Пространственный слух


Способность локализовать источник звука добавляет к слуховому восприятию пространственное измерение. И хотя человек и животные располагают двумя ушами — их акустический мир един и неделим.

Пространственный слух не только позволяет установить место расположения источника звучащего объекта, степень его удаленности и направление его перемещения, но и увеличивает четкость восприятия.

Простое сравнение монофонического и стереофонического прослушивания стереофонической записи дает четкую картину преимущества пространственного восприятия.

Стереофоническое воспроизведение позволяет ощутить звучание различных инструментов в разных точках пространства и обеспечивает богатый тембр и четкость звуков.

Первым исследователем пространственного слуха у человека считается итальянский физик Д. Вентури (1746— 1822 гг.).

Он был разносторонне образованным ученым, занимался преимущественно гидродинамикой и, помимо физики, изучал экономику, историю, интересовался политикой, а как естествоиспытатель исследовал зрительное и слуховое восприятие.

Для изучения пространственного слуха Вентури проделал следующий опыт. Он поместил человека с завязанными глазами на открытом лугу, а сам ходил вокруг него на расстоянии 50 м и издавал звуки с помощью флейты или колокольчика. Когда источник звука был под прямым углом по направлению к линии взора, человек легко определял место расположения источника звука.

Если звук был направлен по диагонали, а голова оставалась неподвижной, ему трудно было определить, спереди или сзади находится источник.
Когда испытуемому разрешено было поворачивать голову, он не делал ошибок при определении места звучания источника. Вентури установил также, что при односторонней глухоте человек может локализовать звуки только при повороте головы в их сторону, причем звучание должно быть продолжительным. Исследователь отметил, что при такой патологии особенно сильно страдает локализация коротких звуков.

Основной вывод Вентури состоял в том, что локализация звука основана на оценке силы раздражителей, действующих на разные уши, и что два «слуховых впечатления» не смешиваются внутри черепа. Эти исследования Вентури не привлекли внимания ученых и вскоре были забыты.

История изучения пространственного слуха является ярким примером того, что некоторые открытия делаются дважды. Прошло почти 100 лет после работ Д. Вентури, опубликовавшего их четыре раза: дважды на немецком, на французском и на итальянском языках (1796 — 1801 гг.). И вот в 70-х годах XIX в. известный английский физик Д. Релей, очевидно, не знакомый с работами своего предшественника, провел точно такие же опыты и сделал аналогичные выводы.

В конце XIX—начале XX в. исследования пространственного слуха были малоинтенсивными и интересовали преимущественно клиницистов. В 1903 г. немецкий врач Г. Штенгер предложил клинический тест для определения симуляции односторонней глухоты.

Тест этот, используемый до настоящего времени, состоит в следующем. Человек, симулирующий глухоту, при подведении звука через наушники поочередно к каждому уху скажет, что он слышит «здоровым» и не слышит «больным» ухом. При одновременном предъявлении звука на оба уха симулянт скажет, что слышит звук на стороне «здорового» уха. Если такому «больному» предложить определить, слышит ли он звук, и при этом на «больное» ухо дать более сильный стимул, чем на «здоровое», то симулянт скажет, что звука он вообще не слышит.

На самом же деле при таком предъявлении звуков человек с частичной глухотой будет слышать звук со стороны здорового уха. Здесь мы имеем дело с так называемым явлением латерализации источника звука, т. е. ощущением звучания только на стороне более сильного звука.

Только в период первой мировой войны в связи с разработкой звуковых локаторов для пеленгации самолетов начались работы по изучению временных характеристик пространственного слуха на основе объединения данных, получаемых от двух ушей (бинауральный слух).

В настоящее время рассматриваются два основных условия, определяющих бинауральный слух.

