Как человек слышит звук? Объяснение механизма слуха

От вибраций в воздухе до электрических сигналов в мозгу

В этой статье мы рассмотрим анатомию уха и функции его различных частей.

Мы включим информацию о:

• Путешествие звука – В воздухе в мозг
• Как мы находим звук – звуковая локализация
• Как мы анализируем звук и почему нам нравится громкая музыка
• Восприятие звука – громкость и высота звука
• Защита слуха

Мы рассмотрим, как мы интерпретируем звуки, которые попадают в наши уши, и важность их защиты. Давайте начнем.

Громко и ясно

Для меломана способность слушать музыку и наслаждаться ею является одним из величайших переживаний в мире. Это постоянный спутник на протяжении всей нашей жизни. Но как работает слуховой механизм?

Любой звук — это вибрация, молекулы в среде приходят в движение, возбуждая окружающие их частицы. Когда звук рассеивается, он вступает в контакт с различными объектами, и один из них — это мы, наши тела и, что более важно, наши уши.

Оказавшись там, происходит целый ряд поистине замечательных процессов и превращений. Уровень детализации, который можно получить при прослушивании, поразителен.

Бинауральная магия – как путешествует звук

Звук действует в воздухе так же или аналогично тому, как ухо обрабатывает звук.

Когда звук возникает в воздухе, он вызывает сжатие частиц вокруг этого источника, они сжимаются вместе. После чего они раздвигаются, вызывая разрежение.

Если все это звучит немного технически, график ниже от Доктор Дэниел А. Рассел демонстрирует происходящее.

Когда молекула или частица воздуха возбуждается звуком, она движется вперед и назад в своей области, взаимодействуя (сжимая и разрешая) с другими частицами.

Сами частицы не движутся по воздуху, но их движение создает волну, которая передает эту энергию по воздуху.

Именно эта волна в конечном итоге достигает внешней части наших ушей. Он собирается и направляется через ухо в наш мозг для обработки. Предполагая, что ваши уши в хорошем рабочем состоянии, если звук — это музыка, результатом будет почти идеальное воссоздание источника во всей его сложности.

Наружное ухо

Первым портом захода любого поступающего звука является наружное ухо. ушная раковина (или ушная раковина), и поскольку у нас есть 2 наши ушные раковины. Проще говоря, это НАШИ уши, две мясистые штуки, свисающие с наших голов.

Механизм слуха (из Википедии)

У ушной раковины очень сложная форма, полная борозд, гребней и впадин. Как и отпечатки пальцев, каждый человек уникален.

Локализация звука

Первая функция наших ушных раковин — помогать звуковая локализация, они помогают нам понять, откуда исходит звук. Это может показаться простой задачей, но на самом деле это очень сложный процесс.

Каждая ушная раковина фильтрует поступающий звук. Если звук генерируется в горизонтальной плоскости (также известной как «азимут», см. изображение), в любом месте, прямо перед нашими ушами или прямо напротив наших ушей, происходит ограниченная степень фильтрации.

Локализация звука (от

Некоторая фильтрация происходит из-за наших голов (или передаточной функции, связанной с головой, HRTF). Например, если звук исходит с левой стороны, он должен пройти вокруг головы, чтобы достичь правого уха.

Если кто-то разговаривает с вами и прикрывает рот, звук становится отфильтрованным, с меньшим содержанием высоких частот он становится более глухим. То же самое происходит и с вашей головой, поэтому звук, поступающий в правое ухо, более отфильтрован, более глух, чем звук, поступающий непосредственно в левое ухо.

Если источник звука перемещается дальше, за наши уши, обе ушные раковины фильтруют звук.

Фильтрация пинны

Отверстие в нашей ушной раковине, ведущее к слуховому проходу, известно как раковина. Когда звук поступает спереди, бороздки, гребни и впадины на наших ушных раковинах направляют звук к раковине.

Фильтрация ушных раковин (из Викиучебников)

Когда звук исходит сзади, прямой звук фильтруется, поскольку он отражается от задней части наших ушей. То, что мы слышим, представляет собой смесь отфильтрованного и косвенного звука, и это сигнал или индикатор, который сообщает нам, когда звук движется вокруг нас или исходит сзади.

