Звуковые волны как слуховой стимул - с точки зрения нейрофизиологии

Все то, что мы слышим, так же как и то, что мы видим, создано мозгом. Зрительные образы и звуки существуют только благодаря мозгу. Если ударить по камертону, энергия его вибрации сообщается молекулам окружающего воздуха. На рисунке 1, Б показано, что, когда правый зубец вилки камертона перемещается влево, в прилегающем к нему слое воздуха увеличивается давление (возрастает плотность молекул воздуха), а воздух справа становится разреженным (его плотность снижается).

Рисунок 1. Как камертон создает звуковые волны. А. Когда камертон неподвижен, молекулы воздуха распределены равномерно. Б. Если ударить по камертону, его правый зубец смещается влево; в прилегающем к нему слое воздуха увеличивается давление, а воздух, прилегающий к противоположному зубцу вилки камертона, становится разреженным. В. Когда зубец камертона отскакивает назад, воздух справа от него сжимается, а воздух слева становится разреженным

Противоположная ситуация возникает, когда зубец вилки камертона перемещается вправо. Возникающая вследствие сдвига молекул энергия создает исходящие от камертона волнообразные сгущения и разрежения воздуха. Такие звуковые волны способны распространяться через упругую среду — воздух, воду, почву, но не сквозь космический вакуум.

Верхний график на рис. 2 отображает исходящие от камертона волнообразные сгущения и разрежения воздуха как зависимость плотности молекул воздуха от времени. Нижний график показывает, как энергия колебаний правого зубца вилки камертона меняет плотность воздуха за один цикл. Один цикл соответствует одному пику и одному спаду на графике — изменению плотности воздуха от одного максимума или минимума до следующего максимума или минимума соответственно.

Рисунок 2. Графики звуковых волн. Кривая, отражающая изменение плотности молекул воздуха со временем вследствие колебаний правого зубца вилки камертона. Физики называют такую кривую синусоидой

а) Физические характеристики звуковых волн. Свет — это электромагнитная энергия, которую мы видим; звук — механическая энергия, которую мы слышим. Возникающие из-за сдвига молекул воздуха звуковые волны имеют следующие физические характеристики — частоту, амплитуду и набор обертонов (состав); указанные характеристики представлены на рис. 3. Слуховая система анализирует каждый параметр в отдельности, точно так же как зрительная система отдельно анализирует цвет и форму объекта.

Рисунок 3. Физические характеристики звуковых волн. Частота, амплитуда и набор обертонов (состав) улавливаемых звуковых волн соответствуют высоте, громкости и тембру воспринимаемого звука

Принцип 1. Нервная система генерирует движение в ответ на созданную мозгом субъективную картину мира.

1. Частота звуковой волны. Звуковые волны распространяются с постоянной скоростью, которая составляет 1100 футов в секунду (343 м/с), при этом в воде скорость распространения звуковых волн возрастает более чем в 4 раза. Звуковые волны имеют переменную длину волны. Частота — это число циклов, которое волна проходит в единицу времени. Единицей измерения частоты звуковых волн является герц (Гц). Единица была названа так в честь немецкого физика Генриха Рудольфа Герца.

Один герц равен одному циклу в секунду, 50 Гц — это 50 циклов в секунду, 6000 Гц — это 6000 циклов в секунду и т. д. Тоны, которые мы воспринимаем как низкие, имеют более низкую частоту (меньшее число циклов в секунду), а тоны, которые мы воспринимаем как высокие, имеют более высокую частоту (большее число циклов в секунду) — это можно увидеть в верхней части рис. 3.

По аналогии с нашей способностью воспринимать свет только в видимом диапазоне, мы способны воспринимать звуковые волны только в ограниченном диапазоне частот (рис. 4). Здоровые молодые люди способны слышать звуки в диапазоне от 20 до 20 000 Гц. Многие животные общаются с помощью звуков: слуховая система животных способна интерпретировать издаваемые ими видоспецифичные звуки.

Рисунок 4. Диапазоны частот, воспринимаемые разными животными. Лягушки и птицы способны слышать звуки в сравнительно узком диапазоне частот; у китов и дельфинов диапазоны слышимых частот огромны, то же можно сказать о собаках. У человека диапазон слышимых частот достаточно широкий, однако мы не способны воспринимать многие очень высокие и очень низкие звуки, которые могут издавать и слышать другие животные

Действительно, нет никакого смысла петь сложные песни или издавать вопли, если никто из представителей того же вида не сможет услышать и понять их.

