Rzadko zastanawiamy się nad niezwykle skomplikowanym urządzeniem jakim jest narząd słuchu. Nasze uszy codziennie i cały czas zapewniają nam nieprzerwaną komunikację z otaczającym nas światem. Odbierają i analizują sygnały dźwiękowe, a po przetworzeniu wysyłają je do mózgu. A wszystko to dzieje się w zamkniętej przestrzeni około 16 centymetrów sześciennych przy wykorzystaniu zasad akustyki, mechaniki, hydrodynamiki, elektroniki i matematyki wyższej.
Słuch człowieka - budowa, progi słyszenia i mechanizm słyszenia.
Autor: Stanisław Chrząszcz
Ucho możemy podzielić na trzy części: ucho zewnętrzne, środkowe i wewnętrzne. Ucho zewnętrzne to małżowina i przewód słuchowy który jest zakończony błoną bębenkową. Za błoną bębenkową znajduje się jama kostna zwana bębenkową będąca częścią ucha środkowego. Jest ona wypełniona powietrzem za pośrednictwem rurki (trąbka Eustachiusza) łączącej ją z górną częścią gardła. Trąbka Eustachiusza pełni ważną rolę, ponieważ w jamie bębenkowej powinno panować ciśnienie takie jak na zewnątrz, gdyż różnica ciśnień mogłaby spowodować uszkodzenie błony bębenkowej. Trąbka ta otwiera się szerzej podczas przełykania i dlatego podczas startu czy lądowania samolotu trzeba ssać cukierki, aby wyrównać różnicę ciśnień. W jamie bębenkowej znajduje się narząd równowagi - błędnik - który jest odpowiedzialny nie tylko za słyszenie ale i za zmysł równowagi i orientację w przestrzeni. Są tam też trzy najmniejsze w organizmie człowieka kostki: młoteczek, kowadełko i strzemiączko, które stanowią elementy układu przenoszącego drgania błony bębenkowej do okienka owalnego, zamkniętego błoną stanowiącą wejście do ucha wewnętrznego. Ucho wewnętrzne to ślimak, czyli rurka kostna podobna do muszli ślimaka winniczka. Jest ona wypełniona cieczą Wzdłuż jednej ze ścian ślimaka mieści się bardzo czuły narząd, zwany aparatem Cortiego, którego zasadniczą część stanowi około kilkadziesiąt tysięcy komórek rzęsatych ułożonych rzędami. Od komórek tych odchodzi tysiące włókien nerwowych do mózgu.
Fala dźwiękowa rozchodząca się w powietrzu trafia do naszego ucha, wnika w przewód słuchowy i powoduje że błona bębenkowa drga. Drgania te przenoszą się na niezwykle precyzyjny narząd jakim jest układ trzech kostek: młoteczka, kowadełka i strzemiączka. Stanowią one zespół dźwigni, stanowiących przekładnię mechaniczną, zamieniającą drgania błony bębenkowej o stosunkowo małej sile i względnie dużej amplitudzie na drgania o odpowiednio większej sile i mniejszej amplitudzie, poprzez okienko owalne przekazywane do ślimaka wywołując zmiany ciśnienia w wypełniającym go płynie. Zmiany te rozchodzą się falowo od szczytu ślimaka i z powrotem podrażniając komórki rzęsate, które za pośrednictwem włókien nerwowych, w formie impulsów elektrochemicznych przekazuje informacje do mózgu. Wysokość słyszanych dźwięków zależy od miejsca, w którym znajdują się pobudzane zakończenia nerwowe. Tony niskie związane są z końcem kanału najbardziej odległym od okienka owalnego. Im większe jest ciśnienie akustyczne, tym