Восприятие звука человеческим ухом

Восприятие звука человеческим ухом

Представьте себе устройство, с помощью которого одинаковой точностью можно взвесить и блоху, и слона! Это кажется невозможным, но ведь человеческое ухо выполняет не менее трудную задачу: самый громкий звук, воспринимаемый им, в 10 триллионов (1013) раз сильнее самого тихого; ухо анализирует звуки, различающиеся по частоте почти в 1000 раз. Мы довольно бойко заговорили об ушах и слухе. Однако что же такое слух? Что происходит на концах этих трубочек? На первый взгляд все кажется совершенно ясным: уши — это орган восприятия звуков. Но устройство их столь тонко и сложно и действуют они сообща с такой точностью, достойной вычислительной машины, что до сих пор наука еще не до конца проникла в их тайну.

Что делают уши? Они воспринимают звук и разлагают его на компоненты, действуя одновременно и как узкополосные анализаторы, и как анализаторы дискретных частот. Они передают в мозг кодированную информацию, достаточно богатую подробностями, что позволяет интерпретировать или идентифицировать звуки и понимать сложную речь. Уши осуществляют также обратную связь, позволяя человеку управлять своей речью; с их помощью мы определяем направление и расстояние до источника звука; из громкого неупорядоченного шума уши могут выделить регулярные звуки, что делает возможным разбирать речь, заглушаемую шумом. В ушах находятся также и органы равновесия. Словом, несмотря на кажущуюся простоту, уши относятся к самым сложным органам человеческого тела, хотя мы и привыкли воспринимать их существование и действие как нечто обычное.

В ухе различают три самостоятельные отдела: наружное, среднее и внутреннее ухо (рис. 15). Лучший способ разобраться в строении уха — это проследить путь, который проходит звуковая волна, прежде чем мы услышим звук. Из гл. 3 мы уже знаем, что, когда звуковая волна бежит по трубе и достигает ее открытого конца, внезапное столкновение волны с бесконечно большим объемом наружного воздуха вызывает почти полное ее отражение. И наоборот, когда звук бежит в воздухе и встречает на своем пути открытый конец трубы, он входит в трубу, обладая лишь малой долей интенсивности наружной волны.

Рис. 15. Ухо.

Часть уха, которую в просторечии мы называем ушным отверстием, — в науке она именуется наружным слуховым проходом — представляет собою трубку. Сама по себе эта трубка не могла бы достаточно эффективно воспринимать звуки из внешнего мира ввиду, говоря техническим языком, несогласования импедансов слухового прохода и внешней среды; без близкого согласования импедансов здесь, как и в радиотехнике, невозможна достаточно полная передача энергии. Это затруднение преодолевается с помощью мясистой лепешки с хрящами, называемой ушной раковиной, которую по незнанию часто недооценивают, не признавая за ней акустической функции. Ушная раковина благодаря особенностям своей формы делает более плавным переход от наружного воздуха к воздуху в слуховом проходе, что несколько увеличивает долю звуковой энергии наружной волны, попадающей в слуховой проход. Ушная раковина аналогична антенне в радиотехнических устройствах.

Проникнув в наружный слуховой проход, звук распространяется далее как плоская волна и через 2— 3 см встречает на своем пути барабанную перепонку. Она представляет собой мембрану, которая удерживается в состоянии известного натяжения двумя мышцами, tensor tympaniиtensor stapedius, и приводится в движение в результате колебания давления в наружном слуховом проходе. К барабанной перепонке присоединены три малые косточки: молоточек, наковальня и стремя, которые находятся в заполненной воздухом костной полости. Форма стремени оправдывает его название; своим основанием стремя упирается в овальное окно — отверстие, ведущее во внутреннее ухо. Среднее ухо с его тремя косточками — еще одно приспособление для согласования импедансов; его можно считать акустическим трансформатором. Три косточки, объединенные названием «слуховые косточки», образуют плечи рычага, длины которых относятся приблизительно как 3:1, и если учесть, что поверхность овального окна во много раз меньше поверхности барабанной перепонки, то оказывается, что давление, передаваемое на овальное окно, приблизительно в 20 раз больше, чем давление, испытываемое барабанной перепонкой.

Среднее ухо соединено с носоглоткой евстахиевой трубой, получившей свое название по имени открывшего ее итальянского анатома. При глотании евстахиева труба открывается и давление по обе стороны барабанной перепонки выравнивается, что существенно, в частности, для компенсации изменений давления, которые происходят, например, при подъеме на высоту. Вероятно, каждому, кто летал на самолетах, внутри которых давление не поддерживается достаточно постоянным, приходилось испытывать ослабление слуха или боль в ушах при посадке или на взлете; эти ощущения особенно сильны при насморке. Причина их — падение или увеличение атмосферного давления снаружи барабанной перепонки, когда давление внутри среднего уха сохраняется неизменным. В этих условиях барабанная перепонка оказывается под действием одностороннего давления, что снижает ее способность к колебаниям и вызывает некоторую тугоухость. При достаточно сильном давлении на барабанную перепонку появляется боль в ушах.

Обычно при глотании все эти ощущения исчезают; евстахиева труба открывается, воздух проходит в полость среднего уха или выходит из нее, и давление по обе стороны барабанной перепонки уравнивается. Затем евстахиева труба вновь закрывается, и барабанная перепонка может возобновить колебания. Но при насморке евстахиева труба и даже полость среднего уха наполнены слизистыми выделениями, и выравнивание давления может не произойти. В среднем ухе часто содержится небольшое количество жидкости, которая выводится при глотании, но если полость заполнена слизью, то колебания слуховых косточек тормозятся вязкостью жидкости, и это еще более снижает чувствительность слуха.

Слуховой процесс завершается после того, как колебания косточек передаются во внутреннее ухо. Этот отдел представляет собой сложную систему трубочек, заключенных в кость черепа, и называется лабиринтом. В нем объединены два различных органа; одна его часть — это вестибулярный аппарат, включающий полукружные каналы и не имеющий отношения к слуховому процессу. Вестибулярный аппарат — это устройство для измерения углового ускорения тела, позволяющее удерживать равновесие. Другая часть лабиринта, улитка, — самый сложный элемент уха. С виду она похожа на очень маленькую раковину улитки и состоит из спиральной трубочки, заполненной жидкостью, называемой перилимфой; улитка делится перегородкой на две параллельные полости: верхний и нижний каналы. Эти каналы на конце улитки соединяются небольшим отверстием в перегородке, называемым геликотремой.

