Характеристики слухового ощущения. Пороги слышимости.
Так как звук является объектом слуховых ощущений, то кроме его объективных характеристик существуют еще субъективные, основанные на особенностях восприятия звука человеком. Характеристиками слухового ощущения являются высота, тембр, громкость и порог слышимости звука.
Воспринимая тоны, человек различает их по высоте. Высота – субъективная характеристика, обусловленная прежде всего частотой основного тона. Особенность восприятия звука человеком состоит в том, что звуковые сигналы различной частоты воспринимаются им неодинаково. Порог слышимости – минимальное значение силы звука вызывающее появление ощущений. Максимальная чувствительность к звуковым сигналам частоты 1000 Гц, порог слышимости при частоте 1кГц принят равным 210-5Па. Значение порога слышимости различно для разных частот звука.
Другой характеристикой слухового ощущения является
Тембр звука определяется его
спектральным составом.Еще одной субъективной оценкой звука, является громкость, которая характеризует уровень слухового ощущения.
Закон Вебера – Фехнера. Шкала громкости. Единицы измерения громкости.
По закону Вебера-Фехнера ощущение громкости E связано с создающим его физическим раздражителем I логарифмической зависимостью:
где k –
некоторый коэффициент пропорциональности,
зависящий от частоты и интенсивности
I0
пороговая интенсивность звука. Т.о.,
нулевая точка шкалы громкости соответствует
0дБ при 1кГц. Если бы коэффициент k был
постоянным, то логарифмическая шкала
интенсивностей звука совпадала бы со
шкалой громкости. Однако сильная
зависимость k от частоты и интенсивности
звука не позволяет свести измерение
громкости к простому измерению
интенсивности звука. Условно считают,
что на частоте 1 кГц шкалы громкости и
интенсивности звука полностью совпадают.
Физика слуха.
Звуковая волна, пройдя наружное ухо, наталкивается на барабанную перепонку, приводя её в движение. Барабанная перепонка через систему слуховых косточек передаёт колебания во внутреннее ухо улитку. Движение жидкости в вестибулярном и базилярном каналах внутреннего уха заставляет колебаться базилярную мембрану, стимулируя рецепторные клетки.
Среднее ухо системой косточек усиливает давление в 17 раз (или на 25дБ).
Внутреннее ухо заполнено жидкостью. Длина развёрнутой улитки 35мм. Благодаря неоднородным механическим свойствам базилярной мембраны, волны разной частоты приводят в движение различные её участки.
Слуховой
аппарат очень чувствителен: пороговые
колебания барабанной перепонки составляют
10-11м.
Локализация источника звука основана на двух механизмах:
При низких частотах ухо улавливает разность фаз звуковой волны в левом и в правом ухе.
При высоких частотах ухо реагирует на разность интенсивностей звука, достигших левого и правого уха. Вокруг головы образуется звуковая тень и если разница будет в 1дБ то можно локализовать источник звука (с точностью +100).
Ультразвук. Основные свойства и особенности распространения. Действие ультразвука на биологические ткани. Ультразвук в диагностике.
Ультразвук — механические колебания и волны, частоты которых более 20 кГц. Верхний предел ультразвуковых частот — 10
9 – 1010 Гц.Для
генерирования ультразвука применяют излучатели, основанные на
обратном пьезоэффекте,
который заключается в механической
деформации тел под действием электрического
поля.
Для
регистрации ультразвука может быть использован прямой
пьезоэффект,
когда под действием механической
деформации тела возникает электрическое
поле.
Применение ультразвука в медицине связано с его особенностями распространения и характерными свойствами. Отражение ультразвуковых волн (УЗ) на границе двух сред зависит от соотношения их волновых сопротивлений. Так, УЗ хорошо отражается на границах мышца – надкостница – кость, на поверхности полых органов и т.д. Поэтому можно определить расположение и размер неоднородных включений, полостей, внутренних органов и т.п. (УЗ – локация).
Волновое сопротивление биологических сред в 3000 раз больше волнового сопротивления воздуха. Поэтому, если УЗ — излучатель приложить к телу человека, то УЗ не проникнет внутрь, а будет отражаться из-за тонкого слоя воздуха между излучателем и биологическим объектом. Чтобы исключить воздушный слой, поверхность УЗ –излучателя покрывают слоем масла.