Вооружившись этими знаниями, звукорежиссеры и производители оборудования может манипулировать звуком в стереофоническом и объемном полях.

При использовании эквалайзера (EQ) или более сложных методов, изменяющих частотный состав различных каналов, звук будет восприниматься как исходящий из разных направлений.

Что касается вашего оборудования для прослушивания музыки, это важная причина, по которой оба канала на ваших динамиках и наушниках должны работать идеально. Любые проблемы быстро становятся очевидными из-за чувствительности уха.

Интерауральное время и разница уровней

Другой способ, которым внешнее ухо помогает в локализации звука, заключается в измерении различий в уровне (громкости или интенсивности) и времени поступления звука в уши.

Интерауральные различия (с сайта www.x-mol.com/paper/5834015)

Различия в уровне называются межушной разницей уровней (ILD), также известной как внутриушная разница интенсивности (ILD). Различия во времени известны как межушная разница во времени.

Эти различия могут быть очень тонкими, но опять же, все, что касается слуховой системы, тонкий. Возможно, вы не сталкивались с этими терминами, но у вас, несомненно, была возможность их использовать.

Чтобы понять, откуда исходит звук, вы поворачиваете голову влево или вправо или даже наклоняете ее под углом. При этом вы настраиваете эти временные и уровневые различия, после чего ориентируете голову прямо на источник звука, таким образом определяя его местоположение.

Даже не двигая головой, разница во времени и громкости позволяет нам приблизиться к направленности.

Как и в случае с фильтрацией звука, музыканты, звукорежиссеры и звукоинженеры используют эти знания для пространственного воспроизведения музыки.

В кроличью нору

Как только звук достигает ушной раковины, он направляется вниз по ушному каналу, также известному как слуховой проход.

Этот канал функционирует не только как путь к среднему уху. Из-за своей длины раковина (отверстие в ушной раковине) и тот факт, что она закрыта на другом конце из-за барабанной перепонки, образует резонансную полость.

Как и в любой закрытой трубке (представьте, что вы дуете на горлышко бутылки), размер трубки и ее внутренний объем влияют на частоту или высоту звука, на которой она резонирует.

У человека этот частотный диапазон находится в пределах 2000–5000 Гц. Ушной канал естественно резонирует в этом частотном диапазоне, усиливая частоты, находящиеся в этом диапазоне.

Это особенно полезно для понимания речи, так как согласные звуки в голосе, такие как к, п, с, т, находятся в этом диапазоне.

Среднее ухо

Это часть уха, отвечающая за механическое действие и передачу энергии. Когда звук проходит по слуховому проходу, первая часть среднего звука, с которой он сталкивается, – это барабанная перепонка или барабанная перепонка.

Среднее ухо (с сайта www.earq.com)

Полезна аналогия с барабаном. Когда звук попадает на барабанную перепонку, она вибрирует, как палка по коже барабана.

В настоящем барабане звук кожи усиливается резонансной оболочкой, к которой прикреплена кожа. В барабанной перепонке мембрана прикреплена к 3 соединенным костям. Именно эти кости получают энергию, создаваемую барабанной перепонкой, когда она вибрирует, и передают ее во внутреннее ухо.

Эти кости называются молоточек, наковальня и стремечко, более известные как молоточек, наковальня и стремечко, из-за их сходства с этими предметами. В совокупности эти кости известны как косточки.

Среднее ухо выполняет 2 функции:

1. Усиление входящего звука
2. Акустический рефлекс

Усилитель в нашей голове

Первая задача среднего уха — усиливать входящий звук.

Молоточек, или молоточек, — это кость, соединенная с барабанной перепонкой, а наковальня, или наковальня, прикреплена к молоточку. Вместе они функционируют как поршень в двигателе. Наковальня прикреплена к стремени, которое, в свою очередь, соединяется с овальным окном, частью внутреннего уха.

Крупный план косточек (из Википедии)

В то время как внешнее и среднее ухо работают в воздухе, внутреннее ухо находится в жидкости. Барабанная перепонка имеет большую поверхность по сравнению с овальным окном, к которому она прикреплена.

Эффект этих различий заключается в том, что овальное окно оказывает меньшее сопротивление движению. Он преобразует звук, полученный от барабанной перепонки, в большую энергию, усиливая звук.

