Нейронные структуры слухового анализатора 5 страница

Рис. 5.3. Характеристики звуковой волны

 

Основными физическими характеристиками звуковых волн являются частота, амплитуда, или интенсивность, и сложность.

Одной из характеристик звуковых волн, свидетельствующей о том, насколько бы­стро протекает цикл (период) изменений давления, является число циклов (периодов) изменения давле­ния (т.е. переходов от сжатия к разрежению и обратно), происходящих в течение 1 секунды. Она называется частотой (f) и измеряется в герцах (Гц); единица измерения часто­ты, названная в честь немецкого физика Генриха Герца (1857-1894), равна числу изменений звукового давления, или циклов, в секунду. Так, если частота звука равна 1000 Гц, значит, за 1 секунду происходит 1000 циклов, или изменений, звукового дав­ления. Считается, что молодые люди способны воспринимать звуки с частотой от 16 до 20 000 Гц; звуки, частота которых ниже 16 или выше 20 000 Гц, находятся ниже и выше порога слухового восприятия человека, и называются соответственно – инфразвук и ультразвук.

Для описания звуковых волн используется также и такая характеристика, как длина одиночной волны. Это свойство весьма полезно для понимания многих аспек­тов такого феномена, как локализация звука. Длина звуковой волны — это линей­ное расстояние между двумя последовательными сжатиями (этот параметр обозначается греческой буквой — ).

Длина волны обратно пропорциональна частоте. Чем больше частота звука, тем чаще в течение определенного промежутка вре­мени изменяется давление, и тем короче сама волна. Так, низкочастотный звук имеет длинную волну, а высокочастотный — короткую.

Звуки отличаются друг от друга не только по высоте, но и по амплитуде — коли­честву изменения звукового давления, т.е. степени смещения (сжатия или разрежения) относительно положения покоя. При низком давлении амплитуда звука мала и звук слабый, при высоком давлении воздуха амплитуда звука велика и слышен интенсивный звук. Характеризующие звук термины амп­литуда и интенсивность — взаимозаменяемые.

Будучи физическим параметром, амплитуда, или интенсивность, звука зависит от давления или силы, воздействующих на его источник. Основной единицей изме­рения давления является сила на единицу площади. Несмотря на то что давление звука может быть выражено во многих других единицах, для удобства в акустике (разделе физики, занимающемся изучением упругих волн) давление измеряется в динах на квадратный сантиметр (дин/см²). Иногда давление звука оценивается в эквивалентной единице — в микробарах, сокращенно мбар. Сравнительно недав­но изменение давления стали выражать в ньютонах на квадратный метр, Н/м², и микропаскалях, мкПа.

Интервал амплитуд, к которым чувствительно ухо, чрезвычай­но широк. Сила самого громкого звука в миллиарды раз превышает интенсивность самого слабого звука, улавливаемого человеческим ухом. Поскольку этот интер­вал огромен, удобно пользоваться логарифмической шкалой давлений, названной в честь Александра Грэма Белла децибельной (дБ) шкалой. Преимущество логарифмической шкалы децибелов для оценки интенсивности звука заключается в том, что она сокращает огромный интервал возможных значений амплитуд и пре­вращает все их значения, доступные человеку, в значительно более узкую и удоб­ную для практического использования шкалу, изменяющуюся от 0 до приблизи­тельно 160.

Сила звука в децибелах равна:

Nдб =20 log Р°/Р^г,

где: Nдб — число децибел, Р^е — звуковое давление, которое нужно выразить в деци­белах; Р^г — эталонное давление, равное 0,0002 дин/см².

Звуковое давление, которое нужно выразить в децибелах (Р^е), соотносится именно с таким эталонным давлением потому, что по своему абсолютному значе­нию оно близко к среднему слуховому порогу человека (для звука с частотой 1000 Гц).

Децибелы — не такие абсолютные, фиксированные единицы, как граммы, мет­ры или ватты. Выражая интенсивность звука в децибелах, мы показываем, во сколь­ко раз он более интенсивен или менее интенсивен, чем звук, соответствующий эта­лонному звуковому давлению Р^г. Децибельная шкала, построенная относительно эталонного давления, равного 0,0002 дин/см² и принятого в качестве порогового значения, обычно называется уровнем звукового давления. Это название вве­дено в обиход в связи с тем, что для практических целей при определении децибел нередко используются и другие эталонные давления.

