Ухо человека воспринимает звуки в диапазоне. Как расшифровать аудиограмму — подробное руководство от врача

Мы часто оцениваем качество звучания. При выборе микрофона, программы для обработки звука или формата записи звукового файла один из самых важных вопросов - насколько хорошо будет это звучать. Но существуют различия между характеристиками звука, которые можно измерить и теми, которые можно услышать.

Тон, тембр, октава.

Мозг воспринимает звуки определённых частот. Это связано с особенностями механизма внутреннего уха . Рецепторы, расположенные на основной мембране внутреннего уха превращают звуковые колебания в электрические потенциалы, возбуждающие волокна слухового нерва. Волокна слухового нерва обладают частотной избирательностью, обусловленной возбуждением клеток кортиева органа, находящихся в разных местах основной мембраны: высокие частоты воспринимаются вблизи овального окна, низкие – у вершины спирали.

С физической характеристикой звука, частотой, тесно связана ощущаемая нами высота тона. Частота измеряется как количество полных циклов синусоидальной волны за одну секунду (герц, Гц). Это определение частоты основано на том, что у синусоидальной волны форма колебаний волн в точности сохраняется. В реальной жизни очень немногие звуки обладают таким свойством. Однако любой звук можно представить набором синусоидальных колебаний. Такой набор мы обычно и называем тоном. То есть, тон – это сигнал определенной высоты, имеющий дискретный спектр (музыкальные звуки, гласные звуки речи), в котором выделяется частота синусоидальной волны, имеющая в этом наборе максимальную амплитуду. Сигнал, обладающий широким непрерывным спектром, все частотные составляющие которого имеют одинаковую среднюю интенсивность, называют белым шумом.

Постепенное увеличение частоты звуковых колебаний воспринимается как постепенное изменение тона от самого низкого (басового) до наиболее высокого.

Степень точности, с которой человек определяет высоту звука на слух, зависит от остроты и тренировки его слуха. Ухо человека хорошо различает два близких по высоте тона. Например, в области частот примерно 2000 Гц человек может различать два тона, которые отличаются друг от друга по частоте на 3-6 Гц или даже меньше.

Спектр частот музыкального инструмента или голоса содержит последовательность равномерно расположенных пиков - гармоник. Они соответствуют частотам, кратным некоторой базовой частоте, самой интенсивной из составляющих звук синусоидальных волн.

Особый звук (тембр) музыкального инструмента (голоса) связан с относительной амплитудой различных гармоник, а воспринимаемая человеком высота тона наиболее точно передает базовая частота. Тембр, являясь субъективным отображением воспринимаемого звука, не имеет количественной оценки и характеризуется только качественно.

В «чистом» тоне присутствует только одна частота. Обычно же воспринимаемый звук состоит из частоты основного тона и нескольких ""примесных" частот, называемых обертонами. Обертоны кратны частоте основного тона и меньше его по амплитуде. От распределения интенсивности по обертонам зависит тембр звука. Более сложным оказывается спектр сочетания музыкальных звуков, называемый аккордом. В таком спектре присутствуют несколько основных частот вместе с сопутствующими обертонами.

Если частота одного звука ровно вдвое превосходит частоту другого, звуковая волна «укладывается» одна в другую. Частотное расстояние между такими звуками называется октавой. Диапазон частот, воспринимаемых человеком, 16-20 000 Гц, охватывает приблизительно десять-одиннадцать октав.

Амплитуда звуковых колебаний и громкость.

Слышимую часть диапазона звуков разделяют на низкочастотные звуки – до 500 Гц, среднечастотные – 500-10000 Гц и высокочастотные – свыше 10000 герц. Наиболее чувствительно ухо к сравнительно узкому диапазону среднечастотных звуков от 1000 до 4000 Гц. То есть, звуки одинаковой силы в среднечастотном диапазоне могут восприниматься как громкие, а в низкочастотном или высокочастотном - как тихие или быть вовсе не слышны. Такая особенность восприятия звука связана с тем, что звуковая информация, необходимая для существования человека – речь или звуки природы – передаётся, в основном, в среднечастотном диапазоне. Таким образом, громкость – это не физический параметр, а интенсивность слухового ощущения, субъективная характеристика звука, связанная с особенностями нашего восприятия.

Слуховой анализатор воспринимает повышение амплитуды звуковой волны за счёт увеличения амплитуды вибрации основной мембраны внутреннего уха и стимуляции всё большего числа волосковых клеток с передачей электрических импульсов с большей частотой и по большему числу нервных волокон.

Наше ухо может различать интенсивность звука в диапазоне от самого слабого шепота до самого громкого шума, что примерно соответствует увеличению амплитуды движения основной мембраны в 1 млн. раз. Однако ухо интерпретирует это громадное различие в амплитуде звука приблизительно как 10000-кратное изменение. То есть, шкала интенсивности сильно «сжата» механизмом восприятия звука слухового анализатора. Это позволяет человеку интерпретировать различия в интенсивности звука в чрезвычайно широком диапазоне.

Интенсивность звука измеряется в децибелах (дБ) (1 бел равен десятикратному увеличению амплитуды). Эту же систему применяют для определения изменения громкости.

Для сравнения можно привести примерный уровень интенсивности разных звуков: едва слышимый звук (порог слышимости) 0 дБ; шёпот около уха 25-30 дБ; речь средней громкости 60-70 дБ; очень громкая речь (крик) 90 дБ; на концертах рок и поп музыки в центре зала 105-110 дБ; рядом с взлетающим авиалайнером 120 дБ.

Величина приращения громкости воспринимаемого звука имеет порог различения. Число градаций громкости, различаемое на средних частотах, не превышает 250, на низких и высоких частотах оно резко уменьшается и в среднем составляет около 150.

