psychofizjologia słyszenia

Teorie słyszenia

Teorie słyszenia stanowiły i stanowią dotychczas przedmiot dociekań fizjologów i akustyków. Chodzi tu o sposób, w jaki drgania bębenka, przeniesione za pośrednictwem układu kostek ucha środkowego do ucha wewnętrznego, powodują pobudzenie określonych zakończeń nerwowych w organie Cortiego.
Kluczowym zagadnieniem jest sposób przeniesienia drgań strzemiączka na błonę podstawową, z którą jest związany organ Cortiego. Istnieją tu trzy możliwości odpowiadające różnym ujęciom teoretycznym:

• Teoria rezonansowa - zakłada się, że ze względu na małe rozmiary ślimaka można uważać, że zaburzenia wytworzone wskutek drgań strzemiączka rozchodzą się natychmiast w całej objętości ślimaka. Gdy strzemiączko drga z bardzo małą częstotliwością, wytworzone przezeń zmiany ciśnienia powodują przepływ perylimfy w obu kierunkach przez dziurkę osklepka ślimaka i wymuszenie drgań błonki zamykającej okienko ślimaka. Gdy częstotliwość drgań jest znaczna, perylimfa nie zdąży przepływać przez dziurkę osklepka i aby wyrównać ciśnienia między schodami przedsionka i bębenka, przewód ślimakowy a wraz z nim błona podstawowa musi choć w jednym miejscu drgać, przesuwając nadmiar cieczy. Ponieważ podatność błony podstawowej zmienia się nieznacznie wzdłuż przewodu ślimakowego, przeto przy większych częstotliwościach muszą drgać części błony podstawowej leżące bliżej przedsionka itd.
  Przeciwko teorii rezonansowej przemawiają zastrzeżenia wynikające ze zdolności ucha do rozróżniania tonów o nieznacznie różniących się częstotliwościach i szybko następujących po sobie.
• Teoria fali stojącej - wyodrębnienie częstotliwości następuje w wyniku właściwego dla każdej częstotliwości rozkładu fal stojących wzdłuż błony podstawowej, a więc i przestrzennego rozkładu pobudzania tej błony. Wynikałoby stąd, że przeprowadzaniem analizy dźwięków jest obarczony wyłącznie mózg.
  Ze względu na to, że rozkład fal stojących, wywołanych dźwiękiem złożonym, zależy od wzajemnych faz tonów składowych, ucho powinno odczuwać różnice faz, czego doświadczalnie nie stwierdzono
• Teoria fali biegnącej - głoszona przez znakomitego uczonego G. Bekesy. Stwierdził on, że pod wpływem drgań strzemiączka powstają w błonie podstawowej fale, rozchodzące się od przedsionka ku dziurce osklepka. Amplitudy tych fal w miarę oddalania się od przedsionka wolno wzrastają, osiągając w pewnym miejscu błony podstawowej wartość największą, a następnie szybko zanikają. Miejsce występowania największej amplitudy drgań zależy od częstotliwości i dla największych słyszalnych częstotliwości występuje w części błony najbliższej przedsionka, dla najmniejszych zaś - w części najbliższej dziurki osklepka.
  Dodatkowe zaostrzenie właściwości selektywnych jest związane z właściwościami układu nerwowego.

Granice i powierzchnia słyszalności

Zakres częstotliwości słyszalnych jest ograniczony budową anatomiczną ucha. Najmniejsza częstotliwość słyszalna wynosi przeciętnie 16Hz, największa zaś 20kHz, jednak ta częstotliwość obniża się z wiekiem do 16kHz, a nawet do 10kHz.

Podobnie istnieją granice związane z natężeniem dźwięku. Wartości ciśnień akustycznych dźwięków, przy których ucho zaczyna odbierać wrażenia dźwiękowe, i ciśnień wywołujących wrażenie bólu, określające granicę słyszalności, zostały zmierzone przez wielu badaczy. Wyniki średnie obrazuje poniższy wykres:

Krzywa dolna, odpowiadająca najmniejszym akustycznym ciśnieniom słyszalnym, nazywa się dolną granicą słyszalności. Górna krzywa natomiast, odpowiadająca ciśnieniom, przy których zaczyna występować uczucie bólu w uszach, nazywa się granicą słyszenia bolesnego lub ogólnie - górna granicą słyszalności
Przedłużając dolną i górną granicę w obie strony aż do przecięcia otrzymuje się wewnątrz nich powierzchnię, zwaną powierzchnią słyszalności

