо — часть слуховой системы, которая непосредственно сопри- касается с жестоким внешним миром.

1 — ушная раковина и наружный слуховой канал 2 — барабанная перепонка
3 — молоточек
4 — наковальня

5 — стремечко
6 — овальное окно
7 — полукружные каналы 8 — улитка
9 — круглое окно
10 — слуховой нерв
11 — вестибулярный нерв 12 — лицевой нерв
13 — евстахиева труба

С помощью пары (двух штук, разнесенных в пространстве) ушных раковин мы получаем возможность бинаурального (пространственно- го) восприятия, можем локализовать звуковой источник — определить направление, откуда исходит звук.

Направляя звуковую энергию в слуховой канал, внешнее ухо уси- ливает и заметно искажает характеристики воспринимаемого звука, особенно в диапазоне 3–10 кГц. Это важное замечание.

Слуховой канал представляет собой слегка изогнутую трубочку длиной около 2–2,5 см. Грубо говоря, это такая маленькая и короткая флейта или органная труба. В таких трубочках может возникать резо- нанс, то есть усиление звука, но не любого звука, а лишь определен- ных частот, ведь органная труба не все ноты воспроизводит, а толь- ко одну. Так и нашему слуховому каналу соответствует резонансная частота 2,5–2,8 кГц. Более-менее заметное усиление звука происходит в диапазоне 2–10 кГц, но собственно резонансная частота, максималь- ное усиление звука и, как следствие, максимальная чувствительность слуха приходятся именно на 2,5–2,8 кГц. Усиление звука в слуховом канале составляет около 10 дБ. А совместная работа ушной раковины и слухового канала позволяет усилить звук, попадающий на барабан- ную перепонку в области 2–5 кГц, на 15–20 дБ! В сотни раз! Эта об- ласть частот соответствует области нашей с вами речи и музыки. Что и не удивительно. Мы хотим слушать и слышать речь и музыку хо- рошо. Но, как вы понимаете, нет ничего бесплатного. Усиливая одни частоты, слуховой канал искажает тембр сигнала, мы слышим совсем другой звук, отличный от того, что исходит из акустических колонок или из ротового отверстия депутата. Вспомним опять, что перенос из одной тональности в другую (смена частот основных устойчивых и неустойчивых тонов, тоники, субдоминанты и доминанты) приво- дит к заметному изменению в восприятии отдельных музыкальных тем и инструментов. Аккуратнее нужно транспонировать музыкаль- ные произведения!

Более общим замечанием является то, что все наши органы чувств, и слуховая система в частности, передают нам совсем не объ- ективную информацию об окружающем мире. Повторю: звуки, одина- ковые по интенсивности, но разные по частоте, воспринимаются нами как звуки совершенно разной громкости. Выше какой-то частоты зву- ка и ниже какой-то частоты мы вообще звуки не слышим. Наш акус- тический мир совершенно не похож на акустический мир дельфина или бабочки, и все эти миры совсем не похожи на «реальный мир». Звуковые (и зрительные) образы достраиваются до неких целостных образов у нас в головном мозге, что-то там непрерывно анализирует- ся, отсекается, дополняется. То есть мы действительно живем в некоем выдуманном, иллюзорном, реально не существующем мире образов, в сансаре, майе, по определению наших друзей с Востока.

Но вернемся к физике-биологии.

Два уха позволяют нам довольно точно определять направление на источник звука. Основа этого — фазовый сдвиг. Грубо говоря, в од- но ухо звук приходит чуть раньше, если источник звука не находит- ся прямо перед нами. Локализация звуковых сигналов у человека по горизонтали составляет 3°, по вертикали — 10°. Кстати, локализация источников звука в вертикальной плоскости осуществляется очень необычным образом! В результате эволюции или долгого лежания на боку наши уши практически лишились подвижности. Но нам ведь важно оставить такую способность — понимать, где находится источ- ник звука: сверху, снизу или еще где-то. Наши уши стали сложной формы — не конусообразными, как у наших предков, а складчатыми. Отражения звуков от складок ушной раковины и интерференция (на- ложение) волн на барабанной перепонке образуют сложную систему узоров, которые позволяют нам определять направление на источник звука в вертикальной плоскости. К тому же это приводит к возник- новению «заусенца» на частотной характеристике нашего слухового аппарата в районе 10 кГц. Вообще возможность локализации сигналов по горизонтали с точностью 3°, по вертикали 10° — это неплохо, очень неплохо.

