Что такое ухо с точки зрения физики

17. Физика слуха

Слуховая система связывает непосредственный приемник звуковой волны с головным мозгом.

Используя понятия кибернетики, можно сказать, что слуховая система получает, перерабатывает и передает информацию. Из всей слуховой системы для рассмотрения физики слуха выделяют наружное, среднее и внутреннее ухо.

Наружное ухо состоит из ушной раковины и наружного слухового прохода. Ушная раковина у человека не играет существенной роли для слуха. Она способствует определению локализации источника звука при его расположении – звук от источника попадает в ушную раковину. В зависимости от положения источника в вертикальной плоскости звуковые волны будут по разному дифрагировать на ушной раковине из-за ее специфической формы. Это приводит и к разному изменению спектрального состава звуковой волны, попадающей в слуховой проход. Человек научился ассоциировать изменение спектра звуковой волны с направлением на источник звука.

Различным направлениям на источник звука в горизонтальной плоскости будут соответствовать разности фаз. Считают, что человек с нормальным слухом может фиксировать направления на источник звука с точностью до 3°, этому соответствует разность фаз – 6°. Поэтому можно полагать, что человек способен различать изменение разности фаз звуковых волн, попадающих в его уши, с точностью до 6°.

Кроме фазового различия, бинауральному эффекту способствует неодинаковость интенсивностей звука у разных ушей, а также и «акустическая тень» от головы до одного уха.

Длина слухового прохода у человека равна приблизительно 2,3 см; следовательно, акустический резонанс возникает при частоте:

Наиболее существенными частями среднего уха являются барабанная перепонка и слуховые косточки: молоточки, наковальня и стремечко с соответствующими мышцами, сухожилиями и связками.

Система косточек на одном конце молоточком связана с барабанной перепонкой, на другом – стремечком с овальным окном внутреннего уха. На барабанную перепонку действует звуковое давление, что обусловливает силу F1 = P1 S1 (P1 – звуковое давление, S1 – площадь).

Система косточек работает, как рычаг, с выигрышем в силе со стороны внутреннего уха у человека в 1,3 раза. Еще одна из функций среднего уха – ослабление передачи колебаний в случае звука большой интенсивности.

Улитка человека является костным образованием длиной около 3,5 мм и имеет форму капсулообразной спирали с 2–3/4 завитками. Вдоль улитки проходят три канала. Один из них, который начинается от овального окна, называется вестибулярной лестницей. Другой канал идет от круглого окна, он называется барабанной лестницей. Вестибулярная и барабанная лестницы соединены в области купола улитки посредством маленького отверстия – геликотремы. Между улитковым каналом и барабанной лестницей вдоль улитки проходит основная (базилярная) мембрана. На ней находится кортиев орган, содержащий рецепторные (волосковые) клетки, от улитки идет слуховой нерв.

• Образовательная – формирование у учащихся представления о звуковых волнах, их характеристиках с точки зрения физики; изучение механизма передачи и восприятия звука живыми организмами;
• Развивающая – развитие мышления учащихся, интереса к предмету на основе интеграции знаний;
• Воспитательная – формирование навыков публичных выступлений, поиска информации и методов работы с информацией..

Оборудование: компьютер, мультимедийный проектор, экран, магнитофон, аудиокассеты с записями различных звуков, музыкальный инструмент (гитара), камертон, осциллограф.

Организационный момент. Сообщение цели урока.

На сегодняшнем уроке мы продолжаем изучение волновых явлений, ознакомимся с звуковыми волнами, выявим характеристики звука.

Перед изучением новой темы проверим ранее полученные знания. Устный опрос(проводит учитель физики).

1. Что такое волна? (Волна – это распространение колебаний в среде.)

2. Какие виды волн вы знаете? (Поперечная и продольная.)

3. Какими величинами характеризуются волновые явления? (Амплитуда, частота, период.)

4. Что такое амплитуда колебания? (Это наибольшее отклонение от положения равновесия.)

5. Что такое частота? (Это число колебаний в единицу времени.)

6. Что такое период? (Это время одного полного колебания.)

7. Какова единица измерения периода? Частоты? (с, Гц)

Изучение новой темы.

Мир звуков так многообразен,
Богат, красив, разнообразен…
Но всех нас мучает вопрос:
Откуда звуки возникают,
Что слух наш всюду услаждают?

Звуки – с древнейших времен средство связи и общения людей. Человек живет в мире звуков. Звук-это то, что слышит ухо. Мы слышим голоса людей, пение птиц, звуки музыкальных инструментов, шум леса, гром вовремя грозы. Раздел физики, в котором рассматриваются свойства звуковых волн, закономерности их возбуждения, распространения и действия на препятствия, называется акустикой (учитель физики).

Историческая справка (выступление ученика с презентацией на опережение темы Презентация 1).

Учитель физики. Итак, звук – это упругие волны, распространяющиеся в газах, жидкостях, твердых телах и воспринимаемые ухом человека и животных. Механические волны, которые вызывают ощущение звука, называют звуковыми волнами. Звуковые волны являются в основном продольными, т.е. это чередование сгущений и разрежений. Скорость распространения звуковой волны зависит от свойств среды.

Источники звука. (Презентация2) Когда мы слышим какой-нибудь звук, мы можем установить источник звука.

Опыт 1. Возьмем камертон (это изогнутый металлический стержень на ножке) и ударим молоточком по камертону. К звучащему камертону поднесем легкую стеклянную бусинку на нити. Бусинка отскакивает. Почему? Это значит, что ветви камертона колеблются.

Опыт 2. Тронем струны гитары и приглядимся внимательно, и мы увидим размытые очертания, некоторое утолщение струны. Это также свидетельствует о том, что струна колеблется. Эти опыты показывают нам, что любой источник звука обязательно колеблется.

Но любое ли колеблющееся тело является источником звука?

Опыт 3. Рассмотрим колеблющийся маятник. Звука нет. Почему? Потому что частота маленькая.

Диапазон слышимых звуков (учитель биологии).