Диапазоны частот, которые могут улавливать представители разных видов, сильно различаются. У некоторых животных, таких как лягушки и птицы, довольно узкий диапазон слышимости. У других животных, в том числе у собак, китов и человека, диапазон слышимых частот достаточно широкий. Определенные виды способны слышать очень высокие звуки (как показано на рис. 4, летучие мыши могут улавливать звуки с частотой до 115 кГц). Другие животные (например, рыбы) используют низкие частоты.

Слуховая система китов и дельфинов способна реагировать на удивительно широкий диапазон частот. Характеристики крайних частот позволяют морским млекопитающим использовать их по-разному. Звуки очень низкой частоты способны распространяться в воде на большие расстояния. Киты используют такие звуки, чтобы общаться под водой, находясь за сотни миль друг от друга. Высокочастотные звуки создают эхо и используются для гидролокации.

Дельфины посылают высокочастотный сигнал и улавливают эхо, отражающееся от предметов. Такая эхолокация позволяет дельфинам ориентироваться и находить добычу.

Частота звука определяет его высоту. Все тоны музыкального звукоряда имеют разную частоту, поскольку все они разной высоты. Например, ноте «до» первой октавы соответствует частота 262 Гц.

Большинство людей умеют отличать ноты друг от друга, однако некоторые из них способны назвать все ноты, которые слышат («ля», «си-бемоль», «до-диез» и т. д.). Такой абсолютный слух встречается у представителей одних и тех же семей, что говорит в пользу его наследственной природы. С другой стороны, большинство людей с абсолютным слухом занимаются музыкой и с детства учатся различать высоту звуков.

2. Амплитуда звуковой волны. Звуковые волны различаются не только по частоте, определяющей восприятие высоты звука, но также по амплитуде (силе), которая определяет восприятие интенсивности или громкости звука. Если вы ударите по камертону слегка, он издаст звук с частотой, например, 262 Гц («до» первой октавы). Если вы ударите по нему сильнее, частота останется такой же, однако при ударе вибрирующий конец получит больше энергии, что будет способствовать расширению амплитуды колебаний.

Теперь камертон сильнее отклоняется влево и вправо при той же частоте колебаний. Усиление сжатия воздуха способствует повышению звуковой энергии, что приводит к усилению звука (увеличению его громкости). На графике изменение амплитуды отображается как изменение высоты звуковой волны (см. рис. 3, в центре).

Амплитуду звуковых волн обычно измеряют в децибелах (дБ): 0 дБ соответствует минимальной интенсивности звука, которую может услышать человеческое ухо (рис. 5). Например, обычному разговору соответствует амплитуда 40 дБ. Звуки с амплитудой свыше 70 дБ мы воспринимаем как громкие, а звуки с амплитудой менее 20 дБ — как тихие (например, шепот).

Рисунок 5. Интенсивность звука

Нервная система человека очень чувствительна к тихим звукам. От слишком громких звуков мы буквально готовы взорваться или бежать прочь.

Постоянное воздействие очень громких звуков (например, раздающихся поблизости выстрелов) или продолжительное воздействие сравнительно громких звуков (например, во время живого рок-концерта) повреждает наш слух. Продолжительное воздействие звуков громкостью более 100 дБ также может испортить наш слух. В разделе «Клинические аспекты 10-2: Тиннитус» описано расстройство, которое часто возникает вследствие таких повреждений.

Рок-музыканты ежедневно играют музыку, громкость которой превышает 120 дБ и иногда доходит до 135 дБ. Эдриан Дрейк-Ли (Adrian Drake-Lee, 1992) обнаружил, что у рок-музыкантов наблюдается значительное снижение чувствительности к звукам, особенно с частотой около 6000 Гц. После стандартного 90-минутного концерта чувствительность временно снижается еще больше. Так, для достижения порога слышимости музыканту требуется 40-кратное увеличение звукового давления.

Однако не только рок-концерты приводят к нарушениям слуха. Есть данные о том, что симфонический оркестр тоже может создавать опасный уровень звука и что классические музыканты часто страдают потерей слуха (Teie, 1998). Точно так же длительное прослушивание громкой музыки в наушниках становится причиной потери слуха у многих молодых людей (Daniel, 2007).

3. Клинические аспекты: Тиннитус. В молодости Дж. Э. много времени проводил в тире. Он делал по 200 выстрелов в месяц в течение многих лет и не использовал беруши, чтобы приглушить звук. Теперь, когда ему за 70, у Дж. Э. постоянно шумит в ушах. Это состояние, тиннитус (шум в ушах), сохраняется у него на протяжении последних 15 лет.

