Кодирование информации в слуховом анализаторе

Волна в виде синусоидального колебания дает чистый музыкальный тон. Амплитуда этой волны определяет громкость звукового ощущения, а частота — высоту. Звуковая волна из нескольких чистых тонов дает созвучие, которое остается периодическим сигналом, но уже не является синусоидальным колебанием. Тон самой низкой частоты определяет общую высоту звука, остальные тона определяют тембр, или окраску, звука.

Смесь множества колебаний, частоты которых заполняют некоторую  область частотного спектра, представляет собой шум. Если эта частотная область широка и все спектральные составляющие имеют одинаковый уровень, то получающийся звук является белым шумом. Узкополосный шум можно получить, если белый шум подвергнуть частотной фильтрации с помощью полосового фильтра.

Кратковременное звуковое воздействие в виде всплеска давления представляет собой звуковой импульс, который в зависимости от формы и величины может ощущаться как щелчок или взрыв. Если из чистого тона выделить короткий временной отрезок, то получится тональный импульс. Выделение временного отрезка из шума позволяет получить шумовой импульс.

Слуховая система человека способна ощущать звуковые волны  в виде чистых музыкальных тонов, частоты которых лежат в полосе 20…20000 Гц, а эффективное значение находится в диапазоне от примерно 10 мкПа, что соответствует абсолютному порогу слышимости в центральной части воспринимаемого диапазона частот музыкальных тонов, до 100 Па, что соответствует болевому порогу. Для сравнения звуковых волн в таком широком диапазоне амплитуд используется логарифмическая мера — уровень звукового давления в децибелах, или умноженный на 20 десятичный логарифм отношения эффективных значений звуковых давлений двух волн: L=20 lg(p₁/p₂) дБ.

Децибел — безразмерная величина, но ее можно использовать как единицу измерения уровня звука, если уровень звукового давления всегда рассчитывать по отношению к одному и тому же опорному уровню, в качестве принята величина p₀ = 20,4 мкПа: L=20 lg(p/p₀) дБ.

При использовании этой единицы уровень громовых раскатов оценивается примерно в 120 дБ, шум самолета или музыка на рок-фестивале отвечает уровню 110 дБ, шум проходящего поезда — 100 дБ, звуки шумной улицы — 80 дБ. Разговор в комнате соответствует уровню звука примерно 50…60 дБ, а шепот — 20…30 дБ.

 

 

2.2 Частотная характеристика: слышимость чистых тонов

Общее представление  об уровнях звука, которые в среднем слышит человек, дает график рис.4.(см. приложение). При уровнях звука, приближающихся к 130 дБ, человек начинает ощущать боль в ухе, которая становится очень сильной при уровнях 145 дБ. При уровнях звукового давления, превышающих 155…160 дБ, разрушается барабанная перепонка. Надо также иметь в виду, что быстродействие системы регулирования усиления среднего уха сравнительно невелико, поэтому скачкообразное усиление интенсивности звуковой волны может привести к повреждениям среднего и внутреннего уха и при уровнях звукового давления, меньших 155…160 дБ.

При одном и том же уровне звукового давления ощущение громкости чистых тонов разной частоты оказывается различным. Различным оказывается и минимальное звуковое давление, при котором еще существует слуховое ощущение, или порог слышимости чистых тонов разной частоты. Порог слышимости зависит и от условий опыта. Минимальный уровень звукового давления, при котором обнаруживается звуковая волна гармонической формы в отсутствии других звуков, называется абсолютным порогом слышимости, или порогом слышимости в тишине. (см. приложение рис.5.)

Форма кривой пороговой  слышимости чистых тонов в значительной степени определяется частотной фильтрацией, осуществляемой во внешнем и среднем ухе. Человек воспринимает в основном звуки, передаваемые посредством колебаний в воздушной среде, хотя существует и костная проводимость звуков. Но пороговые уровни костной проводимости лежат примерно на 40 дБ выше, и кривая имеет более плоский вид. Устройство уха приспособлено наилучшим образом для восприятия колебаний давления воздуха в диапазоне, в котором находится спектр частот звуков речи человека, что находит отражение в форме частотной характеристики пороговой слышимости. Значение уровня порогового давления связано также с уровнем физиологических шумов организма человека, которые являются следствием, например, сокращения мышц, движения конечностей, дыхания, тока крови в сосудах. Существуют также и внутренние шумы внутреннего уха. Пороговый уровень должен быть немного выше уровня физиологических шумов для того, чтобы эти шумы оставались неслышимыми. Частотное распределение физиологических шумов в сочетании с частотными характеристиками уха и определяет частотную зависимость порога слышимости.

 

 

 

 

 

Глава 3 Кодирование информации

 

3.1 Переработка информации в центрах.

Функция отдельных частей проводящей системы слухового анализатора  состоит в следующем. Клетки Кортиева органа кодирует информацию. Нижние бугры четверохолмия отвечают за воспроизведение ориентировочного рефлекса на звуковое раздражение (поворот головы в сторону источника звука).

Слуховая кора принимает  активное участие в обработке  информации, связанной с анализом коротких звуковых сигналов, с процессом дифференцировки звуков, фиксаций начального момента звука, различения его деятельности. Слуховая кора ответственна за создание комплексного представления о звуковом сигнале, поступающем в оба уха раздельно, а также за пространственную локализацию звуковых сигналов.

Нейроны, участвующие  в обработке информации, идущей от слуховых рецепторов, специализируются по выделению (детектированию) соответствующих  признаков. Особенно это дифференцировка  присуща нейронам слуховой коры, расположенным  в верхней височной извилине. Здесь имеются колонки, которые анализируют поступающую информацию. Среди нейронов слуховой коры выделяют так называемые простые нейроны, функции которых – вычленение информации о чистых звуках. Есть нейроны, которые возбуждаются только на определенную последовательность звуков или на определенную амплитудную их модуляцию. Есть нейроны, которые позволяют определить направление звука.

Таким образом происходит сложнейший анализ звукового сигнала. Однако представление о мелодии  возникает в ассоциативных участках коры, в которых осуществляется сложнейший анализ поступающей информации на основе информации, хранящейся в памяти. Именно в ассоциативных участках коры с помощью специализированных нейронов мы способны извлечь всю информацию, поступающую от соответствующих рецепторов.

Вся эта сложная система  проведения звуковой волны с участием ушной раковины, наружного слухового  прохода, барабанной перепонки, слуховых косточек, перилимфы вестибулярной  и барабанной лестницы условно называется воздушным путем проведения звука.

Кроме воздушного пути проведения или подведения звука к рецепторным  клеткам, существует костный путь проведения звука.

Звуковые волны не только попадают в наружный слуховой проход, но и приводят в колебание  кости черепа.

В результате различной подвижности лабиринтных окон (окно преддверия закрыто костной пластинкой стремени, а окно улитки - хотя и плотной, но мембраной) также происходит незначительное движение перилимфы от окна преддверия к окну улитки, зависящее от компрессии и инерции слуховых косточек, в основном стремени.

При костном проведении звука лишь высокие звуки с  малой амплитудой колебаний достигают  рецепторных клеток.

Существует два пути, или варианта, звукопередачи: воздушная  проводимость и костная проводимость.

 Возникающее возбуждение  в определенных группах рецепторных  клеток распространяется по волокнам  слухового нерва в ядра ствола  мозга, подкорковые центры, расположенные  в среднем мозге, достигая слуховой  зоны коры, локализующейся в височных  долях, где и формируется слуховое ощущение. При этом в результате перекреста проводящих путей звуковой сигнал и из правого, и из левого уха попадает одновременно в оба полушария головного мозга. Слуховой путь имеет пять синапсов, в каждом из которых нервный импульс кодируется по-разному.

 

 

 

 

 

 

3.2 Слуховая адаптация

Длительное воздействие  надпорогового звука вызывает утомление  слухового анализатора, которое  выражается в значительном снижении слуховой чувствительности и замедленном  ее восстановлении.