Исследования показали, что человеческое ухо способно воспринимать как звук механические колебания в пределах от 16 Гц до 20000Гц. Колебания этого диапазона частот называются звуковыми. Но указанные границы диапазона несколько условны, т.к. зависит от индивидуальных особенностей слухового аппарата, от возраста людей. Волны частотой менее 16 Гц называются инфразвуком, а частотой от 2 • 104 Гц – ультразвуком. Самый низкий из слышимых человеком музыкальных звуков имеет частоту 16 колебаний в секунду. Он извлекается органом. Используется редко, очень басовит. 27 колебаний в секунду-тон тоже редкий. Услышать его можно, нажав крайнюю левую клавишу рояля.

(Выступление ученика на опережение темы.)

Как мы слышим (учитель биологии).

Рассмотрим ухо человека в разрезе. (Рисунок 1) Оно состоит из трех частей: наружного, среднего и внутреннего уха. Наружное ухо – это ушная раковина и оканчивающийся в ней наружный слуховой проход. Элементы наружного уха служат для того, чтобы подводить энергию звуковых волн к барабанной перепонке – мембране, полностью перекрывающей наружный слуховой проход в самом его конце. Барабанная перепонка и соединенная с ней цепочка из трех слуховых косточек (наковальня, молоточек и стремя) – элементы среднего уха – передают звуковые колебания дальше, в элемент внутреннего уха, называемый улиткой, где они преобразуются в последовательность нервных импульсов, идущих в мозг по слуховому нерву. Внутреннее ухо представляет собой замкнутую полость в височной кости черепа. Только в области овального и кругло-круглого окон имеются эластичные мембраны, которые могут прогибаться. Вся полость внутреннего уха заполнена жидкостью.

Для того чтобы понять принцип работы среднего уха, вообразим сначала, что оно вообще у нас отсутствует. Как в этом случае изменится наш слух? Если звуковые волны из воздуха будут непосредственно падать на овальное окно внутреннего уха, то энергия волны, прошедшей через мембрану, составит лишь 0,1 % первоначальной ее энергии, так как акустические импедансы воздуха и жидкости, заполняющей внутреннее ухо, различаются более чем в 1000 раз. Элементы среднего уха служат для того, чтобы свести к минимуму потери энергии при передаче звука от наружного уха к внутреннему. Барабанная перепонка у человека имеет площадь около 0,7 см2. Посредством слуховых косточек она связана с мембраной овального окна, площадь которой всего лишь 0,03 см2*). Таким образом, среднее ухо работает как преобразователь давления, увеличивая звуковое давление на мембрану овального окна.

Скорость звука (учитель физики).

Как и всякая волна, звуковая волна характеризуется скоростью распространения колебаний в ней. С длиной волны l и частотой колебаний n, скорость V связана уже известной нам формулой:

Скорость звука различна в различных средах (веществах). Так, в воздухе при температуре 20 °С скорость звуковых волн (любых длин волн) равна 340 м/с. В других средах она может быть иной. В таблице приведены данные о скорости звука в разных средах.

Громкость и высота звука (учитель физики).

Громкость звука – это субъективная характеристика, которая зависит от частоты колебаний и чувствительности человеческого уха. – ФЭС (Рисунок 2.) Объективной характеристикой звука является интенсивность. Интенсивность звука – это энергия, которую переносит звуковая волна за единицу времени через единицу площади поверхности, перпендикулярной направлению распространения волны. Выражается она в системе СИ в единицах Вт/м 2 .

Громкость звука зависит от амплитуды и частоты колебаний в звуковой волне. Наиболее чувствительны наши органы слуха к частотам в диапазоне от 700 до 6000 Гц. В этом диапазоне ухо способно воспринимать звуки интенсивностью около 10 –12 –10 –11 Вт/м 2 . Порогом слышимости называется наименьшая интенсивность звуковой волны, которая может быть воспринята органом слуха. При частоте 1 кГц порог слышимости составляет 10 –12 Вт/м 2 .

За единицу громкости звука принят бел (в честь Александра Грэхема Белла, изобретателя телефона) [это логарифм отношения мощности звука к начальной мощности, отвечающей порогу слышимости: громкость звука равна 1 Б, если его мощность в 10 раз больше порога слышимости. На практике громкость измеряют в децибелах (дБ): 1 дБ = 0,1Б. (рисунок 2)

10 дБ – шепот;
20–30 дБ – норма шума в жилых помещениях;
40 дБ – тихий разговор;
50 дБ – разговор средней громкости;
70 дБ – шум пишущей машинки;
80 дБ – шум работающего двигателя грузового автомобиля;
100 дБ – громкий автомобильный сигнал на расстоянии 5–7 м;
120 дБ – шум работающего трактора на расстоянии 1 м;
130 дБ – порог болевого ощущения.

Порогом болевого ощущения называется интенсивность звука, вызывающего болевые ощущения. Он практически не зависит от частоты и составляет примерно 1 Вт/м 2 . Звук громкостью свыше 180 дБ может даже вызвать разрыв барабанной перепонки.

Звук, издаваемый телом, которое колеблется с одной, строго определенной частотой, называется тоном. Например, камертоны различного размера издают звуки разного тона. Частота колебаний характеризует высоту тона. Например, летящий комар издает звук высокого тона, шмель – звук низкого тона.

Демонстрируются звучания камертона и колокола (в записи).

Вот как, кстати, описал А.П.Васильев работу звонаря: “Как динамичен звонарь во время звона! Все возможные «рычаги» его тела работали самостоятельно, каждый выполнял «свою партию» в этом сложнейшем, уникальном труде. Правой рукой он управлял клавиатурой мелких колоколов, а локтем этой же руки он ударял по натянутой веревке дальнего колокола. Левой же управлял несколькими более тяжелыми колоколами”.

Итак, высота тона определяется частотой колебаний. Звуки человеческого голоса делят на несколько диапазонов:

• бас – 80–350 Гц, а английский певец Норман Аллин даже брал частоту 44 Гц (включается фрагмент записи Ф.И.Шаляпина);
• баритон – 110–149 Гц (фрагмент записи В.С.Высоцкого);
• тенор – 130–520 Гц (фрагмент записи И.С.Козловского);
• дискант – 260–1000 Гц (фрагмент записи голоса Р.Лоретти);
• сопрано – 260–1050 Гц (фрагмент записи Г.П.Вишневской);
• колоратурное сопрано – до 1400 Гц, а француженка Мадо Робен брала ре четвертой октавы – 2300 Гц.