Каждый видел на аудиограммах или аудиотехнике такой параметр громкости или с ним связанный -- . Это единица измерения громкости. Когда-то люди договорились и обозначали, что в норме человек слышит от 0дБ, что фактически означает некое звуковое давление, которое воспринимается ухом. Статистика же говорит, что диапазон нормы -- это как незначительное падение до 20дБ, так и слух выше нормы в виде -10дБ! Дельта "нормы" -- составляет 30дБ, что как-то и немало.

Что такое динамический диапазон слуха? Это возможность слышать звуки с разной громкостью. Обычно принимается как факт, что человеческое ухо может слышать от 0дБ до 120-140дБ. Крайне не рекомендуют долго слушать звуки уже от 90дБ и выше.

Динамический диапазон работы каждого уха говорит нам о том, что при 0дБ ухо слышит хорошо и детально, при 50дБ слышит хорошо и детально. Можно и при 100дБ. На практике все бывали в клубе или концерте, где играла музыка громко -- и детализация чудесная. Слушали еде-едва тихонечко через наушники запись, лежа в тихой комнате -- и тоже все детали на местах.

Фактически падение слуха можно обозначить как сокращение динамического диапазона. По факту человек с плохим слухом не слышит деталей при низкой громкости. Его динамический диапазон зауживается. Вместо 130дБ -- становится 50-80дБ. Именно поэтому : никак нельзя "засунуть" информацию, которая в реальности находится в диапазоне 130дБ в диапазон 80дБ. А если еще и вспомнить что децибелы - нелинейная зависимость, то становится понятна вся трагичность ситуации.

Но теперь вспомним о хорошем слухе. Вот кто-то слышит все на уровне около 10дБ падения. Это нормально и социально приемлемо. На практике такой человек может услышать речь с 10 метров обычную. Но тут появляется человек с идеальным слухом -- выше 0 на 10дБ -- и он слышит эту же речь с 50 метров с равными условиями. Динамический диапазон шире -- деталей и возможностей больше.

Широкий динамический диапазон заставляет работать мозг совершенно, качественно иначе. Гораздо больше информации, гораздо точнее и детальнее она, т.к. слышно все больше различных обертонов и гармоник, которые при узком динамическом диапазоне пропадают: ускользают от внимания человека, т.к. невозможны их услышать.

Кстати, раз уж и доступен динамическими диапазон в 100дБ+, так это еще и означает, что человек может постоянно его использовать. Только что послушал на уровне громкости в 70дБ, потом резко начал слушать -- 20дБ, потом 100дБ. Переход должен занимать минимальное время. И фактически можно сказать, что человек с падением не позволяет себе иметь динамический диапазон большой. Тугоухие люди как бы подставляют идею о том, что сейчас все очень громко -- и ухо готовится услышать громкое или очень громкое, вместо реальной ситуации.

Заодно динамический диапазон своим наличием показывает, что ухо не только записывает звуки, но и подстраивается под текущую громкость, дабы слышать все хорошо. Параметр общей громкости точно также передается к мозгу, как и звуковые сигналы.

А вот человек с идеальным слухом очень гибко может варьировать свой динамический диапазон. И чтобы нечто услышать -- не напрягается, а сугубо расслабляется. Таким образом слух остаётся отличным как в динамическом диапазоне, так заодно и в частотном.

Recent Posts from This Journal

• Как начинается падение на высоких частотах? Нет возможности слышать или внимания? (20000Гц)

  Можно провести честный эксперимент. Берем обычных людей, пусть даже 20 лет. И включаем музыку. Правда, есть один нюанс. Надо взять и сделать так,…

• 
  Нытье ради нытья. Видео

  Люди привыкают ныть. Кажется, что это -- обязательно и нужно. Такие вот, странные эмоции и ощущения внутри. Но все забывают, что ныть -- это не…

• Говоришь о какой-то проблеме -- значит тебя это волнует. Прямо-таки не можешь умолчать. Постоянно такое рассказывают. Но в то же время упускают…

• Что такое важное событие? Всегда ли это что-то действительно влияющие на человека? Или? На самом деле, важное событие -- это лишь ярлык внутри головы…

• 
  Снимаем слуховой аппарат: сложности перехода. Исправления слуха №260. Видео

  Наступает интересный момент: вот слух стал достаточно хорошим, чтобы уже было порой неплохо слышно без СА. Но пытаясь его снять -- всё кажется…

• 
  Наушники с костной проводимостью. Зачем, что и как будет со слухом?

  С каждым днём всё чаще можно услышать про наушники и динамики с костной проводимостью. Лично на мой взгляд, это очень плохая идея в связке как с…

text_fields

text_fields

arrow_upward

Функции слуховой системы характеризуют сле­дующими показателями:

1. Диапазоном слышимых частот;
2. Абсо­лютной чувствительностью по частоте;
3. Дифферен­циальной чувствительностью по частоте и интенсивности;
4. Про­странственной и временной разрешающей способностью слуха.

Диапазон частот

text_fields

text_fields

arrow_upward

Диапазон частот, воспринимаемых взрослым человеком, охваты­вает около 10 октав музыкальной шкалы - от 16-20 Гц до 16-20 кГц.

Этот диапазон, характерный для людей до 25 лет, постепенно уменьшается из года в год за счет сокращения его высокочастотной части. После 40 лет верхняя частоты слышимых звуков уменьшается на 80 Гц каждые последующие полгода.

Абсо­лютная чувствительность по частоте

text_fields

text_fields

arrow_upward

Наибольшая чувствительность слуха имеет место на частотах от 1 до 4 КГц. В этом диапазоне частот чувствительность слуха чело­века близка к уровню броуновского шума - 2 x 10 -5 Па.

