Fizyka

Fizyka

Ucho ludzkie ma ogromny zakres i wrażliwość. Może dostarczyć nam wielu prostych informacji, takich jak wysokość dźwięku, głośność i kierunek. Na jego podstawie możemy wykryć jakość muzyczną i niuanse wyrażanych głosem emocji. W jaki sposób nasz słuch jest związany z fizycznymi cechami dźwięku i jak działa mechanizm słuchowy? (Percepcja jest powszechnie definiowana jako świadomość poprzez zmysły, co jest typowo okrężną definicją procesów wyższego rzędu w organizmach żywych). Normalny ludzki słuch obejmuje częstotliwości od 20 do 20 000 Hz, co stanowi imponujący zakres. Dźwięki poniżej 20 Hz nazywane są infradźwiękami, natomiast te powyżej 20 000 Hz to ultradźwięki. Żaden z nich nie jest odbierany przez ucho, choć infradźwięki mogą być czasem odczuwane jako wibracje. Kiedy słyszymy wibracje o niskiej częstotliwości, takie jak dźwięki wydawane przez deskę do nurkowania, słyszymy poszczególne wibracje tylko dlatego, że w każdej z nich znajdują się dźwięki o wyższej częstotliwości. Inne zwierzęta mają inne zakresy słyszalności niż ludzie. Psy słyszą dźwięki o częstotliwości do 30 000 Hz, podczas gdy nietoperze i delfiny mogą słyszeć dźwięki o częstotliwości do 100 000 Hz. Być może zauważyłeś, że psy reagują na dźwięk psiego gwizdka, który wydaje dźwięki poza zakresem ludzkiego słuchu. Słonie są znane do reagowania na częstotliwości poniżej 20 Hz.

Postrzeganie częstotliwości jest nazywany wysokość dźwięku. Większość z nas ma doskonałą względną wysokość dźwięku, co oznacza, że możemy powiedzieć, czy jeden dźwięk ma inną częstotliwość niż inny. Zazwyczaj potrafimy rozróżnić dwa dźwięki, jeśli ich częstotliwości różnią się o 0,3% lub więcej. Na przykład, 500,0 i 501,5 Hz są zauważalnie różne. Percepcja wysokości dźwięku jest bezpośrednio związana z częstotliwością i nie mają na nią większego wpływu inne wielkości fizyczne, takie jak natężenie dźwięku. Nuty muzyczne to określone dźwięki, które mogą być wytwarzane przez większość instrumentów, a w muzyce zachodniej mają określone nazwy. Kombinacje nut stanowią muzykę. Niektórzy ludzie potrafią zidentyfikować nuty muzyczne, takie jak A-ostry, C lub Es, po prostu słuchając ich. Ta niecodzienna umiejętność nazywana jest doskonałą wysokością dźwięku.

Ucho jest niezwykle wrażliwe na dźwięki o niskim natężeniu. Najniższe słyszalne natężenie lub próg wynosi około 10-12 W/m2 lub 0 dB. Dźwięki o natężeniu nawet 1012 większym mogą być krótko tolerowane. Bardzo niewiele urządzeń pomiarowych jest w stanie prowadzić obserwacje w zakresie biliona. Postrzeganie natężenia dźwięku nazywa się głośnością. Przy danej częstotliwości można dostrzec różnice rzędu 1 dB, a zmiana o 3 dB jest łatwo zauważalna. Głośność nie jest jednak związana wyłącznie z natężeniem dźwięku. Częstotliwość ma duży wpływ na to, jak głośny wydaje się dany dźwięk. Ucho wykazuje maksymalną wrażliwość na częstotliwości w zakresie od 2000 do 5000 Hz, dlatego dźwięki w tym zakresie są odbierane jako głośniejsze niż np. dźwięki o częstotliwości 500 lub 10 000 Hz, nawet jeśli wszystkie mają takie samo natężenie. Dźwięki w pobliżu skrajnych wartości wysokich i niskich częstotliwości wydają się jeszcze mniej głośne, ponieważ ucho jest jeszcze mniej wrażliwe na te częstotliwości. Tabela 1 przedstawia zależność niektórych ludzkich percepcji słuchowych od wielkości fizycznych.