Если бы спиральную трубочку улитки удалось развернуть, она приобрела бы форму, изображенную на рис. 16, а. Движение стремени в овальном окне вызывает колебания перилимфы, возможные благодаря тому, что круглое окно, расположенное в конце нижнего канала, затянуто гибкой мембраной, которая допускает, перемещение практически несжимаемой жидкости.

Рис. 16. Схема «развернутой» улитки (а). Сечение витка улитки (б).

Перегородка улитки состоит из мембраны Рейсснера и базилярной мембраны и содержит другую жидкость — эндолимфу. В пространстве между этими двумя мембранами находится орган Корти, содержащий приблизительно 24 000 так называемых волосковых клеток, расположенных на базилярной мембране, имеющей волокнистую структуру, напоминающую струны арфы. Специалисты пока еще не пришли к единодушному мнению относительно того, как именно эти клетки, связанные с нервными окончаниями и слуховым нервом, реагируют на колебания перилимфы. Некоторые ученые считали ранее, что волокна базилярной мембраны находятся в состоянии натяжения и их резонансная частота (вспомним натянутую струну) прогрессивно понижается с удалением от основания мембраны овального окна, а частотный анализ звука осуществляется благодаря тому, что каждое волокно возбуждается только на своей собственной частоте.

Сейчас наибольшим признанием пользуется теория Георга фон Бекеши. Согласно этой теории, волокна не натянуты и сложные механические силы вызывают изгибание базилярной мембраны в разных точках (в зависимости от частоты звука) по ее длине; при этом орган Корти испытывает сдвиговые напряжения в соответствующих точках, что в свою очередь вызывает возбуждение нервных волокон.

Однако довольно физиологии. Поговорим лучше о том, что именно слышат уши, потому что для жертв шума это гораздо важнее, чем как именно они слышат. Самый низкий тон, воспринимаемый человеком с нормальным слухом, имеет частоту около 20 Гц. Точно установить нижнюю границу шкалы слышимости довольно трудно, поскольку звуки с частотой ниже 20 Гц нередко воспринимаются не органом слуха, а другими участками нервной системы. Верхний предел слухового восприятия сильно различается у разных людей. Особое значение здесь имеет возраст. В восемнадцать лет при безупречном слухе можно услышать звук до 20 000 Гц [20 кГц (килогерц)], но в среднем границы слышимости для любого возраста лежат в интервале 18—16 кГц. Некоторые люди почти постоянно ощущают в ушах слабый звон очень высокой частоты, что мешает им различать внешние раздражители подобной частоты.

Термины «высота звука» и «частота звука» отнюдь не равнозначны. Частота — это физическая величина, характеризующая звуковую волну, а высота тона — чисто субъективное ощущение, которое зависит не только от частоты. При больших интенсивностях высота звука повышается как на высокой, так и на низкой частоте, при малой же интенсивности низкочастотного звука его частота может изменяться примерно на 5 % без заметного для слушателя изменения высоты.

Высота тона и частота не являются синонимами еще и по той причине, что сложные звуки часто обладают определенной высотой, но в действительности состоят из целого ряда частот. Так, например, звук скрипки имеет определенную высоту, но содержит множество гармоник, имеющих различные частоты.

Высота, которую обычно приписывают такому звуку,— это высота основной частоты, или первой гармоники; однако, как оказывается, если из такого сложного звука убрать основную частоту, его высота останется для слушателя той же, изменится только окраска тона, или тембр. Это следует считать слуховой иллюзией: показано, что в подобных случаях отсутствует возбуждение в том участке улитки, который обычно возбуждается на основной частоте.

С возрастом чувствительность человеческого уха к высокочастотным звукам постепенно падает; это совершенно нормальный процесс, называемый пресбикузисом. На рис. 17 показано обычное течение этого процесса. Кривые, соответствующие самым низким слышимым уровням звука для различных частот, одновременно отражают одно из важнейших явлений акустики: слух гораздо чувствительнее к звукам в области 4 кГц, чем к более низким или более высоким звукам. Обычно звук частотой 30 Гц слышен только при уровне звукового давления 60 дБ, тогда как для молодого человека с хорошим слухом порог слышимости на частоте 4 кГц может опускаться, как известно, до −2 дБ. Знак «минус» не должен никого смущать: он вовсе не означает, что речь идет о количествах звука, «меньших, чем отсутствие звука». Вспомним, что уровень звукового давления обычно выражают в децибелах относительно уровня 0,00002 Н/м2. Если измеряемое звуковое давление меньше этой величины, уровень в дБ выражается отрицательным числом. Впрочем, практически уровень окружающего шума никогда не бывает настолько низок, чтобы удалось расслышать звук уровня −2 дБ. Указанное выше различие в чувствительности слуха, как показано на рис. 17, становится гораздо менее заметным при возрастании звукового уровня, а когда звуковой уровень значительно превышает 130 дБ, то независимо от частоты звук вызывает болевое ощущение. Звуки с уровнем порядка 150 дБ при любой частоте немедленно приводят к повреждению слуха.

Вопросом повреждения слуха под воздействием шума мы займемся немного позже, а сейчас, пока мы еще не забыли физиологию уха, интересно ознакомиться с двумя защитными приспособлениями, созданными самой природой, которые в какой-то мере предохраняют ухо от повреждения шумом. Одно из них известно под названием ушного рефлекса. Мышца tensor tympaniудерживает барабанную перепонку в состоянии легкого натяжения; эта мышца состоит из двух небольших мышц, которые тянут барабанную перепонку внутрь, а стремя — наружу. Если ухо подвергается воздействию шума, превышающего приблизительно 90 дБ, в течение времени свыше 10 мс (миллисекунд), происходит рефлекторное сокращение мышцыtensor tympani, в результате все механические части среднего уха становятся более жесткими, что снижает чувствительность к звукам низкой и средней частоты. Встречаются счастливчики, обладающие способностью произвольно управлять ушным рефлексом: зная о предстоящем громком звуке, они могут сократить мышцу и тем самым защитить свой слух.