Тиннитус описывают как звон, писк, свист, щелканье, шипение или гул в ушах, который может быть тихим или громким, низким или высоким. Тиннитус может быть временным или постоянным, как у Дж. Э. По оценкам экспертов, тиннитус встречается у 10-15% людей в возрасте до 40 лет по всему миру. Его распространенность среди людей старшей возрастной группы в 2 раза выше.

Тиннитус может быть объективным или субъективным. Объективный тиннитус — это ощущение реального звука, возникшего внутри уха. Например, некоторые люди способны улавливать звуки, возникающие из-за спазмов мышц среднего уха или вибраций кровеносных сосудов. Они жалуются на эти звуки как на раздражающий их шум в ушах.

Более часто встречающийся субъективный тиннитус — это шум в ушах в отсутствие внешнего акустического стимула. Причины субъективного тиннитуса могут быть разными. Наиболее частой причиной является поражение волосковых клеток внутреннего уха в результате шумового воздействия. Именно поэтому тиннитус чаще встречается у людей, работающих в условиях постоянного воздействия шумов (в зонах боевых действий, на шумном производстве, в музыкальной отрасли).

Другие причины — это ушные инфекции, травмы головы и шеи и прием ряда препаратов. По имеющимся данным, временный тиннитус в качестве побочного эффекта могут вызывать более 260 лекарственных препаратов, в том числе аспирин.

В настоящее время эффективного лекарства от тиннитуса не существует, поэтому лучшим средством остается его профилактика. Лучший способ профилактики тиннитуса — избегать воздействия шумов с интенсивностью 70 дБ или более (другими словами, делайте потише музыку) и носить беруши, если контакта с шумом не избежать.

Дж. Э. любит слушать классическую музыку, она отвлекает его от надоедливого шума в ушах.

4. Набор обертонов звуковой волны. Звук, имеющий только одну частоту колебания, называют чистым (простым) тоном. К чистому тону очень близок звук камертона или дудки-камертона. Большинство звуков представляет собой смешение частот — их называют сложными тонами. Чтобы лучше понять природу сложных тонов, давайте представим себе кларнетиста, например Дона Байрона (рис. 6), который тянет одну ноту. Верхний график на рис. 6 демонстрирует создаваемую кларнетом звуковую волну.

Рисунок 6. Обертоны сложного тона. Конфигурация звуковой волны для одной ноты (вверху), которую выводит кларнетист Дон Байрон, и простые звуковые волны, которые составляют сложный тон, — основная частота (в центре) и обертоны (внизу)

Эта звуковая волна имеет более сложную форму, чем волны, изображенные на рис. 2 и 3. Даже если музыкант тянет одну и ту же ноту, музыкальный инструмент создает сложный тон. Применение математического метода, называемого анализом Фурье, позволяет разложить сложный тон на несколько обертонов — простых (чистых) тонов. Такие обертоны изображены в нижней части рис. 6.

Основная частота (волна 1) определяет, как часто повторяется сложная волновая форма. Волны 2-20 — это обертоны, набор звуков более высоких частот, кратных основной частоте. Разные музыкальные инструменты звучат по-разному из-за обертонов с разной амплитудой. Из всех обертонов кларнета, обозначенных синим на рис. 6, волна 5 имеет низкую амплитуду, а волна 2 — высокую амплитуду.

Точно так же как основные цвета смешиваются, образуя бесконечное разнообразие оттенков, чистые тоны смешиваются, образуя сложные тоны. Сложные тоны — это звуки музыкальных инструментов, человеческий голос, песни птицы, ритмичное жужжание или гудение всевозможных механизмов. Основной особенностью сложного тона являются периодические колебания: основная частота повторяется через равные промежутки времени. Непериодические или случайные колебания называют шумом.

б) Восприятие звука. Давайте попробуем представить, что произойдет, если вы бросите камень в пруд. От точки, в которой камень войдет в воду, начнут распространяться волны. Такие волны не производят слышимых звуков. Однако, если бы наша кожа могла преобразовывать энергию волн (ощущения) в нервный импульс, стимулирующий слуховую систему, мы могли бы услышать волны, поместив руку в воду (восприятие). Если бы мы убрали руку, звук прекратился бы.

Камень, ударяющийся о воду, имеет много общего с деревом, которое падает на землю. Волны, распространяющиеся от точки, где камень коснулся воды, похожи на воздушные волны, которые распространяются вокруг места, где дерево ударилось о землю. Частота волн определяет высоту звука, который услышит мозг, а высота (амплитуда) волн определяет громкость звука.