Wysokość i natężenie dźwięku

Wysokość tonu jest wrażeniem słuchowym, umożliwiającym określenie położenia tonu na skali częstotliwości, a za jego jednostkę przyjęto mel. Wrażenie wysokości tonu zależy od natężenia dźwięku. Na podstawie pomiarów ustalono związek między subiektywna skalą wysokości tonu a obiektywną skala częstotliwości (przy założeniu, że wysokość tonu o częstotliwości 1000Hz i poziomie ciśnienia akustycznego równym 40dB jest 1000 melów):

Wrażeniem subiektywnym związanym z natężeniem dźwięku jest głośność, zależna również od częstotliwości. Jednostką poziomu głośności jest fon, któremu odpowiada poziom natężenia dźwięku tonu odniesienia o częstotliwości 1000Hz.
Na podstawie odpowiednich pomiarów otrzymano krzywe jednakowej głośności (liczby nad krzywymi wskazują poziom głośności w fonach):

• Fletcher i Munson otrzymali następujące krzywe :
  
• wartości otrzymane przez Robinsona i Dadsona przyjęte zostały za standardowe:
  

Jednostką głośności natomiast jest son, który odpowiada głośności tonu o poziomie głośności 40 fonów. Zależność między głośnością tonów wyrażoną w sonach a poziomem głośności w fonach przedstawia poniższy wykres:

Dla celów standaryzacyjnych przyjęto jednak krzywą uzyskana z zależności

Maskowanie

Podstawowe znaczenie w procesie zagłuszania (maskowania) dźwięków ma fakt, że drgania błony podstawowej pod wpływem tonu o dowolnej częstotliwości są znaczne w części błony odpowiadającej częstotliwościom większym, nieznaczne zaś w części odpowiadającej częstotliwościom mniejszym od częstotliwości tego tonu.
Wynika z tego, że wskutek pobudzania przez dźwięk nie tylko właściwego mu odcinka błony podstawowej, lecz również obszaru obejmującego częstotliwości większe, przy pewnym jego natężeniu inny dźwięk, leżący w tym obszarze, staje się słabiej słyszalny, a nawet może przestać być słyszalny.

Wyróżniamy dwa typy maskowania (zagłuszania) dźwięków:

• maskowanie nierównoczesne (modelowanie w dziedzinie czasu)
  • premaskowanie (maskowanie wstępne) - wynikające z pewnej bezwładności w zadziałaniu mechanizmu słuchu oraz z faktu, że dźwięki głośniejsze są przetwarzane szybciej niż dźwięki ciche
  • postmaskowanie - spowodowane stosunkowo długim czasem relaksacji neuronów (czas maskowania zależy od natężenia tonu maskującego oraz czasu jego trwania)
• maskowanie równoczesne (modelowanie w dziedzinie częstotliwości) - zależy ono od natężenia tonów: maskującego i maskowanego oraz ich częstotliwości (zależność tę opisują tzw. krzywe maskowania dla maskerów o danym natężeniu i częstotliwości - wszystkie dźwięki, dla których wartości natężenia leżą poniżej takiej krzywej stają się niesłyszalne)

Umiejscawianie źródła dźwięku

Aby prawidłowo określić położenie źródła dźwięku, trzeba prawidłowo wyznaczyć współrzędne biegunowe tego obiektu: długość promienia, czyli odległość głowy słuchającego od źródła, azymut, czyli kąt między promieniem a płaszczyzną symetrii głowy, i zenit, czyli kąt między promieniem a płaszczyzną poziomą przechodzącą przez środki uszu.

Najłatwiejsza jest ocena azymutu, najtrudniejsza - zanitu.

• azymut:
  • w zakresie małych częstotliwości (poniżej 800Hz) określanie kierunku źródła odbywa się na podstawie różnicy faz (a właściwie opóźnień) między falami dźwiękowymi dobiegającymi do obu uszu
  • w zakresie dużych częstotliwości - na podstawie różnicy ciśnień akustycznych
  • lokalizacja źródła dźwięku na podstawie różnicy barwy dźwięku (ucho odwrócone od źródła słabiej słyszy dźwięki o dużych częstotliwościach)
• zenit - zasadniczą rolę odgrywają tu ruchy głowy
• odległość źródła dźwięku - w przestrzeni otwartej ocena opiera się przede wszystkim na odczuwaniu zmiany barwy dźwięku (im większa częstotliwość dźwięku tym większe pochłanianie energii akustycznej w atmosferze) oraz jego głośności, stąd konieczna jest uprzednia znajomość źródła zarówno co do barwy dźwięku, jak i natężenia