Рис. 17. Линии равной громкости для чистых тонов (для людей различных возрастов).

Второе защитное приспособление состоит в изменении характера колебаний ушных косточек. В условиях нормальной функции при шуме обычной интенсивности под воздействием колебаний слуховых косточек стремя приобретает поступательное движение, которое через основание стремени и овальное окно передается перилимфе, заполняющей верхний канал улитки. Но если кто-то, к своему несчастью, окажется с незащищенными ушами под воздействием шума свыше 140 дБ, то характер колебаний молоточка, наковальни и стремени у него резко изменится — они начнут качаться из стороны в сторону. При таком движении основания стремени перилимфа не будет двигаться вдоль улитки, а станет только перемещаться с одной стороны овального окна к другой. При этом колебания давления в перилимфе заметно уменьшатся; поэтому, как только косточки начнут колебаться подобным образом, громкость воспринимаемого звука мгновенно упадет.

Как видно из рис. 17, ухо не только значительно менее чувствительно к звукам низкой частоты, но, кроме того, неравномерно оценивает громкость на различных частотах. Можно было бы предположить, что при удвоении уровня звукового давления удваивается и громкость, однако это не так. В предыдущей главе мы говорили, что удвоение звукового давления соответствует увеличению уровня звука на 6 дБ. Если однако, мы измерим в децибелах уровень какого-нибудь звука, а потом будем усиливать его до тех пор, пока он не покажется нам вдвое громче, то обнаружим, что уровень звукового давления увеличится приблизительно на 10 дБ; иными словами, звуковое давление возросло более чем в три раза. Из гл. 2 мы знаем, что это соответствует усилению интенсивности звука (плотности потока энергии на единицу поверхности) в 10 раз.

Как звуковой анализатор ухо обладает одним очень существенным недостатком: в присутствии чистого тона определенной частоты ухо не воспринимает звуки близких частот и меньшей интенсивности (рис. 18). Это явление, называемое маскировкой, имеет место не только при чистых тонах, но и при любых звуках. Впрочем, иногда маскировка чрезвычайно удобна: например, в тех случаях, когда желательно, чтобы какой-то разговор не был слышен посторонним, часто значительно проще ввести дополнительный звук, чем понизить звуковой уровень речи.

Рис. 18. Маскирующее действие чистого тона.

А как обстоит дело с другими свойствами нашего слуха: определением направления и расстояния, различением отдельных дискретных составляющих на фоне сплошного шумового спектра, а не только простого восприятия высоты отдельной заданной ноты? Оба эти свойства нашего слуха обусловлены наличием двух ушей; у людей, страдающих понижением слуха в одном ухе, эти способности отсутствуют. Как определяется направление прихода звука, понятно из рис. 19. Если только источник звука расположен не в плоскости симметрии головы, расстояния от источника звука до каждого из ушей различны и, следовательно, до одного уха звук дойдет на какую-то малую долю секунды раньше, чем до другого. Мозг в состоянии измерить» эту разницу во времени и таким образом определить направление, откуда идет звук. Однако точность такого определения не очень высока, поскольку, если расстояние до источника звука неизвестно, угол, под которым приходит звук, нельзя определить, зная только разницу во времени прихода звука. Впрочем, на основании опыта слушатель часто может определить расстояние до источника звука, исходя из его громкости, а в случае удаленных источников — учитывая частотный спектр звука, который претерпевает известные изменения в результате поглощения в атмосфере и влияния окружающей среды, что приводит к затуханию высокочастотных звуков. Кроме того, за исключением случая, когда источник расположен почти в плоскости симметрии головы, одно ухо всегда находится в звуковой тени, так сказать, «за углом», и звук доходит до него только в результате дифракции на лицевой или затылочной части головы. Это обстоятельство усиливает разницу во времени между импульсами, поступающими в мозг от обоих ушей, а также снижает громкость звука, попадающего в затененное ухо.

Рис. 19. Определение направления прихода звука.

Из сказанного легко понять, что установить местоположение источника низкочастотных звуков гораздо труднее, чем высокочастотных, так как в первом случае разница во времени сказывается много меньше, чем во втором. Кроме того, как мы узнаем в гл. 6, низкочастотный звук в гораздо большей степени огибает препятствия в результате дифракции, чем высокочастотный, вследствие чего разница в громкости звуков, воспринимаемой каждым ухом, еще более снижается.

Еще одно преимущество бинаурального слуха (с помощью обоих ушей) связано с основным различием между звуком, состоящим из чистых тонов, и случайным звуком, подобным в известном смысле хаотическому движению молекул воздуха. Если нужно уловить гармонический звук, например, сквозь шум ветра, человеческое ухо справляется с этой задачей много лучше любого электронного инструмента, за исключением вычислительной машины. Причина этого проста, и соответствующий процесс совершенно аналогичен корреляционному методу анализа звука с помощью вычислительной машины.

У взрослого человека расстояние между ушами составляет 150—200 мм, что, как мы уже говорили, почти всегда приводит к заметной разности фаз между звуками, приходящими к каждому из ушей. Произведение таких двух сигналов для периодического и для случайного исходного звука зависит от сдвига фаз по-разному: для периодического звука среднее значение произведения зависит от разности фаз также периодически; для случайного же звука среднее значение произведения быстро падает при увеличении разности фаз. Это обстоятельство и позволяет различать периодический или гармонический звук на фоне случайного шума. Последние абзацы, по-видимому, особенно интересны для любителей высококачественного воспроизведения звука с помощью стереофонических устройств, которые, однако, были созданы в первую очередь для того, чтобы придать воспроизводимому звуку дополнительное «измерение», что позволяет создать эффект бинаурального (или стереофонического) восприятия звука.