Акустический рефлекс

Вторая задача внутреннего уха заключается в том, что оно пытается защитить слуховой аппарат от громких звуков и повреждений. Это называется акустическим рефлексом.

При столкновении с длительными громкими звуками 2 мышцы, стременная мышца и мышца, напрягающая барабанную перепонку, включаются в действие, пытаясь защитить ухо.

Мышцы акустического рефлекса (из www.intechopen.com — Важность акустического рефлекса в распознавании речи)

Мышца, напрягающая барабанную перепонку, ограничивает движение барабанной перепонки, чтобы снизить вибрацию и передачу энергии.

Стременная мышца отодвигает стремя назад от овального окна, чтобы уменьшить передачу энергии во внутреннее ухо.

Как и все мышцы, с возрастом она ослабевает и становится менее эффективной. Таким образом, чем старше вы становитесь, тем меньше способность вашего среднего уха уменьшать чрезмерный объем и защищать внутреннюю часть уха от повреждений.

Акустический рефлекс эффективен при кратковременной длительной громкости.

Акустический рефлекс не эффективен против внезапных ударов, таких как громкие взрывы или внезапные взрывы шума. Его время отклика недостаточно быстрое, чтобы уловить быстрый переходный процесс или начало начального взрыва.

Внутреннее ухо

Когда вы начинаете понимать, как работает ухо, чем дальше вы углубляетесь, тем загадочнее становится. Внешний и средний уже поражают своим дизайном, и функциями, которые они выполняют.

С ухом все в небольших масштабах, но результаты выдающиеся и формируют наше восприятие и понимание мира, в котором мы живем.

Когда дело доходит до внутреннего уха, все становится очень странным, почти научной фантастикой. До сих пор звук и все функции уха происходили в воздухе. Теперь входим в жидкость.

Внутреннее ухо (с сайта uihc.org/health-topics/stapedectomy)

Звук передается во внутреннюю от стремени, которое прикреплено к овальному окну. Овальное окно является частью улитки, трубки, свернутой в спираль, напоминающую улитку.

По мере того, как стремя движется своим поршневым действием, перемещая овальное окно внутрь и наружу, оно вытесняет жидкость внутри улитки.

Частотный анализ

Внутри улитки накапливаются волны, которые смещают базилярную мембрану. Функция базилярной мембраны заключается в анализе частоты звуков, поступающих во внутреннее ухо.

Развернутое изображение улитки с базилярной мембраной (из Википедии)

Она узкая и тонкая у основания улитки, расширяясь и утолщаясь по длине к вершине.

Можно провести аналогию с инструментами в оркестре. Маленькие инструменты с более тонкими струнами, такие как скрипки, производят самую высокую частоту. Чем тоньше струна и корпус, тем легче вибрирует резонатор.

Связанный: Объяснение спектра звуковых частот

С таким инструментом, как контрабас, с его толстыми струнами и большим корпусом. Он отвечает за самые низкие ноты в оркестре.

Отдел, который анализирует высокие частоты, находится ближе всего к стременю среднего уха. Это получает больше всего энергии, когда получен чрезмерный объем. В результате именно эта частота более подвержена повреждениям.

Услышьте падение булавки

Базилярная мембрана выстлана крошечными волосковые клетки по его длине. Когда воспринимается звук определенной частоты, волосковые клетки в этой области возбуждаются или изгибаются, и это движение преобразуется в возбуждение нервов.

Именно на этом этапе звук, зародившийся в воздухе, который преобразовывался в механическую энергию, после чего проводился частотный анализ, и эта информация преобразовывалась в электрический сигнал, проходит по слуховому нерву (часть преддверно-улиткового нерва). ) и в мозг, чтобы интерпретироваться как звук. Довольно путешествие.

Последовательная обработка в слуховой системе (из Википедии)

Теперь, когда мы рассмотрели анатомию и функцию уха, давайте посмотрим, как мы интерпретируем высоту тона или частоту звуков, которые мы слышим, и громкость или амплитуду этих сигналов.

Равная громкость

Каким бы удивительным ни был слуховой аппарат, он не идеален. Мы не слышим все частоты с одинаковой громкостью.

Когда наши уши тестируются с использованием тонов от 20 Гц до 20 000 Гц, проводятся измерения, когда мы воспринимаем каждый тон равной громкости. В результате кривая равной громкости.

