1. Устройство уха
Познакомившись с физической природой звука, посмотрим теперь, каким путём он воспринимается.
Для улавливания звука у человека и животных есть специальный орган — ухо. Это — необычайно тонкий аппарат. Мы не знаем другого такого механизма, который отзывался бы с такой поразительной точностью на ничтожно малые изменения давления в воздухе. Ухо преобразует колебательное движение звуковой волны в определённое ощущение, которое и воспринимается нашим сознанием как звук.
С давних пор человека интересует устройство и работа этого удивительного органа. Однако и по настоящее время далеко ещё не всё в этой области выяснено. Строение человеческого уха показано на рисунке 9. Орган слуха делится на три части: наружное, среднее и внутреннее ухо (см. рис. 9).
Рис. 9. Схема устройства человеческого уха
Наружное ухо, или ушная раковина, у разных животных бывает самой различной формы и величины. У большинства из них ушная раковина подвижна. У человека это свойство почти полностью потеряно. Встречаются, правда, люди, способные двигать ушами, но это — редкое исключение, напоминающее об общности всего живого на земле.
От ушной раковины идёт слуховой проход, заканчивающийся барабанной перепонкой. Она служит границей между наружным и средним ухом. Перепонка имеет овальную форму и немного вытянута внутрь. Площадь её — около 0,65 квадратного сантиметра.
Для свободного колебания барабанной перепонки необходимо, чтобы давление воздуха с обеих сторон её было одинаковым. Тогда при малейших изменениях давления наружного воздуха перепонка, не встречая противодействия с другой стороны, легко приходит в колебательное движение.
Вероятно, каждый замечал, что после сильного сморкания мы некоторое время перестаём слышать слабые звуки. Это происходит потому, что в среднее ухо через так называемую евстахиеву трубу попадает из носоглотки воздух (Бартоломео Евстахий — итальянский врач, живший в XIV веке — первый дал описание этой трубы). Конец трубы при этом часто закупоривается слизью, и тогда воздух изнутри давит на барабанную перепонку, и она теряет прежнюю свободу колебаний. Но достаточно, однако, проглотить слюну, чтобы евстахиева труба открылась, излишек воздуха вышел (в ухе при этом ощущается лёгкий треск) и давление с обеих сторон перепонки выравнялось. Нормальный слух вновь восстанавливается. Если почему-либо внезапно изменяется давление окружающего воздуха, то мы слышим в ушах шум, который прекращается опять-таки при глотании слюны.
В среднем ухе находится ряд особых косточек: молоточек, наковальня и стремя. Свои названия эти косточки получили благодаря внешнему сходству с соответствующими предметами. Они очень малы по размерам и все вместе весят около 0,05 грамма. Расположены эти косточки так, что образуют рычаг, который одновременно передаёт колебания барабанной перепонки во внутреннее ухо и преобразует эти колебания в колебания с меньшим размахом, но большим давлением. Молоточек, наковальня и стремя передают всю энергию колебания барабанной перепонки на очень маленькое овальное окно внутреннего уха; таким образом внутреннее ухо получает давление раз в 50–60 больше того, которое испытывает барабанная перепонка.
Устройство внутреннего уха весьма сложно. Основное назначение этого уха — воспринимать только те колебания, которые посылает барабанная перепонка. Никакие другие сотрясения на него не должны действовать. Поэтому оно окружено очень крепкими костями. Во внутреннем ухе есть три полукружных канала (см. рис. 9), не имеющих никакого отношения к слуху. Это — органы равновесия. Головокружение, которое мы испытываем, если станем быстро вертеться, происходит из-за движения жидкости, наполняющей эти каналы. Орган же слухового восприятия заключён в особую оболочку. Взгляните на правую часть рисунка. Что она вам напоминает? Каждый тотчас же ответит, что она похожа на улитку. Улиткой она и называется. Улитка имеет приблизительно 2 3 / 4 оборота. Вдоль всей длины она разделена перегородкой и наполнена особой студенистой жидкостью. Внутри улитки находится перепонка — основная мембрана. На ней расположены разветвления слухового нерва — 23,5 тысячи мельчайших проводников слухового раздражения, идущих затем по нервному стволу к коре головного мозга.
Процессы, происходящие во внутреннем ухе, очень сложны, и некоторые из них до сих пор точно не изучены.
2. Арифметика звуков
Звуковые волны, проникая в слуховой канал, приводят в колебание барабанную перепонку. Через цепь косточек среднего уха колебательное движение перепонки передаётся жидкости улитки. Волнообразное движение этой жидкости, в свою очередь, передаётся основной мембране. Движение последней влечёт за собой раздражение окончаний слухового нерва. Таков главный путь звука от его источника до нашего сознания.