В таблице представлены децибелы, рассчитанные по вышеприведенной фор­муле для интервала давлений (Р^е), создаваемых некоторыми знакомыми нам ис­точниками звуков. Для наглядности отобраны такие значения давлений, которые отличаются друг от друга на порядки (например, давление, равное 200 дин/см², в десять раз больше давления, равного 20 дин/см², которое, в свою очередь, в 10 раз больше давления, равного 2 дин/см² и т. д.).

Таблица 1.

Связь между звуковым давлением и децибелами для некоторых хорошо известных источников звуков

 

Давление Ре дин/см2	дБ	Источник звука
2, 0     0,2 0,02   0,002   0,0002		Реактивный самолет в момент взлета. Раскат грома, Тяжелый рок ( рок-музыка) Интенсивный транспортный поток, Шум метро Заводской шум, Фен для сушки волос, Пылесос Обычный разговор Офис, Жилое помещение Шепот, Шелест листвы Слуховой порог

 

Приведенные в таблице данные свидетельствуют о том, что изменения звуко­вого давления и децибелы связаны между собой не линейной, а скорее логариф­мической зависимостью. Сравнение данных, приведенных в первых двух графах, показывает, что при десятикратном увеличении звукового давления (Р^е) число децибел увеличивается на 20. Например, если интенсивность одного звука равна 80 дБ, а интенсивность второго — 60 дБ, то в первом случае звуковое давление в 10 раз выше, чем во втором (разница в силе звуков равна 20 дБ). Обращает внима­ние то, что интенсивность шепота на 20 дБ превышает интенсивность звука, соответствующего слуховому порогу и имеющего интенсивность (в децибелах), равную нулю. В данном случае тоже имеет место десятикратное увеличение звукового дав­ления. Для сравнения: амплитуда звуковой волны, соответствующей обычному разговору, на 60 дБ больше, чем эталонный уровень, что соответствует тысячекрат­ному увеличению звукового давления.

В зависимости от слож­ности акустического сигнала, воспринимаемые звуки могут быть простыми и сложными. Простые звуки - синусоидальные колебания, физическими характеристиками которых являются амплитуда, частота, интенсивность. Сложные звуки представляют собой комбинацию колеба­ний различной формы.

 

5.3. Сложность звуковой волны

 

Большинство встречающихся в природе звуков невозможно представить простой синусоидальной волной. Звук, соот­ветствующий по своим свойствам идеальной синусоиде с постоянной частотой и амплитудой, может быть получен лишь в лабораторных условиях. Большинство звуков, которые мы слышим в реальной жизни, — это сочетания акустических сиг­налов, каждый из которых может быть представлен своей собственной синусоидой, вследствие чего их общая, суммарная, синусоида отличается сложностью.

 

 

Фортепиано

Флейта

Кларнет

Человеческий голос

Взрыв

 

Рис. 5.4. Сложные звуковые волны

 

Так, большинство окружающих нас звуков — голоса людей и животных, шум, донося­щийся с улиц, забитых транспортными средствами, звуки музыкальных инстру­ментов и т. п. — это результат взаимного наложения различных волн с разными частотами. Для подобных звуков характерны чрезвычайно сложные циклы изме­нений давления — циклы сжатия и разрежения. В сложных звуковых волнах, создаваемых музыкальными инструментами, про­является важное свойство источников звуковых колебаний. Как правило, любой источник сложных звуковых колебаний одновременно создает звуковые волны с разными частотами. Самые низкие частоты, называемые фундаментальнойчасто­той (или первой гармоникой),определяют высоту сложного звука. Задетая скри­пичная или гитарная струна колеблется как единое целое, вызывая чередование сжатий и разрежений окружающего ее воздуха. Однако колебания создает не толь­ко вся струна целиком (что является источником фундаментальной частоты); од­новременно звуковые волны генерируются и отдельными участками струны, пред­ставляющими собой строго определенные доли ее общей длины.