Мы необычайно чувствительны к звукам. На нижнем пороге слуховой чувствительности мы способны улавливать сдвиг молекул воздуха примерно на 10 пикометров (пм). Мы редко оказываемся в обстоятельствах, позволяющих нам улавливать такие изменения плотности воздуха — обычно вокруг нас слишком много фоновых шумов. Тихая сельская местность больше всего похожа на среду, подходящую для проверки остроты слуха. Когда вы в следующий раз окажетесь в деревне, проверьте, какие звуки вы в состоянии слышать.

Если не будет каких-либо более громких звуков, вы сможете услышать звук двигателя единственного автомобиля, проезжающего за много миль от вас.

P.S. 1 пикометр (1 пм) — это одна триллионная доля метра (10^-12 м).

Слуховая система способна не только улавливать мельчайшие изменения давления воздуха. Она также может одновременно воспринимать разные звуки. Читая эту главу, вы можете различать все окружающие вас звуки — шум машин на улице, разговор за дверью, гул кондиционера, шаги в холле. Слушая музыку, вы можете различать звуки разных инструментов и голоса.

Вы можете воспринимать несколько звуков одновременно, потому что разные частоты изменения плотности воздуха (частоты отдельных звуковых волн) стимулируют разные нейроны слуховой системы. Восприятие звука лишь часть слухового опыта. Мозг интерпретирует звуки, чтобы получить информацию о событиях в окружающем мире, а также анализирует значение каждого звука. Использование звуков для общения с другими людьми посредством устной речи и музыки является наглядной иллюстрацией этих процессов.

в) Звуковые характеристики устной речи и музыки. Речь и музыка коренным образом отличаются от других слуховых ощущений — они передают смысл и вызывают эмоции. Анализ значения звука — существенно более сложное поведение, чем простое распознавание и идентификация звука. В мозге сформировались структуры, предназначенные для анализа смысла звуков — речевые зоны в левой височной доле и отвечающие за обработку музыки зоны в правой височной доле.

Младенцы начинают воспринимать речь и музыку задолго до того, как научаются извлекать из этого какую-то пользу. Это может говорить как о наличии врожденных навыков, так и о влиянии пренатального опыта. Люди обладают потрясающей способностью осваивать и запоминать языковую и музыкальную информацию. Мы можем заучивать десятки тысяч слов, часто на нескольких языках, и узнавать тысячи песен.

Речь расширяет возможности общения. Мы можем упорядочить наше субъективное видение реального мира, формируя с помощью слов категории для информации. Мы можем поделиться с другими нашими мыслями, знаниями и представлениями. Представьте себе, насколько более эффективными стали совместный поиск пропитания и собирательство у древних людей благодаря жестам и речи.

Польза речи очевидна, однако польза музыки может показаться менее очевидной. В действительности музыка помогает нам управлять нашими эмоциями и влиять на эмоции других людей. Когда чаще всего люди используют музыку? Мы поем и прибегаем к помощи музыки, когда нам нужно общаться с младенцами и укладывать детей спать. Мы играем музыку, чтобы улучшить социальные взаимодействия, ради встреч и романтики. Музыка служит для социально-групповой идентификации (в первую очередь школьные песни и национальные гимны). Как нам известно, музыкальные способности есть только у человека. Исследования других видов не позволили получить убедительных доказательств предпочтения музыки другим звукам.

Занятия музыкой с малышами благотворно влияют на их эмоциональное развитие

Еще одна характеристика, которая отличает речь и звуки музыки от других слуховых сигналов, — это скорость доставки. Неречевые и немузыкальные звуки, испускаемые со скоростью около 5 звуковых единиц в секунду, воспринимаются как жужжание. (Звуковая единица — это еще одна величина измерения звука.) Нормальная скорость речи составляет от 8 до 10 звуковых единиц в секунду, при этом мы способны понимать речь со скоростью до 30 звуковых единиц в секунду. Возможность восприятия речи на более высоких скоростях удивительна, поскольку скорость входного сигнала намного превышает возможности слуховой системы в отношении передачи речевых сегментов как отдельных блоков информации.

1. Характеристики речи. Опыт прослушивания речи на определенном языке помогает мозгу анализировать быструю речь: именно поэтому нам кажется, что люди, говорящие на незнакомом языке, говорят очень быстро. Мозг не знает, где начинаются и где заканчиваются иностранные слова, поэтому нам кажется, что слова стремительно бегут в едином потоке.

Уникальная особенность восприятия речи состоит в нашей склонности слышать варианты звука как один и тот же звук, даже если в разном контексте варианты звука существенно различаются. Например, английская буква «d» в словах «deep», «deck» и «duke» произносится по-разному, тем не менее слушатель воспринимает все варианты произношения как один и тот же звук «д».