Однако этот путь не единственный. Звуковые колебания могут передаваться и прямо во внутреннее ухо, минуя наружное и среднее. Каким же путём? Костями самого черепа! Они являются хорошими проводниками звука. Если камертон поднести к темени или к лежащему сзади уха сосцевидному отростку, или к зубам, то можно отчётливо слышать звук, хотя по воздуху слышимых колебаний не доносится. Это происходит потому, что кости черепа, получив колебания от камертона, передают их прямо внутреннему уху, в котором возникают те же самые процессы раздражения слуховых нервов, как и от колебаний, переданных барабанной перепонкой. Вот почему иногда «слушают» работу отдельных частей машины, взяв один конец палки в зубы (см. страницу 14).
Любопытно заметить также, что иногда люди, у которых оперативно удалены барабанная перепонка и косточки среднего уха, способны слышать — хотя и со значительным ослаблением. И в этом случае, по-видимому, колебания звуковой волны передаются непосредственно внутреннему уху.
Если колебания барабанной перепонки медленные — число их меньше шестнадцати в одну секунду, — то основная мембрана колебаний не получит. Поэтому-то мы не слышим звука, когда тело колеблется с частотой меньше шестнадцати.
Колебания с частотой больше двадцати тысяч, как мы уже говорили, также не воспринимаются нашим слуховым аппаратом как звук.
Но не все люди, даже с нормальным слухом, одинаково чувствительны к звукам различной частоты. Так, дети обычно без напряжения воспринимают звуки с частотой до 22 тысяч. У большинства взрослых чувствительность уха к высоким звукам уже понижена до 16–18 тысяч колебаний в секунду. Чувствительность же уха у стариков ограничена звуками с частотой в 10–12 тысяч. Они часто совершенно не слышат комариного пения, стрекотания кузнечика, сверчка и даже чириканья воробья.
Многие животные особенно восприимчивы к высоким звукам. Собака, например, улавливает колебания с частотой до 38 000, то есть звуки, для человека не слышимые.
А как наше ухо умеет оценивать громкость звуков одной и той же высоты? Оказывается, наши способности в этом отношении почти равны математическому развитию ребёнка или первобытного человека. Как ребёнок может сосчитать только до двух, а если предметов больше, то он скажет, что их много, так и мы умеем оценивать изменение громкости звука лишь в 2–3 раза, а дальше ограничиваемся неопределённым: «много громче» или «значительно тише».
Но если нашему сознанию доступно ещё некоторое суждение об изменении громкости, то сложение и вычитание одной громкости из другой для него совершенно неразрешимая задача. Однако не следует думать, что человек вообще не может отличать звуки, близкие по своей громкости. Музыканты, например, пользуются целой шкалой громкости. По этой шкале каждая последующая громкость вдвое больше предыдущей, а вся шкала имеет семь ступеней громкости.
Несмотря на то, что наш слуховой аппарат улавливает чрезвычайно малые изменения давления воздуха, мы всё же не в состоянии слышать очень слабые звуки. Но не нужно сожалеть об этом. Представьте себе, что получилось бы, если бы наше ухо оказалось более чувствительным, чем оно есть. Ведь воздух состоит из отдельных молекул, беспрерывно движущихся по всем направлениям. Благодаря такому движению в отдельных местах может создаться на мгновение увеличение или уменьшение давления. По величине эти изменения давления как раз очень близки к изменениям давления, возникающим в местах сгущения и разрежения самой слабой звуковой волны. И если бы ухо воспринимало такие малейшие изменения в давлении, то эти случайные колебания воздуха создавали бы ощущение постоянного шума, и мы не были бы знакомы с тишиной! Природа как бы вовремя остановилась на определённом пороге чувствительности нашего слухового аппарата, оставив ему возможность отдыхать.
В обычной жизни нас никогда не окружает совершенная тишина, и ухо по существу не имеет полного отдыха. Но мы часто создаём себе искусственную тишину — отодвигаем на время от своего сознания получаемые звуковые восприятия. Мы как бы пропускаем некоторые звуки «мимо ушей». Однако если мы и «не слышим» их, ухо всё равно эти звуки отмечает. Точно так же, когда к звукам, которые мы «пропускаем мимо ушей», прибавляется звук, имеющий для нас какой-нибудь интерес, мы тотчас же его улавливаем, даже если он и тише остальных звуков. Мать часто может спать при большом шуме, но она сразу просыпается от первого крика ребёнка. Пассажир может спокойно спать во время хода поезда, но при его остановке просыпается.
