способность воспринимать звуки. Слух зависит от: 1) уха - наружного, среднего и внутреннего, - которое воспринимает звуковые колебания; 2) слухового нерва, передающего полученные от уха сигналы; 3) определенных отделов головного мозга (слуховых центров), в которых импульсы, переданные слуховыми нервами, вызывают осознание исходных звуковых сигналов.
Любой источник звука - струна скрипки, по которой провели смычком, столб воздуха, движущийся в органной трубе, или голосовые связки говорящего человека - вызывает колебания окружающего воздуха: сначала мгновенное сжатие, потом мгновенное разрежение. Другими словами, из каждого источника звука исходят серии чередующихся волн повышенного и пониженного давления, которые быстро распространяются в воздухе. Этот движущийся поток волн и образует звук, воспринимаемый органами слуха.
Большинство звуков, с которыми мы сталкиваемся каждый день, довольно сложны. Они порождаются сложными колебательным движениями источника звука, создающими целый комплекс звуковых волн. В экспериментах по исследованию слуха стараются выбрать как можно более простые звуковые сигналы, чтобы легче было оценить результаты. Много усилий тратится на то, чтобы обеспечить простые периодические колебания источника звука (по типу маятника). Получающийся в результате поток звуковых волн одной частоты называется чистым тоном; он представляет собой регулярную, плавную смену высокого и низкого давления.
Границы слухового восприятия. Описанный "идеальный" источник звука можно заставить колебаться быстро или медленно. Это позволяет выяснить один из главных вопросов, возникающих при исследовании слуха, а именно какова минимальная и максимальная частота колебаний, воспринимаемых человеческим ухом как звук. Эксперименты показали следующее. Когда колебания совершаются очень медленно, реже 20 полных колебательных циклов в секунду (20 Гц), каждая звуковая волна слышится отдельно и не образует непрерывный тон. С увеличением частоты колебаний человек начинает слышать непрерывный низкий тон, похожий на звук самой низкой басовой трубы органа. По мере дальнейшего возрастания частоты воспринимаемый тон становится все выше; при частоте 1000 Гц он напоминает верхнее до у сопрано. Однако и эта нота все еще далека от верхней границы человеческого слуха. Только когда частота приближается примерно к 20 000 Гц, нормальное человеческое ухо постепенно перестает слышать.
Чувствительность уха к звуковым колебаниям различных частот неодинакова. Оно особенно тонко реагирует на колебания средних частот (от 1000 до 4000 Гц). Здесь чувствительность так велика, что сколько-нибудь существенное ее увеличение оказалось бы неблагоприятным: одновременно воспринимался бы постоянный фоновый шум беспорядочного движения молекул воздуха. По мере уменьшения или увеличения частоты относительно среднего диапазона острота слуха постепенно снижается. По краям воспринимаемого диапазона частот звук, чтобы быть услышанным, должен быть очень сильным, настолько сильным, что иногда ощущается физически прежде, чем слышится.
Звук и его восприятие. Чистый тон имеет две независимых характеристики: 1) частоту и 2) силу, или интенсивность. Частота измеряется в герцах, т.е. определяется количеством полных колебательных циклов в секунду. Интенсивность измеряется величиной пульсирующего давления звуковых волн на любую встречную поверхность и обычно выражается в относительных, логарифмических единицах - децибелах (дБ). Необходимо помнить, что понятия частоты и интенсивности применимы только к звуку как внешнему физическому раздражителю; это т.н. акустические характеристики звука. Когда мы говорим о восприятии, т.е. о физиологическом процессе, звук оценивается как высокий или низкий, а его сила воспринимается как громкость. В целом, высота - субъективная характеристика звука - тесно связана с его частотой; звуки высокой частоты воспринимаются как высокие. Также, обобщая, можно сказать, что воспринимаемая громкость зависит от силы звука: более интенсивные звуки мы слышим как более громкие. Эти соотношения, однако, не являются неизменными и абсолютными, как часто считается. На восприятие высоты звука в некоторой степени влияет его сила, а на воспринимаемую громкость - частота. Таким образом, изменив частоту звука, можно избежать изменения воспринимаемой высоты, соответствующим образом варьируя его силу.
"Минимальная заметная разница". И с практической, и с теоретической точки зрения определение минимальной улавливаемой ухом разницы в частоте и силе звука - весьма важная проблема. Как надо изменить частоту и силу звуковых сигналов, чтобы слушающий это заметил? Выяснилось, что минимальная заметная разница определяется скорее относительным изменением характеристик звука, нежели абсолютными изменениями. Это касается и частоты, и силы звука.
Необходимое для различения относительное изменение частоты различно как для звуков разных частот, так и для звуков одной частоты, но разной силы. Можно сказать, однако, что приблизительно оно равно 0,5% в широком диапазоне частот от 1000 до 12 000 Гц. Этот процент (т.н. порог различения) несколько выше в области более высоких частот и значительно выше при более низких. Следовательно, ухо менее чувствительно к изменению частоты по краям диапазона частот, чем при средних значениях, и это часто замечают все, кто играет на рояле; интервал между двумя очень высокими или очень низкими нотами кажется меньше, чем у нот в среднем диапазоне.