Кривая равной громкости (из Википедии)

Когда вы присутствуете со своими результатами, нет необходимости волноваться. Ты такой же, как и любой другой человек. Вы будете продолжать слушать музыку точно так же, как и раньше.

Одно это объясняет, почему нам нравится слушать музыку на большой громкости. Глядя на график, вы заметите, что отклик становится более линейным или более прямым при более высоких уровнях дБ SPL, ось Y. Это относится к громкости.

Уровни громкости или уровни звукового давления (SPL) измеряются в дБ УЗД. Это шкала, которая относится к тому, как мы слышим уровни звука или громкость в воздухе.

При большей громкости мы слышим частотный диапазон более равномерно. Это наиболее заметно на минимумах и максимумах. Области, где наши уши менее чувствительны. Когда мы хотим почувствовать бас, мы тянемся к этой ручке громкости.

Иди с улыбкой

Есть альтернативный способ получить этот звук на меньшей громкости, эквализация, настройка частотного баланса. Возможно, вы сталкивались с V-образной звуковой подписью.

Из графика кривой частотной характеристики вы можете увидеть, как возникает термин «V-образный» звук.

Если вы сравните равную громкость и V-образные кривые, вы увидите закономерность. V-образная звуковая сигнатура компенсирует то, как мы слышим. Кривые равной громкости показывают, что мы наиболее чувствительны в районе 3 кГц.

Ранее мы показали, что это результат резонанса слухового канала в наружном ухе. Таким образом, V-образная кривая учитывает этот и другие факторы. Таким образом, диапазон 3 кГц не усиливается, а усиливаются низкие и высокие частоты, где мы менее чувствительны.

Эффект этого позволяет нам наслаждаться полным миксом частот при прослушивании музыки на более низкой громкости.

Восприятие высоты тона

Высота тона — это то, как мы воспринимаем частоту. Высота звука субъективна, немногие люди, кроме музыкантов с классическим образованием, обладают абсолютным слухом, способностью слышать ноту и называть ее высоту, C, D, E и т. д.

Еще меньше людей могут слышать звук, такую ​​чистую частоту, синусоидальная волна, и скажите, какая это частота. Некоторые звукоинженеры могли приблизить значение или диапазон, но не точное значение.

Мы также воспринимаем высоту логарифмически. Чтобы продемонстрировать это, если нам представить частоту 100 Гц, а затем удвоить частоту до 200 Гц, мы получим высоту звука на октаву выше. Октава — это музыкальный термин, означающий удвоение высоты тона.

Если бы нам тогда представили частоту 1000 Гц, чтобы услышать ноту на октаву выше, нам снова нужно удвоить частоту. На этот раз требуется скачок с 1000 Гц до 2000 Гц, чтобы услышать ту же разницу.

склонить чашу весов

Это показывает, что наши уши более чувствительны к изменениям частоты при более высоких значениях. Когда мы корректируем частотный баланс музыки, независимо от того, являемся ли мы звукорежиссером или просто используем графический эквалайзер на нашем Hi-Fi, мы используем логарифмическую шкалу.

Частотный анализ с использованием логарифмической шкалы (из Hawkeye by SPL)

Частотный анализ с использованием линейной шкалы (из Hawkeye by SPL)

На первом изображении, используя логарифмическую шкалу, мы видим, что значение диапазонов увеличивается по оси x, по оси частот, по мере увеличения значений. Это отражает то, как мы слышим, и имеет для нас наибольшее музыкальное значение.

На втором изображении используется линейный масштаб. На обоих изображениях изображено одно и то же музыкальное произведение. По мере увеличения значений по оси x диапазон значений остается постоянным.

Если бы это был графический эквалайзер, большинство элементов управления были бы бесполезны, а те, которые влияют на звук, не давали бы достаточного контроля.

Вся информация собрана в левой части. Никакой полезной информации из этого извлечь нельзя.

Графический эквалайзер использует логарифмическую шкалу (из VLC)

Безопасность

Теперь, когда мы знаем, как все работает, мы можем обсудить здоровье и безопасность. Повреждение слуха происходит довольно легко, так что это будет отрезвляющий раздел! Современные привычки слушать игнорируют статистическую информацию. Здесь все будет четко изложено.