Структуры внешнего уха выполняют также и защитную функцию, оберегая барабанную перепонку от механических повреждений, под- держивая постоянную температуру и влажность; ушная сера создает на барабанной перепонке воскообразное покрытие. (Кстати, пару слов про то, нужно ли чистить уши. Чистить уши нужно, но лишь наруж- ную часть, ушные раковины и вход в слуховой канал. Ни в коем случае нельзя засовывать ушные палочки глубоко в слуховой канал и с уси- лием там что-то делать! Это может повредить барабанную перепонку и нарушить естественные защитные механизмы слухового аппарата.)

Барабанная перепонка — тонкая пленка толщиной 0,074 мм и площадью около 68 мм2, имеющая вид конуса, обращенного острием в сторону среднего уха. На низких частотах она движется как поршень, на более высоких на ней образуется сложная система узловых линий, что тоже имеет значение для усиления звука. Именно на барабанной перепонке происходит преобразование акустической волны в механи- ческие колебания, которые в дальнейшем обрабатываются в среднем ухе. Вот бы еще КПД этой системы посчитать!

Максимум, до чего мы можем докопаться снаружи, не разрушая черепа человека, — это барабанная перепонка. За ней находится среднее ухо — центр нашего слухового аппарата, удивительная и не познанная до конца конструкция. Правда, в этом оно практически не отличает- ся от любого другого творения живой природы, они все не очень по- знаваемы. Но не будем агностиками, вернемся к нашим ушам. Сред- нее ухо — заполненная воздухом полость, соединенная евстахиевой

трубой с носоглоткой для выравнивания атмосферного давления. При изменении атмосферного давления воздух может входить или выхо- дить из среднего уха, поэтому барабанная перепонка не реагирует на медленные изменения атмосферного давления — спуск или подъем. В среднем ухе находятся три маленькие слуховые косточки: молото- чек, наковальня и стремечко. Молоточек прикреплен к барабанной перепонке одним концом, вторым он соприкасается с наковальней, которая при помощи маленькой связки соединена со стремечком. Ос- нование стремечка соединено с овальным окном во внутреннем ухе, улитке. Какая-то хлипкая конструкция, правда? Зачем так сложно все сооружено? Посмотрим внимательнее, что делает среднее ухо.

Среднее ухо выполняет несколько функций.

Во-первых, оно защищает нас от слишком громких звуков (это на- зывается еще акустическим рефлексом). При сильных звуках мышцы среднего уха рефлекторно сокращаются, существенно уменьшая пере- даваемое звуковое давление на внутреннее ухо. Из-за того, что пери- од сокращения мышц составляет около 10 мс, среднее ухо не может защитить нас от слишком резких громких звуков, например звуков взрыва. В таких случаях нужно открывать рот, чтобы давление внутри и снаружи среднего уха выравнивалось через евстахиеву трубу, а луч- ше переехать в другую страну. Но зато среднее ухо хорошо защищает от длительных громких звуков. Конечно, до тех пор, пока мышца не устанет и наше ухо не начнет постепенно глохнуть и разрушаться. О! Теперь понятно, зачем создавать для передачи звуков конструкцию из трех косточек: одна соединена с барабанной перепонкой, другая — с улиткой, третья — связка. Такая система очень гибкая. В ней несколь- ко степеней свободы. Если бы молоточек прямо входил другим концом в улитку, то при сильных механических колебаниях барабанной пере- понки (громких звуках) улитка бы просто взорвалась. Зачем нам это надо?! А так конструкция из трех косточек просто слегка деформиру- ется, а потом возвращается в первоначальное состояние.

Во-вторых, среднее ухо усиливает звук — просто за счет рычагово- го механизма системы косточек, молоточка, наковальни и стремечка. Помните Архимеда, который требовал точку опоры, чтобы с помощью рычага сдвинуть Землю? Если точка опоры рычага (палки, косточки) находится не посередине, а смещена вбок, то можно усиливать прила- гаемое к одному концу рычага воздействие. Вспомним лом или гвоз- додер. Так за счет эффекта рычага звуковое давление, передаваемое во внутреннее ухо, усиливается почти на 38 дБ по сравнению с тем, которое попадает на барабанную перепонку. В десять тысяч раз! Вот зачем нам нужны эти самые три косточки! Для усиления тихих зву- ков, малых колебаний барабанной перепонки, используя только лишь механику, правило рычага. Еще один момент, о котором стоит упо- мянуть: звук приходит к нам из воздушной среды, а анализируется

в жидкой среде, во внутреннем ухе. Из физики следует, что если бы такой переход был прямым, бо ́льшая часть звуковой энергии просто бы отражалась из-за разности импедансов (сопротивления движению). За счет действия рычагового механизма системы косточек среднего уха и различия площадей барабанной перепонки и овального окна этот эффект демпфируется. Удивительная природа!