.

Tabela 1. Postrzeganie dźwięku
Postrzeganie	Wielkość fizyczna
Szczyt	Częstotliwość
Głośność	Intensywność i częstotliwość
Timbre	Liczba i względna intensywność wielu częstotliwości. Subtelny kunszt prowadzi do nieliniowych efektów i większej ilości szczegółów.
Nuta	Podstawowa jednostka muzyki o specyficznych nazwach, połączona w celu wygenerowania melodii
Ton	Liczba i względne natężenie wielu częstotliwości.

Gdy skrzypce grają środkowe C, nie można pomylić ich z fortepianem grającym tę samą nutę. Powodem tego jest fakt, że każdy instrument wytwarza charakterystyczny zestaw częstotliwości i intensywności. Nazywamy nasze postrzeganie tych kombinacji częstotliwości i intensywności jakością tonu, lub bardziej powszechnie, barwą dźwięku. Trudniej jest powiązać percepcję barwy dźwięku z wielkościami fizycznymi niż w przypadku percepcji głośności czy wysokości dźwięku. Barwa dźwięku jest bardziej subiektywna. Określenia takie jak: matowy, błyskotliwy, ciepły, zimny, czysty i bogaty są używane do opisania barwy dźwięku. Tak więc rozważania na temat barwy dźwięku przenoszą nas w sferę psychologii percepcyjnej, gdzie dominują procesy wyższego rzędu w mózgu. Dotyczy to również innych percepcji dźwięku, takich jak muzyka czy hałas. Nie będziemy się w nie zagłębiać; skoncentrujemy się raczej na kwestii percepcji głośności.

Jednostka zwana fonem jest używana do liczbowego wyrażania głośności. Fony różnią się od decybeli, ponieważ fon jest jednostką percepcji głośności, podczas gdy decybel jest jednostką natężenia fizycznego. Rysunek 2 przedstawia zależność głośności od intensywności (lub poziomu intensywności) i częstotliwości dla osób z prawidłowym słuchem. Zakrzywione linie to krzywe równej głośności. Każda krzywa jest oznaczona głośnością w fonach. Każdy dźwięk na danej krzywej będzie postrzegany przez przeciętną osobę jako równie głośny. Krzywe te zostały wyznaczone na podstawie porównania przez dużą liczbę osób głośności dźwięków o różnych częstotliwościach i poziomach natężenia. Przy częstotliwości 1000 Hz, fony są liczbowo równe decybelom. Poniższy przykład ilustruje sposób korzystania z wykresu:

Dalsza analiza wykresu z rysunku 2 ujawnia kilka interesujących faktów dotyczących ludzkiego słuchu. Po pierwsze, dźwięki poniżej krzywej 0-fonów nie są odbierane przez większość ludzi. Tak więc, na przykład, dźwięk o częstotliwości 60 Hz i natężeniu 40 dB jest niesłyszalny. Krzywa 0-fonowa reprezentuje próg normalnego słyszenia. Niektóre dźwięki możemy usłyszeć przy poziomie natężenia poniżej 0 dB. Na przykład, dźwięk o natężeniu 5000 Hz przy 3 dB jest słyszalny, ponieważ znajduje się powyżej krzywej 0-fonowej. Wszystkie krzywe głośności mają spadki między około 2000 a 5000 Hz. Te spadki oznaczają, że ucho jest najbardziej wrażliwe na częstotliwości w tym zakresie. Na przykład, dźwięk o natężeniu 15 dB przy częstotliwości 4000 Hz ma głośność 20 fonów, czyli taką samą jak dźwięk o natężeniu 20 dB przy częstotliwości 1000 Hz. Krzywe wznoszą się na obu krańcach zakresu częstotliwości, co wskazuje, że w tych częstotliwościach potrzebny jest dźwięk o większym natężeniu, aby był postrzegany jako równie głośny, jak w przypadku częstotliwości średnich. Na przykład, dźwięk o częstotliwości 10 000 Hz musi mieć poziom natężenia 30 dB, aby wydawał się tak głośny, jak dźwięk o natężeniu 20 dB przy częstotliwości 1000 Hz. Dźwięki powyżej 120 fonów są bolesne, a także szkodliwe.