Для низких частот основным фактором является различие во времени попадания звука в левое и в правое ухо, для высоких — различия в интенсивности. Сначала звук достигает уха, расположенного ближе к источнику. При низких частотах звуковые волны «огибают» голову в силу большой их длины. Звук в воздушной среде имеет скорость 330 м/с. Следовательно, 1 см он проходит за 30 мс. Поскольку расстояние между ушами у человека составляет 17—18 см, а голову можно рассматривать как шар с радиусом 9 см, то разница между попаданием звука в разные ушп составляет 9п (пи)Х30=840 мкс.

Естественно, эта разница зависит от места расположения источника: если он находится по средней линии впереди (или сзади), то звук достигает обоих ушей одновременно. Малейший сдвиг вправо или влево от средней линии (даже менее 3°) уже воспринимается человеком. А это значит, что воспринимаемая разница между приходом звука на правое и левое ухо составляет меньше 30 мкс. Следовательно, перевод физической пространственной размерности в перцептивную осуществляется за счет уникальных способностей слуховой системы как анализатора времени.

Для того чтобы можно было отметить такую небольшую разницу во времени, необходимы очень тонкие и точные механизмы сравнения. Такое сравнение осуществляется центральной нервной системой в местах, где импульсация от правого и левого ушей сходится на одной структуре (нервной клетке).

Как было рассмотрено выше, подобных мест, так называемых уровней конвергенции, в классической слуховой системе не менее трех (рис. 19). Дополнительные места конвергенции находятся внутри каждого уровня (межхолмовые и межполушарные связи).

Различия во времени поступления звука сопровождаются различиями в фазе звуковой волны. Более «поздний» звук отстает по фазе от предыдущего более «раннего» звука. Это отставание может быть использовано только при относительно низких частотах звуковой волны, при которых для завершения полного цикла требуется время не менее 840 мкс. Такое время соответствует длительности периода частоты не более 1300 Гц.

ыше речь шла о возможностях локализации звука благодаря участию в этом процессе двух ушей применительно к способностям человека, межушное расстояние у которого достаточно велико. А что же происходит у мелких животных, у которых расстояние между ушами составляет всего несколько сантиметров? У белой мыши, например, расстояние между ушами всего 2 см.

Таким образом, можно утверждать, что мышь должна оценивать значительно меньшую разницу во времени, нежели человек, а это соответствует частотам выше 10 кГц. Действительно ли нервная система может работать с оценкой подобных микроинтервалов времени? Выяснение этого вопроса требует дальнейших экспериментальных исследований.

При неподвижном положении головы точность локализации источника страдает даже в тех случаях, когда применяются низкие частоты. Это связано с тем, что в таких условиях только одно различие во времени прихода звука к разным ушам не дает возможности оценить, идет ли звук спереди, сзади, сверху или снизу. В обычной жизнедеятельности именно движения головы дают возможность поместить источник звука в серединную плоскость, а совпадение линии взгляда и источника — поместить его в зрительную систему отсчета.

Кроме того, благодаря этим движениям меняется характер отражения и преломления звуковых волн головой и структурами наружного уха. И наконец, проприоцептивная система дает информацию о том, насколько повернута голова.

При высоких частотах, когда величина головы значительно больше длины звуковой волны, последняя не может «огибать» это препятствие. Например, если звук имеет частоту 100 Гц, то длина волны его составляет 33 м, при частоте звука 1000 Гц — 33 см, а при частоте 10 000 Гц — 3.3 см. Это значит, что при высоких частотах звук отражается головой. В этом случае возникает разница в интенсивности звуков, поступающих на правое п левое ухо.

Если учесть, что у человека дифференциальный порог по интенсивности на частоте 1000 Гц составляет величину порядка 1 дБ, можно представить себе, какая большая дополнительная информация о месторасположении источника может заключаться в различиях интенсивности приходящего звука между двумя ушами.