Не слишком отклоняясь от темы настоящей главы, рассмотрим еще одно явление, связанное с бинауральным восприятием звука, а именно чревовещание. По своей сути чревовещание значительно более сложная иллюзия, чем кажется. Как мы уже видели, наша способность определять направление звука при слушании обоими ушами имеет слабое звено (его можно ликвидировать, используя третье электронное «ухо»— микрофон): разность по времени или по фазе в восприятии звука каждым ухом указывает направление только в том случае, если известно расстояние до источника звука, но и тогда зачастую не слишком точно. Когда кто-нибудь говорит с нами, всегда более или менее очевидно, откуда именно идет звук, потому что мы видим, как человек шевелит губами и двигает челюстью. В подобных случаях мозг срабатывает безошибочно, и его невозможно убедить, что звук идет из какого-либо другого места. Но если человек сжал челюсти и говорит без каких-либо видимых признаков речи, зрительно определить расстояние до источника звука уже невозможно и процесс отыскания направления становится менее четким. Если чревовещатель достаточно ловок для того, чтобы теми или иными неакустическими средствами заставить слушателя сосредоточить внимание на каком-то не слишком удаленном предмете, мозг учтет визуальное расстояние до этого предмета при «вычислении» фазовой разности между ушами; в результате у слушателя возникает подлинное ощущение, что звук приходит именно от этого предмета. Если в качестве последнего выбрана какая-нибудь весьма эффектная подвижная кукла, то впечатление бывает достаточно сильным. Впрочем, теперь чревовещатели обычно появляются только на экранах телевизоров; здесь акустический эффект чревовещания совершенно теряется, и зритель видит лишь какое-то кукольное представление и человека, говорящего с закрытым ртом.

Конечно, уши не всегда работают так идеально, как следовало бы. Несчастный случай болезнь, воздействие шума — все это может серьезно нарушить их функцию. Инородное тело может прорвать барабанную перепонку, а удар по голове вызвать повреждение среднего или внутреннего уха. Болезнь может поразить среднее ухо или уничтожить чувствительные волосковые клетки на базилярной мембране, но хуже всего, когда произойдет повреждение слухового нерва и нарушатся его связи с головным мозгом — тогда бедняга, с которым это случилось, становится «глухим как пень», наступает глухота восприятия.

При всех видах глухоты, кроме последнего, медицина в состоянии помочь пострадавшему: поврежденные барабанную перепонку и слуховые косточки заменяют путем трансплантации или вживления искусственных косточек из пластмассы. Если волосковые клетки в улитке начинают терять чувствительность — может помочь усиление звука, поступающего в наружный слуховой канал; но когда погибает слуховой нерв — ухо как орган чувств становится совершенно бесполезным. Я надеюсь, что когда-нибудь станет возможным такое возбуждение других участков нервной системы; которое приведет к «искусственному» слуху. Ощущение боли чем-то сходно со слухом. Боль часто имеет «тональную характеристику»: у булавочного укола — высокий тон, у головной боли — низкий. Возможно, уже не за горами то время, когда путем возбуждения соответствующих участков нервной системы несчастным людям с погибшим слуховым нервом вновь будет дана возможность воспринимать звук. Слепому, безусловно, можно дать простейший вид «зрения», используя его спину как своего рода телевизионный экран, и действуя на различные участки спины с определенными силами в соответствии с находящимися перед ним предметами. В настоящее время исследуется также возможность введения сигналов непосредственно в мозг.

Ухо может быть повреждено в результате болезни, но гораздо тревожнее тот факт, что только у малого числа взрослых мужчин слух не поврежден шумом; поэтому, в частности, почти невозможно установить, какой слух следует считать «нормальным» для мужчин. Чем это вызвано? Здесь можно назвать несколько причин. Мало кто из мужчин, достигших среднего возраста, ни разу в жизни не пользовался огнестрельным оружием, причем с незащищенными ушами; многие участвовали в военных действиях. Хотя в настоящее время во всех видах войск ясно отдают себе отчет в том, какую опасность представляет шум, и даже вносят своими работами немалый вклад в изучение этого вопроса, многие любители стрелкового спорта и охотники забывают, что каждый выстрел — это еще один шаг к тугоухости. В военных школах мальчики подвергаются действию шума ружейных выстрелов, что представляет серьезную опасность для слуха, особенно на закрытых стрельбищах; 12-калиберные охотничьи ружья приносят не меньше вреда, чем боевые винтовки. Ушные протекторы, о которых пойдет речь в гл. 14, обязательны для всех, кто пользуется любым огнестрельным оружием. Однако при этом необходимо соблюдать величайшую осторожность, поскольку такая защита ушей может привести к несчастному случаю, если помешает человеку услышать предостерегающий окрик.

Самая распространенная и серьезная причина тугоухости, вызванной шумом, — это воздействие высоких уровней шума на рабочих местах, будь то кабина дизельного грузовика, литейный завод или другие самые различные предприятия — от типографии до фабрики синтетических материалов. Если исключить взрывы и стрельбу, то повреждение слуха шумом вне связи с работой — событие маловероятное. Как бы ни раздражал человека шум самолетов или наземного транспорта, он вряд ли может вызвать физиологическое повреждение слуха. Возможно, исключение составляют мотоциклы некоторых марок и, как мы уже говорили, оркестры поп-музыки. Как же именно воздействует шум на свои жертвы? Какой уровень шума следует считать опасным? Обратимы ли повреждения слуха?

Шум может повлиять на слух трояким образом: вызвать мгновенную глухоту или повреждение органа слуха; при длительном воздействии — резко снизить чувствительность к звукам определенных частот, и, наконец, шум может снизить чувствительность слуха на ограниченное время — минуты, недели, месяцы, после чего слух восстанавливается почти полностью.

Первый тип поражений — акустическая травма — обычно вызывается воздействием шума очень большой интенсивности, например взрыва. По очевидным причинам установить экспериментально минимальный уровень шума, приводящего к повреждениям такого рода, невозможно; но, по-видимому, импульсный шум, превышающий 150 дБ, вызывает травму мгновенно. При этом барабанная перепонка может оказаться непоправимо разорванной, а слуховые косточки сломанными или смещенными. Однако не исключено, что улитка все-таки уцелеет, поскольку повреждение косточек может помешать передаче всей энергии шума в перилимфу.