Эти дополнительные колебания с частотами, кратными фундаментальной ча­стоте, называются гармониками(или обертонами). Иными словами, фундамен­тальная частотапредставляет собой самую низкую частоту сложной звуковой волны; все более высокие частоты, кратные частоте фундаментальной волны, пред­ставляют собой гармоникипоследней. Роль фундаментальной частоты и ее гармо­ник будет рассмотрена ниже, в разделе, посвященном патологии слуха.

Анализ Фурье.Несмотря на то, что сложный звук не может быть представлен в виде одной синусоидальной волны, его можно представить несколькимисинусоидами. Согласно теореме Фурье, любая сложная периодическая волна может быть представлена в виде суммы ряда про­стых синусоидальных волн, каждая их которых имеет свои собственные частоту и амплитуду. Разложение сложной волны любой формы на компоненты, имеющие синусоидальную форму, называется анализом Фурье.Синтез волн, имеющих сложные формы, из простых синусоидальных волн называется синтезомФурье.

Математически анализ Фурье начинается с фундаментальной (основной) частоты — самой низкой частоты из всех, представленных в сложной волне. Именно к ней добавляются синусоидальные волны, более высо­кие частоты которых кратны фундаментальной частоте.

Высота сложного тона определяется его фундаментальной частотой. Если ис­пытуемому предъявить сложный звук, а затем попросить его подобрать простой соответствующий ему по высоте, то он выберет звук, который можно представить простой синусоидой с частотой, примерно равной фундаментальной частоте сложного звука. Иными словами, высота сложного тона приблизительно рав­на высоте звука, который можно представить синусоидой с частотой, близкой к фундаментальной частоте сложного тона.

Акустический закон Ома.Аудиальная система может, правда лишь приблизительно, анализировать сложные волны по методу Фурье: она разлагает их на со­ставляющие компоненты и направляет информацию о представленных в ней частотах на более высокие уровни аудиальной системы. Этот феномен, известный под названием акустического закона Ома(названного в честь немецкого физика Георга Ома (1787-1854), более известного своими работами в области электричества), заключается в следующем: когда на нас воздействует относительно сложный звук, например, когда мы слышим аккорд, образованный несколькими нотами, мы спо­собны оценить вклад, внесенный в него отдельно каждой нотой. Иными словами, из закона Ома следует, что мы способны воспринимать индивидуальные частот­ные компоненты сложного звука.

Тембр.Психологическим аспектом восприятия звука, отражающим сложность звуковой волны, является тембр(от старофранцузского слова tamber, что значит «маленький колокольчик»). Тембр — это отличительное качество тона того или иного звука, являющееся результатом числа и интенсивности гармоник (или обер­тонов), которые производит этот звук. Например, сложный звук музыкального инструмента образован фундаментальной частотой и обертональными частотами, всегда кратными фундаментальной частоте и присутствующими в звуке в разных количествах. Количество и характер обертонов, создаваемых разными музыкаль­ными инструментами, различны, вследствие чего различны и тембры. Именно благодаря тембру мы отличаем музыкальные инструменты друг от друга даже тогда, когда звучат одни и те же ноты одинаковой высоты. Различия в тембрах музыкаль­ных инструментов — следствие различий их обертонов.

Подводя итог, можно сказать, что высота сложного звука зависит в первую оче­редь от его фундаментальной частоты, а тембр — от гармоник. Именно поэтому такие инструменты, как гитара и фортепиано, создающие много обертонов, обла­дают и более наполненным, богатым звуком, нежели инструменты, издающие от­носительно чистый, однородный звук (в частности, флейта).

Гармонические колебания.Сложность состава звуковых колебаний выражается в том, что к основной частоте, обладающей определенной амплитудой, примеши­ваются дополнительные колебания, имеющие меньшую амплитуду. Дополнительные колебания, частота которых превышает частоту ос­новного колебания в кратное количество раз, называются гармоника­ми и дают ощущение музыкального тона, т. е. создают тембральную окраску звука.

Особый класс звуков образуют щелчки, продолжающиеся иногда всего лишь тысячные доли секунды.