większe podrażnienie zakończeń nerwowych i tym większa liczba impulsów nerwowych przesyłana jest do mózgu co daje wrażenie większej głośności dźwięku. Mózg posiada zdumiewającą właściwość, nie poznaną jeszcze do końca rozpoznawania barwy dźwięku i analizy tonów harmonicznych. Dzięki temu odróżnimy dźwięk skrzypiec od trąbki, mimo, że mogą one wydawać dźwięki o jednakowej częstotliwości. Poznamy też głos znajomego mówiącego do nas przez telefon. Nasze ucho jest zdolne do odróżnienia około 1500 oddzielnych tonów. Posiada zdumiewającą dynamikę - słyszymy bowiem zarówno szept jak i bilion razy głośniejszy huk pioruna. Ma rewelacyjną umiejętność adaptacji do różnych poziomów sygnałów. Nasze ucho bez szkody zniesie natężenie huku pioruna, by w ciągu chwili "przestawić się" tak, że słyszymy szelest liści i szum padających kropel deszczu. Dzieje się to dzięki pracy specjalnych mięśni współpracujących z kosteczkami. Jeżeli do ucha wpadnie głośny dźwięk, mięśnie te w ciągu 0,01 sekundy kurczą się, ograniczając ruch kosteczek. Zapobiega to uszkodzeniom słuchu. Kiedy mówimy, mózg wysyła impulsy do tych mięśni, które ograniczają wtedy czułość naszego słuchu, przez co nasza mowa nie brzmi dla nas zbyt głośno. Nasz narząd słuchu potrafi także wyłowić pożądane przez nas sygnały, np. potrafimy rozmawiać z drugą osobą mimo otaczającego nas gwaru, czy wyśledzić fałszującego skrzypka w stuosobowej orkiestrze. Ośrodki słuchowe mózgu znajdują się w płatach skroniowych. W tym właśnie miejscu mózg przetwarza otrzymane sygnały tak, że dźwięki słyszymy jako niskie lub wysokie, ciche lub głośne, miłe lub drażniące. Sygnały są odbierane przez lewą i prawą stronę tzw. kory słuchowej w mózgu. Każda ze stron otrzymuje sygnały z obu uszu. Ośrodki przetwarzające mowę znajdują się w lewej części kory słuchowej. Z kolei podczas słuchania muzyki aktywna jest prawa strona kory słuchowej.
Młodym to dobrze... Dźwięki które słyszymy mogą być przyjemne dla nas lub przykre. Różne osoby różnie reagują na ten sam dźwięk. Zależy to od budowy naszych małżowin usznych a także wieku. Młody człowiek jest w stanie usłyszeć dźwięki o częstotliwości od 16 - 20 Hz do 16 - 20 kHz. Z wiekiem czułość naszego słuchu dla wysokich tonów pogarsza się. Już po trzydziestce górna granica jaką możemy usłyszeć to 15-16 kHz, by po 60-tce słabo słyszeć dźwięki już powyżej 5-6 kHz. To dlatego osoby starsze dobrze znoszą ostre, wysokie tony, które innych doprowadzają do szału. Także czułość ogólna naszego słuchu pogarsza się z wiekiem. Tutaj jednak często winni jesteśmy sami, bowiem uszkodzenia naszego słuchu wynikają z przebywania w hałaśliwym miejscu. Trwałe ubytki słuchu powodują bardzo krótkie sygnały, ale też i mniej głośne, lecz eksponowane przez długi czas. Za bezpieczne uważa się (dziś) dawki hałasu (także w dyskotece) 85 dB przez 8 godzin. 88 dB przez 4 godziny, 91 dB przez 2 godziny a 100 dB przez 15 minut. Dźwięk o poziomie większym niż 110 dB w bardzo krótkim czasie doprowadza do trwałego uszkodzenia naszego słuchu.