Еще одна очень важная характеристика звука – тембр. Это качество звука, которое придает индивидуальную окраску звучанию источника. Он зависит от состава звука. Тон, соответствующий наименьшей частоте в наборе частот данного звука, называется основным. Тоны более высоких кратных частот называются обертонами.

Демонстрация осциллограмм тембра голосов учащихся на экране осциллографа.

Учитель биологии. Итак, мы охотно слушаем музыку, пение птиц, приятное человеческое пение. Напротив, тарахтение телеги, визг пилы, мощные удары молота нам неприятны, они раздражают и утомляют. По действию, производимому на нас, все звуки делятся на музыкальные и шумы. (Рисунок 3.)

Еще древние заметили, что музыкальные звуки благотворно действуют на психику, и использовали их для лечения. В Средние века звуком колокола сообщали о радостях и несчастьях.

Шумами называются звуки, образующие непрерывный набор частот, заполняющих некоторый интервал (скрип дверей, визг пилы, шипение змеи и т.д.) (рисунок 3)

В клубе, в аптеке, в кино, в магазине,
Где на пружине, где на резине
Хлопают двери, покоя не зная,
Людям привычно, словно в трамвае.
Входят, выходят, а дверь за собою
Никто не придержит, никто не прикроет.
Учатся дети скверной манере.
Хлопают двери, хлопают двери.
Хлопают, бухают, словно взбесились.
И. Васильевский

Закрепление изученного материала.

Подведение итогов урока

• § 35–38, ответить на вопросы к параграфам;
• Дополнительное задание составить кроссворд на тему “Звук”.

Физика слуха

Рассмотрим некоторые вопросы физики слуха на примере наружного, среднего и внутреннего уха.

Наружное ухо состоит из ушной раковины 1 и наружного слу­хового прохода 2 (рис. 6.8).

Ушная раковина у человека не играет существенной роли для слуха. Она способствует определению локализации источника звука при его расположении в передне-заднем направлении. По­ясним это. Звук от источника попадает в ушную раковину. В за­висимости от положения источника в вертикальной плоскости (рис. 6.9) звуковые волны будут по-разному дифрагировать на уш­ной раковине из-за ее специфической формы. Это приведет и к из­менению спектрального состава звуковой волны, попадающей в слуховой проход (более детально вопросы дифракции рассматри­ваются в гл. 19). Человек в результате опыта научился ассоцииро­вать изменение спектра звуковой волны с направлением на источ­ник звука (направления А, Б и В на рис. 6.9).

Обладая двумя звукоприемниками (ушами), человек и живот­ные способны установить направление на источник звука и в гори­зонтальной плоскости (бинауральный эффект; рис. 6.10). Это объ­ясняется тем, что звук от источника до разных ушей проходит раз­ное расстояние и возникает разность фаз для волн, попадающих в правую и левую ушные раковины. Связь между разностью этих расстояний (d) и разностью фаз (Dj) выведена в § 19.1 при объясне­нии интерференции света [см. (19.9)]. Если источник звука нахо­дится прямо перед лицом человека, то d = 0 и Dj = 0, если источник звука расположен сбоку против одной из ушных раковин, то в дру­гую ушную раковину он попадет с запаздыванием. Будем считать приближенно, что в этом случае 8 есть расстояние между ушными раковинами. По формуле (19.9) можно рассчитать для n = 1 кГц и d = 0,15 м разность фаз. Она приблизительно равна 180°.

Различным направлениям на источник звука в горизонтальной плоскости будут соответствовать разности фаз между 0° и 180° (для приведенных выше данных). Считают, что человек с нормальным слухом может фиксировать направления на источник звука с точ­ностью до 3°, этому соответствует разность фаз 6°. Поэтому можно полагать, что человек способен различать изменение разности фаз звуковых волн, попадающих в его уши, с точностью до 6°.

Кроме фазового различия бинауральному эффекту способству­ет неодинаковость интенсивностей звука у разных ушей, а также и «акустическая тень» от головы для одного уха. На рис. 6.10 схе­матично показано, что звук от источника попадает в левое ухо в результате дифракции (гл. 19).

Звуковая волна проходит через слуховой проход и частично от­ражается от барабанной перепонки 3 (см. рис. 6.8). В результате интерференции падающей и отраженной волн может возникнуть акустический резонанс. В этом случае длина волны в четыре раза больше длины наружного слухового прохода. Длина слухового прохода у человека приблизительно равна 2,3 см; следовательно, акустический резонанс возникает при частоте

Наиболее существенной частью среднего уха являются барабан­ная перепонка 3 и слуховые косточки: молоточек 4, наковальня 5 и стремечко 6 ссоответствующими мышцами, сухожилиями и связ­ками. Косточки осуществляют передачу механических колебаний от воздушной среды наружного уха к жидкой среде внутреннего. Жидкая среда внутреннего уха имеет волновое сопротивление, при­близительно равное волновому сопротивлению воды. Как было по­казано (см. § 6.4), при прямом переходе звуковой волны из воздуха в воду передается лишь 0,123% падающей интенсивности. Это слиш­ком мало. Поэтому основное назначение среднего уха — способство­вать передаче внутреннему уху большей интенсивности звука. Ис­пользуя технический язык, можно сказать, что среднее ухо согласу­ет волновые сопротивления воздуха и жидкости внутреннего уха.

Система косточек (см. рис. 6.8) на одном конце молоточком связана с барабанной перепонкой (площадь S, = 64 мм 2 ), на дру­гом — стремечком — с овальным окном 7 внутреннего уха (пло­щадь S₂ = 3 мм 2 ).

На барабанную перепонку дейст­вует звуковое давление р₁, что обус­ловливает силу

На овальное окно внутреннего уха при этом действует сила F₂, создающая звуковое давление р₂в жидкой среде. Связь между ними:

Система косточек работает как ры­чаг относительно оси О с выигрышем в силе со стороны внутреннего уха в 1,3 раза у человека (схематичное изо­бражение дано на рис. 6.11), поэтому можно записать

(6.11)

Разделив (6.9) на (6.10) и сопоставляя это соотношение с (6.11), получаем

или в логарифмических единицах (см. § 1.1)

На таком уровне увеличивает среднее ухо передачу наружного звукового давления внутреннему уху.