В музыке одновременный комплект звуков называется аккордом. Если частоты колебаний составляющих акустических сигналов крат­ны по частоте, то аккорд воспринимается как консонанс (обратное - диссонанс).

Фаза.За один полный цикл звуковая волна проходит точку сжатия, точку покоя, при ко­торой давление равно нулю, точку разрежения, затем снова точку покоя и, наконец, снова точку сжатия, иными словами, она перемещается от пика к пику (см. рис. ). Та часть цикла, которую звуковая волна проделала к данному моменту времени, называется фазой.Полный цикл может быть также охарактеризован и угловой ме­рой, называемой фазовым углом. Чтобы этой мерой было удобно пользоваться, за один полный цикл звуковой волны принят цикл, в котором начало (точка покоя) соответствует 0°, первый пик (первое сжатие) — 90°, точка покоя — 180°, разреже­ние — 270° и вторая точка покоя — 360°. Подобный подход позволяет выразить лю­бую часть полного цикла звуковой волне в градусах от 0 до 360.

Возникающие одновременно звуковые волны взаимодействуют друг с другом. Два звука одинаковой частоты, звучащие одновременно, могут быть представле­ны синусоидами, все точки которых абсолютно одинаковы; эти волны накладыва­ются друг на друга, и образуется волна, амплитуда которой равна сумме амплитуд исходных волн. О таких волнах говорят, что они синфазны, т. е. «совпадают по фа­зе». Но если из двух звуковых волн, имеющих одинаковые частоты, одна возникла чуть раньше другой, им будут соответствовать разные синусоиды и они будут до­стигать разрежений и сжатий в разное время. Например, звуки одинаковой гром­кости, одновременно исходящие из двух громкоговорителей, не связанных между собой и расположенных на разном расстоянии от слушателя, могут разойтись по фазе. Иная ситуация, приводящая к несовпадению звуков по фазе, возникает тогда, когда звук от единственного громкоговорителя проходит разные расстояния, прежде чем достигает и правого, и левого уха слушателя: при этом звуки, воспри­нимаемые левым и правым ухом, тоже оказываются «не в фазе». Разница между фазами измеряется в градусах.

Если одна звуковая волна достигает точки сжатия на одну четвертую цикла быстрее, чем другая (т.е. на 1/4от 360°), то говорят, что волны разошлись по фазе на 90°. Если одна волна опережает другую на полцикла, расхож­дение по фазе между этими волнами составляет 180°. При этом если их частоты и амплитуды соответственно равны между собой, волны оказыва­ют диаметрально противоположное влияние на воздушную среду: когда одна волна достигает пика сжатия воздуха, вторая достигает пика его разрежения, в резуль­тате чего они нейтрализуют результаты воздействия друг друга и не будет слышно никакого звука. Про волну, которая является зеркальным отражением другой волны , можно сказать, что она «обратна» по фазе этой волне.

Фаза и шумоподавление.Способность звуковых волн, расходящихся по фазе на 180°, нейтрализовать воздействие друг друга имеет большое практическое зна­чение. Отмена, или нейтрализация, звукового давления с помощью звуковой вол­ны той же амплитуды и частоты, но обратной по фазе может быть использована для «глушения» источников нежелательного шума. Этот метод, получив­ший название метода шумоподавления(в физике его называют деструктивной интерференцией или — иногда — полной аннуляцией. Он был разработан в 70-х гг. XIX в. английским физиком Джоном Уильямом Страттом).