В механизме слуховой адаптации принимают участие как периферические, так и центральные отделы слухового анализатора. Ослабление рассмотренного выше рефлекса мышц среднего уха лежит в основе адаптивных механизмов периферического отдела слухового анализатора. Значительную долю участия в механизме адаптации принимают центральные отделы слухового анализатора. И, в частности, было показано, что слуховая адаптация регулируется ретикулярными структурами ствола мозга и задним гипоталамусом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вывод

В итоге проделанной  работы можно сделать следующий вывод: в слуховой системе человека можно выделить два основных этапа обработки звуковых колебаний. На первом этапе звуковые колебания преобразуются в электрические импульсы (см. приложение рис.1), которые переносят информацию о звуке в головной мозг по слуховому нерву (см приложение рис.2). Обработка нервных импульсов в головном мозге, выполняемая на втором этапе, приводит к появлению звуковых ощущений.

Обработка первого этапа  выполняется с помощью уха, в котором принято выделять внешнее ухо, среднее ухо и внутреннее ухо (рис.1). Внешнее ухо включает в себя ушную раковину — видимую часть уха и слуховой канал. Волна звукового давления направляется ушной раковиной в слуховой канал и воздействует на барабанную перепонку, которая является границей раздела между внешним и средним ухом. Среднее ухо начинается с барабанной перепонки, которая колеблется под действием звуковых волн давления, распространяющихся в воздушной среде слухового канала. Барабанная перепонка связана с тремя маленькими косточками, находящимися в воздушной полости среднего уха. Они называются молоточек, наковальня и стремечко. Система из трех косточек передает механические колебания барабанной перепонки во внутреннее ухо.

К слуховой системе относится  улитка, или ушной лабиринт. Улитка — это трубка, свернутая в спираль. В жесткой трубке находится лимфатическая жидкость. В середине улитки ушной лабиринт поделен на каналы посредством гибкой пластины — основной мембраной, которая проходит через ушной лабиринт от основы до вершины (в правой части рис.1 улитка показана также в развернутом виде).

В жидкости лабиринта создается бегущая акустическая волна. Эта волна возбуждается в верхнем канале через мембрану овального окна, которая колеблется под действием стремечка. Волна давления распространяется в каналах улитки и, постепенно угасая в ушном лабиринте, окончательно покидает улитку через круглое окно, расположенное под овальным окном в нижнем канале. Волна в жидкости лабиринта вызывает колебания основной мембраны улитки. Профиль и упругость мембраны значительно меняются вдоль ее длины, поэтому пространственное распределение колебаний мембраны зависит от частотных свойств звуковой волны. Механические колебания мембраны возбуждают чувствительные ячейки органа Корти, располагающегося на мембране вдоль всей ее длины. Электрохимические реакции в ячейках органа Корти являются источниками электрических нервных сигналов, передаваемых по волокнам слухового нерва в головной мозг (рис.2). Обработка нервных импульсов в центральной нервной системе приводит к появлению слуховых ощущений.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложение 

 

Рис. 1. Строение уха человека

 

 

Рис. 2. Передача нервных  импульсов

 

 

Рис 3. Строение среднего уха

 

 

Рис. 4. Область слышимых звуков

 

Рис. 5. Порог слышимости чистого тона

 

 

Рис. 6. Поперечное сечение  улитки внутреннего уха

Рис. 7.Строение Кортиева органа

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Использованная  литература:

 

1. Н.А. Агаджанян, В.И. Циркин – «Физиология человека», М. «Мед. Книга» 2003 г

2.  И. Алдошина и Ю. Ковалгин,  ст. ж.«Звукорежиссер». 2001

3. С.В. Алексеев – «Труд и здоровье», М. «Знание» 1993 г..

4.  А.С. Батуев, Физиология сенсорных систем,; с. 159, Л., 1996

5.  Г.Тамар -  «Основы сенсорной физиологии», изд. «Мир» М.2007

6. А.Д. Ноздрачев , Ю.И. Блаженов - «Начала физиологии», СПб «Лань» 2004 г.

7.  М.Р. Сапин, Г.Л. Билич – «Анатомия человека», М. «Высшая школа» 1996 г.

8. И.Б. Солдатов – «Лекции по оториноларингологии», М. «Медицина», 1995 г.