Еще одна из функций среднего уха — ослабление передачи ко­лебаний в случае звука большой интенсивности. Это осуществля­ется рефлекторным расслаблением мышц косточек среднего уха.

Среднее ухо соединяется с атмосферой через слуховую (евста­хиеву) трубу.

Наружное и среднее ухо относятся к звукопроводящей систе­ме. Звуковоспринимающей системой является внутреннее ухо.

Главной частью внутреннего уха является улитка, преобразую­щая механические колебания в электрический сигнал. Кроме улитки к внутреннему уху относится вестибулярный аппарат (см. § 4.3), который к слуховой функции отношения не имеет.

Улитка человека является костным образованием длиной около 35 мм и имеет форму конусообразной спирали с 2 3 /₄ завитков. Диа­метр у основания около 9 мм, высота равна приблизительно 5 мм.

На рис. 6.8 улитка (ограничена штриховой линией) показана схематично развернутой для удобства рассмотрения. Вдоль улит­ки проходят три канала. Один из них, который начинается от овального окна 7, называется вестибулярной лестницей 8. Дру­гой канал идет от круглого окна 9, он называется барабанной лестницей 10. Вестибулярная и барабанная лестницы соединены в области купола улитки посредством маленького отверстия — геликотремы 11. Таким образом, оба эти канала в некотором роде представляют единую систему, наполненную перилимфой. Коле­бания стремечка 6 передаются мембране овального окна 7, от нее перилимфе и «выпячивают» мембрану круглого окна 9. Простран­ство между вестибулярной и барабанной лестницами называется улитковым каналом 12, он заполнен эндолимфой. Между улит­ковым каналом и барабанной лестницей вдоль улитки проходит основная (базилярная) мембрана 13. На ней находится кортиев орган, содержащий рецепторные (волосковые) клетки, от улитки идет слуховой нерв (на рис. 6.8 эти подробности не показаны).

Кортиев орган (спиральный орган) и является преобразовате­лем механических колебаний в электрический сигнал.

Длина основной мембраны около 32 мм, она расширяется и утончается в направлении от овального окна к верхушке улитки (от ширины 0,1 до 0,5 мм). Основная мембрана — весьма интересная для физики структура, она обладает частотно-избирательными свойствами. На это обратил внимание еще Гельмгольц, который представлял основную мембрану аналогично ряду настроенных струн пианино. Лауреат Нобелевской премии Бекеши установил ошибочность этой резонаторной теории. В работах Бекеши было показано, что основная мембрана является неоднородной линией передачи механического возбуждения. При воздействии акусти­ческим стимулом по основной мембране распространяется волна. В зависимости от частоты эта волна по-разному затухает. Чем мень­ше частота, тем дальше от овального окна распространится волна по основной мембране, прежде чем она начнет затухать. Так, на­пример, волна с частотой 300 Гц до начала затухания распростра­нится приблизительно до 25 мм от овального окна, а волна с часто­той 100 Гц достигает своего максимума вблизи 30 мм.

На основании этих наблюдений были разработаны теории, со­гласно которым восприятие высоты тона определяется положени­ем максимума колебания основной мембраны. Таким образом, во внутреннем ухе прослеживается определенная функциональная цепь: колебание мембраны овального окна — колебание перилимфы — сложные колебания основной мембра­ны — раздражение волосковых клеток (ре­цепторы кортиева органа) — генерация элек­трического сигнала.

Некоторые формы глухоты связаны с пора­жением рецепторного аппарата улитки. В этом случае улитка не генерирует электрические сигналы при воздействии механических ко­лебаний. Можно помочь таким глухим, для этого необходимо имплантировать электроды в улитку и подавать на них электрические сиг­налы, соответствующие тем, которые возника­ют при воздействии механического стимула.

Такое протезирование основной функции улитки (кохлеарное протезирование) разра­батывается в ряде стран. В России кохлеар­ное протезирование разработано и осуществ­лено в Российском медицинском университе­те. Кохлеарный протез показан на рис. 6.12, здесь 1 — основной корпус, 2 — заушина с микрофоном, 3 — вилка электрического разъема для подсоединения к имплантируе­мым электродам.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Что такое ухо с точки зрения физики

Что такое звук с точки зрения физики?

Звуковые волны или колебания принято рассматривать как механические колебания молекул различных веществ, которые передаются в пространстве. Их появлению предшествует определенное возмущение (к примеру, колебание струны гитары как источника звука). Вследствие него воздух в некой точке начинает колебаться, что приводит к возникновению избыточного давления. Именно оно «толкает» близлежащие слои воздуха и приводит к дальнейшей передаче возмущения.

Основные характеристики звуковой волны

Как прочие колебания, звук обладает следующими характеристиками:

• амплитуда (интенсивность). Под определением подразумевают половину разницы между наибольшим и наименьшим показателем плотности. На соответствующем графике данная характеристика имеет вид разницы между самой высокой либо низкой точкой волны и осью абсцисс;
• частота. Она демонстрирует число возникновений звуковых колебаний за определенный временной промежуток. Стоит отметить, что наше ухо не способно улавливать волны полного спектра частот.
• фаза. Это определенная стадия либо состояние движения тела, которое колеблется, по отношению к одному из его положений, в частности, положения равновесия. Его можно представлять началом отсчета фазы. В таком случае другие положения колеблющегося тела будут характеризоваться стадией движения либо фазой;
• длина. Указанная характеристика обозначает расстояние между самыми близкими точками, колебание которых осуществляется в одной фазе. Для ее измерения используются сантиметры и метры.

Что необходимо знать о скорости звука?

Немаловажным физическим параметром звуковых колебаний является скорость, с которой происходит распространение упругих волн в среде. Она непосредственно зависит от характеристик среды и расстояния между ее отдельными частицами. Наименьшей является данный показатель в газообразных средах, тогда как самой высокой – в телах, имеющих твердую кристаллическую структуру.

Физика слуха

Рассмотрим некоторые вопросы физики слуха на примере наружного, среднего и внутреннего уха человека.

Наружное ухо состоит из ушной раковины 1 и наружного слухового прохода 2
(рис. 4).