Olbrzymia rozpiętość wartości natężeń dźwięku z jakimi spotykamy się na co dzień uniemożliwia stosowanie skali liniowej dla porównania głośności różnych dźwięków. Odczuwane wrażenie słuchowe jest w przybliżeniu proporcjonalne do logarytmu wywołującej je podniety. W związku z tym wprowadzono w akustyce względną miarę natężenia dźwięku wyrażoną w decybelach (dB) i określaną wzorem: L = 10log I/Io, gdzie I - to natężenie dźwięku bezwzględne wyrażone w W/m2, a Io to natężenie progowe. Ponieważ nasz słuch nie jest nieskończenie czuły, to dźwięk odczuwamy dopiero od pewnej wartości tzw. progowej Io. Za wartość odniesienia przyjęto dolną granicę słyszalności tonu 1000 Hz. Wartość Io = 10-12W/m2. Jednostkę L nazywa się Belem .Jest to duża jednostka, dlatego stosuje się jednostkę dziesięciokrotnie mniejszą - decybel (dB). Stąd wynika że 1B = 10 dB. Różnica natężeń odbieranych przez nasz słuch może wynosić nawet 130 dB. W decybelach można również podawać poziom mocy, napięć, prądów ciśnień i prędkości akustycznych. Miara logarytmiczna mówi nam że podniesienie jakiejś wartości o 3 decybele, w skali bezwzględnej daje nam dwukrotną zmianę tej wartości, a o różnica 20 dB daje w skali bezwzględnej 100-krotną zmianę wartości.
Progi słyszenia.
Człowiek zaczyna słyszeć dźwięk dopiero od określonej wartości poziomu ciśnienia akustycznego. Na podstawie badań wykreślono statystyczne krzywe czułości naszego słuchu w zależności od częstotliwości dźwięków. Poziom ciśnienia akustycznego, od którego zaczyna ucho słyszeć dźwięk, jest różny dla różnych częstotliwości. Najbardziej czułe jest ucho dla tonu w okolicach 4 kHz (statystycznie, dla większości ludzi). Dla tonu o częstotliwości 1 kHz poziom zerowy naszego ucha jest zgodny z przyjętym (normy ISO) poziomem ciśnienia progowego Io. Dla tonów o innej częstotliwości próg czułości, od którego zaczynamy cokolwiek słyszeć, jest inny. Na wykresie możemy zobaczyć, że aby usłyszeć ton np. 100 Hz poziom ciśnienia akustycznego musi być o 35 dB wyższy niż dla tonu 1 kHz dla którego przyjęto ciśnienie akustyczne 0 dB. Podobnie jest z górną granicą słyszalności, kiedy to odczucie słuchowe przechodzi w ból. Szerokość pasma słyszalnego przez ludzi możemy podzielić na trzy części. Drgania akustyczne od 16 Hz do 300 Hz określa się jako tony niskie. Tonami średnimi nazywa się drgania o częstotliwości 300...3000 Hz. Tony wysokie mieszczą się w paśmie 3000...20 000 Hz. Za ton pomiarowy i ton odniesienia przyjęto ton 1000 Hz (1 kHz).
Człowiek potrafi rozróżnić wysokość tonu (częstotliwość dźwięku) lecz tylko dzięki względnym - czyli procentowym - różnicom ich częstotliwości. Łatwo usłyszymy dwukrotną różnicę np. 50 i 100 Hz (różnica 100%) lecz nie usłyszymy różnicy pomiędzy tonem 10 000 Hz i 10 050 Hz. Wiele osób ma trudności z rozróżnianiem wysokości dźwięków, ale większość z nas łatwo z tym sobie radzi. Muzycy lub obdarzeni słuchem potrafią określić nawet interwał muzyczny, czyli odległość między nimi. A nieliczni (podobno w Japonii więcej) mają zdolność błyskawicznego rozpoznania wysokości dźwięku. Jeżeli są wykształceni muzycznie wiedzą że jest to np. e1. Ta rzadka umiejętność nazywa się słuchem absolutnym. Jest to cecha wrodzona, nie można jej nabyć. Niektórzy muzycy potrafią określić wysokość dźwięku, lecz najczęściej jest to umiejętność która dotyczy instrumentu na którym grają. Skrzypek potrafi określić wysokość tonu skrzypiec, lecz będzie miał kłopoty z określeniem tonów fortepianu. My nie musimy zamartwiać się brakiem takiej czy innej cechy. Słuchajmy muzyki dla samej przyjemności, a nasza wrażliwość muzyczna z czasem będzie się rozwijać. Beethoven od 27 roku życia tracił słuch, ale mimo kalectwa napisał kilka genialnych dzieł. Nam wystarczy radość słuchania.