Обычно звук попадает во внутреннее ухо через наружное и сред- нее ухо. Но звук может туда попадать также через кости черепа. Осо- бенно это заметно в области низких частот. Например, когда сверлят или полируют зубы с помощью низкочастотных свёрл, ощущения у пациента крайне неприятные, его почти оглушает. Когда лечат зубы с помощью высокочастотных свёрл — пациент счастлив, его ничего не беспокоит.

Внутреннее ухо находится в лабиринте каналов в височной кости, то есть внутри головы (голова — это то, что обычно находится вверху тела человека). Внутреннее ухо включает в себя орган равновесия (вес- тибулярный аппарат) и улитку (см. рисунок в начале главы). Это «сер- дце» нашей слуховой системы.

Улитка играет основную роль в слуховом восприятии. Она пред- ставляет собой трубку переменного сечения, свернутую трижды по- добно хвосту змеи. В развернутом состоянии имеет длину 3,5 см. Внут- ри улитка образует чрезвычайно сложную структуру. По всей длине она разделена двумя мембранами на три полости: лестница преддве- рия, срединная полость и барабанная лестница. Сверху срединная по- лость закрыта мембраной Рейсснера, снизу — базилярной (основной) мембраной. Все полости заполнены жидкостью. Верхняя и нижняя полости соединены между собой через отверстие у вершины улит- ки (геликотрему). В верхней полости находится овальное окно, через которое стремечко передает колебания во внутреннее ухо. В нижней полости находится круглое окно, выходящее обратно в среднее ухо. Базилярная мембрана состоит из нескольких тысяч поперечных во- локон. Ее длина — 32 мм. Ширина у стремечка — 0,05 мм (узкий ко- нец), у геликотремы — 0,5 мм (толстый конец). На внутренней стороне базилярной мембраны находится о ́рган Корти, а в нем — специали- зированные слуховые рецепторы — волосковые клетки. В попереч- ном направлении о ́рган Корти состоит из одного ряда внутренних волосковых клеток (ВВК), их порядка 4000, и трех рядов наружных волосковых клеток (НВК), их около 12 0001. Между рядами волосковых клеток образуется тоннель. Волокна слухового нерва пересекают тон- нель и контактируют с волосковыми клетками. О ́рган Корти является основным механическо-электрическим преобразователем («слуховым микрофоном»). На входе мы имеем механические колебания, на вы-

1 Запомните эти сокращения: ВВК и НВК, они будут потом часто встречаться в тексте!

На рисунке а) изображена бегущая волна по базилярной мембране. Сама базилярная мембрана находится в середине основной части внутреннего уха – улитки.
На рисунке б) условно изображена улитка, если ее раскрутить.
В толстой ее части (начале) находятся ВВК и НВК, чувствительные к высоким частотам звука (зона I), в тонкой ее части (в конце) – к низким звукам (зона III)

ходе — электрические. Очень сложная конструкция, непонятно, как она вообще работает!

Слуховой нерв представляет собой перекрученный ствол, серд- цевина которого состоит из волокон, отходящих от верхушки улитки, а наружные слои ствола от нижних участков улитки. Войдя в ствол мозга, нейроны взаимодействуют с клетками различных уровней, под- нимаясь к коре головного мозга и перекрещиваясь по пути так, что слуховая информация из левого уха поступает в основном в правое полушарие, а из правого уха — в левое полушарие. Обычно считает- ся, что правое полушарие мозга преимущественно занимается обра- боткой эмоциональной, образной информации, а левое — смысловой,

логической. Сейчас такое радикальное деление функций полушарий головного мозга признается устаревшим. Многие функции головного мозга билатеральны, то есть осуществляются в обоих полушариях го- ловного мозга и в других его областях. Главные зоны слуха находятся в височной области, при этом между обоими полушариями мозга име- ется постоянное взаимодействие.

Наша слуховая система работает примерно так.