Скорость распространения УЗ и их поглощение существенно зависят от состояния среды на этом основано использование ультразвука для изучения молекулярных свойств вещества. Исследования такого рода являются предметом молекулярной акустики.
При распространении ультразвука в среде возникают зоны сжатия и разряжения, которые приводят к образованию разрывов жидкости – кавитации.
Кавитации
существуют недолго и быстро захлопываются,
при этом в небольших объемах выделяется
значительная энергия, что приводит к
разогреванию вещества, а также ионизации
и диссоциации молекул.
Применение ультразвука в медицине можно разбить на два основных направления: диагностику и терапию.
К первому направлению относятся локационные методы с использованием главным образом импульсного излучения. Это эхоэнцефалография, ультразвуковая кардиография, в офтальмологии – для определения размеров глазных сред.
Основное применение ультразвука в терапии основано на механическим и тепловым действием на ткани. При операциях ультразвук применяют как ультразвуковой скальпель.
Характеристики слухового ощущения и их связь с физическими характеристиками звука.
В слуховом ощущении
различают высоту,
громкость и тембр звука.
Эти характеристики слухового ощущения
связаны с частотой, интенсивностью и
гармоническим спектром — объективными
характеристиками звуковой волны. Задачей
системы звуковых измерений является
установить эту связь и таким образом
дать возможность при исследовании слуха
у различных людей единообразно
сопоставлять субъективную оценку
слухового ощущения с данными объективных
измерений.
Высота звука — субъективная характеристика, определяемая частотой его основного тона: чем больше частота, тем выше звук.
В значительно меньшей степени высота зависит от интенсивности волны: на одной и той же частоте более сильный звук воспринимается более низким.
Тембр звука почти исключительно определяется спектральным составом. Например, ухо различает одну и ту же ноту, воспроизведенную на разных музыкальных инструментах. Одинаковые по основным частотам звуки речи у различных людей также отличаются по тембру. Итак, тембр — это качественная характеристика слухового ощущения, в основном обусловленная гармоническим спектром звука.
Громкость
звука Е — это уровень слухового ощущения над
его порогом. Она зависит, прежде всего,
от интенсивности I звука. Несмотря на субъективность, громкость
может быть оценена количественно путем
сравнения слухового ощущения от двух
источников.
Уровни интенсивности и уровни громкости звука. Единицы измерения. Закон Вебера-Фехнера.
Звуковая волна создает ощущение звука, при силе звука превышающей некоторую минимальную величину, называемую порогом слышимости. Звук, сила которого лежит ниже порога слышимости, ухом не воспринимается: он слишком слаб для этого. Порог слышимости различен для различных частот (Рис. 3). Наиболее чувствительно человеческое ухо к колебаниям с частотами в области 1000 — 3000 Гц; для этой области порог слышимости достигает величины порядка I0 = 10-12 вт/м2 . К более низким и к более высоким частотам ухо значительно менее чувствительно.
Колебания очень большой силы, порядка нескольких десятков Вт/м2, перестают восприниматься как звуковые: они вызывают в ухе осязательное чувство давления, переходящее дальше в болевое ощущение.
Максимальная
величина силы звука, при превышении
которой возникает болевое ощущение,
называется порогом осязания или порогом
болевого ощущения (Рис. 3).
На частоте 1 кГц она равна Im = 10 вт/м2.Порог болевого ощущения различен для различных частот. Между порогом слышимости и болевым порогом лежит область слышимости, изображенная на рисунке 3.
Рис. 3. Диаграмма слышимости.
Отношение
интенсивностей звука для этих порогов
равно 10
использовать логарифмическую шкалу и сравнить не сами величины, а их логарифмы. Получили шкалу уровней интенсивности звука. Значение I0 принимают за начальный уровень шкалы, любую другую интенсивность I выражают через десятичный логарифм ее отношения к I0 :
(6)
Логарифм отношения
двух интенсивностей измеряется в белах
(Б).
Бел (Б) — единица шкалы уровней интенсивности звука, соответствующая изменению уровня интенсивности в 10 раз. Наряду с белами широко применяются децибелы (дБ), в этом случае формулу (6) следует записать так:
. (7)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 дБ
Рис. 4. Интенсивности некоторых звуков.
В основе создания
шкалы уровней громкости лежит важный
психофизический закон
Вебера-Фехнера. Если, согласно этому закону, увеличивать
раздражение в геометрической прогрессии
(то есть в одинаковое число раз), то
ощущение этого раздражения будет
возрастать в арифметической прогрессии
(то есть на одинаковую величину).