Говоря об импульсном шуме, следует отметить одно существенное обстоятельство, связанное со сказанным в предыдущей главе. Большая часть шумомеров определяет не максимальное значение давления в звуковой волне, а среднеквадратичное, то есть некоторую усредненную величину. Это удобно для измерения непрерывного шума и дает результаты хорошо совпадающие с субъективной слуховой оценкой шума; однако при измерении импульсного шума, когда нередко наблюдается всего один максимум с очень крутыми подъемом и падением, среднеквадратичная величина дает безнадежно заниженную оценку уровня шумового импульса. К тому же быстродействие обычных шумомеров, как правило, недостаточно для того, чтобы стрелка успела дойти хотя бы до среднеквадратичной величины. Для измерения импульсного шума лучше всего либо получить изображение звуковой волны на электронно-лучевом осциллографе и измерить максимальный уровень по делениям на экране, либо воспользоваться специальным импульсным шумомером.

Взрывы не единственный источник импульсного шума. Удар молотом, по стальной пластине также производит значительный импульс шума, хотя и не столь высокого уровня, как взрыв. Импульсы меньших интенсивностей тоже травмируют слух, но вызывают повреждения не в среднем, а во внутреннем ухе, как и непрерывный шум, о котором речь еще впереди. Что касается импульсного шума, то здесь человек в своей эволюции явно отстал от развития техники. Как мы уже знаем, в человеческом ухе есть два защитных устройства: одно из них — ушной рефлекс. К несчастью, он срабатывает в течение примерно 10 мс (миллисекунд), а за это время импульсный шум уже может вызвать травму. Но подобный импульсный шум с очень коротким временем нарастания почти никогда не встречается в природе, он порождается только человеком. Следовательно, природа вовсе не «зазевалась», допустив задержку ушного рефлекса, а просто «не приняла в расчет» обстоятельств, не существовавших в течение миллионов лет. Следующим шагом эволюционного процесса в этом направлении, несомненно, будет развитие способности к произвольной активации рефлекса при первых же признаках угрожающе громкого шума у значительно большего числа людей, чем число «счастливчиков», обладающих этой способностью уже сегодня. Как мне кажется, можно научиться произвольно вызывать у себя ушной рефлекс. Иногда нетрудно уловить момент, когда этот рефлекс вступает в действие — при этом часто слышно слабое щелкание, без сомнения связанное со смещением ушной серы около барабанной перепонки при натяжении последней. За этим щелчком следует понижение чувствительности слуха.

Еще один мощный источник импульсного шума — это звуковой хлопок, создаваемый самолетом. Прежде всего следует сказать, однако, что, по общепринятому мнению, для разрыва барабанной перепонки требуется пиковое избыточное давление в 35 000 Н/м2, а для повреждения легких — 100 000 Н/м2. Избыточное же давление, создаваемое сверхзвуковыми самолетами, очень редко превышает 100 Н/м2. Избыточное давление свыше 6000 Н/м2люди переносят без каких-либо вредных физиологических последствий, так что здесь мы еще имеем достаточный запас «прочности». Однако психологическая реакция становится значительной, и люди начинают выражать свое неудовольствие вслух уже приблизительно при 50 Н/м2; при избыточном давлении в 50—100 Н/м2изредка возникают мелкие повреждения зданий, но общественное возмущение становится громогласным.

Может показаться странным, почему этот тип шума не выражают в децибелах, как все прочие шумы. Разумеется, сделать это вполне возможно. Тогда приведенные цифры преобразятся следующим образом: 185 дБ — разрыв барабанной перепонки, 194 дБ — повреждение легких, 134 дБ — оглушительное и 128 дБ — умеренное негодование общества (все эти цифры взяты относительно уровня 2×10−5 Н/м2). Однако звуковой хлопок настолько сильно отличается от обычного шума и наступает так внезапно, что данные, выраженные в децибелах, только создают неясность. Кроме того, если требуется установить степень воздействия шума на людей и здания, необходимо знать действительную величину максимального давления, с которым действует звуковая волна. О причинах звукового хлопка мы поговорим в гл. 6.

Однако повреждение слуха импульсным шумом — это еще не главная причина для беспокойства. Гораздо более пагубны для слуха длительные периоды непрерывного воздействия шума большой интенсивности. Этот вид шума действует двояко, причем первый вид воздействия может и не причинить серьезного вреда. Так, если человек подвергается долее чем несколько минут воздействию звука средней или высокой частоты с уровнем около 90 дБ или немного выше, он испытывает после этого так называемый «временный сдвиг порога». Нормальный порог слухового восприятия — это самый низкий уровень, при котором данный человек еще слышит звук той или иной частоты; после воздействия сильного шума этот порог заметно повышается. Допустим, человек в нормальных условиях слышит звук частоты 4000 Гц при уровне звукового давления в 5 дБ. Уровень фонового шума обычно много выше 5 дБ, и поэтому измерения порогов слухового восприятия следует производить в специально оборудованных помещениях с очень низким уровнем окружающего шума, подавая звуковые сигналы через головные телефоны. Эта методика называется аудиометрией; она позволяет получить кривую индивидуальной чувствительности слуха, или аудиограмму. Обычно на аудиограммах отмечают отклонения от нормальной чувствительности слуха, а не действительный порог слышимости.

Рис. 20. Аудиограмма типичного сдвига порога слышимости после кратковременного воздействия шума.

Подвергнем испытуемого в течение 10 мин воздействию шума в частотной полосе 1200—2400 Гц при уровне звукового давления, скажем, 100 дБ; немедленно после прекращения шума у него обнаружится понижение чувствительности слуха. Если раньше он слышал звук в 4000 Гц при уровне в 5 дБ, то, чтобы он смог его услышать после шумового воздействия, звук придется усилить до 20 дБ. Однако такое понижение слуха продолжится не более получаса, после чего остаточный сдвиг порога станет незаметным. На рис. 20 представлена типичная аудиограмма, снятая немедленно после такого шумового воздействия. На ней можно заметить некоторое несоответствие частот: сдвиг порога сильнее всего выражен для частоты 4000 Гц, хотя шум, вызвавший сдвиг, звуков этой частоты не содержал. Такое несоответствие характерно для понижения слуха, вызванного шумом, и причины его пока не вполне ясны. Почти всегда наибольший сдвиг порога слышимости наблюдается на более высокой частоте, чем частота шума, вызвавшего сдвиг.