Это значит, что в слуховой системе должен присутствовать какой-то механизм, позволяющий классифицировать звуки как одинаковые, несмотря на небольшие различия в произношении. На этот механизм, по-видимому, влияет опыт, поскольку в разных языках используется разная классификация звуков. Основным препятствием в изучении иностранного языка людьми в возрасте старше 10 лет является сложность понимания того, какие звуки следует считать одинаковыми.

2. Характеристики музыки. По аналогии с другими звуками, субъективное восприятие отдельных характеристик звуков музыки разными людьми различается. Одной из субъективных характеристик является громкость — интенсивность звука, которую оценивает слушатель. Громкость связана с амплитудой звуковой волны, измеряемой в децибелах, однако она остается субъективной характеристикой. Музыка, очень громкая для одного человека, может казаться умеренно громкой другому человеку, а звуки музыки, кажущиеся тихими одному слушателю, могут не показаться тихими кому-либо еще.

Восприятие громкости меняется в зависимости от контекста. Например, когда вы притормозите после быстрой езды по скоростной трассе, звук автомобильной стереосистемы покажется более громким. На восприятие громкости музыки влияет уменьшение дорожного шума.

Другой субъективной характеристикой музыкальных звуков является высота — позиция каждого тона на музыкальной шкале. Высоту звука слушатели также воспринимают по-разному. Несмотря на то что высота связана с частотой звуковой волны, она представляет собой нечто большее. Давайте представим себе ноту «до» первой октавы, сыгранную на фортепиано. Эту ноту можно описать как набор звуковых частот, так же как и сыгранную на кларнете ноту, представленную на рис. 6.

Как и ноту, сыгранную на фортепиано, любую музыкальную ноту определяет основная частота -наиболее низкая из всех частот или частота повторений сложной волновой формы. У «до» первой октавы основная частота составляет 262 Гц. Спектрограммы для нот «до», «ми» и «соль» представлены на рис. 7. Обратите внимание, что на спектрограммах частота измеряется в килогерцах или тысячах герц. Таким образом, основная частота для «до» первой октавы — это первый крупный пик слева, который соответствует 0,262 кГц. Основные частоты для «ми» и «соль» — это 0,330 и 0,392 кГц соответственно.

Рисунок 7. Основные частоты нот, сыгранных на фортепиано. Спектрограммы нот «до», «ми» и «соль», сыгранных на фортепиано и записанных с помощью спектрографа. Первый пик каждой кривой — это основная частота; остальные пики — это обертоны

Важной особенностью анализа музыки человеческим мозгом является то, что ноты, такие как «до» первой октавы, воспринимаются одинаково, независимо от того, на чем они сыграны — на фортепиано или на гитаре, даже если музыкальные инструменты звучат совершенно по-разному. Правая височная доля определяет высоту звука, разделяя речь и музыку. В речи высота звука определяет воспринимаемый мелодический тон голоса, или просодию.

Еще одна субъективная характеристика музыки — это окраска, или тембр, которая отличает определенный звук от других звуков той же высоты или громкости. Мы легко отличаем тембр скрипки от тромбона, даже если оба инструмента играют одну и ту же ноту с одинаковой громкостью. Различается их звуковая окраска.

г) Закрепление изученного. Прежде чем продолжить, проверьте себя.
1. Акустический стимул, возникающий вследствие изменения _________ , представляет собой механическую энергию, которую ухо преобразует в нервный импульс.
2. Звуковые волны имеют следующие физические характеристики: _________ , _________ и _________ .
3. Четыре характеристики звуков музыки это _________ , _________ , _________ и _________ .
4. За обработку звуков отвечают _________ доли.
5. Чем речь и музыка отличаются от других слуховых сигналов?

д) Ответы на вопросы для самоконтроля:
1. Давления воздуха или звуковой волны.
2. В любом порядке: частота; амплитуда; состав.
3. В любом порядке: громкость; высота; просодия; окраска или тембр.
4. Височные.
5. Скорость прохождения звуковых сигналов, или количество звуковых сегментов, которые можно проанализировать в секунду, отличает речь и музыкальные звуки от других слуховых входов. Неречевые звуки с частотой более 5 сегментов в секунду воспринимаются как жужжание, однако мы способны понимать речь, произносимую со скоростью почти 30 сегментов в секунду. Случайные или апериодические звуки воспринимаются как шум.

- Читать далее "Функциональная анатомия слуховой системы - с точки зрения нейрофизиологии"

Редактор: Искандер Милевски. Дата публикации: 15.9.2023