Элементарное приращение dE громкости звука прямо пропорционально отношению приращения dI интенсивности к самой интенсивности I звука:
, (8)
где k — коэффициент пропорциональности, зависящий от частоты и интенсивности.
Тогда уровень громкости E данного звука определяется путем интегрирования выражения 8 в пределах от некоторого нулевого уровня I0 до заданного уровня I интенсивности.
. (9)
Таким образом, закон Вебера-Фехнера формулируется следующим образом:
Уровень громкости данного звука (при определенной частоте звуковых колебаний) прямо пропорционален логарифму отношения его интенсивности I к значению I0, соответствующему порогу слышимости:
.
(20)
Сравнительную шкалу, равно как единицу бел и децибел, применяют также для характеристики уровней звукового давления.
Единицы измерения уровней громкости имеют такие же названия: бел и децибел, но для отличия от шкалы уровней интенсивности звука в шкале уровней громкости децибелы называют фонами (Ф).
Бел — изменение уровня громкости тона частотой 1000 Гц при изменении уровня интенсивности звука в 10 раз. Для тона 1000 Гц численные значения в белах уровня громкости и уровня интенсивности совпадают.
Если построить кривые для различных уровней громкости, например, ступенями через каждые 10 фонов, то получится система графиков (рис. 1.5), которая дает возможность найти зависимость уровня интенсивности звука от частоты при любом уровне громкости.
В целом система
кривых равной громкости отражает
зависимость между частотой, уровнем
интенсивности и уровнем громкости звука
и дает возможность по двум известным
из этих величин находить третью —
неизвестную.
Исследование остроты слуха, т. е. чувствительность слухового органа к звукам разной высоты, называется аудиометрией. Обычно при исследовании находят точки кривой порога слышимости при частотах, пограничных между октавами. Октава — это интервал высот тона, в котором отношение крайних частот равно двум. Существует три основных метода аудиометрии: исследование слуха речью, камертонами и аудиометром.
График зависимости порога слышимости от звуковой частоты называется аудиограммой. Потеря слуха определяется путем сравнения аудиограммы больного с нормальной кривой. Используемый при этом аппарат — аудиометр — представляет собой звуковой генератор с независимой и тонкой регулировкой частоты и уровня интенсивности звука. Аппарат оборудован телефонами для воздушной и костной проводимости и сигнальной кнопкой, с помощью которой исследуемый отмечает наличие слухового ощущения.
Если
бы коэффициент k был постоянным, то из LБ и E следовало бы, что логарифмическая шкала
интенсивностей звука соответствует
шкале громкостей.
В
этом случае громкость звука так же, как
и интенсивность измерялась бы в белах
или децибелах. Однако сильная зависимость k от частоты
и интенсивности звука не позволяет
измерение громкости свести к простому
использованию формулы 16.
Условно считают, что на частоте 1 кГц шкалы громкости и интенсивности звука полностью совпадают, т.е. k = 1 и
Громкость на других частотах можно измерять, сравнивая исследуемый звук со звуком частотой 1 кГц. Для этого при помощи звукового генератора создают звук частотой 1 кГц. Меняют интенсивность этого звука до тех пор, пока не возникнет слуховое ощущение, аналогичное ощущению громкости исследуемого звука. Интенсивность звука частотой 1 кГц в децибелах, измеренная по прибору, будет равна громкости этого звука в фонах.
Нижняя кривая
соответствует интенсивностям самых
слабых слышимых звуков — порогу
слышимости; для всех частот Eф = 0 Ф, для 1 кГц интенсивность звука I0 = 10—12 Вт/м2 (рис.
.5.). Из приведенных кривых видно,
что среднее человеческое ухо наиболее
чувствительно к частотам 2500 — 3000 Гц.
Верхняя кривая соответствует порогу
болевого ощущения; для всех частот Еф 130 Ф,
для 1 кГц I
= 10 Вт/м2 .
Каждая промежуточная кривая отвечает одинаковой громкости, но разной интенсивности звука для разных частот. Как было отмечено, только для частоты 1 кГц громкость звука в фонах равна интенсивности звука в децибелах.
По кривой равной громкости можно найти интенсивности, которые при определенных частотах вызывают ощущение этой громкости.