С увеличением времени воздействия и при повышении уровня шума увеличивается временный сдвиг порога и удлиняется период восстановления. Если, например, шум в 100 дБ при частотах 1200—2400 Гц длился 100 мин, то временный сдвиг порога превзойдет 30 дБ, а для восстановления нормального слуха потребуется около 36 ч.

Если воздействие сильного шума не происходит систематически, то остаточный эффект столь незначителен, что им можно пренебречь. Однако множество людей во всем мире постоянно подвергаются на производстве или других работах воздействию высоких уровней шума; эффект перестает быть временным, и с годами понижение слуха становится тяжелым и хроническим. Обычно жертвы шума склонны отрицать, что у них не все благополучно со слухом. Мне приходилось бывать на многих шумных заводах, где говорили: «Да, действительно, уровень шума у нас высокий, но мы привыкли и наша «терпимость» к шуму возросла». Чепуха! Происходит вот что: человек приходит на работу, где уровень шума высок, и, конечно, у него нет привычки к шуму. В конце первого рабочего дня у него возникнет сильный временный сдвиг порога, который, возможно, будет сопровождаться звоном в ушах («тинитус»). Если он поедет домой на своей машине, то обнаружит, что ее мотор стал шуметь как двигатель машины более высокого класса, ибо он не услышит дребезжания и скрипа, в особенности шумов, близких по частоте к 4000 Гц. Дома голос жены будет звучать так же громко, как обычно, но у него возникнет ощущение, что она говорит как бы через одеяло. Если у него нет других нарушений слуха, то он заметит, что звучание высокочастотных звуков неестественно усилилось; это обусловлено тем, что сравнительно со значительной потерей чувствительности к частотам около 4000 Гц потеря ее на более высоких частотах ничтожна. Шум окажет действие и на психику — человек почувствует сильную усталость.

На следующее утро слух у него частично восстановится, звон в ушах прекратится, а усталость пройдет после сна. Второй и последующие дни работы повлияют на него гораздо меньше. У него уже установится сдвиг порога слышимости, и поэтому шум покажется ему не таким громким. Он привыкнет к некоторому понижению слуха и, возможно, перестанет испытывать звон в ушах. Если спустя некоторое время, вплоть до одного года, — это зависит от характера и уровня шума, — этот человек оставит шумную работу и перейдет на тихую, через несколько недель, а возможно, месяцев его слух восстановится в удовлетворительной степени. Однако, если он не изменит работы, наступит момент, когда восстановление слуха будет уже невозможно, и в конце концов он сам начнет замечать, что острота слуха у него понизилась и ему стало труднее разбирать слова. Он обнаружит, что понимает, что говорится по телевизору, только тогда, когда звук очень громкий, даже по его собственному ощущению.

На этой стадии повреждение стало стойким и необратимым. С годами провал в области 4000 Гц на аудиограмме этого человека все более углубляется, а затем и расширяется — чувствительность слуха снижается и на других частотах. К старости он станет совсем тугоухим (рис. 21).

Рис. 21. Типичные аудиограммы, показывающие потерю слуха у ткачей.

Итак, мы обсудили симптомы. А что можно сказать о причинах? Какой силы и какого рода шум причиняет повреждения? Проводились обширные исследования, и в 1972 г. Министерством труда был выпущен Кодекс правил по уменьшению дозы шума, получаемой работающими по найму, разработанный на основе наблюдений случаев повреждения слуха у лиц, занятых в промышленности. Эти исследования выполнены проф. Бэрнсом из Медицинского института (Чаринг-Кросс) и доктором Робинсоном из Национальной физической лаборатории. Пределы допустимого шума, указанные в кодексе, были установлены с оглядкой на реальность соблюдения их предпринимателями; некоторые эксперты считают эти пределы завышенными на 5 дБ. А если бы было возможно вообще пренебречь практическими трудностями, эти пределы следовало бы понизить на 10 дБ.

В предыдущей главе мы говорили об эквивалентном уровне непрерывного шума, обозначаемом Lэкв. Эта шкала особенно удобна в тех случаях, когда необходимо установить критерий риска повреждения слуха, поскольку она дает готовый рецепт для учета очень различных уровней шума, с которыми сталкивается разнорабочий, который в течение коротких периодов времени находится на разных участках завода с разными уровнями шума. В простейшем случае, когда рабочий проводит вблизи одной и той же машины 8 ч в день, предельный уровень шума, допускаемый кодексом, равен 90 дБА; так как в этом случае шум все время постоянен, то и по шкалеLэквэтот предел равен 90 дБА. Если работающий подвергается воздействию шума всего четыре часа в день, а остальное время работает в условиях тишины, предельный уровень шума, установленный кодексом, равен 93 дБА, потому что при сокращении вдвое времени воздействия шума суммарная величинаLэквсохраняется, если увеличить вдвое энергию шума (то есть повысить уровень на 3 дБ). В кодексе приведен также метод вычисленияLэквдля случая суммарного воздействия различных уровней шума в течение разных промежутков времени, но самый простой, хотя и более дорогой способ учитывать все вариации уровней шума со временем — это измерениеLэквпри помощи шумомеров специальной конструкции. Некоторые из них включают небольшие съемные элементы, так называемые дозиметры, которые обследуемый носит на себе; время от времени их показания снимаются с помощью основного устройства, и таким образом определяется доза шума. В табл. 5 приведены предельно допустимые дозы воздействия различных постоянных уровней шума в виде максимального времени, в течение которого можно ежедневно находиться под воздействием этого шума без риска повреждения слуха.