Метод шумоподавления особенно полезен для борьбы с предсказуемым, про­должительным или системным шумом, являющимся результатом смешения таких неприятных, раздражающих, а иногда и потенциально вредных звуков, как гул, рев, вибрация и вой, источниками которых служат промышленные установки конди­ционирования воздуха, различное заводское оборудование и двигатели самолетов, В течение нескольких микросекунд микрофон «отбирает пробу» нежелательного шума, которая затем анализируется компьютером. То, что делает компьютер, по своей сути — анализ Фурье: он выявляет основные обертоны шума и его периоди­ческие компоненты. (На практике эта операция наиболее успешно выполняется с низкочастотным шумом.) Практически немедленно компьютер генерирует иден­тичную звуковую волну, имеющую ту же частоту и амплитуду, что и нежелатель­ный шум, но являющуюся ее зеркальным отражением, т. е. обратную ей по фазе (или расходящуюся с ней по фазе на 180°). Результат одновременного распростра­нения этих двух сложных волн — «антишум», или тишина. При этом исчезают мно­гие раздражающие посторонние шумы, а такие звуки, физические характеристики которых нестабильны (например, человеческая речь), полностью сохраняются. На самом деле метод отмены шума «удваивает количество» последнего, но слыш­на лишь очень небольшая его часть.

Резонанс.Большинство твердых объектов, если по ним ударить или привести их в движение, приложив необходимую для этого силу, вибрируют с определенной частотой. Сто­ит только ударить ложкой по краю стеклянного стакана, и он начнет колебаться с определенной частотой. Частота, с которой колеблется приведенный в движение объект, называется естественной, или резонансной, частотой данного объекта и за­висит от массы и упругости объекта. Вызывать колебания объектов с такой частотой, которая совпадает с частотой ко­лебаний внешнего воздействия, т. е. заставить объекты резонировать, могут различ­ные внешние гармонические воздействия, в том числе и звук. Резкое возрастание амплитуды колебаний объекта при воздействии на него источника звука, частота которого соответствует его собственной естественной, или резонансной, частоте, называется резонансом.

Общее правило, касающееся достижения резонансной вибрации объекта, тако­во: чем меньше разница между резонансной частотой объекта и частотой, воздейст­вующей на него, тем легче она достигается. Наибольшие шансы вызвать резонанс­ную вибрацию объекта имеет тот источник звука, частота которого равна естествен­ной, или резонансной, частоте объекта. Вам самим не раз приходилось наблюдать это явление: вибрацию оконного стекла в помещении, в котором стерео­система включена на полную мощность. Вибрацию стекла вызывают те звуки, ис­пускаемые стереосистемой, которые имеют одинаковую с ним резонансную часто­ту. Причиной того, что, поднеся к уху раковину, мы слышим «шум прибоя», тоже является резонанс: воспринимаемый нами звук — результат совместного воздей­ствия воздуха, который содержится в раковине и резонирует со свойственными ему частотами (представляющими собой сложную смесь преимущественно высоких частот), и внешних звуков. Под воздействием внешних звуков (т. е. звуков вне ра­ковины), даже если они и очень слабы, содержащийся в раковине воздух начинает резонировать, в результате чего и возникает характерный звук морского прибоя.

5.4. Анатомия органа слуха и механизмы звуковых ощущений

 

Рассмотрим те функции органов слуха, благодаря ко­торым описанные выше сложные колебания давления воспринимаются нами как звуки.

На рисунке 5.5. показан орган слуха - ухо человека.

 

 

 

Рис. 5.5. Ухо человека

1 – слуховой проход

2 – барабанная перепонка

3 – молоточек

4 – наковаленка

5 – стремечко

6 – овальное окно

7 – полукружные каналы вестибулярного аппарата

8 – улитка

9 – круглое окно

10- выход слухового нерва.

В первую очередь нас интересуют органы-рецепторы, воспринимающие звуковую энергию, и механизмы ее преобразования в нервные импульсы, а также функции органов-рецепторов. Хотя в природе существует огромное число струк­тур, способных воспринимать акустическую энергию, основным объектом нашего внимания будет ухо человека.

 

Рис. 5.6. Строение слухового рецептора

 

Как следует из рис. 5.6., слуховая рецепторная система может быть условно разделена на три основных структурных компонента: наружное ухо, среднее ухо и внутреннее ухо.

Наружное ухо

Наружное ухо большинства млекопитающих состоит из ушной раковины, наруж­ного слухового прохода и барабанной перепонки.