Например, пусть интенсивность звука частотой 200 Гц равна 80 дБ.
Какова громкость
этого звука? На рисунке находим точку
с координатами: 200 Гц, 80 дБ. Она лежит на
кривой, соответствующей уровню громкости
60 Ф, что и является ответом.
Энергии, соответствующие обычным звукам, весьма невелики.
Для иллюстрации этого можно привести следующий курьезный пример.
Если бы 2000 человек вели непрерывно разговор в течение 1½ часов, то энергии их голосов хватило бы лишь на то, чтобы вскипятить один стакан воды.
Рис. 5. Уровни громкости звука для звуков различных интенсивностей.
Слух человека — Science Learning Hub
Добавить в коллекцию
Уши отвечают за восприятие звуков и баланс в организме человека. Ухо состоит из трех частей – наружного, среднего и внутреннего уха.
Наружное ухо
Наружное ухо собирает звуки из окружающей среды и направляет их через слуховую систему.
Эта структура также известна как ушная раковина и состоит из хряща. Он собирает невидимые звуковые волны из окружающей среды и направляет их во внешнее ухо.
Звуковые волны направляются вниз по слуховому проходу к барабанной перепонке.
Барабанная перепонка напоминает гибкое окно, которое вибрирует, когда звуковые волны отражаются от него.
Среднее ухо
Среднее ухо передает звук из наружного уха во внутреннее
Это полое, заполненное воздухом пространство, также известное как барабанная полость. Он соединяется с задней частью глотки и носа посредством евстахиевых труб.
Вибрации барабанной перепонки передаются в среднее ухо, где находятся 3 самые маленькие косточки человеческого тела. Они также известны как слуховые косточки — молоточек (молоточек), наковальня (наковальня) и стремена (стремя) — названные из-за их формы.
Основная функция этих костей — усиление звука. Звуковые волны заставляют их вибрировать, заставляя звук передаваться во внутреннее ухо.
Внутреннее ухо
Внутреннее ухо отвечает за интерпретацию и передачу звуковых (слуховых) ощущений и ощущений равновесия (вестибулярных) в мозг.
Находится в височной кости головы и состоит из 3 взаимосвязанных частей – улитки (или спиральной трубки), 3 полукружных каналов и преддверия (лабиринта).
Улитка отвечает за слух. Он содержит крошечные волосовидные клетки, соединенные со слуховым нервом. Этот нерв преобразует энергетические колебания жидкости внутреннего уха в нервные импульсы, которые поступают в мозг. Мозг интерпретирует полученные импульсы, чтобы определить, что вы слышите.
За равновесие отвечают преддверие и 3 полукружных канала. Эти каналы расположены под прямым углом друг к другу. Если вы меняете положение головы, жидкость в каналах перемещается, позволяя мозгу определять объем и направление движения.
Сопутствующее содержимое
Узнайте о трех компонентах, необходимых для того, чтобы звук был слышен, в разделе «Слышать звук».
Статья Connected Слышите? дает обзор звука, кратко рассматривая: характеристики звуковых волн, как работает человеческое ухо, потеря слуха у людей, как работают уши животных, эхолокация и сонар.
Воспользуйтесь записанным веб-семинаром PLD «Звуки Аотеароа», чтобы узнать, как интересно узнать о звуке и научить его.
Идеи для занятий
Дальнейшее исследование с помощью одного или нескольких из следующих заданий:
- Звуковые детективы — учащиеся принимают участие в классном эксперименте по поиску звуков с завязанными глазами.
- Моделирование волн с помощью резинок – учащиеся моделируют, как распространяется звук, посылая волны по двум натянутым пластиковым резинкам, связанным вместе.
- Изготовление и использование гидрофона – ученики делают гидрофон и используют его для прослушивания подводных звуков.
- Звуки в бассейне – учащиеся слушают звуки, издаваемые в бассейне, сами находясь под водой.
- Измерение скорости звука — используйте приложение для измерения времени для измерения скорости звука.
Полезная ссылка
У Scholastic Study Jams есть два анимационных видео:
- Звук
- Человеческий слух
Узнайте, как ваши уши улавливают звук и как построить собственные динамики, в этом видео от Brain Research New Zealand.
Опубликовано 1 февраля 2011 г., обновлено 13 марта 2020 г. Статьи Reference Hub
Перейти к полному глоссарию
Добавить 0 шт. в коллекцию
Скачать 0 шт.