Судя по аудиограмме, т.е. функции зависимости порога слухового ощущения от частоты звука, чувствительность к тонам ниже 500 Гц неуклонно снижается: на частоте 200 Гц - на 35 дБ, а на частоте 100 Гц - на 60 дБ.

Подобное ухудшение чувствительности слуха, на первый взгляд, кажется странным, поскольку оно затрагивает именно тот диапазон частот, в котором лежит большая часть звуков речи и музыкальных инструментов. Однако, было подсчитано, что в пред­елах области слухового восприятия человек ощущает около 300 000 различных по силе и высоте звуков.

Малая чувствительность слуха к звука низкочастотного диапазона предохраняет человека от посто­янно ощущения низкочастотных колебаний и шумов собственного тела (движения мышц, суставов, шум крови в сосудах).

Дифферен­циальная чувствительность по частоте и интенсивности

text_fields

text_fields

arrow_upward

Дифференциальная чувствительность слуха человека характеризует способность отличать минимальные изменения параметров звука (интенсивности, частоты, длительности и т.д.).

В области средних уровней интенсивностей (порядка 40- 50 дБ над порогом слышимос­ти) и частот 500-2000 Гц дифференциальный порог по интенсив­ности составляет всего 0.5-1.0 дБ, по частоте 1%. Различия сигна­лов по длительности, которые воспринимаются слуховой системой, составляют величины менее 10%, а изменение угла расположения источника высокочастотного тона оценивается с точностью до 1-3°.

Про­странственная и временная разрешающая способность слуха

text_fields

text_fields

arrow_upward

Пространственный слух не только позволяет установить место расположения источника звучащего объекта, степень его удаленности и направление его перемещения, но и увеличивает четкость воспри­ятия. Простое сравнение монофонического и стереофонического прослушивания стереофонической записи дает полную картину пре­имущества пространственного восприятия.

Временные характеристики пространственного слуха базируются на объединении данных, получаемых от двух ушей (бинауральный слух).

Бинауральный слух определяют два основных условия.

1. Для низких частот основным фактором является различие во времени попадания звука в левое и правое ухо,
2. для высоких частот - различия в интенсивности.

Сначала звук достигает уха, расположенного ближе к источнику. При низких частотах звуковые волны «огибают» голову в силу их большой длины. Звук в воздушной среде имеет скорость 330 м/с. Следовательно, 1 см он проходит за 30 мкс. Поскольку расстояние между ушами человека составляет 17-18 см, а голову можно рассматривать как шар с радиусом 9 см, то разница между попадание звука в разные уши составляет 9π x 30=840 мкс, где 9π (или 28 см (π=3.14)) - это тот дополнительный путь, который должен прой­ти звук вокруг головы, чтобы попасть в другое ухо.

Естественно, эта разница зависит от места расположения источника - если он на­ходится по средней линии впереди (или сзади), то звук достигает обоих ушей одновременно. Малейший сдвиг вправо или влево от средней линии (даже менее 3°), уже воспринимается человеком. А это значит, что значимая для анализа мозгом разница между приходом звука на правое и левое ухо составляет меньше 30 мкс .

Следовательно, физическая пространственная размерность воспри­нимается за счет уникальных способностей слуховой системы как анализатора времени.

Для того, чтобы можно было отметить такую небольшую разницу во времени, необходимы очень тонкие и точные механизмы срав­нения. Такое сравнение осуществляется центральной нервной сис­темой в местах, где импульсация от правого и левого ушей сходится на одной структуре (нервной клетке).

Подобных мест, так называ­емых основных уровней конвергенции , в классической слуховой сис­теме не менее трех - это верхнеоливарный комплекс, нижний холм и слуховая кора. Дополнительные места конвергенции находятся внутри каждого уровня, например, межхолмовые и межполушарные связи.

Фаза звуковой волны связана с различиями во времени поступ­ления звука в правое и левое ухо. Более «поздний» звук отстает по фазе от предыдущего, более «раннего» звука. Это отставание имеет значение при восприятии относительно низких частот звуков. Это частоты с длиной волны не менее 840 мкс, т.е. частоты не более 1300 Гц.

При высоких частотах , когда величина головы значительно больше длины звуковой волны, последняя не может «огибать» это препят­ствие. Например, если звук имеет частоту 100 Гц, то длина его волны составляет 33 м, при частоте звука 1000 Гц - 33 см, а при частоте 10000 Гц - 3,3 см. Из приведенных цифр следует, что при высоких частотах звук отражается головой. В результате возникает разница и в интенсивности звуков, поступающих на правое и левое ухо. У человека дифференциальный порог по интенсивности на частоте 1000 Гц составляет величину порядка 1 дБ, поэтому оценка местоположения источника звука высокой частоты основывается на различиях интенсивности звука, попадающего на правое и левое ухо.

Разрешающая способность слуха по времени характеризуется дву­мя показателями.

Во-первых , это временная суммация . Характерис­тики временной суммации -

• время, в течение которого длитель­ность стимула влияет на порог ощущения звука,
• степень этого влияния, т.е. величина изменения порога реакции. У человека вре­менная суммация длится около 150 мс.

Во-вторых , это минимальный интервал между двумя короткими раздражителями (звуковыми им­пульсами), которой различается ухом. Его величина составляет 2-5 мс.

При передаче колебаний по воздуху, и до 220 кГц при передаче звука по костям черепа. Эти волны имеют важное биологическое значение, например, зву­ковые волны в диапазоне 300-4000 Гц соответствуют человеческому голосу. Звуки выше 20 000 Гц имеют малое практическое значение, так как быстро тормозятся; колебания ниже 60 Гц воспринимаются благодаря вибрационному чувству. Диапазон частот, которые способен слышать человек, называется слуховым или звуковым диапазоном ; более высокие частоты называются ультразвуком , а более низкие - инфразвуком .