Ушная раковинаисполняет несколько функций: защищает от механических повреждений чувстви­тельные, легко травмируемые внутренние структуры, предотвращая попадание в слуховой проход инородных тел, и направляет в него улавливаемые ею колебания воздуха. Благодаря своей форме ушная раковина также усиливает высокочастот­ные звуки, частота которых колеблется в пределах 4000 Гц. Кроме того, ушная раковина играет некоторую роль и в тех случаях, когда, услышав звук, человек должен понять, где находится его источник, — впереди или позади него.

Ушная раковина также важна при определении вертикально расположенных источников звука.

Хотя подавляющее большинство людей не имеют возможности управлять мус­кульной системой, контролирующей ушные раковины, многим млекопитающим это доступно. Всем приходилось наблюдать, как кошки или собаки, заслышав ка­кой-нибудь звук, рефлекторно поворачивают свои подвижные ушные раковины в ту сторону, откуда он доносится. Конечно же, при этом способность ушной рако­вины улавливать колебания воздуха, а следовательно, и степень ее участия в лока­лизации источников звуков возрастают. Однако ушные раковины есть не у всех млекопитающих. Такие морские животные, как дельфины и киты, лишены ушных раковин, возможно, потому, что сами их тела способны воспринимать возникающие в воде звуковые волны. Кроме того, выступающие ушные раковины, умень­шая обтекаемость тел, одновременно уменьшали бы скорость передвижения. Возможно, отсутствие ушных раковин у низших позвоночных — рыб, земноводных, рептилий и птиц — объясняется этой же причиной. Наружные слуховые проходы птиц прикрыты перьями, что может даже понизить остроту слуха, но это необхо­димо для уменьшения шума, создаваемого ветром во время полета.

Наружный слуховой проход— это полость, имеющая вид желобка длиной 2,5-3 см и диаметром, равным примерно 7 мм, и с открытым вход­ным (наружным) и слепым выходным (внутренним) отверстиями. Основное назначение наружного слухового прохода – улавливание звуковых колебаний и передача их барабанной перепонке, но он также защищает её от инородных тел и поддерживает определенный температурный режим и влажность вблизи нее. Слухо­вой проход играет роль звукоприемника, и в первую очередь — частот, примерно равных 3000 Гц, усиливая вследствие резонанса чувствительность уха к таким зву­кам. Благодаря резонансной частоте слухового канала звуковое давление у бара­банной перепонки повышается на 8-10 дБ, и ухо становится более чувствитель­ным к звукам с частотой около 3000 Гц. Резонансная частота наружного слухового прохода человека очень близка к часто­там тех звуков, к которым наша аудиальная система наиболее чувствительна.

Барабанная перепонка— тонкая, полупрозрачная мембрана, которая отделяет наружный слуховой проход от среднего уха. Звуковое давление вызывает вибра­цию барабанной перепонки, и именно на ней изменения звукового давления пре­образуются в механическое движение. Смещения барабанной перепонки под воз­действием звуковых волн, необходимые для восприятия звуков, соответствующих слуховому порогу, ничтожно малы. Для восприятия резонансных частот, достаточ­но такого смещения барабанной перепонки, которое меньше по величине, чем ди­аметр атома водорода.

Среднее ухо

Как показано на рис. 5.6., за барабанной перепонкой находится заполнен­ная воздухом полость среднего уха. Среднее ухо трансформирует колебания бара­банной перепонки в механическую энергию, которую и передает внутреннему уху. Непосредственно к барабанной перепонке примыкает молоточек— первая косточка в цепи, состоящей из трех мелких косточек, которые называются слуховыми косточкамии связывают среднее ухо с внутренним. Мо­лоточек связан с наковальней, которая, в свою очередь, связа­на со стременем, самой мелкой из всех слуховых косточек; основание стремени вставлено в овальное окно,которое является входом во внутреннее ухо. Слуховые косточки, общая длина которых рав­на приблизительно 18 мм, прочно соединены связками и передают колебания барабанной перепонки овальному окну, действуя как система рычагов, причем осно­вание стремени играет роль поршня.