Ушная раковина человека не играет существенной роли для слуха. Она способствует определению локализации источника звука при его расположении в передне-заднем направлении. Звук от источника попадает в ушную раковину. В зависимости от положения источника в вертикальной плоскости звуковые волны будут по-разному дифрагировать на ушной раковине из-за ее специфической формы. Это приводит к изменению спектрального состава звуковой волны, попадающий в слуховой проход. Человек в результате опыта научился ассоциировать изменения спектра звуковой волны с направлением на источник звука.

Обладая двумя звукоприемниками (ушами), человек и животное способны установить направление на источник звука и в горизонтальной плоскости. Это объясняется тем, что звук от источника до разных ушей проходит разное расстояние и возникает разность фаз для волн, попадающих в правую и левую ушную раковины.

Наиболее существенной частью среднего уха является барабанная перепонка 3 и слуховые косточки: молоточек 4, наковальня 5 и стремечко 6 с соответствующими мышцами, сухожилиями и связками. Косточки осуществляют передачу механических колебаний от воздушной среды наружного уха к жидкой среде внутреннего. Жидкая среда внутреннего уха имеет волновое сопротивление, приблизительно равное волновому сопротивлению воды. При прямом переходе звуковой волны из воздуха в воду передается лишь 0,123% падающей интенсивности. Это слишком мало. Поэтому основное назначение среднего уха – способствовать передаче внутреннему уху большей интенсивности звука. Можно сказать, что среднее ухо согласует волновые сопротивления воздуха и жидкости внутреннего уха.

Еще одна из функций среднего уха – ослабление передачи колебаний в случае звука большой интенсивности. Это осуществляется рефлекторным расслаблением мышц косточек среднего уха. Среднее ухо соединяется с атмосферой через слуховую (евстахиеву) трубу.

Наружное и среднее ухо относятся к звукопроводящей системе. Звуковоспринимающей системой является внутреннее ухо.

Главной частью внутреннего уха является улитка, преобразующая механические колебания в электрический сигнал. Улитка человека является костным образованием длинной около 35 мм и имеет форму конусообразной спирали 2,75 завитков. Диаметр у основания около 9 мм, высота равна приблизительно 5 мм.

На рисунке 4 улитка (ограничена штриховой линией) показана схематично развернутой для удобства рассмотрения. Вдоль улитки проходят три канала. Один из них, который начинается от овального окна 7, называется вестибулярной лестницей 8. Другой канал идет от круглого окна 9, он называется барабанной лестницей 10. Вестибулярная и барабанная лестницы соединены в области купола улитки посредством маленького отверстия – геликотремы 11. Т.о. оба эти канала в некотором роде представляют единую систему, наполненную перелимфой. Колебания стремечка 6 передаются мембране овального окна 7, от нее перелимфе и «выпячивают» мембрану круглого окна 9. Пространство между вестибулярной и барабанной лестницами называется улитковым каналом 12, он заполнен эндолимфой. Между улитковым каналом и барабанной лестницей вдоль улитки проходит основная (базилярная) мембрана 13. На ней находится кортиев орган, содержащий рецепторные клетки, от улитки идет слуховой нерв.

Кортиев орган (спиральный орган) и является преобразователем механических колебаний в электрический сигнал. Основная мембрана – весьма интересная для физики структура, она обладает частотно-избирательными свойствами.

Дата добавления: 2015-06-22 ; просмотров: 858 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Что такое ухо с точки зрения физики

Ухо человека имеет сложное устройство. Звуковые волны попадают в ухо, которое направляет их к окончаниям чувствительных нервов. Ухо млекопитающих состоит из трех основных частей: наружного уха, среднего уха, внутреннего уха. Наружное и среднее уши наполнены воздухом. Их основным назначением, по-видимому, является проведение звука во внутреннее ухо. Аппарат слуха содержит звукопроводящую и звуковоспринимающую системы (см. рис. 6.). Первая состоит из ушной раковины, наружного слухового прохода, оканчивающегося барабанной перепонкой, с которой связаны три сочлененных слуховых косточки: молоточек, наковальня и стремечко, расположенные в полости, называемой средним ухом. Эта полость граничит с полостью внутреннего уха, с которой сообщается двумя отверстиями, затянутыми упругими мембранами: овальным и круглым окнами. К мембране, закрывающей овальное окно, плоским основанием прикреплено стремечко.

Ушные раковины у человека являются почти рудиментарными образованиями и играют чрезвычайно малую роль для слуха. У людей наружный слуховой проход представляет собой прямую трубку и на поперечном срезе имеет приблизительно округлые очертания. В среднем возрасте объем канала составляет приблизительно 1,04 мл, а длина — около 2,7 см. Слуховой проход заканчивается толстой фиброзной мембраной (барабанной перепонкой). По краям мембраны находятся железы, которые секретируют воскоподобное вещество, называемое ушной серой. Это вещество создает защитное покрытие. Наружный слуховой проход можно сравнить с закрытой с одного конца органной трубой. Перепонка на конце прохода натянута сравнительно туго. Здесь скорость колеблющихся частиц должна быть минимальной, а акустическое давление — максимальным. У конца трубки давление должно иметь узел, а скорость частиц— пучность

У человека барабанная перепонка имеет овальную форму площадью около 66 мм 2 и толщиной около 0,1 мм. Эта перепонка передает колебания молекул воздуха в наружном ухе маленьким косточкам среднего уха. У человека движения перепонки похожи на работу поршня.

Барабанная перепонка образует внешнюю границу среднего уха. Последнее представляет собой наполненное воздухом пространство, лежащее в височной кости; это пространство называется барабанной полостью. Ее объем составляет около 1 мл, форма полости неправильная. В барабанной полости находятся три маленькие косточки, которые называются в соответствии с их формой молоточком, наковальней и стремечком. Общее назначение этих косточек, по-видимому, — обеспечение акустической связью элементов внутреннего уха с воздушной средой. Косточки действуют как механический преобразователь и увеличивают долю падающей звуковой энергии, которая возбуждает механизмы внутреннего уха. Косточки среднего уха могут сами так вращаться, что оказываются практически не чувствительными к движениям головы и проводимым костями звуковым волнам. Одной из функций косточек является усиление акустического давления колебаний, передаваемых из воздуха через барабанную перепонку, причем одновременно устраняются вибрации, идущие через череп. Кроме обеспечения акустической связи, косточки, по-видимому, имеют дополнительную функцию — уменьшение величины энергии, поступающей во внутреннее ухо при слишком больших уровнях силы звука. Полагают, что это достигается за счет изменений в напряжении мышцы, напрягающей барабанную перепонку, и мышцы стремени, удерживающей косточки на месте.