Скачать все
Что делает человеческий слух особенным? · Frontiers for Young Minds
Abstract
Люди и многие другие животные могут слышать широкий спектр звуков. Мы можем слышать низкие и высокие ноты, а также тихие и громкие звуки. Мы также очень хорошо различаем похожие звуки, например звуки речи «ааа» и «а», и различаем смешанные звуки, например, когда играет оркестр. Но как слуховые способности человека сравниваются со слуховыми способностями других животных? В этой статье мы узнаем, как внутреннее ухо определяет слуховые способности. Многие другие млекопитающие могут слышать очень высокие ноты, недоступные нам, а некоторые могут слышать тихие звуки, недоступные нам.
Однако люди могут лучше других видов различать похожие звуки. Мы знаем это, потому что через миллисекунды после того, как окружающие звуки доходят до наших ушей, другие звуки приходят уже через 9 миллисекунд.0100 из : звуки, которые на самом деле издаются теми же ушами!
Введение
Наши уши позволяют нам общаться друг с другом и исследовать окружающий мир. Они позволяют нам понимать речь, слышать музыку и обеспечивать безопасность. Они помогают другим животным охотиться, есть и не быть съеденными. Большая часть работы слуха выполняется внутри нашей головы, во внутреннем ухе, которое содержит самые сложные и быстро движущиеся части тела. Звук распространяется по воздуху в виде вибраций и улавливается той частью уха, которую мы видим, — наружным ухом. Затем колебания распространяются по слуховому проходу, через среднее ухо и во внутреннее ухо. Здесь вибрации преобразуются в электрические сигналы, которые по нервам передаются в мозг. Затем мозг выясняет, что издает звук, откуда он исходит и нужно ли нам что-то с этим делать.
Когда мы слышим эти вибрации, это говорит нам о том, что что-то снаружи издает звук, но это также многое говорит нам о звуке: это взрослый спрашивает нас, сделали ли мы домашнее задание, или друг спрашивает, не хотим ли мы печенья? Большинство животных могут слышать некоторые звуки, которые не слышит человек, но оказывается, что человеческий слух примечателен по-другому.
Звуки Играйте на «фортепианной клавиатуре» в ухе
Звуки, доходящие до внутреннего уха в виде вибрации, сильно различаются — вот почему они звучат по-разному! Одним из важных способов изменения вибраций является скорость вибрации воздуха (рис. 1А). Представьте себе фортепианную клавиатуру (рис. 1В). Ноты на левой стороне клавиатуры заставляют струны внутри фортепиано (и, следовательно, воздух вокруг них) медленно вибрировать. Для нас эти ноты звучат «низко». Ноты справа от клавиатуры производят быстрые вибрации и звучат для нас «высоко». Мы называем скорость этих колебаний частотой звука. Мы измеряем частоту в герцах (сокращенно Гц), что является количеством колебаний в секунду.
Мы чрезвычайно чувствительны к частоте вибрации и воспринимаем разные частоты как разные музыкальные ноты или «высоты тона». Как мы это делаем?
- Рисунок 1. (A) Низкочастотные звуки (слева) заставляют воздух вибрировать медленнее, а высокочастотные звуки (справа) заставляют воздух вибрировать быстрее.
- (B) Эти звуковые частоты соответствуют нотам на фортепианной клавиатуре. (C) Определенные звуковые частоты отображаются в различных местах внутреннего уха (улитки), показанных на разрезе головы человека. Улитка представляет собой спиральную структуру, похожую на раковину улитки, и определенные частоты заставляют нервные волокна возбуждаться в определенных точках вдоль спирали. Здесь улитка показана «развернутой», чтобы показать отображение звуковых частот [Изображение предоставлено: (C) изменено из изображения лицензии Creative Commons Википедии].
Невероятно, но наши уши сортируют звуки от низких к высоким, как клавиатура пианино! Это важное открытие было сделано почти 100 лет назад венгерским ученым Георгом фон Бекеши.
Это принесло ему Нобелевскую премию в 1961 году. Внутреннее ухо, или улитка, представляет собой спиральную трубку, по форме напоминающую раковину улитки. Вдоль спирали находится карта звуковых частот, выложенная подобно клавиатуре фортепиано. На рис. 1С показано, как будет выглядеть улитковая спираль, если ее вытянуть прямо.
Конечно, работа улитки состоит в том, чтобы обнаруживать звуки , а не издавать звуки, подобные пианино. Вместо фортепианных струн, которые издают звук различной частоты, в улитке есть точки вдоль спирали, которые обнаруживают вибрации определенных частот. Каждое место наиболее чувствительно к определенной частоте и связано с определенными нервными волокнами, которые посылают сигналы в мозг. Затем мозг определяет частоты звуков, которые мы слышим, определяя, какой набор нервов посылает сигнал.
Улитка постоянно посылает в мозг электрические сигналы, сообщая нам о частоте звуков в воздухе по мере их изменения во времени. Звук оркестра или человеческой речи представляет собой сложную комбинацию вибраций — множество частот одновременно! Каким-то образом мы понимаем смысл этих сложных звуков большую часть времени.
Ваши питомцы слышат звуки, которые вы не слышите!
Сравнение себя с другими животными может помочь нам лучше понять, как работает слух. Есть несколько способов измерить, насколько «хороший» наш слух. Один из способов — посмотреть на диапазон звуков от низких до высоких, которые мы слышим. Хотя люди не могут слышать все частоты, мы можем слышать звуки как выше, так и ниже по частоте, чем ноты на фортепиано. На самом деле, клавиатура, охватывающая весь частотный диапазон, который может слышать юное человеческое ухо (от 20 до 20 000 Гц, или примерно 10 октав), потребует около 120 клавиш вместо 88, имеющихся на рояле (еще 32 — вам понадобится длинные руки!). Однако некоторые животные могут слышать гораздо более высокие частоты, чем люди. Кошки и собаки могут слышать частоты в два раза выше, чем у людей (около 40 000 Гц). Мыши слышат в ультразвуковом диапазоне (примерно до 80 000 Гц), но на самом деле не могут слышать частоты ниже 1000 Гц, которые важны для человеческой речи и музыки (обратитесь к рисунку 1, чтобы увидеть, насколько это похоже на фортепианную клавиатуру).
Мы также можем посмотреть, насколько чувствителен наш слух. Это мера того, насколько хорошо мы слышим очень тихие звуки. Люди и другие животные лучше всего слышат тихие звуки в середине своего диапазона, а не в верхней или нижней части. Мы можем использовать график, называемый аудиограммой, чтобы проиллюстрировать для каждой частоты, насколько интенсивным должен быть звук, чтобы его можно было услышать (рис. 2А). Интенсивность звука измеряется в децибелах, где ноль — это приблизительно самый тихий звук, который мы можем услышать, а 100 может быть неприятно громким. Аудиограммы показывают большие различия в частотах, которые могут слышать разные животные, но они также показывают, что большинство животных одинаково чувствительны к самым тихим звукам. Итак, по своей чувствительности к тихим звукам и частотному диапазону слуха люди очень обыкновенны: другие животные могут слышать более высокие частоты, чем мы, более низкие, чем мы, или более тихие звуки, чем мы.
- Рисунок 2 — (A) Аудиограммы различных видов показывают, что люди находятся ровно посередине с точки зрения частотного диапазона и чувствительности слуха.
- Кошки и мыши более чувствительны к более высоким частотам. Кошки более чувствительны к тихим звукам, чем люди, а слоны и черепахи в целом менее чувствительны (рис. 1). (B) Компьютерное моделирование активности волокон слухового нерва у мелкого млекопитающего и человека в ответ на гласный звук «ее» в слове «нужно». Этот график показывает, что активность нервных волокон человека дает более подробную информацию о звуках, чем у других млекопитающих.
Как и следовало ожидать, слух связан с размером животного, окружающей средой и его потребностями в общении. Человеческий слух наиболее чувствителен к частотам, присутствующим в человеческой речи. Мыши маленькие и издают высокие писклявые звуки, которые мы (к счастью) не слышим. Мы не только не слышим, что говорят мыши, но и мыши не могут слышать многое из того, что говорим мы.
Возможно, вы лучше, чем ваш питомец, умеете различать звуки
Способность различать звуки говорит нам о том, что что-то есть, но нам нужно знать больше.
Это автобус, который может вас переехать, или друг, который просит вас поиграть? Представьте, что ваш друг разговаривает на фоне включенного телевизора. Можете ли вы отличить слова из телевизора от слов, которые говорит ваш друг? То, насколько избирательно ваш слух воспринимает звуки схожей частоты, влияет на то, насколько легко или сложно вам различать звуки. Эта частотная избирательность также влияет на то, насколько хорошо вы можете различать разные звуки, например, слова «идти» и «медленно».
До недавнего времени ученые считали, что все млекопитающие обладают одинаковой частотной избирательностью. Теперь кажется, что человеческий слух обладает лучшей частотной избирательностью, чем слух большинства других видов. Вполне возможно, что в этом отношении мировой рекорд принадлежит людям [2]! На рис. 2В показано компьютерное моделирование того, как, по мнению ученых, структура нервной деятельности различается у людей и мелких млекопитающих при прослушивании гласного звука «и» (как во втором слоге «куки»).
Человеческое ухо достаточно избирательно, чтобы выявить важные детали звука, которые проявляются в виде небольших изменений в активности нервных волокон. Чем более избирательным по частоте является слух животного, тем более детальной будет картина нервной активности, когда оно слышит звук.
Сравнение селективности у разных видов
При проверке слуха трудно измерить людей и животных одинаково. У людей мы легко можем спросить: «Отличается ли звук А от звука Б?» Изменяя частоту звуков, мы можем измерить, насколько точно люди могут различать различные частоты. Не так-то просто задать такие вопросы мышке или собаке! С другой стороны, у животных мы можем напрямую наблюдать, как нервные волокна и клетки мозга реагируют на разные звуки. Обычно это включает в себя сложную операцию на головном мозге, что делает его непригодным для использования у людей.
Поскольку методы измерения селективности для людей и животных различаются, сравнение результатов для разных видов может оказаться сложной задачей.
Когда мы видим различия, мы должны спросить, являются ли они реальными различиями в слухе или просто результатом использования различных методов измерения. Можно научить животных выполнять тесты слуха, подобные тем, которые используются на людях, но это очень сложно и требует много времени. Ваша собака может сесть по команде, но представьте, как трудно научить ее сидеть или давать вам лапу, когда она слышит две соседние ноты на фортепиано! Когда-нибудь запись с нервов внутреннего уха станет возможной у людей, но это очень сложно и еще не достигнуто.
Решение этой дилеммы пришло из довольно неожиданной техники. В 1978 году ученый по имени Дэвид Кемп обнаружил, что звуки не просто проходят в ухо , они также исходят из ! Когда звук попадает во внутреннее ухо, сенсорные клетки улитки улавливают вибрации, а затем добавляют новые собственные вибрации, которые отражаются от уха, как эхо. Их называют отоакустической эмиссией, и они часто используются для проверки слуха новорожденных.
Отоакустическая эмиссия также может быть использована для исследования частотной избирательности улитки, хотя это требует довольно сложной математики. Короче говоря, чем дольше звук возвращается из уха, тем более частотно-избирательна улитка и, следовательно, тем более разнообразны паттерны возбуждения нервов в ответ на разные частоты.
Имея это в виду, некоторые из нашей группы воспроизводили тоны различных частот в уши разных животных и регистрировали отоакустические выбросы (рис. 3) [3]. Измерения показали, что человеческие уши в 90 100 раз более 90 101 частотно-избирательны, чем уши других животных. Совсем недавно мы тщательно исследовали точность измерения отоакустической эмиссии, кропотливо проводя все различные типы измерений, о которых мы здесь говорили (восприятие, отоакустическая эмиссия и регистрация нервов) у одного вида: хорька [4]. Хорьки относительно легко поддаются дрессировке и имеют диапазон слуха, аналогичный человеческому. Эти измерения подтвердили, что отоакустическая эмиссия 9От 0100 до показывают, насколько избирательно внутреннее ухо воспринимает звуки различных частот.
Большинство ученых теперь согласны с тем, что, хотя человеческие уши могут не слышать высокие частоты, слышимые некоторыми из наших родственников-млекопитающих, мы обладаем лучшей частотной избирательностью, чем большинство этих животных.
- Рисунок 3 – Измерения звуков (отоакустическая эмиссия), исходящих из ушей различных видов.
- Ось Y показывает, сколько времени требуется после воспроизведения звука в ухо, прежде чем появится ответ. Чем больше времени это занимает, тем более избирательно каждое нервное волокно реагирует на определенный диапазон частот (рис. 3).
Почему у людей острый слух?
Хотя многие виды могут слышать звуки, которые мы не можем слышать, похоже, что люди лучше других видов различают звуки и различают похожие звуки. Возможно, эта способность связана с нашими удивительными навыками общения. Выдающаяся частотная избирательность вполне могла сыграть роль в эволюции человека, развитии языка и коммуникации [см.
эту статью Frontiers for Young Minds [5] и эту [6], где приведены примеры тонких способов, которыми мы используем и распознаем речь] . Однако ничто никогда не бывает абсолютно простым. Удивительно, но люди все еще могут понимать речь, даже если звуки были модифицированы компьютером, чтобы удалить большую часть частотных различий [7]. Кроме того, некоторые виды, такие как тигры, не говорят так, как мы, но, по-видимому, обладают почти таким же избирательным слухом, как и у людей (рис. 3). Следующая задача состоит в том, чтобы найти почему человеческий слух такой избирательный.
Подводя итог, мы давно знаем, что по диапазону частот и чувствительности к тихим звукам человек не выиграет главный приз в соревновании «найди звук» с другими животными. Вероятно, было бы другое животное, которое могло бы уловить тихий звук легче, чем мы! Однако теперь мы знаем, что человеческий слух более избирательен по частоте, чем другие животные. Так что, возможно, мы могли бы выиграть межвидовое соревнование «найди разницу между звуками»!
Глоссарий
Частота : ↑ Скорость вибрации звуковых волн в воздухе.
Количество раз в секунду, когда молекулы воздуха завершают цикл сжатия, расширения и обратно.
Улитка : ↑ Спиралевидная структура внутреннего уха, в которой звуки обнаруживаются и распределяются по частоте.
Карта звуковых частот : ↑ Реакция на звук физически организована по длине улитки или по всей поверхности мозга с упорядоченным увеличением частоты звука, как на графике (см. рис. 2B).
Аудиограмма : ↑ График, показывающий, насколько интенсивным должен быть звук для каждой частоты, чтобы его вообще можно было услышать. Звуки ниже этого уровня не обнаруживаются.
Частотная избирательность : ↑ Различные части улитки реагируют на разные частоты. В более избирательной улитке каждая часть улитки реагирует на меньший диапазон частот.
Отоакустическая эмиссия : ↑ Звуки, производимые вибрацией внутреннего уха.
Они могут быть спонтанными или возникать в ответ на звук. Вибрации во внутреннем ухе приводят к звуку во внешнем ухе.
Конфликт интересов
Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.
Исходная статья
↑ Самнер, С. Дж., Уэллс, Т., Бержевин, С., Соллини, Дж., Палмер, А. Р., Оксхэм, А. Дж., и др. 2018. Конвергентные показатели настройки улитки млекопитающих подтверждают более точную настройку человека. Проц. Натл. акад. науч. США . 115:11322–6. doi: 10.1073/pnas.1810766115
Каталожные номера
[1] ↑ Дент, М. 2017. Психоакустика животных. Акустика. Сегодня 13:19–26. Доступно в Интернете по адресу: https://acousticstoday.org/wp-content/uploads/2017/08/Dent.pdf
. [2] ↑ Шера, К. А., Гинан, Дж. Дж. Младший, и Оксенхэм, А.
Дж. 2002. Пересмотренные оценки улитковой настройки человека на основе отоакустических и поведенческих измерений. Проц. Натл. акад. науч. США 99:3318–23. doi: 10.1073/pnas.032675099
[3] ↑ Бержевен, К., Ферхулст, С., и ван Дейк, П. 2017. Дистанционное зондирование улитки: отоакустика. Понимание улитки 62:287–318. дои: 10.1007/978-3-319-52073-5_10
[4] ↑ Sumner, C.J., Wells, T., Bergevin, C., Sollini, J., Palmer, A.R., Oxehham, A.J., et al. 2018. Конвергентные показатели настройки улитки млекопитающих подтверждают более точную настройку человека. Проц. Натл. акад. науч. США . 115:11322–6. doi: 10.1073/pnas.1810766115
[5] ↑ Эверхардт М., Сарампалис А., Колер М., Башкент Д. и Лоуи В. 2022. Просодия речи: музыкальное, магическое качество речи. Фронт. Молодые умы 10:698575. doi: 10.3389/frym.2021.698575
[6] ↑ Смит, Х., Паутц, Н., и Мюллер-Джонсон, К.