Физиология слуха

Способность различать звуковые частоты сильно зависит от конкретного человека: его возраста , пола , подверженности слуховым болезням, тренированности и усталости слуха. Отдельные личности способны воспринимать звук до 22 кГц , а возможно - и выше.

Некоторые животные могут слышать звуки, не слышимые человеком (ультра- или инфразвук). Летучие мыши во время полёта используют ультразвук для эхолокации . Собаки способны слышать ультразвук, на чём и основана работа беззвучных свистков. Существуют свидетельства того, что киты и слоны могут использовать инфразвук для общения.

Человек может различать несколько звуков одновременно благодаря тому, что в ушной улитке одновременно может быть несколько стоячих волн .

Удовлетворительно объяснить феномен слуха оказалось необычайно сложной задачей. Человек, представивший теорию, объяснявшую бы восприятие высоты и громкости звука, почти наверняка гарантировал бы себе Нобелевскую премию.

Оригинальный текст (англ.)

Explaining hearing adequately has proven a singularly difficult task. One would almost ensure oneself a Nobel prize by presenting a theory explaining satisfactorily no more than the perception of pitch and loudness.

- Ребер, Артур С., Ребер (Робертс), Эмили С. The Penguin Dictionary of Psychology. - 3rd Edition. - Лондон : Penguin Books Ltd, . - 880 с. - ISBN 0-14-051451-1 , ISBN 978-0-14-051451-3

В начале 2011 г. в отдельных СМИ, связанных с научной тематикой, прошло краткое сообщение о совместной работе двух израильских институтов. В человеческом мозге выделены специализированные нейроны, позволяющие оценить высоту звука, вплоть до 0,1 тона. Животные, кроме летучих мышей, таким приспособлением не обладают, и для разных видов точность ограничена от 1/2 до 1/3 октавы. (Внимание! Данная информация требует уточнения!)

Психофизиология слуха

Проецирование наружу слуховых ощущений

Как бы ни возникали слуховые ощущения, мы относим их обыкновенно во внешний мир, и поэтому причину возбуждения нашего слуха мы всегда ищем в колебаниях, получаемых извне с того или другого расстояния. Эта черта в сфере слуха выражена гораздо слабее, нежели в сфере зрительных ощущений, отличающихся своей объективностью и строгой пространственной локализацией и, вероятно, приобретается также путём долгого опыта и контроля других чувств. При слуховых ощущениях способность к проецированию, объективированию и пространственной локализации не может достигнуть столь высоких степеней, как при зрительных ощущениях. Виной этому такие особенности строения слухового аппарата, как, например, недостаток мышечных механизмов, лишающий его возможности точных пространственных определений. Известно то огромное значение, какое имеет мышечное чувство во всех пространственных определениях.

Суждения о расстоянии и направлении звуков

Наши суждения о расстоянии, на котором издаются звуки, являются весьма неточными, в особенности если глаза человека закрыты и он не видит источника звуков и окружающие предметы, по которым можно судить об «акустике окружения» на основании жизненного опыта, либо акустика окружения нетипична: так, например, в акустической безэховой камере голос человека, находящегося всего в метре от слушающего, кажется последнему в разы и даже десятки раз более удалённым. Также знакомые звуки представляются нам тем более близкими, чем они громче, и наоборот. Опыт показывает, что мы менее ошибаемся в определении расстояния шумов, нежели музыкальных тонов. Способность суждения о направлении звуков у человека весьма ограничена: не имея подвижных и удобных для собирания звуков ушных раковин , он в случаях сомнений прибегает к движениям головы и ставит её в положение, при котором звуки различаются наилучшим образом, то есть звук локализируется человеком в том направлении, с которого он слышится сильнее и «яснее».

Известно три механизма, при помощи которых можно различить направление звука:

• Разница в средней амплитуде (исторически первый обнаруженный принцип): для частот выше 1 кГц, то есть таких, что длина звуковой волны меньше, чем размер головы слушающего, звук, достигающий ближнего уха, имеет бо́льшую интенсивность.
• Разница в фазе: ветвистые нейроны способны различать фазовый сдвиг до 10-15 градусов между приходом звуковых волн в правое и левое ухо для частот в примерном диапазоне от 1 до 4 кГц (что соответствует точности в определении времени прихода в 10 мкс).
• Разница в спектре: складки ушной раковины , голова и даже плечи вносят в воспринимаемый звук небольшие частотные искажения, по-разному поглощая различные гармоники, что интерпретируется мозгом как дополнительная информация о горизонтальной и вертикальной локализации звука.

Возможность мозга воспринимать описанные различия в звуке, слышимым правым и левым ухом, привело к созданию технологии бинауральной записи .

Описанные механизмы не работают в воде: определение направления по разности громкостей и спектра невозможно, так как звук из воды проходит практически без потерь напрямую в голову, и значит в оба уха, из-за чего громкость и спектр звука в обоих ушах при любом расположении источника звука с высокой точностью одинаковы; определение направления источника звука по фазовому сдвигу невозможно, так как из-за гораздо более высокой в воде скорости звука длина волны возрастает в несколько раз, а значит фазовый сдвиг многократно уменьшается.

Из описания приведённых механизмов понятна и причина невозможности определения расположения источников низкочастотного звука.

Исследование слуха

Слух проверяют с помощью специального устройства или компьютерной программы под названием «аудиометр ».

Определяют и частотные характеристики слуха, что важно при постановке речи у слабослышащих детей.