Самая дальняя от центра косточка (молоточек) прижимается к барабанной перепонке. Самая внутренняя (стремечко) прижимается к мембране, называемой овальным окном, которое отделяет наполненное воздухом среднее ухо от наполненных жидкостью каналов внутреннего уха. Овальное окно образует один конец одного из этих каналов — вестибулярной лестницы. Другой канал — барабанный канал или барабанная лестница, также оканчивается мембраной, отделяющей его от среднего уха. Эта вторая мембрана называется круглым окном.

Так как среднее ухо наполнено воздухом, то любое различие в давлении по обеим сторонам барабанной перепонки ведет к смещению мембраны. Малые различия в давлении на частотах, на которые отвечает улитка, вызывают колебания барабанной перепонки во время нормального восприятия звуков. Наоборот, большие медленные изменения давления, вызванные атмосферными изменениями или поднятием на большие высоты, могут исказить форму и положение барабанной перепонки. Чтобы избежать этого искажения необходима связь между средним ухом и окружающим воздухом, но эта связь не должна передавать изменения, совершающиеся за время меньше 0,1 сек. Таким условиям удовлетворяют маленькие узкие трубки, такая трубка связывает среднее ухо с глоткой и называется евстахиевой трубой.

При чрезмерном внешнем давлении нежные стенки евстахиевой трубы легко спадаются. Это вызывает очень неприятное ощущение, часто испытываемое человеком в самолете. Против этого существуют такие методы как глотательное движение, жевание резинки или попытка надуться, плотно закрыв нос и рот. Это открывает евстахиеву трубу и позволяет уравнивать давление вне и внутри среднего уха.

Наружное и внутреннее ухо совместно обеспечивают максимальное усиление звука, примерно до 35 дБ. С их помощью слышимость звуков, передаваемых по костям, уменьшается и человек становится менее чувствительным к собственному голосу нежели к звукам воспринимаемым извне. Кроме того, они выполняют роль автоматического регулятора громкости.

Внутреннее ухо состоит из нескольких частей, они заполнены жидкостями двух сортов и связаны с восьмой парой черепномозговых нервов. Для слуха важна только улитковая часть внутреннего уха.

Улитка имеет форму спирали; человеческое ухо имеет два с половиной витка такой спирали, длина улитки — 0,5 см, ширина — 1 см. Улитка является звуковоспринимающим аппаратом. Легче рассмотреть этот механизм, если мы развернем улитку (что можно сделать лишь мысленно, но физически неосуществимо), чтобы увидеть, что у нее внутри: две мембраны, идущие по всей длине улитки, делят ее на три узких хода, каждый из которых заполнен жидкостью (см. рис. 6, блок II). Жидкость, наполняющая канал преддверия и барабанный канал, называется перилимфой. Эти два хода соединены на верхушке спирали посредством маленького отверстия, называемого завитком. Пространство между этими двумя ходами называется улитковым ходом. Он заполнен жидкостью, называемой эндолимфой. Эндолимфа и перилимфа структурно и электрически отличаются друг от друга. Между улитковым ходом и каналом преддверия находится очень тонкая фиброзная мембрана, называемая вестибулярной. Между улитковым и барабанным каналами лежит более толстая мембрана, называемая основной мембраной. По мере того, как она подходит к вершине улитки, основная мембрана становится постепенно шире и толще, длина основной мембраны в растянутом виде около 3,5 см. Давление, оказываемое на овальное окно извне, создает давление на жидкость, находящуюся над основной мембраной, так что оно немедленно распространяется по всей длине мембраны. Волна давления распространяется по всей длине улитки всего лишь за 20 миллионных долей секунды.

На основной мембране расположен кортиев орган (см. рис. 6, блок II). Этот орган содержит нервные окончания. В состав кортиева органа входят наружные и внутренние волосковые клетки (25000). Основания клеток фиксированы на основной мембране, концы волосков — на вестибулярной мембране. При колебаниях вестибулярной мембраны волосковые клетки перемещаются, и волоски (стрептоцилии) изгибаются. Считается, что изгиб волосков приводит к деполяризации мембраны, вызывающей изменение состояния многичисленных ионных каналов мембраны. Таким образом, давление и напряжение, передаваемые на волосковые клетки, вызывают активность в соединяющихся с ними нервных волокнах, генерируя электрические импульсы, которые распространяются по слуховому нерву. Поэтому кортиев орган является нейромеханическим преобразователем (т.е. механизмом, преобразующим одну форму энергии в другую). Микроскопия кортиева органа показывает, что волокна основной мембраны имеет разную длину в разных участках завитков улитки. Благодаря явлению резонанса высоко- и низкочастотные колебания вызывают раздражения разных волосковых клеток и, следовательно, воспринимаются разными участками улитки (см. рис. 6).

17. Физика слуха

17. Физика слуха

Слуховая система связывает непосредственный приемник звуковой волны с головным мозгом.

Используя понятия кибернетики, можно сказать, что слуховая система получает, перерабатывает и передает информацию. Из всей слуховой системы для рассмотрения физики слуха выделяют наружное, среднее и внутреннее ухо.

Наружное ухо состоит из ушной раковины и наружного слухового прохода. Ушная раковина у человека не играет существенной роли для слуха. Она способствует определению локализации источника звука при его расположении – звук от источника попадает в ушную раковину. В зависимости от положения источника в вертикальной плоскости звуковые волны будут по разному дифрагировать на ушной раковине из-за ее специфической формы. Это приводит и к разному изменению спектрального состава звуковой волны, попадающей в слуховой проход. Человек научился ассоциировать изменение спектра звуковой волны с направлением на источник звука.

Различным направлениям на источник звука в горизонтальной плоскости будут соответствовать разности фаз. Считают, что человек с нормальным слухом может фиксировать направления на источник звука с точностью до 3°, этому соответствует разность фаз – 6°. Поэтому можно полагать, что человек способен различать изменение разности фаз звуковых волн, попадающих в его уши, с точностью до 6°.