 

Таблица 5

Критерий риска повреждения слуха, полная ежедневная доза воздействия

Продолжительность воздействия

Предельно допустимые дозы, дБА

8 ч

90

4 ч

93

2 ч

96

1 ч

99

0,5 ч

102

0,25 ч

105

7 мин

108

4 мин

111

2 мин

114

1 мин

117

30 с

120

 

Не все люди одинаково реагируют на шум. Одна и та же доза шумового воздействия у одних вызывает повреждения слуха, у других — нет, у одних эти повреждения могут быть тяжелее, чем у других. Поэтому любой предел допустимого шума всегда следует оценивать исходя из числа людей (в процентах), получающих после воздействия шума повреждения более слабые, чем какой-то выбранный предел. Пределы, взятые из кодекса и представленные в табл. 5, гарантируют, что у 90 % людей указанные дозы шума вызовут остаточное понижение слуха менее чем на 20 дБ после 50 лет работы при указанной дозе шумового облучения. При снижении пределов на 5 дБ эта цифра увеличится до 93 %, а при снижении на 10 дБ — до 96 %. Потеря слуха более чем на 20 дБ начинает серьезно мешать человеку, когда к этому добавляются еще возрастные изменения слуха. Понижение слуха меньше чем на 20 дБ не очень существенно, а на 10 дБ — практически неощутимо.

Как правило, шум, настолько громкий, что невозможно разговаривать, не переходя на крик, уже несет опасность повреждения слуха. Можно утверждать, что если человек, не работающий систематически в шумовой зоне, получит после пребывания в ней временный сдвиг порога слышимости, то уровень шума в зоне скорее всего превышает 90 дБА. Вообще, независимо от продолжительности воздействия оставлять уши незащищенными при уровне шума в 120 дБ неразумно, а при уровне, достигающем 135 дБ, — опасно. Даже при пользовании ушными протекторами абсолютный предел допустимого уровня шума составляет 150 дБА, а так как многие виды протекторов снижают уровень всего на 20 дБА или даже меньше, то ношение их не уничтожает опасности повреждения слуха, если вы находитесь весь день в зоне сильного шума. Как мы увидим в гл. 11, это не единственный недостаток ушных протекторов, препятствующий решению проблемы повреждения слуха шумом.

По-видимому, шумы, состоящие из чистых тонов, более опасны, чем широкополосные шумы; поэтому на заводах, где машины или какие-либо процессы производят шумы одного тона или группы тонов очень большой громкости, предельные уровни шума должны быть на 5—10 дБА ниже, чем это предусмотрено кодексом.

Понижение слуха, вызванное производственным шумом, иными словами, профессиональное повреждение слуха, — пожалуй, самое серьезное воздействие шума, но оно не единственное. Шум оказывает на человека много других вредных воздействий: некоторые виды шума и вибрации вызывают заболевания; шум может серьезно нарушить связь, он нередко приводит к несчастным случаям; при постоянном раздражающем воздействии шум может вызвать психические нарушения; шум мешает заснуть и прерывает сон, и результаты этого могут быть весьма серьезными. Короче говоря, шум ухудшает условия жизни человека.

Еще не все вредные воздействия шума и его сообщника— вибрации раскрыты до конца. Известно, что люди, работающие с вибрирующими ручными инструментами, страдают заболеваниями, известными как «белые пальцы», «мертвая рука», «явление Рейно». Симптомы заболевания — боль, онемение и цианоз пальцев, как при действии холода. Очень часто наблюдается и повреждение суставов и костей рук, причем суставы распухают и теряют подвижность. Возможно, что повреждения костей и суставов наступают в результате повторных резких ударов, которым подвергаются кисти рук при работе с ударными механизмами, а другие симптомы вызываются высокочастотными колебаниями. Есть у меня такая, казалось бы, невинная машинка — ручной пылесос для автомобиля, совершающий вибрации с частотой 290 Гц. Уже через полчаса работы он вызывает онемение и слабое покалывание в руке. Я обнаружил также, что вибрация кисти может вызвать временный сдвиг порога слышимости вследствие передачи колебаний через кости руки и шеи во внутреннее ухо. На сей раз виновником оказался ручной вибрационный гравировальный резец с частотой вибраций 50 Гц. Поработав этим резцом в течение получаса и надев ушные протекторы, чтобы исключить возможность сдвига порога звуком, передающимся по воздуху, я нашел у себя временный сдвиг порога, эквивалентный сдвигу, возникающему при том же времени воздействия высокочастотного шума в октавной полосе с уровнем около 90 дБ. Если подобный инструмент может привести к временному сдвигу порога, он, несомненно, может вызвать и остаточное понижение слуха у людей, работающих с ним постоянно. Наиболее вредное действие обычно оказывают гармоники рабочей частоты механизма, а эти гармоники даже у пневматического сверла достигают нескольких кГц. Такая вибрация повреждает периферические нервы и капилляры пальцев и кистей рук.

Другие вредные воздействия шума и вибраций на организм в настоящее время не считаются серьезными, за исключением воздействия звуков очень высоких или очень низких частот, а также очень большой интенсивности. Шум очень большой интенсивности может вызвать резонанс в полукружных каналах — органах равновесия, находящихся во внутреннем ухе, что приводит к головокружению и тошноте. Ультразвуковой шум с частотой, превышающей границу слышимости, также может вызвать тошноту, а инфразвук и очень низкочастотный слышимый шум возбуждают резонансы во внутренних органах, включая сердце и легкие. Акустическим возбуждением с определенной частотой и достаточно большой амплитудой можно остановить пульсацию сердца. Сильный низкочастотный шум затрудняет дыхание.

Из-за резонансов, возбуждаемых в лицевых и черепных костях слышимыми звуками средних частот, их воздействие чрезвычайно неприятно даже при употреблении ушных протекторов: утрачивается ясность мысли, возможно, вследствие резонансных явлений, возникающих в головном мозге; нарушается координация движения конечностей, что, возможно, вызвано вибрацией мозга и периферических нервов. Если по той или иной причине человек вынужден находиться в зоне весьма интенсивного шума, он должен по меньшей мере надеть звукозащитный шлем, а не ограничиваться ушными протекторами.

Важны также психологические и другие непатологические последствия шумовых воздействий, но они не всегда поддаются измерению. Как измерить степень раздражения, испытываемого человеком? Сколько вреда приносит плохое настроение? Раздраженные люди становятся иногда неестественно вспыльчивыми или принимают совершенно неправильные решения, которые подчас могут привести к катастрофическим последствиям. У жертв шума может развиться депрессия или склонность к психосоматическим заболеваниям; разрушаются семьи, возникают несчастные случаи, осложняются отношения на производстве.