3. Сколько звуков слышит человек?
Не все люди с нормальным слухом одинаково слышат. Одни способны различать близкие по высоте и громкости звуки и улавливать в музыке или шуме отдельные тона. Другие же этого сделать не могут. Для человека с тонким слухом существует больше звуков, чем для человека с неразвитым слухом.
Но насколько вообще должна отличаться частота двух звуков, чтобы их можно было слышать как два разных тона? Можно ли, например, отличить друг от друга тона, если разница в частотах равна одному колебанию в секунду? Оказывается, что для некоторых тонов это возможно, а для других нет. Так, тон с частотой 435 можно отличить по высоте от тонов с частотами 434 и 436. Но если брать более высокие тона, то отличие сказывается уже при большей разности частот. Тона с числом колебаний 1000 и 1001 ухо воспринимает как одинаковые и улавливает разницу в звучании только между частотами 1000 и 1003. Для более высоких тонов эта разность в частотах ещё больше. Например, для частот около 3000 она равна 9 колебаниям.
Точно так же не одинакова наша способность отличать звуки, близкие по громкости. При частоте 32 можно расслышать только 3 звука разной громкости; при частоте 125 — уже 94 звука различной громкости, при 1000 колебаний — 374, при 8000 — снова меньше и, наконец, при частоте 16 000 мы слышим только 16 звуков. Всего же звуков, различных по высоте и громкости, наше ухо может уловить более полумиллиона! Это только полмиллиона простых звуков. Прибавьте к этому бесчисленные сочетания из двух и более тонов — созвучия, и вы получите впечатление о многообразии того звукового мира, в котором мы живём и в котором наше ухо так свободно ориентируется. Вот почему ухо считается, наряду с глазом, самым чувствительным органом чувства.
4. Могут ли слышать глухие?
Ухо, как и всякий другой орган, подвержено различным заболеваниям. В зависимости от рода заболевания слух может быть ослаблен или потерян полностью. Иногда люди слышат звуки только определённой высоты. Есть болезни, при которых перепонки уха теряют гибкость и делаются мало подвижными; тогда человек перестаёт слышать звуки низкого тона. Наоборот, в начальный период заболевания внутреннего уха чаще всего теряется способность воспринимать высокие тона. А может быть и так, что человек слышит звуки одной высоты и не слышит звуков другой высоты. Это бывает при болезни слухового нерва.
Человек считается слегка глуховатым, если для него требуется тысячекратное увеличение давления звуковой волны в сравнении с давлением, необходимым нормальному уху. Когда давление требуется в десять тысяч раз большее, то человек относится к разряду «тугоухих», он с трудом слышит разговор. Если же для восприятия звука необходимо увеличение давления в сто тысяч раз, то такое ухо нуждается уже в специальных усиливающих звук приборах.
Человек является совершенно глухим, когда его ухо требует больше, чем в миллион раз увеличенного давления. Нормальное ухо при таком давлении звуковой волны ощущает уже не звук, а боль.
Ослабленный, а тем более полностью потерянный слух — тяжёлый недуг, и учёные давно работают над тем, чтобы облегчить страдания людей с недостатками слуха.
В тех случаях, когда нельзя путём лечения возвратить слух, пытаются достичь этого путём усиления звуковой волны. С этой целью применяются усиливающие приборы—протезы. Раньше ограничивались употреблением специальных рупоров, воронок, рогов и разговорных трубок. Теперь нередко применяются электрические усилители. Часто эти приборы бывают настолько малых размеров, что они помещаются в самом ухе, перед барабанной перепонкой.
В последнее время делаются попытки «научить» слышать совершенно глухих. Многим из вас, вероятно, приходилось испытывать ощущение боли в ушах при очень сильных звуках. Такие звуки могут быть осязаемы поверхностью кожи, например выставленными против волны пальцами. Ведь и наше ухо можно рассматривать как своего рода орган осязания, очень тонко построенный. Спрашивается, нельзя ли у глухих работу уха поручить органу осязания? Недавно были проведены подобные исследования. Обыкновенные звуки принимались микрофоном, усиливались и передавались в виде колебаний мембранам специальных телефонов. Прикасаясь к этим мембранам пальцами, глухие воспринимают осязанием частоту и силу колебания, т. е. другими словами, то, что определяет высоту и громкость звука.
После соответствующего обучения глухие начинают понимать не только отдельные звуки, но и речь!