Кроме фазового различия, бинауральному эффекту способствует неодинаковость интенсивностей звука у разных ушей, а также и «акустическая тень» от головы до одного уха.

Длина слухового прохода у человека равна приблизительно 2,3 см; следовательно, акустический резонанс возникает при частоте:

Наиболее существенными частями среднего уха являются барабанная перепонка и слуховые косточки: молоточки, наковальня и стремечко с соответствующими мышцами, сухожилиями и связками.

Система косточек на одном конце молоточком связана с барабанной перепонкой, на другом – стремечком с овальным окном внутреннего уха. На барабанную перепонку действует звуковое давление, что обусловливает силу F 1 = P 1 S 1 (P 1 – звуковое давление, S 1 – площадь).

Система косточек работает, как рычаг, с выигрышем в силе со стороны внутреннего уха у человека в 1,3 раза. Еще одна из функций среднего уха – ослабление передачи колебаний в случае звука большой интенсивности.

Улитка человека является костным образованием длиной около 3,5 мм и имеет форму капсулообразной спирали с 2–3/4 завитками. Вдоль улитки проходят три канала. Один из них, который начинается от овального окна, называется вестибулярной лестницей. Другой канал идет от круглого окна, он называется барабанной лестницей. Вестибулярная и барабанная лестницы соединены в области купола улитки посредством маленького отверстия – геликотремы. Между улитковым каналом и барабанной лестницей вдоль улитки проходит основная (базилярная) мембрана. На ней находится кортиев орган, содержащий рецепторные (волосковые) клетки, от улитки идет слуховой нерв.

Нечто на тему музыки. Самое начало.

Пишу скорее для себя, чем для получения многочисленных позитивных оценок типа «давай, давай!» или негативных типа «ну и хрень, займись лучше делом» 🙂

Буду, если будет хватать времени, писать и выкладывать в сеть куски материала на тему «Музыка-человек». Потом, может, буду их править или выкидывать целиком.

Далее — оглавление и кусок первой части.

Нечто на тему музыки и человека

Возможное содержание и структура изложения:

1. Что такое звук с точки зрения физики. Гармоники, обертоны, форманты, математические и физические резонансы.
2. Как и чем воспринимается звук человеком.

2.1. Строение уха (внешнее, среднее, внутреннее). Сравнение его с ушами животных.

2.2. Восприятие звуков с точки зрения нейрофизиологии. Локализация слуховых центров. «Эффект Моцарта».

2.3. Воздействие звука на органы человека, биоакустика. Резонансы, инфразвук, «коричневый звук» и т.п.

2.4. Воздействие звука на кровь человека. Кластерные и клатратно-гидратные модели жидкостей (крови).

3.1. Интонационный (тембральный) слух.

3.2. Абсолютный и относительный слух.

3.3. Восприятие полифонии и музыки строгих форм.

3.4. Гармонический слух.

3.5. Цветной слух.

3.6. Внутренний слух.

3.7. Чувство ритма.

3.8. Способность к импровизации.

1. Музыка с точки зрения синергетики.
2. Различные музыкальные строи в сравнении с наиболее распространенным в текущее время равномерно темперированным 12ти нотным строем. Их плюсы и минусы. История создания, место в философской и религиозной картине мира.

5.1. Китайский строй 12ти нотный, нетемперированный Люй-Люй.

5.1.1. Японская музыка Гагаку как отражение музыки, написанной в китайских традициях.

5.1.2. Современные музыкальные строи Тувы, Алтая, Монголии.

5.2. Индийский строй 22х нотный нетемперированный

5.3. Древнегреческий (пифагорейский) строй.

5.4. Древнеперсидский (иранский) строй. 17ти нотный нетемперированный.

5.5. Музыка дервишей

5.6. Древнееврейский строй.

5.7. Сиамский (таиландский) и яванский строи. 7ми и 5ти нотные равномерно темперированные.

1. Музыкальная терапия (кратко)

6.1. Непосредственное (физическое, физиологическое) воздействие музыки на исполнителя: вокал, духовые, струнные, ударные и пр.

6.2. Лечение с помощью музыки (соматических, нервных заболеваний)

7.1. Алкоголизм и наркомания как часто встречающеюся заболевания у рок-музыкантов.

7.2. Восприятие и написание различных видов музыки под воздействием алкоголя, канабиса (марихуана, гашиш), психотропных препаратов типа ЛСД, экстази.

Что такое звук с точки зрения физики. Гармоники, обертоны, форманты, математические и физические резонансы.

Значение звука и музыки на протяжении всего развития человеческой цивилизации трудно переоценить. Еще наши древние предки, которые не умели разговаривать, а если и разговаривали, то несли всякую чушь, придавали огромное, часто – мистическое значение многим природным звукам. Звуки грома, землетрясения и извержения вулканов, звуки ветра и штормов. Все это приводило людей к мысли о том, что это все происходит неспроста и за этими звуками и явлениями стоят могучие и неизведанные силы. Часто это приводило к обожествлению этих явлений. Люди также довольно быстро выяснили, что различные ритмы и мелодии меняют эмоциональное состояние и настроение человека. Это привело к созданию огромного числа музыкальных инструментов, привело к созданию храмов и амфитеатров, совершенных с точки зрения акустики. Тем более это представляется удивительным, что науки акустики, как таковой, в древние времена не существовало.

Первые опыты, которые можно отнести к научному подходу, касающиеся музыки, акустики, появились в VI в. до н.э. в Греции. Их проводил Пифагор и его ученики. Теория Пифагора, касающаяся музыки, не ограничивалась лишь поиском благозвучных (консонансных) сочетаний звуков и их математических параметров. Его концепция охватывала также представления о гармонии вселенной, единстве Бога, музыки и математики.

Приблизительно в это же время, или чуть раньше в Китае император Хуан Ди изобрел китайский музыкальный строй. Этот строй, также как и Пифагорейский, был идеально сконструирован математически. Более того, музыкальные строи Пифагора и Хуан Ди совпадают с точностью до мелочей. Поиски причин этого соответствия выходит за рамки данной работы. Опять таки в VI в. до нашей эры Конфуций существенно расширил и углубил использование музыки в различных областях. Было создано даже цело министерство музыки ЯУЕ (?), которое отвечало за правильную камертонную настройку всех музыкальных инструментов в Китае и следила за тем, чтобы при выполнении «правильных» ритуалов исполняли «правильную» музыку. Но мы этой части истории коснемся позже, когда будем говорить о различных музыкальных строях.

