Психофизиология слуха

Природа наших ощущений

Слуховой анализатор, как и все органы чувств, с психофизиологической точки зрения характеризуется прежде всего абсолютной чувствительностью. Как уже отмечалось, слуховая чувствительность настолько велика, что если бы она была еще выше, то это только затруднило бы звуковую ориентировку человека. Вместе с тем необходимо заметить, что в пределах звукового диапазона чувствительность очень различается. Орган слуха человека имеет максимальную чувствительность в области 1000-3000 герц, ощущая интенсивность звука величиной 10^-12 ватт на метр квадратный. В сторону как более высоких, так и более низких частот чувствительность заметно снижается.

Обладая столь высокой абсолютной чувствительностью, наш орган слуха оказывается практически незащищенным от звуковых колебаний высокой интенсивности, которые вызывают у нас чувство неприятного давления и даже боли. Вот поэтому принято различать порог слышимости и порог ощущения (понимая под последним неприятное или болевое ощущение).

Но что будет за пределами звукового диапазона, будет ли человек ощущать эти частоты при той или иной их интенсивности? Американский физик Роберт Уильямс Вуд (1868-1955 годы), известный своими "научными" проказами не менее чем научными достижениями, принес однажды в театр генератор инфразвука и включил его в разгар спектакля. Это вызвало совершенно неожиданный и непонятный для очень многих эффект. Зрители не слышали артистов, актеры не могли играть свои роли, и спектакль был сорван. С некоторыми из присутствовавших сделалась истерика, другие в безотчетной тревоге покинули зал.

Весьма своеобразны проявления действия ультразвука на человеческий организм. Возможно, некоторые с ним ознакомились при посещении физиотерапевтического кабинета с лечебной целью. Очевидно, многим также известно, что некоторые животные - самые яркие примеры - летучие мыши, дельфины - "слышат" ультразвуковые колебания, используя их в целях эхолокации. Однако это большие и сложные вопросы, которые подлежат отдельному рассмотрению.

Слуховой анализатор соответственно общим свойствам, присущим всем органам чувств, обладает хорошо выраженной способностью к различению уровней интенсивности звука. В средней части звукового диапазона человек способен улавливать различие 0,4-2 децибел. Это свидетельствует о достаточно высокой дифференциальной чувствительности слуховой системы.

Однако до сих пор мы говорили о физической характеристике звуковых колебаний и порог слышимости выражали через звуковое давление, интенсивность звука или аналогичные им параметры. Но можно ли количественно охарактеризовать слуховые ощущения при восприятии звуков различной интенсивности? И таким психофизиологическим эквивалентом объективного физического фактора является субъективная громкость звука. Единственным способом количественной характеристики наших слуховых ощущений, как и всяких других ощущений, является сравнение их с каким-либо стандартом. В качестве такого стандарта выбрано ощущение на пороге слышимости в той части звукового диапазона, чувствительность к которой максимальна. При этом довольно часто уровень ощущения тоже выражают в децибелах над порогом слышимости. Однако для более корректной характеристики используется иная система единиц (фоны и соны).

Субъективные ощущения, связанные с частотой, принято характеризовать как высоту тона. За единицу высоты тона как параметра ощущения выбран мел. Зависимость между физическими и физиологическими параметрами довольно сложна. В области частот ниже 500 герц численные значения высоты тона в мелах практически равны численным значениям частоты в герцах. В остальной части диапазона зависимость носит непрямолинейный характер.

Хорошо понятно, что частота звуковых колебаний и длина волны - тесно взаимосвязанные характеристики. Изменение длины волны при одинаковой скорости распространения неизбежно влечет за собой и изменение частоты, а субъективно - высоты тона. Именно с этим связан так называемый доплер-эффект, с которым все в жизни неоднократно сталкивались. Заключается он в том, что высота тона быстро приближающегося издающего звуки предмета (самолета, поезда, автомобиля) оказывается выше, чем удаляющегося. Как несложно представить себе, в результате движения в первом случае длина волны окажется меньше, чем во втором.