Звуковые волны проходят слуховой канал и возбуждают колеба- ния барабанной перепонки. Далее, через систему косточек среднего уха, колебания передаются овальному окну, толкающему жидкость в верхнем отделе улитки (лестнице преддверия). В улитке возника- ет перепад давления, заставляющий жидкость переливаться из верх- ней половины в нижнюю через барабанную лестницу и геликотрему. Кроме того, воздействие стремечка на овальное окно оказывает дав- ление на перепонку круглого окна, вызывая его смещение в сторону, противоположную движению стремечка. Такой эффект возникает из- за несжимаемости жидкости. При некоторых генетических дефектах круглое окно не развивается, и результатом становится такая же сте- пень глухоты, как если бы среднего уха вообще не было, то есть потеря чувствительности около 60 дБ. Круглое окно — это дополнительный «предохранительный клапан», не дающий улитке повредиться, если стремечко слишком сильно и энергично залезет в овальное окно. Дви- жение жидкости вызывает колебания базилярной мембраны, возника- ют стоячие и бегущие волны, в том числе одиночные — солитоны.

Преобразование механических колебаний мембраны в отдельные электрические импульсы нервных волокон происходит в о ́ргане Кор- ти. Когда базилярная мембрана вибрирует, реснички на волосковых клетках изгибаются, создавая электрический потенциал, что вызывает поток электрических нервных импульсов, в котором есть вся необхо- димая информация о поступившем звуковом сигнале, музыке, рабо- тающем перфораторе соседа. Этот поток нервных импульсов попадает в мозг, где информация анализируется и принимается решение о том, какая реакция тела больше всего соответствует данному звуку. Можно начать убегать от злой собаки, если она зарычала. Можно прикрыть глаза и расслабиться, если вы в концертном зале и слушаете ноктюрны Шопена. Можно пойти к соседу и отобрать у него перфоратор.

То, куда поступает информация по нервным волокнам от внут- реннего уха, отделы головного мозга человека, можно рассматривать как логический процессор (скорее всего фирмы Intel), который выде- ляет (декодирует) полезные звуковые сигналы на фоне шумов. Груп- пирует их по определенным признакам, сравнивает с имеющимися в памяти образами, определяет информационную ценность и прини- мает решение о необходимых действиях.

Теперь о том же самом, но в несколько более простых словах...

Почти Б.Б. Гребенщиков

Или еще проще. В ушной улитке есть чувствительные волос- ки и нервные клетки в количестве около 20 000. Даже больше, очень большое количество. Каждый волосок и соответствующая ему нервная клетка отвечают за свой узкий диапазон воспринимаемых частот. В нижней части спектра (низкие частоты) плотность волосков мень- ше (то есть на единицу длины приходится меньшее количество во- лосяных клеток), в верхнем регистре (высокие частоты) — больше. Вот почему музыканту трудно отличить малую секунду от большой секунды в нижнем регистре рояля, а в верхнем и среднем — запрос- то. (Хотя и в верхнем диапазоне непросто, но это уже из-за других причин.) Воспринимаемый улиткой (о ́рганом Корти) диапазон частот всем известен — от 20 Гц до 20 кГц. Причем чувствительность уха по частотам тоже неодинакова. У нее (у чувствительности) есть макси- мум на средних частотах. Логично было бы предположить (как, на- пример, в случае с глазом: максимум чувствительности приходится на наиболее важные для человека цвета — желтый и зеленый), что максимум чувствительности к звукам приходится на область, наибо- лее важную для человека, — голоса других людей, то есть диапазон частот 0,2–0,5 кГц. Ан нет! Он приходится на 2–2,5 кГц. Это примерно верхний регистр рояля. Почему — не очень понятно.

Звук, состоящий из сонма волн разной частоты, разделяется в улит- ке на спектр, то есть нарезается, как сыр, на тоненькие пластинки. В фи- зике это называется преобразованием Фурье. Объем информации при этом преобразовании уменьшается в тысячи раз (с учетом «обрезания частотного диапазона»). Вместо кучи странной формы волн, суммы множества синусоид мозгу нужно хранить лишь частоту сигнала, его амплитуду и, строго говоря, разность фаз между сигналами, приходя- щими в разные уши. Этакую двумерную матрицу, чистый «цифровой» формат! Ха! Лейбниц изучал «И Цзин», цикл Фу Си и придумал двоич- ную систему исчисления, основу цифрового формата. Изучай он строе- ние наших ушей, пришел бы к тем же самым выводам!

Если рассуждать чисто математически, то Фурье-образ звуково- го сигнала хранит полностью всю информацию об изначальном зву- ке, сигнале. В области низких частот наше ухо сохраняет информацию о разности фаз между звуками, поступившими в разные уши. Имен- но это позволяет нам локализовать источник сигнала по горизонта- ли. В области высоких частот информация о фазах теряется, для лока- лизации источника звука используется взаимная разность амплитуд