Звуковое воздействие и ОПАСНОСТЬ для органов слуха! (От

Уровни громкости или уровни звукового давления (SPL) измеряются в дБ УЗД. Это может быть трудным способом оценить объем без измерительного устройства. На приведенной выше диаграмме приведены некоторые полезные сравнения.

К счастью, есть также много Программы доступны для мобильных телефонов, которые позволяют измерять звуковое давление в вашем местоположении.

Не только музыка и концерты могут повредить слух. В повседневной жизни бывает много ситуаций, когда мы подвергаемся воздействию нездоровой дозы объема.

Каждодневные занятия

• Музыка с телефонов, подслушивающих устройств, Hi-Fi систем
• Музыкальная практика, соло или с другими музыкантами
• Фитнес-классы и тренажерные залы
• Детские игрушки

События

• Концерты, рестораны и бары
• Спортивные мероприятия
• Кинотеатры

Инструменты, машины и многое другое

• Электроинструменты
• Кухонные приборы
• Сирены
• Огнестрельное оружие

Вы не можете оставаться в звуконепроницаемом пузыре, пытаясь защитить свой слух. Важно понимать, что все дело в воздействии и осознании.

Вы можете уменьшить воздействие, ограничив время прослушивания на определенной громкости. Если вы контролируете ситуацию, вы можете уменьшить громкость, если нет, вы можете использовать наушники.

На рабочем месте это обеспечивается законкогда уровень шума превышает определенный уровень громкости.

График потери слуха в децибелах (с сайта ishootshows.com)

В ваше личное время вы несете ответственность за защиту собственного слуха. Это как использование солнцезащитного крема летом, это то, что вы должны иметь и использовать, не задумываясь.

Удовольствие и боль

Кривые равной громкости показывают, почему нам нравится громкая музыка, силу и энергию, воздействующую на наши уши и тело. Ничто не сравнится с местом в первом ряду на концерте или перед громкой звуковой системой.

Мы все испытывали ощущение «звона» в ушах после громкого концерта или клуба. Надеюсь, через несколько часов или на следующее утро звон прекратился. Это называется временное смещение порога.

Это не является здоровым или нормальным эффектом, и вы можете воспринимать его как предупреждение о том, что вы нанесли ущерб своему слуху. Это результат длительного изгиба волосковых клеток базилярной мембраны, для восстановления которого требуется некоторое время.

Если такое поведение при прослушивании будет продолжаться, это может привести к постоянному сдвигу порога, который воспринимается как состояние шум в ушах.

Ваше ухо думает, что вы слышите звук, определенные частоты, когда вы ничего не слушаете. Волосковые клетки постоянно изогнуты и продолжают посылать сигналы в мозг.

Вы все еще можете слышать, но состояние очень тревожное и должно вызывать беспокойство. Это признак того, что вам нужно резко изменить свои привычки слушать, иначе последует глухота.

Существует множество вариантов защиты вашего слуха на любой бюджет. Из простого тип пенык чему-то большему многоразовый и эффективный. Для индивидуальных решений вы можете посетить местного аудиолога и получить набор, изготовленный на заказ для ваших ушей.

Вам может быть интересно: 6 простых способов проверить, не слишком ли громкие ваши наушники

Из диаграммы выше вы можете видеть, что мы часто осознаем, что повреждаем наши уши только при очень высокой громкости, > 120 дБ SPL. Повреждение слуха может произойти намного ниже этого.

Вы должны регулярно проверять свои уши, точно так же, как осмотр глаз, чтобы убедиться, что не произошло повреждений, и изменить свои привычки прослушивания, если таковые имеются.

При надлежащем уходе и осознании вы можете продолжать наслаждаться музыкой сейчас и в далеком будущем.

Заключение

Слух — это то, что мы принимаем как должное. Мы начинаем это делать еще до того, как покидаем маткапосле 18 недель мы можем начать слышать.

Восхищаемся ли вы звуками природы или захватывающей силой музыки, меняющей жизнь, наш слуховой механизм находится в движении.

Улавливать вибрации воздуха и посылать сигналы в наш мозг — это драгоценный дар. Таким образом, мы должны относиться к нему с величайшим уважением, защищать его и лелеять на протяжении всей нашей жизни.

Вам нравится эта статья? Сохраните это, закрепив это изображение: