Число волн, проходящих в секунду через какую-либо точку пространства, называется частотой звуковых колебаний. Обычно частоту колебаний (высоту звука) выражают в герцах (1 Гц соответствует одному колебанию в секунду). Высокими звуками мы называем звуки с высокой частотой колебаний, а низкими — звуки с низкой частотой. Расстояние между двумя соседними вершинами или впадинами называется длиной волны. Легко видеть, что с уменьшением длины волны частота колебаний, или число волн в секунду, будет увеличиваться (фиг. 4).
Фиг. 4. Схематическое изображение звуковых волн (представьте, что волны распространяются поперек этой страницы)
Звуковые волны представляют собой попеременные сжатия и разрежения среды, в которой они распространяются, причем частицы этой среды не передвигаются вместе со звуком. Внизу приведено условное изображение одного цикла звуковых колебаний (одной звуковой волны). Частотой звука называется количество волн, проходящих через некоторую точку в течение одной секунды. Расстояние между вершиной и основанием полуволны соответствует амплитуде звука и характеризует его громкость.
Ухо человека или какого-либо животного воспринимает звук лишь в ограниченном диапазоне частот или длин волн. Волны давления с частотой ниже 20 Гц не воспринимаются нашим ухом как звуки, а ощущаются как вибрации. Вместе с тем колебания с частотой выше 20 000 Гц (так называемые ультразвуковые) также недоступны нашему уху. Ультразвуки не обладают никакими особыми свойствами; это просто удобный термин для обозначения звуков, слишком высоких для уха человека. Некоторые животные могут слышать звуки, частота которых гораздо больше 20 000 Гц; биологическое значение такого ультразвукового слуха будет обсуждаться в гл. 4.
Верхняя граница слуха у различных людей не одинакова, и обычно дети могут слышать более высокие звуки, чем взрослые. В качестве примера приведем рассказ о маленьком четырехлетнем мальчике, который ночью разбудил своих родителей, устроив большой переполох. Поскольку он редко просыпался по ночам, родители решили выяснить, в чем дело. Судя по рассказу мальчика, по комнате что-то летало, издавая писк. Ничего не обнаружив, родители попытались успокоить ребенка, но он еще больше разволновался и упорно настаивал на том, что в комнате что-то есть. Вдруг ребенок закричал, что оно снова начало пищать; чтобы успокоить мальчика, родители стали обыскивать каждый уголок комнаты и через некоторое время обнаружили летучую мышь, прицепившуюся к одной из занавесок. Мальчик слышал ее писк, а его родители — нет.
Следует отметить, что в данном случае летучая мышь посылала отнюдь не ультразвуковые импульсы, используемые для эхолокации (гл. 4). Это был обычный писк, которым пользуются мыши для общения друг с другом. Приведенный рассказ ясно показывает, что мы не можем допустить даже мысли, будто один человек воспринимает те же звуки, запахи или зрительные сигналы, что и другой. И когда мы изучаем животных, необходимо четко представлять, что диапазон их восприятия мира совершенно отличен от нашего.
Другой характеристикой звуковых волн является интенсивность, или громкость звука, которую определяют по расстоянию от пика или впадины волны до средней линии (фиг. 4). Интенсивность служит также и мерой энергии звука.
Звуковые волны, порожденные вибрирующей струной гитары, камертоном или каким-либо другим источником, собираются наружным ухом, или ушной раковиной (фиг. 5,7), и направляются по слуховому проходу к барабанной перепонке. Она представляет собой мембрану диаметром 1 см, которая колеблется, когда о нее ударяются звуковые волны, и служит, таким образом, первым звеном преобразователя. Эти колебания усиливаются и передаются к рецепторным клеткам внутреннего уха с помощью среднего уха.
Фиг. 5. Схематическое изображение уха человека
Ушная раковина собирает звуковые колебания и передает их по слуховому проходу к барабанной перепонке. Оттуда они передаются с помощью трех ушных косточек — молоточка, наковальни и стремечка — к овальному окну улитки. В улитке звуковые волны превращаются в нервные импульсы. Евстахиева труба, соединяющая среднее ухо с ротовой полостью, выравнивает давление воздуха по обе стороны барабанной перепонки. Для простоты на схеме не показаны полукружные каналы, являющиеся органами равновесия.
1 — евстахиева труба; 2 — улитка; 3 — стремечко; 4 — овальное окно; 5 — наковальня; 6 — молоточек; 7 — ушная раковина; 8 — слуховой проход; 9 — барабанная перепонка; 10 — круглое окно.
Среднее ухо представляет собой камеру, называемую барабанной полостью, в которой находятся расположенные друг против друга три небольшие косточки: молоточек, наковальня и стремечко. Основание молоточка расположено напротив барабанной перепонки и колеблется в соответствии с ее колебаниями. Эти колебания молоточка через наковальню передаются к стремечку, которое находится в отверстии овального окна, ведущего во внутреннее ухо. Площадь овального окна в восемнадцать раз меньше площади барабанной перепонки, поэтому косточки среднего уха работают как усилитель, увеличивая давление, оказываемое на барабанную перепопку, в восемнадцать раз.
Чтобы предохранить внутреннее ухо от повреждения при усилении слишком громкого звука, к молоточку и наковальне прикреплены особые мышцы, которые, сокращаясь, отводят эти косточки от барабанной перепонки и овального окна. При этом звук может проходить во внутреннее ухо, но его интенсивность значительно ослабляется.
Внутреннее ухо состоит из двух заполненных жидкостью образований, находящихся внутри височной кости. Полукружные каналы служат органом равновесия, и поэтому при обсуждении слуха их можно не описывать. Под ними лежит улитка, представляющая собой трубку, свернутую в спираль. Строение улитки нагляднее всего можно представить, изобразив ее «раскрученной» (фиг. 6). Эта трубка длиной 31 мм разделена с помощью двух мембран — вестибулярной и базилярной — на три заполненных жидкостью параллельных канала: лестницу преддверия, кохлеарный проток и барабанную лестницу. Стремечко действует как поршень, и его колебания создают волны давления, которые распространяются вдоль по лестнице преддверия, проходят через узкую щель (helico-trema), расположенную на верхушке улитки, затем передаются в обратном направлении — по барабанной лестнице и в конце концов снова рассеиваются в пространстве среднего уха за счет выпячивания мембраны другого отверстия, круглого окна. Вестибулярная мембрана очень мягкая, и ее движения не играют никакой роли в восприятии звука, а базилярная мембрана твердая и колеблется вместе с волнами давления, распространяющимися по жидкости.
Уже ранние эксперименты показали, что базилярная мембрана играет очень важную роль в восприятии волн давления и преобразовании их в нервные импульсы. Непосредственно над ней лежит покровная мембрана, а между этими мембранами располагаются волосковые клетки, т. е. сенсорные клетки, от которых отходят нервные волокна. Если выпрямить и расправить базилярную мембрану, то она будет иметь вид трапеции и по форме весьма походить на ксилофон или на раму фортепьяно с натянутыми на нее струнами. При исследовании людей, глухих к определенным звукам, оказалось, что у них были повреждены некоторые участки базилярных мембран. Впервые это отметили при изучении болезни рабочих-котельщиков. У людей, которым в течение всей своей трудовой жизни приходилось ковать или клепать металл, развивалась хроническая глухота к звукам тех же частот, что и шум, окружавший их целыми днями. Обнаружили, что очень громкий шум повреждал ту часть уха, которая наиболее чувствительна к этому шуму. Это привело к созданию теории о том, что волокна базилярной мембраны резонируют наподобие струн рояля. Предполагалось, что каждое волокно резонирует на определенной частоте и возбуждает соответствующую нервную клетку.
Фиг. 6
А. Схематическое изображение улитки, «раскрученной» таким образом, чтобы показать основной путь распространения по ней звуковых волн. Эти волны передаются от стремечка по лестнице преддверия, далее к геликотреме, а затем по барабанной лестнице — в обратном направлении. Наконец они рассеиваются в полости среднего уха, куда передаются через круглое окно. Б. Поперечное сечение улитки, на котором показано расположение слуховых рецепторов.
1 — стремечко; 2 — овальное окно; 3 — лестница преддверия; 4 — геликотрема; 5 — барабанная лестница; 6 — круглое окно; 7 — кохлеарный проток; 8 — покровная мембрана; 9 — базилярная мембрана; 10 — нервные волокна; 11 — волосковые клетки.
