Jak słyszy człowiek

To jak widzimy i słyszymy jest ważne z punktu zapisywania oraz wyświetlania filmów, obrazów oraz odtwarzania muzyki. Dla przykładu człowiek nie słyszy dźwięków o częstotliwości wyższej niż 20 kHz więc nie ma sensu ich zapisywać. Na tej podstawie powstał format mp3.

Większość z nas pamięta z lekcji anatomii, że ucho ludzkie składa się z trzech odcinków:

  1. ucho zewnętrzne,
  2. ucho środkowe,
  3. ucho wewnętrzne.

 

Zmysł słuchu funkcjonuje nawet gdy śpimy. Oczy można zamknąć, gdy nie chcemy czegoś widzieć. Można wstrzymać oddech, gdy nie chcemy czegoś wąchać. Lecz nasze uszy pracują bez przerwy (podobnie jak serce), odbierają sygnały dźwiękowe (akustyczne), a po ich przetworzeniu najpierw na fale mechaniczne, później hydrodynamiczne, by w końcu w postaci impulsów (sygnałów) elektrycznych przekazać je do mózgu.

Ucho zewnętrzne

Pierwszą, najbardziej widoczną składową narządu słuchu jest ucho zewnętrzne zbudowane z:

  • małżowiny usznej  - ułatwia ogniskowanie dźwięku w przewodzie słuchowym zewnętrznym i kierowanie go dalej, do błony bębenkowej. Znajdujące się w niej zagłębienie (tzw. muszla) oraz kształt przewodu słuchowego (lekko pokręcony) umożliwiają wzmocnienie lub rezonans dźwięków zawartych w określonym paśmie częstotliwości,
  • przewodu słuchowego zewnętrznego - reguluje natężenie dźwięku,
  • błony bębenkowej - ma ona owalny kształt o wymiarach ok. 10 x 8 mm oraz grubość ok. 100 mikronów. Jest napięta i bardzo mocna – może wytrzymać ciśnienie ok. 100 cm słupa rtęci.

Ucho środkowe

Ucho środkowe przetwarza drgania akustyczne na mechaniczne i przekazuje je do ucha wewnętrznego. Ucho środkowe jest niewielką komorą wysłaną błoną śluzową  zaczynająca się za błoną bębenkową, do której od strony wewnętrznej jest młoteczek – pierwszy element łańcucha trzech kosteczek (młoteczek kowadełko i strzemiączko) odpowiedzialnych za proces przetwarzania fali akustycznej na ruch mechaniczny. Elementy te są utrzymywane w odpowiednim położeniu przez dwa małe mięśnie i wiązadła. Mięśnie te napinają się przy nagłym hałasie, usztywniając kosteczki i zapobiegają wnikaniu nadmiernej energii silnych dźwięków do ucha wewnętrznego. Ruch błony bębenkowej jest przekazywany poprzez młoteczek na kowadełko, a później na strzemiączko. To ostatnie zagłębia się w tzw. okienku przedsionka i wprawia w ruch płyny wypełniające przedsionek.

Charakteryzując ucho środkowe należy wspomnieć o trąbce słuchowej (Eustachiusza). Jest to podłużny kanał łączący jamę ucha środkowego z jamą gardła, i ma bardzo ważne zadanie - wyrównanie ciśnień po obu stronach błony bębenkowej.

Ucho wewnętrzne

Ucho wewnętrzne jest kolejnym etapem w łańcuchu przekazywania informacji akustycznych. Ucho wewnętrzne jest zamknięte w kości skroniowej. Narząd ten składa się z tylnej części - przedsionka i kanałów półkolistych (jest to obwodowy narząd równowagi ) oraz leżącego bardziej z przodu ślimaka. Właśnie w ślimaku dochodzi do zamiany energii fali wędrownej w impuls elektryczny biegnący w nerwie słuchowym. Proces ten ma miejsce w wyspecjalizowanych słuchowych komórkach zmysłowych, zwanych również rzęskowymi.

Co się dzieje w ślimaku i jak działa narząd Cortiego?
Uczony węgierski George von Bekesy po 25 latach doświadczeń rozwiązał zagadkę. Odkrył między innymi, że zmiany ciśnienia płynów przybierają postać fali wędrującej w przewodach ślimaka. 

W pewnym miejscu osiągają maksimum i powodują drgania błony podstawowej. W przypadku fal wywołanych przez dźwięki o wysokiej częstotliwości, następuje to u podstawy ślimaka, a w przypadku dźwięków o niskiej częstotliwości - jego szczytu. Uczony wyciągnął wniosek, że dźwięk o danej częstotliwości powoduje powstanie fali, która wprawia w drgania odpowiedni odcinek błony i pobudza leżące tam komórki rzęsate do wytworzenia impulsu elektrycznego i przekazania go do mózgu. 

Położenie pobudzonych komórek odpowiadałoby częstotliwości dźwięku, a ich liczba - jego natężeniu. Dodać należy, że błona podstawowa jest w stanie reagować jednocześnie na wszystkie tony składowe (podstawowe i harmoniczne) oraz wykryć ich ilość i częstotliwość. Dzięki temu odróżniamy głos pewnego gatunku żab od dudnienia bębna, mimo że mają tę samą częstotliwość, ale brzmią zupełnie inaczej.