Норма

Восприятие частотного диапазона 16 Гц − 22 кГц с возрастом изменяется - высокие частоты перестают восприниматься. Уменьшение диапазона слышимых частот связано с изменениями во внутреннем ухе (улитке) и с развитием с возрастом нейросенсорной тугоухости.

Порог слышимости

Порог слышимости - минимальное звуковое давление, при котором звук данной частоты воспринимается ухом человека. Величину порога слышимости выражают в децибелах . За нулевой уровень принято звуковое давление 2·10 −5 Па на частоте 1 кГц. Порог слышимости у конкретного человека зависит от индивидуальных свойств, возраста, физиологического состояния.

Порог болевого ощущения

Порог болевого ощущения слуховой - величина звукового давления, при котором в слуховом органе возникают боли (что связано, в частности, с достижением предела растяжимости барабанной перепонки). Превышение данного порога приводит к акустической травме. Болевое ощущение определяет границу динамического диапазона слышимости человека, который в среднем составляет 140 дБ для тонального сигнала и 120 дБ для шумов со сплошным спектром.

Патология

См. также

• Слуховая галлюцинация
• Слуховой нерв

Литература

Физический энциклопедический словарь/Гл. ред. А. М. Прохоров. Ред. коллегия Д. М. Алексеев, А. М. Бонч-Бруевич, А. С. Боровик-Романов и др. - М.: Сов. энцикл., 1983. - 928 с., стр. 579

Ссылки

• Видеолекция Слуховое восприятие

Системы органов человека

Сердечно-сосудистая система (сердце , сосуды) Лимфатическая система Пищеварительная система Эндокринная система Иммунная система Сенсорная система (соматосенсорная система , зрительная система , обонятельная сенсорная система , слуховая сенсорная система , вкусовая сенсорная система) Покровная система Нервная система (центральная , периферическая) Опорно-двигательная система (костная система , мышечная система) мочеполовая система (репродуктивная система , мочевыделительная система) Дыхательная система

Wikimedia Foundation . 2010 .

Синонимы :

Смотреть что такое "Слух" в других словарях:

слух - слух, а … Русский орфографический словарь

слух - слух/ … Морфемно-орфографический словарь

Сущ., м., употр. часто Морфология: (нет) чего? слуха и слуху, чему? слуху, (вижу) что? слух, чем? слухом, о чём? о слухе; мн. что? слухи, (нет) чего? слухов, чему? слухам, (вижу) что? слухи, чем? слухами, о чём? о слухах восприятие органами… … Толковый словарь Дмитриева

Муж. одно из пяти чувств, коим распознаются звуки; орудие его ухо. Слух тупой, тонкий. У глухих и безухих животных слух заменяется чувством сотрясения. Идти на слух, искать по слуху. | Музыкальное ухо, внутренее чувство, постигающее взаимный… … Толковый словарь Даля

Слуха, м. 1. только ед. Одно из пяти внешних чувств, дающее возможность воспринимать звуки, способность слышать. Ухо – орган слуха. Острый слух. «До слуха его долетел хриплый крик.» Тургенев. «Желаю славы я, чтоб именем моим твой слух был поражен … Толковый словарь Ушакова

Понятие звука и шума. Сила звука.

Звук - физическое явление, представляющее собой распространение в виде упругих волн механических колебаний в твёрдой, жидкой или газообразной среде. Как и любая волна, звук характеризуется амплитудой и спектром частот. Амплитудой звуковой волны называется разница между самым высоким и самым низким значением плотности. Частотой звука называется количество колебаний воздуха в секунду. Частота измеряется в Герцах (Гц).

Волны с разной частотой воспринимаются нами как звук разной высоты. Звук частотой ниже 16 – 20 Гц (диапазона слышимости человека) называют инфразвуком; от 15 – 20 кГц до 1 ГГц, – ультразвуком, от 1 ГГц – гиперзвуком. Среди слышимых звуков можно выделить фонетические (речевые звуки и фонемы, из которых состоит устная речь) и музыкальные звуки (из которых состоит музыка). Музыкальные звуки содержат не один, а несколько тонов, а иногда и шумовые компоненты в широком диапазоне частот.

Шум является разновидностью звука, он воспринимается людьми как неприятный, мешающий или даже вызывающий болезненные ощущения фактор, создающие акустический дискомфорт.

Для количественной оценки звука используют усредненные параметры, определяемые на основании статистических законов. Сила звука - устаревший термин, описывающий величину, подобную интенсивности звука, но не идентичную ей. Она зависит от длины волны. Единица измерения силы звука - бел (Б) . Уровень звука чаще всего измеряют в децибелах (это 0,1Б). Человек на слух может обнаружить разницу в уровне громкости приблизительно в 1 дБ.

Для измерения акустического шума, Стивеном Орфилдом, была основана в Южном Миннеаполисе «Лаборатория Орфилд». Чтобы достичь исключительной тишины, в комнате использованы стекловолоконные акустические платформы толщиной в метр, двойные стены из изолированной стали и бетон толщиной в 30 см. Комната блокирует 99,99 процентов внешних звуков и поглощает внутренние. Эта камера используется многими производителями для тестирования громкости своих продуктов, таких как клапаны сердца, звук дисплея мобильного телефона, звук переключателя на приборной панели автомобиля. Также её используют для определения качества звука.

Звуки различной силы оказывают на организм человека различные воздействия. Так звук силой до 40 дБ оказывает успокаивающее действие. От воздействия звука 60-90 дБ возникает чувство раздражения, утомляемость, головная боль. Звук силой 95-110 дБ вызывает постепенно ослабление слуха, нервно-психический стресс, различные заболевания. Звук от 114 дБ вызывает звуковое опьянение наподобие алкогольного опьянения, нарушает сон, разрушает психику, приводит к глухоте.