Несомненна огромная роль, которую выполняет нервная система в анализе пространственного расположения источника звука. Еще в 70-х годах прошлого столетия английским физиологом Л. Ферье было показано, что раздражение слабым электрическим током определенных зон коры больших полушарий у обезьяны вызывает поворот глаз и головы одновременно с настораживанием ушных раковин на противоположной раздражению стороне.

Итальянский физиолог Л. Лучиани более 100 лет назад, проведя опыты с удалением слуховой зоны коры у собак, показал, что она исключительно важна для пространственной ориентации по звуку.

После операции собака с завязанными глазами с трудом находила брошенные экспериментатором куски пищи. Особенно страдал поиск, если пища падала со стороны, противоположной оперированной зоне слуховой коры. После полного удаления височной коры способность находить пищу по звуку вообще утрачивалась.

Исследования Л. Лучиани более полувека не использовались учеными в дальнейших поисках путей изучения роли разных отделов мозга в анализе пространственного расположения звука. И лишь после введения электрофизиологических методов исследования, после оценки данных, полученных в нейрохирургических клиниках при раздражении током корковых зон, после экспериментальных попыток выяснения роли коркового звена в пространственном анализе работы старых авторов получили свое второе рождение.

И в настоящее время не вызывает сомнения тот факт, что при повреждении или удалении слуховых корковых зон функция локализации источника звука в пространство страдает в первую очередь.

Хотя наука ушла далеко вперед в изучении механизмов локализации звуков, множество фактов, известных каждому из повседневной жизни, лежат, тем не менее, за пределами современного уровня наших знаний. Рассмотрим два примера. Это так называемый эффект предшествования и ориентировка в пространстве слепых людей.

Эффект предшествования заключается в том, что для локализации источника звука используется только первый звук, поступивший в ухо. Если даже этот звук сопровождается выраженным эхом, последнее не играет никакой роли в интерпретации локализации звука слушающим человеком.

Это не значит, однако, что эхо не воспринимается: человек прекрасно улавливает разницу между расположенными в одинаковых точках пространства звуками, один из которых сопровождается, а другой не сопровождается эхом.

Как это происходит?

Какие механизмы мозга обеспечивают эффект предшествования?

Каковы экспериментальные подходы к исследованию этого явления?

Что дает оно с точки зрения приспособительного поведения?

Известна способность слепых людей ориентироваться в пространстве по звуку и по эху. Экспериментальное исследование этой способности к ориентировке было проведено американскими учеными в 1944 г. Вот краткое описание эксперимента. Опыты проводились в очень большой комнате. Было четыре испытуемых: двое взрослых, ослепших в возрасте до 5 лет, н двое взрослых с нормальным зрением такого же возраста п уровня культуры.

В экспериментах было четко показано, что звук, особенно сопровождавшийся эхом, может использоваться всеми испытуемыми для оценки расстояния от препятствия.

Затем была проведена серия экспериментов, исключающих роль тактильного восприятия. Выяснилось, что тактильное чувство не является необходимым для ориентировки при сохранении слуха. При закрывании ушей искусственными заглушками ни один из испытуемых ни в одной из 100 последовательных проб не смог определить наличие препятствия до момента соприкосновения с ним. Решающий эксперимент показал, что при полном исключении всех воздействий извне, кроме слуховых, испытуемые определяли расстояние от препятствия достаточно точно.

Последующие опыты позволили исключить предположение о том, что обнаружение препятствий основано на оценке изменений интенсивности звука на разных ушах. Было показано, что испытуемые хорошо обнаруживают препятствие на расстоянии 30 см, причем для этого оказались значимыми высокочастотные компоненты сопровождающих звуков (порядка 10 000 Гц).

Приведенные примеры еще раз подчеркивают, что вопросов здесь больше, чем ответов, и что ориентировка человека и животных в пространстве подчас осуществляется неизвестными механизмами, непосредственно связанными со слуховым восприятием.

© 2008 - 2017 Звук и Слух  Копирование материалов сайта запрещено. Все права на публикуемые материалы принадлежат их правообладателям.