Jak słyszymy

Tak więc, zanim usłyszymy i rozpoznamy jakiś dźwięk, najpierw w uchu wewnętrznym następuje zamiana informacji akustycznej w sygnał elektryczny. Powstały w wyniku tego prąd elektryczny jest odpowiednio przetwarzany w określony wzorzec podobny do kodu. W korze słuchowej, a więc w naszej centrali, wzorzec pobudzenia jest zamieniany we wrażenie słuchowe. W tym cel docierający do kory słuchowej kod porównywany jest z zapamiętanymi wcześniej wzorcami, a więc z tym co już wcześniej słyszeliśmy i co już znamy.

Dźwięki  które słyszymy mogą być przyjemne dla nas lub przykre. Różne osoby inaczej reagują na ten sam dźwięk. Zależy to od budowy naszych małżowin usznych, a także wieku. Młody człowiek jest w stanie usłyszeć dźwięki o częstotliwości od 16 - 20 Hz do 16 - 20 kHz. Z wiekiem czułość naszego słuchu dla wysokich tonów pogarsza się. Już po trzydziestce górna granica jaką możemy usłyszeć to 15 -16 kHz, by po 60-tce słabo słyszeć dźwięki już powyżej 5 - 6 kHz.

Olbrzymia rozpiętość wartości natężeń dźwięku z jakimi spotykamy się na co dzień, uniemożliwia stosowanie skali liniowej dla porównania głośności różnych dźwięków.  Odczuwane wrażenie słuchowe jest w przybliżeniu proporcjonalne do logarytmu wywołującej je podniety. W związku z tym wprowadzono w akustyce względną miarę natężenia dźwięku wyrażoną w decybelach (dB).

Człowiek zaczyna słyszeć dźwięk dopiero od określonej wartości poziomu ciśnienia akustycznego.

Może przeanalizujmy poziom ciśnienia dźwięku (ogólnikowo):

  • 0dB – próg czułości słuchu (ciśnienie 20uPa przy 2kHz),
  • 10dB – szelest liści na wietrze, cichy oddech,
  • 30dB – poziom głośności w spokojnym pokoju w ciągu dnia,
  • 40dB – poziom głośności spokojnej rozmowy z odległości 1 metra,
  • 60dB – typowy telewizor z odległości 1 metra,
  • 80dB – komunikacja miejska,
  • 90dB – ruchliwa ulica z odległości 10 metrów,
  • 100dB – młot pneumatyczny z odległości 1 metra,
  • 120dB – startujący odrzutowiec, próg bólu.

Parametry fali, a ucho człowieka

Zanim powiemy jak słyszy człowiek w kontekście parametrów fali omówionych w poprzednim rozdziale Podstawy fizyki fal, powiemy jak można w pakiecie R (http://www.r-project.org/) odtworzyć dźwięk. Zacznijmy od narysowania fali.

A<-2
lambda<-50
cs = sin(2*pi*(1:100)/lambda)
plot.ts( ts(cs), ylim=c(-3,3))

]

Możemy teraz odsłuchać naszą falę. Zacznijmy od zainstalowania niezbędnych pakietów w R.

install.packages('seewave')
install.packages('sound')
install.packages('audio')
library(seewave)
library(tuneR)
library(audio) 

 

Możemy teraz stworzyć naszą falę

t = seq(0, 3, 1/8000)     #times in seconds if sample for 3 seconds at 8000Hz 
u = (2^15-1)*sin(2*pi*440*t)    #440 Hz sine wave that lasts t length seconds (here, 3 seconds) 

A następnie odtworzyć dźwięk.

w = Wave(u, samp.rate = 8000, bit=16) #make the wave variable 
play(w)

Your browser does not support the audio element.

Człowiek nie słyszy przesunięcia w fazie

Aby się o tym przekonać, wygenerujmy dwa sygnały o różnym przesunięciu w fazie.

t = seq(0, 3, 1/8000)     
A = 2000
u1 = A*sin(2*pi*440*t)
u2 = A*sin(2*pi*440*t+200)
ts.plot(ts(u1[0:100]), ts(u2[0:100]),  type='l', lwd=2, col=1:2)

Odtwórzmy teraz oba sygnały (obie fale) jedna po drugiej.

s1 = Wave( c(u1, u2), samp.rate = 8000, bit=16) #make the wave variable 
play(s1)

Your browser does not support the audio element.

Człowiek słyszy amplitudę - głośność 

Człowiek słyszy amplitudę w skali logarytmicznej. Aby się o tym przekonać wygenerujmy dwie fale o różnych amplitudach.

t = seq(0, 3, 1/8000)     
A = 2000
u1 = A*10*sin(2*pi*440*t)
u2 = A*sin(2*pi*440*t)
ts.plot(ts(u1[0:100]), ts(u2[0:100]),  type='l', lwd=2, col=1:2)

Odtwórzmy teraz oba sygnały (obie fale) jedna po drugiej.

s2 = Wave( c(u1, u2), samp.rate = 8000, bit=16) #make the wave variable 
play(s2)

Your browser does not support the audio element.

Człowiek słyszy częstotliwość - różne tony dżwięków

Aby się o tym przekonać, wygenerujmy dwie fale o różnych częstotliwościach.

t = seq(0, 3, 1/8000)     
A = 2000
u1 = A*sin(2*pi*440*t)
u2 = A*sin(2*pi*880*t)
ts.plot(ts(u1[0:100]), ts(u2[0:100]),  type='l', lwd=2, col=1:2)

Your browser does not support the audio element.