В России действуют санитарные нормы допустимого уровня шума, где для различных территорий и условий нахождения человека даны предельные значения уровня шума:

· на территории мкр-она 45-55 дБ;

· в школьных классах 40-45 дБ;

· больницы 35-40 дБ;

· в промышленности 65-70 дБ.

В ночное время (23:00-7:00) уровни шума должны быть на 10 дБ меньше.

Примеры силы звука в децибелах:

· Шорох листьев: 10

· Жилое помещение: 40

· Разговор: 40–45

· Офис: 50–60

· Шум в магазине: 60

· Телевизор, крик, смех на расстоянии 1 м: 70–75

· Улица: 70–80

· Фабрика (тяжелая промышленность): 70–110

· Цепная пила: 100

· Старт реактивного самолёта: 120–130

· Шум на дискотеке: 175

Восприятие звуков человеком

Слух - способность биологических организмов воспринимать звуки органами слуха. В основе возникновения звука лежат механические колебания упругих тел. В слое воздуха, непосредственно примыкающем к поверхности колеблющего тела, возникает сгущение (сжатие) и разрежения. Эти сжатия и разрежения чередуются во времени и распространяются в стороны в виде упругой продольной волны, которая достигает уха и вызывает вблизи него периодические колебания давления, воздействующие на слуховой анализатор.

Обычный человек способен слышать звуковые колебания в диапазоне частот от 16–20 Гц до 15–20 кГц. Способность различать звуковые частоты сильно зависит от конкретного человека: его возраста, пола, подверженности слуховым болезням, тренированности и усталости слуха.

У человека органом слуха является ухо, которое воспринимает звуковые импульсы, а также отвечает за положение тела в пространстве и способность удерживать равновесие. Это парный орган, который размещается в височных костях черепа, ограничиваясь снаружи ушными раковинами. Он представлен тремя отделами: наружным, средним и внутренним ухом, каждый из которых выполняет свои конкретные функции.

Наружное ухо состоит из ушной раковины и наружного слухового прохода. Ушная раковина у живых организмов работает как приемник звуковых волн, которые затем передаются во внутреннюю часть слухового аппарата. Значение ушной раковины у человека намного меньше, чем у животных, поэтому у человека она практически неподвижна.

Складки человеческой ушной раковины вносят в поступающий в слуховой проход звук небольшие частотные искажения, зависящие от горизонтальной и вертикальной локализации звука. Таким образом, мозг получает дополнительную информацию для уточнения местоположения источника звука. Этот эффект иногда используется в акустике, в том числе для создания ощущения объёмного звука при использовании наушников или слуховых аппаратов. Наружный слуховой проход заканчивается слепо: от среднего уха он отделен барабанной перепонкой. Уловленные ушной раковиной звуковые волны ударяются в барабанную перепонку и вызывают ее колебания. В свою очередь, колебания барабанной перепонки передаются в среднее ухо.

Основной частью среднего уха является барабанная полость - небольшое пространство объемом около 1см³, находящееся в височной кости. Здесь находятся три слуховые косточки: молоточек, наковальня и стремечко - они соединяются между собой и с внутренним ухом (окно преддверия), они передают звуковые колебания из наружного уха во внутреннее, одновременно усиливая их. Полость среднего уха связана с носоглоткой посредством евстахиевой трубы, через которую выравнивается среднее давление воздуха внутри и снаружи от барабанной перепонки.

Внутреннее ухо из-за своей замысловатой формы называется лабиринтом. Костный лабиринт состоит из преддверия, улитки и полукружных каналов, но непосредственное отношение к слуху имеет только улитка, внутри которой находится перепончатый канал, заполненный жидкостью, на нижней стенке которого расположен рецепторный аппарат слухового анализатора, покрытый волосковыми клетками. Волосковые клетки улавливают колебания жидкости, заполняющей канал. Каждая волосковая клетка настроена на определенную звуковую частоту.

Слуховой орган человека работает следующим образом. Ушные раковины улавливают колебания звуковой волны и направляют их в слуховой проход. По нему колебания направляются в среднее ухо и, достигнув барабанной перепонки, вызывают ее колебания. Через систему слуховых косточек колебания передаются дальше – во внутреннее ухо (звуковые колебания передаются перепонке овального окна). Колебания перепонки вызывают движение жидкости в улитке, она, в свою очередь, заставляет колебаться базальную мембрану. При движении волоконец волоски рецепторных клеток касаются покровной мембраны. В рецепторах возникает возбуждение, которое по слуховому нерву в конечном итоге передается в головной мозг, где через средний и промежуточный мозг возбуждение попадает в слуховую зону коры больших полушарий, расположенную в височных долях. Здесь происходит окончательное различение характера звука, его тона, ритма, силы, высоты и его смысла.

Влияние шума на человека

Сложно переоценить воздействие шума на состояние здоровья людей. Шум относится к тем факторам, к которым нельзя привыкнуть. Человеку лишь кажется, что он привык к шуму, но акустическое загрязнение, действуя постоянно, разрушает здоровье человека. Шум вызывает резонанс внутренних органов, постепенно изнашивая их незаметно для нас. Недаром в средние века существовала казнь "под колокол". Гул колокольного звона мучил и медленно убивал осужденного.

Долгое время влияние шума на организм человека специально не изучалось, хотя уже в древности знали о его вреде. В настоящее время ученые во многих странах мира ведут различные исследования с целью выяснения влияния шума на здоровье человека. В первую очередь от шума страдают нервная, сердечно-сосудистая системы и органы пищеварения. Существует зависимость между заболеваемостью и длительностью проживания в условиях акустического загрязнения. Рост болезней наблюдается после проживания в течение 8-10 лет при воздействии шума с интенсивностью выше 70 дБ.