Функции среднего уха: выравнивание импедансов.Полости наружного и среднего уха заполнены воздухом, а внутреннее ухо — водянистой жидкостью. Это различие имеет важное значение для передачи звуков во внутреннее ухо. Воздух представляет собой легко сжимаемую среду, а вода в силу своей большей плотности сжимается труднее, а это значит, что передача звуков в водной среде требует более значительных усилий, чем их передача в воздухе. Разница в сопротивлении (или в импедансах), существующая между такими средами, как воздух и вода, обнаружи­вается очень легко: достаточно сравнить не требующее практически никаких уси­лий движение собственного кулака в воздухе и усилие, с которым он преодолевает сопротивление воды. Сопротивление, оказываемое средой при прохождении через нее звуковых волн, называется импедансом, а разница между сопротивлением зву­ковым волнам, имеющим место в разных средах, называется разностью импедан­сов.Переход звуковой волны из одной среды в другую — из заполненной воздухом полости среднего уха в камеры улитки внутреннего уха, заполненные жидкостью, - приводит к возникновению разности импедансов, осложняющей процесс передачи звука специфическими механическими проблемами. Если колебания воздуха не будут трансформированы и каким-то образом сконцентрированы, они не смогут преодолеть сопротивления водянистой жидкости, содержащейся во внутреннем ухе, и аудиальная система утратит значительную часть своей чувствительности.

Основное назначение среднего уха — преобразование импеданса воздушной среды наружного уха в импеданс жидкой среды внутреннего уха и обеспечение эффективной трансмиссии звуковых колебаний из первого во второе. Для повы­шения эффективности передачи звука во внутреннее ухо структурные элементы среднего уха выполняют два важных механических преобразования. Хотя переда­ча колебаний от барабанной перепонки стремени к овальному окну усиливается слуховыми косточками, играющими роль некоего рычага, лишь незначительно, это усиление очень важно. Слуховые косточки способствуют более эффективным механическим движениям стремени, усиливая тем самым колебания и на нем, и на овальном окне приблизительно в 1,3 раза.

Однако большее значение для трасформации колебаний имеет, прежде всего, разница между эффективными поверхностями барабанной перепонки и основания стремени. Площадь барабанной перепонки, равная приблизительно 70 мм², значи­тельно превосходит площадь подножки связанного с овальным окном стремени, которая равна приблизительно 3 мм². Концентрация колебаний сравнительно боль­шой барабанной перепонки на заметно уступающем ей по площади стремени суще­ственно увеличивает давление. (Более конкретно — давление на единицу поверх­ности.) Если равные по величине усилия воздействует на большую и меньшую поверхности, изменение давления будет больше во втором случае. (Точно так же удар молотка оставит на вашем столе лишь незначительный след, а удар такой же силы по маленькой шляпке гвоздя вгонит гвоздь в стол.) Разница в величине эффек­тивных поверхностей двух структур приводит к тому, что на основании стремени и на овальном окне давление приблизительно в 20-25 раз больше, чем на бара­банной перепонке. Этим успешно компенсируется разность импедансов, возника­ющая в связи с возрастанием плотности среды внутреннего уха. Именно поэтому среднее ухо называют также органом,предназначенным для выравнивания импе­дансов.

Итак, среднее ухо играет роль механического преобразователя, назначение которого заключается, прежде всего, в обеспечении продвижения звуковой волны через жидкость, содержащуюся во внутреннем ухе. Слух людей с дисфункцией среднего уха, вызванной патологией слуховых косточек, может быть значительно понижен. Напротив, многие биологические виды, которые обитают в воде и кото­рым в обычных условиях не приходится воспринимать звуки из воздуха, не испы­тывают потребности в механической трансформации, аналогичной той, которая происходит в среднем ухе. Именно поэтому у многих видов рыб нет органов, ана­логичных наружному или среднему уху. Слуховые косточки млекопи­тающих возникли в результате эволюции среднего уха земноводных и рептилий, которое, в свою очередь, — результат эволюции челюстных костей их эволюцион­ных предшественников. Следовательно, возникновение такого чувствительного органа, как среднее ухо живущих на суше млекопитающих, благодаря которому внутреннее ухо, заполненное плотной жидкостью, способно воспринимать аудиальную стимуляцию, зародившуюся в воздухе,— результат эволюционного разви­тия биологических видов, изначально приспособленных только к жизни в воде.