Nieczęsto wykorzystujemy nasz pełny zakres słyszenia. Jest to szczególnie prawdziwe w przypadku częstotliwości powyżej 8000 Hz, które są rzadkie w środowisku i są niepotrzebne do zrozumienia rozmowy lub docenienia muzyki. W rzeczywistości osoby, które utraciły zdolność słyszenia tak wysokich częstotliwości, zazwyczaj nie są świadome swojej utraty, dopóki nie zostaną poddane badaniom. Zacieniowany obszar na Rysunku 3 to obszar częstotliwości i natężenia, w którym mieści się większość dźwięków konwersacyjnych. Zakrzywione linie wskazują, jaki wpływ będzie miał ubytek słuchu o wartości 40 i 60 fonów. Ubytek słuchu wynoszący 40 fonów na wszystkich częstotliwościach nadal pozwala na zrozumienie rozmowy, choć będzie się ona wydawać bardzo cicha. Osoba z 60-tonowym ubytkiem słuchu na wszystkich częstotliwościach będzie słyszała tylko najniższe częstotliwości i nie będzie w stanie zrozumieć mowy, chyba że będzie ona znacznie głośniejsza niż normalnie. Mimo to, mowa może wydawać się niewyraźna, ponieważ wyższe częstotliwości nie są tak dobrze odbierane. Region mowy konwersacyjnej posiada również komponent płciowy, ponieważ głosy kobiece charakteryzują się zazwyczaj wyższymi częstotliwościami. Tak więc osoba z 60-cio fonowym ubytkiem słuchu może mieć trudności ze zrozumieniem normalnej rozmowy kobiety.

Badania słuchu są wykonywane w zakresie częstotliwości, zwykle od 250 do 8000 Hz, i mogą być przedstawione graficznie na audiogramie, takim jak ten na rysunku 4. Próg słyszenia jest mierzony w dB w stosunku do normalnego progu, tak więc normalny słuch rejestruje się jako 0 dB na wszystkich częstotliwościach. Ubytek słuchu spowodowany hałasem zazwyczaj objawia się obniżeniem progu słyszenia w okolicy częstotliwości 4000 Hz, niezależnie od częstotliwości, która spowodowała ubytek, i często dotyczy obojga uszu. Najczęstsza forma ubytku słuchu pojawia się wraz z wiekiem i nosi nazwę presbycusis, czyli starszego ucha. Taki ubytek jest coraz bardziej dotkliwy przy wyższych częstotliwościach i przeszkadza w słuchaniu muzyki i rozpoznawaniu mowy.

Ucho zewnętrzne, czyli przewód słuchowy, przenosi dźwięk do zagłębienia chronionego błoną bębenkową. Słup powietrza w przewodzie słuchowym rezonuje i jest częściowo odpowiedzialny za wrażliwość ucha na dźwięki w zakresie 2000 do 5000 Hz. Ucho środkowe przetwarza dźwięk na drgania mechaniczne i przekazuje te drgania do ślimaka. Układ dźwigniowy ucha środkowego przejmuje siłę wywieraną na błonę bębenkową przez zmiany ciśnienia akustycznego, wzmacnia ją i przekazuje do ucha wewnętrznego przez okienko owalne, tworząc w ślimaku fale ciśnienia około 40 razy większe niż te, które oddziałują na błonę bębenkową. (patrz rys. 6) Dwa mięśnie w uchu środkowym (nie pokazane) chronią ucho wewnętrzne przed bardzo intensywnymi dźwiękami. Reagują one na intensywny dźwięk w ciągu kilku milisekund i zmniejszają siłę przekazywaną do ślimaka. Ta reakcja ochronna może być również wywołana przez nasz własny głos, tak więc na przykład nucenie podczas strzelania z pistoletu może zmniejszyć szkodliwość hałasu.