Длительный шум неблагоприятно влияет на орган слуха, понижая чувствительность к звуку. Регулярное и длительное воздействие производственного шума в 85-90 дБ приводит к появлению тугоухости (постепенной потере слуха). Если сила звука выше 80 дБ, появляется опасность потери чувствительности находящихся в среднем ухе ворсинок – отростков слуховых нервов. Отмирание половины из них еще не ведет к ощутимой потере слуха. А если погибает больше половины - человек погрузится в мир, в котором не слышно шелеста деревьев, жужжания пчел. С потерей всех тридцати тысяч слуховых ворсинок человек попадает в мир безмолвия.

Шум обладает аккумулятивным эффектом, т.е. акустические раздражение, накапливаясь в организме, все сильнее угнетают нервную систему. Поэтому перед потерей слуха от воздействия шумов возникает функциональное расстройство центральной нервной системы. Особенно вредное влияние шум оказывает на нервно-психическую деятельность организма. Процесс нервно-психических заболеваний выше среди лиц, работающих в шумных условиях, нежели у лиц, работающих в нормальных звуковых условиях. Поражаются все виды интеллектуальной деятельности, ухудшаются настроение, иногда появляется ощущение растерянности, тревоги, испуга, страха , а при высокой интенсивности - чувство слабости, как после сильного нервного потрясения. В Великобритании, например, один из четырёх мужчин и одна из трёх женщин больны неврозами из-за высокого уровня шума.

Шумы вызывают функциональные расстройства сердечно-сосудистой системы. Изменения, происходящие в сердечнососудистой системе человека под воздействием шума, имеют следующие симптомы: болевые ощущения в области сердца, сердцебиение, неустойчивость пульса и артериального давления, иногда наблюдается наклонность к спазмам капилляров конечностей и глазного дна. Функциональные сдвиги, возникающие в системе кровообращения под влиянием интенсивного шума, со временем могут привести к стойким изменениям сосудистого тонуса, способствующим развитию гипертонической болезни.

Под влиянием шума изменяются углеводный, жировой, белковый, солевой обмены веществ, что проявляется в изменении биохимического состава крови (снижается уровень сахара в крови). Шум оказывает вредное влияние на зрительные и вестибулярные анализаторы, снижает рефлекторную деятельность , что часто становится причиной несчастных случаев и травм. Чем выше интенсивность шума, тем хуже человек видит и реагирует на происходящее.

Шум также влияет на способность к интеллектуальной и учебной деятельности. Например, на успеваемость учеников. В 1992 году в Мюнхене аэропорт перенесли в другую часть города. И выяснилось, что проживавшие рядом со старым аэропортом ученики, которые до его закрытия демонстрировали плохие показатели по чтению и запоминанию информации, в тишине стали показывать намного лучшие результаты. Зато в школах того района, куда аэропорт перенесли, успеваемость, наоборот, ухудшилась, а дети получили новое оправдание для плохих оценок.

Исследователи установили, что шум может разрушать растительные клетки. Например, эксперименты показали, что растения, подверженные обстрелу звуками, засыхают и гибнут. Причиной гибели является чрезмерное выделение влаги через листья: когда уровень шума превышает определённый предел, цветы буквально исходят слезами. Пчела теряет способность ориентироваться и перестаёт работать при шуме реактивного самолёта.

Очень шумная современная музыка также притупляет слух, вызывает нервные заболевания. У 20 процентов юношей и девушек, часто слушающих модную современную музыку, слух оказался притупленным в такой степени, как у 85 летних стариков. Особую опасность представляют плееры и дискотеки для подростков. Обычно уровень шума на дискотеке составляет 80–100 дБ, что сравнимо с уровнем шума интенсивного уличного движения или взлетающего в 100 м турбореактивного самолёта. Громкость звука плеера составляет 100–114 дБ. Почти так же оглушительно работает отбойный молоток. Здоровые барабанные перепонки без ущерба могут переносить громкость плеера в 110 дБ максимум в течение 1,5 мин. Французские учёные отмечают, что нарушения слуха в наш век активно распространяются среди молодых людей; с возрастом они, скорее всего, будут вынуждены пользоваться слуховыми аппаратами. Даже низкий уровень громкости мешает концентрации внимания во время умственной работы. Музыка, пусть даже совсем тихая, снижает внимание – это следует учитывать при выполнении домашней работы. Когда звук нарастает, организм производит много гормонов стресса, например, адреналин. При этом сужаются кровеносные сосуды, замедляется работа кишечника. В дальнейшем всё это может привести к нарушениям работы сердца и кровообращения. Ухудшение слуха из-за шума относится к неизлечимым заболеваниям. Восстановить поврежденный нерв хирургическим путем практически невозможно.

Негативно влияют на нас не только те звуки, которые мы слышим, но и те, которые находятся за пределами диапазона слышимости: прежде всего – инфразвук. Инфразвук в природе возникает при землетрясениях, ударах молний, при сильном ветре. В городе источники инфразвука - тяжелые станки, вентиляторы и любое оборудование, которое вибрирует. Инфразвук с уровнем до 145 дБ вызывает физическое напряжение, переутомление, головные боли, нарушения работы вестибулярного аппарата. Если инфразвук более сильный и длительный, то человек может ощущать вибрации в грудной клетке, сухость во рту, нарушения зрения, головную боль и головокружение.

Опасность инфразвука в том, что от него сложно защититься: в отличие от обычного шума, он практически не поддается поглощению и распространяется намного дальше. Для его подавления необходимо снизить звук в самом источнике с помощью специального оборудования: глушителей реактивного типа.