Минимальная заметная разница в том, что касается силы звука, несколько другая. Для различения требуется довольно большое, около 10%, изменение давления звуковых волн (т.е. около 1 дБ), и эта величина относительно постоянна для звуков почти любой частоты и интенсивности. Однако, когда интенсивность раздражителя низка, минимальная заметная разница значительно увеличивается, особенно для тонов низких частот.
Обертоны в ухе. Характерное свойство почти любого источника звука - то, что он не только производит простые периодические колебания (чистый тон), но совершает и сложные колебательные движения, которые дают несколько чистых тонов одновременно. Обычно такой сложный тон состоит из гармонических рядов (гармоник), т.е. из самой низкой, основной, частоты плюс обертоны, частоты которых превосходят основную в целое число раз (2, 3, 4 и т.д.). Таким образом, объект, колеблющийся с основной частотой 500 Гц, может также производить обертоны 1000, 1500, 2000 Гц и т.д. Человеческое ухо в ответ на звуковой сигнал ведет себя сходным образом. Анатомические особенности уха обеспечивают много возможностей для превращения энергии входящего чистого тона, хотя бы частично, в обертоны. А значит, даже когда источник дает чистый тон, внимательный слушатель может услышать не только основной тон, но и едва воспринимаемые один или два обертона.
Взаимодействие двух тонов. Когда два чистых тона воспринимаются ухом одновременно, могут наблюдаться следующие варианты их совместного действия, зависящие от природы самих тонов. Они могут маскировать друг друга, взаимно уменьшая громкость. Это чаще всего происходит, когда тоны не сильно различаются по частоте. Два тона могут соединяться друг с другом. При этом мы слышим звуки, соответствующие либо разнице частот между ними, либо сумме их частот. Когда два тона очень близки по частоте, мы слышим единый тон, высота которого примерно соответствует данной частоте. Этот тон, однако, становится то громче, то тише, поскольку два слегка несовпадающих акустических сигнала непрерывно взаимодействуют, то усиливая, то гася друг друга.
Тембр. Объективно говоря, одни и те же сложные тоны могут различаться по степени сложности, т.е. по составу и интенсивности обертонов. Субъективной характеристикой восприятия, в целом отражающей особенность звука, является тембр. Таким образом, ощущения, вызванные сложным тоном, характеризуются не только определенной высотой и громкостью, но и тембром. Некоторые звуки кажутся богатыми и полными, другие - нет. Благодаря прежде всего различиям в тембре мы среди множества звуков узнаем голоса различных инструментов. Ноту ля, взятую на рояле, легко отличить от той же ноты, сыгранной на рожке. Если, однако, умудриться отфильтровать и заглушить обертоны каждого инструмента, эти ноты нельзя будет различить.
Локализация звуков. Человеческое ухо не только различает звуки и их источники; оба уха, работая вместе, способны довольно точно определять направление, откуда идет звук. Поскольку уши расположены с противоположных сторон головы, звуковые волны от источника звука достигают их не совсем одновременно и воздействуют с несколько разной силой. За счет минимальной разницы во времени и силе мозг довольно точно определяет направление источника звука. Если источник звука находится строго спереди, то мозг локализует его вдоль горизонтальной оси с точностью до нескольких градусов. Если источник смещен в одну из сторон, точность локализации чуть-чуть меньше. Отличить звук сзади от звука спереди, а также локализовать его вдоль вертикальной оси оказывается несколько труднее.
Шум часто описывают как атональный звук, т.е. состоящий из различных. не связанных между собою частот и потому не повторяющий достаточно последовательно такого чередования волн высокого и низкого давления, чтобы получалась какая-то определенная частота. Однако фактически почти любой "шум" имеет свою высоту, в чем нетрудно убедиться, слушая и сравнивая обычные шумы. С другой стороны, любой "тон" имеет элементы шероховатости. Поэтому различия между шумом и тоном трудно определить в этих терминах. В настоящее время наблюдается тенденция определять шум скорее психологически, чем акустически, называя шумом просто нежелательный звук. Уменьшение шума в этом смысле стало насущной современной проблемой. Хотя постоянный сильный шум, без сомнения, приводит к глухоте, а работа в условиях шума вызывает временный стресс, все же он оказывает, вероятно, менее длительный и сильный эффект, чем ему иногда приписывают.
Аномальный слух и слух животных. Естественным стимулом для человеческого уха является звук, распространяющийся в воздухе, однако на ухо можно воздействовать и другими способами. Всем, например, хорошо известно, что звук слышен под водой. Также, если приложить источник колебаний к костной части головы, за счет костной проводимости появляется ощущение звука. Это явление весьма полезно при некоторых формах глухоты: небольшой передатчик, приложенный непосредственно к сосцевидному отростку (части черепа, расположенной сразу за ухом), позволяет больному слышать звуки, усиливаемые передатчиком, через кости черепа за счет костной проводимости.
Конечно же, слухом обладают не только люди. Способность слышать возникает на ранних ступенях эволюции и существует уже у насекомых. Разные виды животных воспринимают звуки различных частот. Одни слышат меньший, чем человек, диапазон звуков, другие - больший. Хороший пример - собака, чье ухо чувствительно к частотам за пределами человеческого слуха. Одно из применений этого - производство свистков, звук которых не слышен человеку, но достаточен для собаки. Более полная информация о слухе животных содержится в статьях, посвященных отдельным видам. См. также ЗВУК И АКУСТИКА; УХО.