Однако все хорошо знают, что в реальной действительности человек встречается не только с чистыми тонами, но и со звуками более сложного состава. И в зависимости от структуры частотного звукового спектра формируется его соответствующий субъективный эквивалент. Так, в частности, если в звуковых колебаниях помимо его основной частоты имеются кратные ей составляющие, так называемые обертоны, то соответствующий этому составу характер звучания обозначается как тембр. Именно тембр придает звуку его неповторимую индивидуальность, по которой узнают голоса друзей, даже если мы не видим их, звук различных музыкальных инструментов, даже если это будет одна и та же нота.

А если звук представлен частотами, не кратными какой-либо из них? В этом случае в простейшем варианте, когда мы имеем две некратные частоты, в результате сложения двух колебаний одинаковой амплитуды, но незначительно различающихся по своей частоте, отмечается медленное нарастание фаз обоих колебаний. Возникает так называемое биение, частота биений соответствует разнице частот колебаний слагаемых. Например, частоты 100 и 110 герц дают биение в 10 герц. По аналогичному механизму возникают и добавочные тоны.

Вместе с тем при одновременном воздействии двух тонов возможен и эффект маскировки, то есть один из них становится слышимым хуже или совсем неслышимым. Огромным маскирующим эффектом обладают низкие тоны. Звуковые колебания частотой 200-400 герц при достаточно больших уровнях их интенсивности могут очень сильно замаскировать почти все вышележащие частоты. Всем хорошо известно, сколь отчетливо слышны в оркестре мелодии низких инструментов - органа, контрабаса, хотя относительная их громкость при этом не превышает такие высокозвучащие инструменты, как скрипка, виолончель и другие.

Важным свойством органа слуха является его способность определять (локализовать) местоположение звука в пространстве. Это свойство позволяет с точностью до 3 градусов по горизонтальной плоскости находить направление на источник звука. Такая способность обусловлена одновременной работой обеих звуковоспринимающих систем и чрезвычайно развитой способностью оценивать различия по громкости и по фазе звуков, поступающих в правое и левое ухо.

Если мы при помощи специальной установки будем подавать звуковые щелчки таким образом, чтобы они одновременно достигали левого и правого уха, то обнаружим интереснейшее явление. В том случае, когда стимулами служат два щелчка, каждый из которых подается только на одно ухо, то при интервале между ними более 1-2 миллисекунды испытуемый слышит их раздельно. Но если эти же два стимула разделены интервалом в диапазоне от 20 до 800 микросекунд, то при таких условиях испытуемый воспринимает их как один щелчок, но идущий с одной стороны, с той, в частности, где звук подается раньше. Изменяя длительность временного интервала, можно варьировать иллюзию латерализации (то есть восприятие их с одной из сторон) от "совсем сбоку" до "внутри головы". Когда оба щелчка совпадают, слышится один звук в середине черепа. Несложные расчеты показывают, что при реальном межушном расстоянии около 21 сантиметр различие во времени прихода звука в правое и левое ухо составляет 600 микросекунд, то есть такое временное различие более чем достаточно для эффекта латерализации. А с учетом минимально ощутимого временного интервала (около 20 микросекунд) различие в расстоянии от источника звука до правого и левого уха оказывается достаточным при величине около 7 миллиметров.

Вместе с тем, когда половина длины звуковой волны окажется меньше межушного расстояния, то она не сможет "обогнуть" голову, и потому звук из-за такого экранирующего эффекта будет несколько ослаблен. При скорости звука около 340 метров в секунду при частотах выше 800 герц это различие по интенсивности играет существенную роль в определении направления источника звука. По вертикальной плоскости точность слухового анализатора в оценке направления несколько меньше.

Определение расстояния до источника звука осуществляется по механизмам более сложным и уже связанным не только со свойствами слуховой системы, но и с индивидуальным опытом человека. Поэтому каждый из нас с очень небольшой точностью определит расстояние до источника чистого тона, не связанного в нашем представлении с каким-то реальным естественным явлением, и с гораздо более высокой точностью мы решаем эту задачу относительно шума двигателя автомобиля, крика птицы, голоса человека, то есть звуков, нам хорошо знакомых по жизненному опыту.

Виктор Иванович Шостак, 1983 год