Полная тишина также оказывает вред на организм человека. Так, сотрудники одного конструкторского бюро, имевшего прекрасную звукоизоляцию, уже через неделю стали жаловаться на невозможность работы в условиях гнетущей тишины. Они нервничали, теряли работоспособность.

Конкретным примером воздействия шума на живые организмы, можно считать следующее событие. Тысячи не вылупившихся птенцов погибли в результате дноуглубительных работ, ведущихся немецкой компанией «Мебиус» по распоряжению Минтранса Украины. Шум от работающей техники разносился на 5-7км, оказывая негативное влияние на прилегающие территории Дунайского биосферного заповедника. Представители Дунайского биосферного заповедника и еще 3 организаций вынуждены были с болью констатировать гибель всей колонии пестроносой крачки и речной крачки, которые располагались на косе Птичья. Дельфины и киты выбрасываются на берег из-за сильных звуков военных гидролокаторов.

Источники шума в городе

Самое вредное воздействие оказывают звуки на человека в больших городах. Но даже в загородных поселках можно страдать от шумового загрязнения, вызванного работающими техническими приспособлениями у соседей: газонокосилкой, токарным станком или музыкальным центром. Шум от них может превышать предельно допустимые нормы. И все же основное загрязнение шумовое происходит в городе. Источником его в большинстве случаев являются транспортные средства. Самая большая интенсивность звуков исходит от автомагистралей, метро и трамваев.

Автотранспорт . Наибольшие уровни шума отмечаются на магистральных улицах городов. Средняя интенсивность движения достигает 2000-3000 транспортных единиц в час и больше, а максимальные уровни шума – 90-95 дБ.

Уровень уличных шумов определяется интенсивностью, скоростью и составом транспортного потока. Кроме того, уровень уличных шумов зависит от планировочных решений (продольный и поперечный профиль улиц, высота и плотность застройки) и таких элементов благоустройства, как покрытие проезжей части и наличие зелёных насаждений. Каждый из этих факторов способен изменить уровень транспортного шума до 10 дБ.

В промышленном городе обычен высокий процент грузового транспорта на магистралях. Увеличение, в общем потоке автотранспорта, грузовых автомобилей, особенно большегрузных с дизельными двигателями, приводит к росту уровней шума. Шум, возникающий на проезжей части магистрали, распространяется не только на примагистральную территорию, но вглубь жилой застройки.

Рельсовый транспорт. Повышение скорости движения поездов также приводит к значительному росту уровня шума в жилых зонах, расположенных вдоль железнодорожных путей или близ сортировочных станций. Максимальный уровень звукового давления на расстоянии 7,5 м от движущегося электропоезда достигает 93 дБ, от пассажирского – 91, от товарного состава –92 дБ.

Шум, возникающий при прохождении электропоездов, легко распространяется на открытой территории. Наиболее значительно звуковая энергия снижается на расстоянии первых 100 м от источника (в среднем на 10 дБ). На расстоянии 100-200 снижение шума равно 8 дБ, а расстоянии от 200 до 300 всего на 2-3 дБ. Основной источник железнодорожного шума – удары вагонов при движении на стыках и неровностях рельсов.

Из всех видов городского транспорта наиболее шумный трамвай . Стальные колёса трамвая при движении по рельсам создают уровень шума на 10 дБ выше, чем колёса автомобилей при соприкосновении с асфальтом. Трамвай создаёт шумовые нагрузки при работе двигателя, открывании дверей, подаче звуковых сигналов. Высокий уровень шума от движения трамвая – одна из основных причин сокращения трамвайных линий в городах. Однако трамвай обладает и целым рядом преимуществ, поэтому при снижении создаваемого им шума он может выиграть в соревновании с другими видами транспорта.

Большое значение имеет скоростной трамвай. Он может с успехом использоваться как основной вид транспорта в малых и средних городах, а в крупных – как городской, пригородный и даже как междугородный, для связи с новыми жилыми массивами, промышленными зонами, аэропортами.

Воздушный транспорт. Значительный удельный вес в шумовом режиме многих городов занимает воздушный транспорт. Нередко аэропорты гражданской авиации оказываются расположенными в непосредственной близости от жилой застройки, а воздушные трассы проходят над многочисленными населёнными пунктами. Уровень шума зависит от направления взлётно-посадочных полос и трасс пролётов самолётов, интенсивности полётов в течение суток, сезонов года, от типов самолётов, базирующихся на данном аэродроме. При круглосуточной интенсивной эксплуатации аэропортов эквивалентные уровни звука на жилой территории достигают в дневное время 80 дБ, в ночное – 78 дБ, максимальные уровни шума колеблются от 92 до 108 дБ.

Промышленные предприятия. Источником большого шума в жилых кварталах городов являются промышленные предприятия. Нарушение акустического режима отмечается в тех случаях, когда их территория непосредственно к жилым массивам. Изучение промышленного шума показало, что по характеру звучания он постоянный и широкополосный, т.е. звук различных тонов. Наиболее значительные уровни наблюдаются на частотах 500-1000 Гц, то есть в зоне наибольшей чувствительности органа слуха. В производственных цехах устанавливается большое количество разнотипного технологического оборудования. Так, ткацкие цехи могут быть охарактеризованы уровнем звука 90-95 дБ А, механические и инструментальные - 85-92, кузнечнопрессовые – 95-105, машинные залы компрессорных станций – 95-100 дБ.

Домашняя техника. С наступлением постиндустриальной эпохи всё больше и больше источников шумового загрязнения (а также электромагнитного) появляется и внутри жилища человека. Источником этого шума является бытовая и офисная техника.