Шум вызывает и обычную усталость и неспособность сосредоточиться, также ведущие к снижению производительности труда и несчастным случаям. Измерить зависимость производительности труда от шума не просто: как только мы отбираем группу обследуемых и начинаем экспериментировать, изменяя окружающие условия, будь то акустика, освещение или отопление, — производительность труда испытуемых немедленно возрастает просто от того, что они ощущают заботу о своем здоровье и стремление как-то им помочь. Однако мало кто решится отрицать, что люди, работающие в условиях сильного шума, чаще ошибаются и, следовательно, их труд менее производителен и эффективен. Установлено также, что при снижении уровня шума уменьшается число невыходов на работу.

Вероятно, расстройство сна — самый серьезный ущерб, который шум приносит человеку, исключая, конечно, повреждения слуха. Для эффективной работы, умственной и физической, почти всем нужен полноценный сон. Следует помнить, что, когда человек спит, его органы чувств, в том числе и уши, остаются «включенными». Если во время сна мы не слышим звуков низкого уровня, то это вовсе не значит, что уши не улавливают их, а просто головной мозг иначе реагирует на слуховые раздражители. Как известно, даже под наркозом нервные импульсы продолжают передаваться в высшие центры головного мозга. Шум низкого уровня может не оказывать видимого влияния на сон, но факт восприятия шума выявляется при внимательном анализе электроэнцефалограммы (ЭЭГ). Во время глубокого сна щелчок в 50—60 дБА вызывает легко идентифицируемый ответ коры головного мозга. Любопытно, что метод ЭЭГ позволяет осуществить аудиометрию даже помимо желания исследуемого, так как ответы коры совершенно непроизвольны. Шумы более высоких уровней вызывают весьма выраженные изменения ЭЭГ.

Проще всего считать, что влияние шума на сон сводится к тому, что под действием шума человек пробуждается. Разумеется, это очень важный момент, но многие недооценивают значения вынужденного сдвига глубины сна, еще не приводящего к пробуждению. Как показывают эксперименты, если на спящего человека, едва достигшего стадии самого глубокого сна, воздействовать так, чтобы, не разбудив, перевести в стадию менее глубокого сна, результат оказывается таким же, как и при полном пробуждении.

Внезапное пробуждение от глубокого сна может сопровождаться сердцебиением. Если человека будить каждый раз, когда он доходит до стадии сновидений (легко определяемой по быстрым движениям глаз), и таким образом лишить снов, у него развиваются симптомы, приводящие в конце концов к галлюцинациям и дезориентации.

Шум вызывает как сдвиги глубины сна, так и полное пробуждение. Хорошо известно, что людей в возрасте старше 60 лет легче разбудить или перевести в состояние менее глубокого сна, чем детей или людей среднего возраста. Различия в реакции резко выражены; установлено, что шум, который будит лишь 5 % детей 7—8-летнего возраста, вызывает полное пробуждение 70 % людей в возрасте 69—72 лет. Разбуженный пожилой человек труднее засыпает вновь, чем ребенок или человек средних лет. Доказано также, что женщины легче просыпаются от шума, чем мужчины.

Если сопоставить изменения сна, вызываемые шумом, с нормальным процессом сна, легко понять, как значительна роль окружающего шума. Известно, что для спящего наиболее благотворна стадия глубокого сна, а для того чтобы достигнуть ее, взрослому человеку требуется около часа, и очевидно, что нескольких кратковременных шумовых раздражений в течение ночи достаточно, чтобы вызвать серьезное расстройство полноценного сна. Такое же значение имеет и стадия сновидений, частые пробуждения во время которой могут сильнейшим образом отразиться на качестве сна.

Исследовалось также вторичное проявление действия окружающего шума на сон, а именно удлинение срока, необходимого для наступления стадии глубокого сна. В одном эксперименте было обнаружено, что в условиях тишины между моментом, когда человек ложится в постель, и наступлением глубокого сна проходило в среднем 26 мин, а при наличии транспортного шума это время составляло более 50 мин, В известных пределах головной мозг способен компенсировать нарушения качества сна в условиях шума и недостаток глубокого сна в начале ночи возместить увеличением продолжительности стадии глубокого сна и большей его устойчивостью в более поздние часы (порядок, обратный нормальному).

Если говорить о пределах допустимого ночного шума, то следует заметить, что шум постоянного уровня меньше влияет на сон, чем шум с колебаниями уровня или прерывистый шум. Значит, важнее попытаться предотвратить несколько коротких «вспышек» шума, чем стремиться понизить общий шумовой уровень. Здесь, как и в других ситуациях, наличие подходящего фона может оказать действенную помощь в случаях, когда нельзя избежать прерывистого шума большого уровня. В тропиках, где вделанные в окна шумные устройства для кондиционирования воздуха распространены очень широко, человеку, безусловно, гораздо легче спать, если такое устройство не управляется терморегулятором, а работает непрерывно.

При фоновом шуме в 35 дБА отдельные шумовые максимумы с уровнем в 45—50 дБА, хотя и кажутся слишком высокими, практически вполне приемлемы для 80 % спящих людей; при увеличении числа шумовых максимумов этот предел следует понизить.

Наконец, шум порождает еще одну проблему — нарушение связи. Во многих житейских ситуациях очень важно, чтобы один человек мог быстро и точно передать информацию другому. Тысячи лет устное слово было основным средством связи, и, хотя сейчас развитие электроники несколько снизило эту его роль, речь по-прежнему чрезвычайно важна для всех нас. Нарушение связи может привести, во-первых, к снижению эффективности труда и, во-вторых, к гораздо более серьезным и даже фатальным последствиям. Нередко несчастные случаи можно предотвратить окриком: «Поберегись!» (если прохожему грозит, например, опасность свалиться в яму) или более длинным предостережением: «Провода под током!». Очевидно, если окружающий шум помешает услышать такие предостережения, люди погибнут по причинам, предотвратить которые было возможно.



Источник: studfile.net


Добавить комментарий