Аналогичные истории происходили примерно в то же время в Индии, на ближнем востоке, в Египте и в других местах. Не будем сейчас подробно касаться этих тем.

Важно то, что люди издревле придавали огромное значение музыке и придавали статус различным аспектам музыки на уровне государства и главенствующей в государстве философии, идеологии и религии.

Вплоть до XXII века ничего радикального в развитии теории музыки не происходило. В XXII веке Г. Галилей заявил о том, что в изучении колебательных процессов лежит будущее развития науки в целом. В XIX веке ученые Г. Гельмгольц и Д.У. Рэлей по сути создали все современное учение об акустике. Работы Г. Гельмгольца о резонаторах и слуховых ощущениях до сих пор считаются классическими. Теория звука, созданная Д.У. Рэлеем входила практически без изменений в учебники по акустике.

В Китае же произошла довольно странная вещь. Конфуций (VI век до н.э.) собрал пять, с его точки зрения самых значимых, трактатов, имеющих важнейшее значение с точки зрения философии и развития человечества в будущем. В число этих трактатов входил и трактат «Юэ Цзин», посвященный музыке, есть бесчисленные упоминания этого трактата в других рукописях. Так вот, считается, что в IV веке нашей эры «знающие» люди изъяли этот трактат из всех библиотек и уничтожили его, мотивируя это тем, что не осталось уже «знающих» людей, а бестолковое применение «знаний», изложенных в этом трактате, может привести к разрушению всего человеческого социума. Так или иначе, в настоящее время доступны лишь фрагменты этого трактата. Быть может это и хорошо.

Итак, вернемся к собственно звуку. Начнем с его возникновения и распространения.

Возникновение и распространение

Звук образуется в результате колебательного движения чего-либо. Самый распространенный звук, с которым сталкивается человек – это звук, распространяющий в атмосфере, в газовой среде.

Источников звука в природе множество – это грохот обвалов, завывание ветра и т.д. Некоторые из этих звуков имели непосредственное отношение к безопасности человека и увеличивали его шансы на выживание. Поэтому у человека стали формироваться органы восприятия звуков различной природы – уши. Одновременно с ростом ушей у человека стал расти и совершенствоваться язык. Но это, конечно, юмористический взгляд на сложную проблему.

Невозможно переоценить роль звуков, издаваемых человеком и воспринимаемых им же как средство передачи информации, эмоций и т.д. Можно сказать, что без устной речи не было бы современной цивилизации.

Мы опять отвлеклись.

Так что такое звук?

Звук – это волна, распространяющаяся в твердой, жидкой или газовой среде. Чтобы звук распространялся, необходим источник звука. Источником звука может быть любой движущий объект: паровоз, бегущий кабан, колеблющиеся голосовые связки, натянутая струна. Для распространения звука нужна среда. С точки зрения физики – два фактора обеспечивают распространение волн в среде – инерция и упругость. Если среда более плотная и более упругая – то скорость звука в ней повышается, длина волны, при аналогичной частоте – увеличивается. Еще одним важным элементом среды является ее способность рассеивать энергию волны. Если бы звуки в расстоянием не затухали, то атмосфера была бы наполнена гигантским количеством разнообразных звуков, что рождало бы безумную какофонию и приводило бы к массовым выбросам тюленей на берег и массовому заныриванию людей на их место. Затухание звука в воздухе происходит по двум причинам. Во-первых, энергия волны, распространяющаяся в трехмерном пространстве, падает с квадратом расстояния от источника звука. Постепенно энергия колебания частиц воздуха становится такой малой, что не различается на фоне теплового движения молекул. Другой фактор, влияющий на рассеивание (диссипацию) энергии звука, является его рассеивание на неоднородностях среды – на частичках пыли, комарах, неоднородностях плотности из-за разницы температур и влажности и т.д. Известно, что звук в ясную сухую безветренную погоду распространяется совсем по-другому, чем в пасмурную, дождливую, ветреную, мерзкую погоду, когда и звуки то слушать никакие не хочется.

То, что для распространения звука нужна среда, было совсем не очевидно нашим предшественникам. Известны опыты А. Кирхера и О. Гюкке, которые помещали звонок под колпак, из под которого выкачивали воздух. На основании этого опыта они сделали вывод, что для распространения звука воздух не нужен. Большие были ученые! Лишь потом сильно позже доказали, что в этих опытах звук распространялся через подставку под звонок, а через нее – уже в окружающий воздух.

Чаще всего человек слышит звук через воздушную среду. Но не всегда. Якуты, железнодорожники и бушмены спят, приложившись ухом к земле (к рельсу) дабы заранее обнаружить приближающиеся стада оленей, бизонов и паровозов. Рыбаки, ловящие не только карасей, часто (иногда) берут в зубы конец толстого деревянного шершавого весла, опущенного в воду (или прикладывают к нему ухо) дабы слышать звуки подводного мира.

Звук в воздушной среде, представляющий собой колебания плотности газа, чередующиеся уплотнения и разрежения, достигает барабанной перепонки, заставляя ее колебаться, и потом, через цепь электронно-химическо-механических приспособлений типа стремечка, улитки, нервных клеток, нейросети и т.п. воспринимается человеком как образ. Но не всегда звук воспринимается человеком через барабанную перепонку. Хорошо известен тот факт, что звук из вешней среды попадает через колебания костей черепа попадает непосредственно в среднее ухо и в искаженном виде добавляется к звуку, воспринимаемому через барабанную перепонку. Вот почему звук голоса, который слышат другие люди и слышит сам человек, сильно отличается. Более того, звук собственного голоса, записанный на магнитофонную пленку (и только на нее!) воспринимается человеком как «противный голос». Этот вопрос следует адресовать психотерапевтам и наркологам.

Известно, что скрипачи, настройщики и пр., у которых с возрастом снижается слух, дотрагиваются зубами до вибрирующего смычка или другого твердого предмета, прислоненного к резонатору инструмента, для того, чтобы лучше слышать музыкальный звук.

Ну, про Бетховена, пожалуй, говорить не будем, хотя неплохой был дядька.