Rysunek 7 przedstawia ucho środkowe i wewnętrzne w sposób bardziej szczegółowy. Fale ciśnienia poruszające się przez ślimak powodują drgania błony tektorialnej, pocierając rzęski (zwane komórkami włosowymi), które stymulują nerwy wysyłające sygnały elektryczne do mózgu. Membrana rezonuje w różnych pozycjach dla różnych częstotliwości, przy czym wysokie częstotliwości stymulują nerwy na bliższym końcu, a niskie częstotliwości na dalszym końcu. Całkowite działanie ślimaka nie zostało jeszcze poznane, ale wiadomo, że w jego działanie zaangażowanych jest kilka mechanizmów wysyłania informacji do mózgu. W przypadku dźwięków o częstotliwości poniżej 1000 Hz, nerwy wysyłają sygnały o tej samej częstotliwości co dźwięk. W przypadku częstotliwości większych niż 1000 Hz, nerwy sygnalizują częstotliwość na podstawie położenia. Istnieje struktura rzęsek oraz połączenia między komórkami nerwowymi, które przetwarzają sygnały przed wysłaniem informacji do mózgu. Informacja o intensywności jest częściowo wskazywana przez liczbę sygnałów nerwowych i przez salwy sygnałów. Mózg przetwarza sygnały nerwu ślimakowego w celu dostarczenia dodatkowych informacji, takich jak kierunek źródła dźwięku (na podstawie porównania czasu i intensywności dźwięków z obu uszu). Przetwarzanie na wyższym poziomie powoduje powstawanie wielu niuansów, takich jak ocena muzyki.

Ubytki słuchu mogą wystąpić z powodu problemów w uchu środkowym lub wewnętrznym. Ubytki przewodzeniowe w uchu środkowym mogą być częściowo pokonane poprzez wysyłanie wibracji dźwiękowych do ślimaka przez czaszkę. Aparaty słuchowe przeznaczone do tego celu zazwyczaj uciskają kość za uchem, a nie tylko wzmacniają dźwięk wysyłany do przewodu słuchowego, jak ma to miejsce w przypadku wielu aparatów słuchowych. Uszkodzenia nerwów w ślimaku nie da się naprawić, ale wzmocnienie może je częściowo zrekompensować. Istnieje ryzyko, że wzmocnienie spowoduje dalsze uszkodzenia. Innym typem uszkodzenia ślimaka jest uszkodzenie lub utrata rzęsek, przy czym nerwy pozostają sprawne. Implanty ślimakowe, które bezpośrednio stymulują nerwy, są obecnie dostępne i szeroko akceptowane. Ponad 100,000 implantów jest w użyciu, u równej liczby dorosłych i dzieci.

Implant ślimakowy został zapoczątkowany w Melbourne, Australia, przez Graeme Clark w 1970 roku dla jego głuchego ojca. Implant składa się z trzech komponentów zewnętrznych i dwóch wewnętrznych. Komponenty zewnętrzne to mikrofon do odbioru dźwięku i przekształcania go w sygnał elektryczny, procesor mowy do wyboru określonych częstotliwości oraz nadajnik do przekazywania sygnału do komponentów wewnętrznych poprzez indukcję elektromagnetyczną. Elementy wewnętrzne składają się z odbiornika/nadajnika umieszczonego w kości pod skórą, który przekształca sygnały w impulsy elektryczne i przesyła je wewnętrznym kablem do ślimaka oraz układu około 24 elektrod nawiniętych przez ślimak. Elektrody te z kolei wysyłają impulsy bezpośrednio do mózgu. Elektrody w zasadzie naśladują rzęski.

Podsumowanie

• Zakres słyszalnych częstotliwości wynosi od 20 do 20 000 Hz.
• Dźwięki powyżej 20 000 Hz to ultradźwięki, natomiast te poniżej 20 Hz to infradźwięki.
• Postrzeganie częstotliwości to wysokość dźwięku.
• Postrzeganie natężenia dźwięku to głośność.
• Głośność ma jednostki fonów.

Glossary

głośność: percepcja intensywności dźwięku

timbre: liczba i względna intensywność wielu częstotliwości dźwięku

nuta: podstawowa jednostka muzyki o określonych nazwach, połączona w celu wygenerowania melodii

ton: liczba i względne natężenie wielu częstotliwości dźwięku

fon: jednostka liczbowa głośności

ultradźwięki: dźwięki o częstotliwości powyżej 20 000 Hz

infradźwięki: dźwięki o częstotliwości poniżej 20 Hz