Шаг за шагом. Усилители и радиоузлы

Нижний слой, основание «пирога», — лента основной мембраны, сотканная из 25 тысяч поперечных тонких нитей. Эти нити часто сравнивают со струнами рояля или арфы. В направлении от основания улитки к ее вершине основная мембрана расширяется, и нити-струны становятся длиннее. У основания улитки (овальное окно), куда примыкает третья слуховая косточка — стремечко, длина нитей составляет 100 мк, а у вершины улитки — 500 мк (рис. 7, 5, в).

рис. 7, 5, в

На основной мембране расположились ткани из нескольких типов клеток. В самом наружном слое имеется пять рядов так называемых волосковых клеток (кончик каждой из них покрыт десятками тончайших волосков), к которым подходят нервные волокна (рис. 7, 5, д).

рис. 7, 5, д

Изучение устройства и работы слухового аппарата началось давно, но еще сегодня в этой области существует очень много загадок. Так до сих пор не удалось проследить все стадии преобразования звука в нервный импульс. Неясно также, каким образом кортиев орган анализирует форму кривой звука, как разделяет сложный звук на синусоидальные составляющие. Существует несколько теорий слуха, но, пожалуй, ни одна из них полностью не объясняет принцип действия нашего звукоприемника.

Долгое время широким признанием пользовалась так называемая резонансная теория слуха, которую около ста лет назад разработал известный физик и врач Герман Гельмгольц. Как говорит само название, в основе этой теории лежит хорошо известное явление — резонанс.

Существует много опытов для иллюстрации резонанса, но один из этих опытов особенно хорошо поясняет резонансную теорию слуха. Откройте крышку рояля или пианино, нажмите правую педаль и с большими паузами спойте над струнами несколько коротких звуков. Вы услышите, как рояль вторит пению, причем после разных нот звучат и разные струны.

Происходит это потому, что каждая струна в основном резонирует лишь на одну из синусоидальных составляющих сложного звука. Поэтому для различных сложных звуков, то есть для разных спектров, набор откликающихся струн оказывается различным.

Гельмгольц считал, что наш слуховой аппарат определяет спектр сложных звуков примерно таким же способом. Роль резонирующих струн он отводил нитям основной мембраны, которые имеют разную длину, а значит, и разную частоту резонанса. Эксперименты, казалось бы, полностью подтверждали резонансную теорию слуха. Так, например, при повреждении вершины улитки, где находятся сравнительно длинные низкочастотные волокна, подопытные животные теряют слух в области низших частот, а повреждение основания улитки приводит к потере слуха на высших частотах. В пользу резонансной теории говорили и многие другие эксперименты.

И все же под давлением фактов, особенно полученных в самое последнее время, от простой и, казалось бы, понятной модели уха-рояля пришлось отказаться. Вот лишь одно из затруднений резонансной теории. Простейшие расчеты показывают, что для того, чтобы перекрыть весь диапазон слышимых частот (16 гц— 22 кгц), сила натяжения крайних «струн» должна отличаться в 10 тысяч раз. О такой большой разнице не может быть и речи. Для «струн» из живой ткани она недопустима.

Сейчас главное внимание исследователей приковано к волосковым клеткам, где звук преобразуется в нервный сигнал. Установлено, что этот процесс включает в себя целые комплексы химических реакций, с которыми, по-видимому, связано и разделение сложного звука на составляющие. Обнаружены интересные особенности поведения некоторых частей волосковой клетки при воздействии различных звуков. Одним словом, стало ясно, что важнейшие проблемы слуха нужно рассматривать с позиций молекулярной биологии, которая исследует самые тонкие биологические механизмы.

Несмотря на неясности в работе слухового аппарата, его главные характеристики изучены весьма подробно. Так, в частности, установлена чувствительность, или, иначе, порог слышимости, уха — сила самых тихих звуков, которые мы еще в состоянии услышать. Оказалось, что на разных частотах порог слышимости различен, и лучше всего мы слышим звуки с частотами от 1 до 5 кгц. На краях диапазона слышимых звуков чувствительность уха резко — во много миллионов раз — падает.

Сила звука на пороге слышимости (для частоты 1000 гц) составляет около 10^-12 вт/м², а звуковое давление — 0,00002 н/м². Под действием таких слабых звуков давление на барабанную перепонку не превышает 0,0000003 г, и амплитуда ее колебаний измеряется тысячными долями микрона. Амплитуда звуковых колебаний на входе улитки еще в 50–60 раз меньше, а размах колебаний основной мембраны оказывается в несколько раз меньше, чем диаметр атома водорода. Уже одно это говорит о том, какие сложные и тонкие процессы обеспечивают высокую чувствительность уха.

Самые громкие звуки, которые мы можем слышать, называют порогом болевых ощущений. Он соответствует силе звука около 10 вт/м² и давлению около 65 н/м². За этим порогом ухо действительно ощущает боль и громкость звука становится невыносимой. Для сравнения заметим, что чувствительные окончания кожи ощущают прикосновение уже при давлении 6 н/м². Порог болевых ощущений неодинаков на разных частотах, хотя и меняется не так резко, как порог слышимости. Значение обоих порогов для разных частот вы найдете на графике (рис. 7, 1).

Области «речь» и «симфонический оркестр» показывают, в каких пределах находятся частоты и звуковые давления для этих источников звука. В табл. 2 указаны некоторые источники звуковых колебаний и соответствующие им звуки различной силы.

Приведенные цифры показывают, что ухо слышит звуки в огромном диапазоне громкостей. Самый сильный и самый слабый из слышимых звуков могут различаться по звуковому давлению в 3 миллиона раз, а это соответствует разнице силы звука в 10 триллионов раз! Измеритель длины с подобным диапазоном мог бы одинаково хорошо определить толщину человеческого волоса и расстояние до Луны. Этот, конечно, весьма условный пример в какой-то степени характеризует универсальность слуха, его способность воспринимать самые различные звуки.

Вас, наверное, интересует, с какой точностью ухо ориентируется в огромном диапазоне звуков различной громкости, из скольких ступенек состоит лестница, которая ведет от самого тихого к самому громкому звуку, от порога слышимости к порогу болевых ощущений. В качестве ответа можно привести результаты, полученные многими исследователями. Человек различает около четырехсот (точнее, 374) ступенек — звуков различной громкости. Но сама по себе эта цифра еще мало о чем говорит — она нуждается в целом ряде пояснений и дополнений. Вот некоторые из них.

Во-первых, речь идет об оценке громкости путем сравнения двух разных звуков. Если оценивать звуки поодиночке, то удается заметить значительно меньше ступенек (часто говорят: градаций) громкости.

Во-вторых, заметим, что приведенная цифра получена в результате проверки слуха у большого числа людей и относится к так называемому среднему человеку. Люди с натренированным слухом, например опытные музыканты, по-видимому, могут заметить меньшие интервалы громкости, и, таким образом, для них число ступенек окажется намного больше.

В-третьих, приведенная цифра относится лишь к средним частотам, например к частоте 1000 гц. С повышением и понижением частоты мы намного хуже различаем звуки разной громкости. Так, например, на частотах 150 гц и 9 кгц можно заметить лишь около ста, на частоте 16 кгц — меньше двадцати, а на частоте 30 гц — всего три различных ступеньки, различных уровня громкости.