Фиг. 3. 2. 2. Честотна зависимост на нивото на интензивността при едно и също усещане за гръмкост (в ляво). Област на чуване (в дясно)

На Фиг. 3.2.2 е показана честотната зависимост на т.н. изофонови криви, съответстващи на еднаква гръмкост. Всяка една такава крива показва как трябва да се мени нивото на звуковата интензивност, за да се получи усещане за една и съща гръмкост при избраната честота. Прагът на чуване като функция на честотата е показан на Фиг. 3.2.2. (Б). При твърде голямо ниво на звуковата интензивност I (около 120 dB) се получава усещане за болка - праг на болката. Областта на чуване е между прага на чуване и прага на болката. Областта от звукови интензивностти (гръмкости) между минималния праг на чуване и максималния праг на болката се означава като динамичен диапазон. За нормален слух и честота 1 kHz, динамичният диапазон е около 120 dB. В рамките на този диапазон се различават зоните за тихо чуване на речта без разбиране, зона на разбираемост на речта, зона на приятна гръмкост и зоната на неприятно възприятие.

Шумът и звуковите удари имат увреждащ ефект върху човек, особено при по-голяма продължителност и ниво на интензивността (70 и особено над 70 dB). Над 80 dB (както е в дискотеките), те предизвикват трайни слухови и психични увреждания. Шумът и звуковите удари отслабват чувствителността на ухото и може да предизвикат частична или пълна загуба на слуха. Трайно се нарушава ритъмът на сърдечната дейност и дишането. Шумът действа и върху нервната система, като предизвиква умора, понижена работоспособност и различни нервни заболявания. Най-силно уврежда шумът имащ честота от 1 - 2 kHz, където остротата на слуха е най-голяма. Шумозащитата се основава на следните начини за намаляване интензивността на звука:

1) Интензивността I на звука намалява както 1/r² спрямо разстоянието r до източника на звука. Съобразно с това, източникът се отдалечава на безопасно разстояние.

2) При преминаването си през дадена среда, звукът се поглъща по експоненциален закон в зависимост от дебелината на слоя. Може да се подбере такава дебелина на слоя (екран, стена, залесителна ивица, ред от дървета), която да подтисне в достатъчна степен шума. Екраните се правят от материал, съдържащ шупли – мехурчета въздух, които отразяват и поглъщат звуковата вълна.

3) На пътя на звук със средна дължина на вълната _ср се поставя стена от две успоредни плоскости, между които има въздух. Разстоянието d между плоскостите е такова (d = _ср/2), че вълните отразени от двете плоскости имат фазова разлика от 180^о и се гасят.

За контрол на шума в работните помещения, улици, летища и др. се използват шумомери, които се състоят от микрофон, електронен усилвател и честотни филтри. Те анализират разпределението на шума по честата и амплитуда и го сравняват с допустимите хигиенни норми.

При перкусията (причукването) се следи затихването на звука в дадена тъкан (например бял дроб) след нанасяне на отмерен удар с пръст или чукче. Наличието на кухини в подлежащата тъкан довежда до резонанс (силен, кънтящ звук като от тъпан и забавяне на неговото затихване). Наличието на твърда, кондензирана тъкан поражда глух, кратък звук. И в двата случая, се прави анализ на звука (височина, тембър, сила, бързина на затихване), което носи информация за състоянието на вътрешния орган.

При фонокардиографията, звукът от сърцето се улавя чрез микрофон, усилва се чрез електронен усилвател и се записва върху хартия. При здрави възрастни пациенти се записват две групи шумове, Т₁ и Т₂, като първата група (Т₁) се регистрира в момента когато започва свиването на лявата камера, а втората група (Т₂) – в момента на затваряне на аортната клапа. При деца се регистрират още два шума (Т₃ и Т₄). Чрез фонокардиограф може да се регистрират и шумове, възникващи в различни кръвоносни съдове. Източник на такива шумове е пулсовата вълна на кръвта, а също и наличието на турбулентност в кръвния поток при локално стеснение (външно притискане или натрупване на вътрешна плака) или при локално разширение (аневризъм) на кръвоносен съд.
3.3. Физичен механизъм на действие на слуховия апарат при човек. Определяне местоположението на звуковия източник. Слухова протеза и имплант
Ухото трансформира механичната енергия на звуковата вълна в нервноелектрични импулси, което позволява да се извлече информация от физичните параметри на звука: честота, интензивност, спектър, посока на разпространение. То представлява един съвършен сензорен орган, който има огромен диапазон на възприемане на различни по честата и амплитуда трептения.

Ухото при човек се състои от три дяла: външно, средно и вътрешно ухо (Фиг.3.3.1). Външното ухо представлява тръба, входящият край на която е оформен като фуния, а другият край завършва с трептяща мембрана. Средното ухо съдържа слухови костици. Най-важната част е вътрешното ухо, което съдържа рецепторните (слухови) клетки, разположени в кохлеарния апарат. Ролята на външното и средното ухо е да уловят и усилят звуковото трептене и да го преведат до рецепторните клетки, а те от своя страна да превърнат трептенето в нервноелектрични импулси. Важна особеност на ухото е, че рецепторните клетки са разположени във водна среда, докато външната и средната част на ухото са кухи. Поради това вътрешния дял на ухото има много по-голямо звуково съпротивление от това на външното и средното ухо. Това налага необходимостта от допълнителни елементи – слуховите костици, които да съгласуват различните звукови съпротивления на средното и вътрешното ухо.

Външният слухов канал на ухото играе ролята на звуков резонатор, резониращ на честоти между 2 и 3 kHz. Дължината му (2.3 cm) е около 1/4 от дължината на звуковата вълна при тази честота и поради това, отразената от тъпанчето вълна съвпада по фаза с идващата. Така, докато ушната мида усилва всички трептения независимо от тяхната честота, слуховият канал усилва само трептенията с определена честота (резонанс).

Налягането от двете страни на тъпанчето трябва да има близки стойности за да се избегне спукване на тъпанчето. При гмуркане под вода, силен гръм и др., двете налягания стават твърде различни, но те се изравняват посредством евстахиевата тръба, която свързва средното ухо с атмосферата.

От физична гледна точка, лостовата система на слуховите костици изпълнява следните три задачи:

1. Съгласува звуковите съпротивления на средното и вътрешното ухо и с това понижава прага на чуване. Звуковото съпротивление на водата във вътрешното ухо е около 3500 пъти по-голямо от това на въздуха в средното ухо. Ако липсваха слухови костици, само 1/1000 част от звуковата енергия, преминала в средното ухо, би се погълнала във вътрешното ухо. Останалата 999/1000 част би се отразила.

2. Усилва около 20 пъти звуковото налягане което се упражнява върху тъпанчето. Причината за това е, че площта на тъпанчето е около 20 пъти по-голяма от площта на овалното прозорче. Чрез лостовата система на слуховите костици енергията на трептене на тъпанчето се предава и концентрира върху овалното прозорче. Поради това, овалното прозорче трепти с около 4 пъти по-голяма амплитуда от тази на тъпанчето. С това се повишава още повече остротата на слуха.

3. При много силен звук, трептенето на тъпанчето ще бъде с голяма амплитуда, което би било опасно за овалното прозорче. В този случай обаче, чукчето трепти предимно напречно и превръща надлъжните трептения на тъпанчето в напречни, което намалява амплитудата на трептене на овалното прозорче и го предпазва от увреждане. С това се намалява прага на болката.

Вътрешното ухо съдържа течна среда (перилимфа). В нея е потопена т.н. средна камера, която също е запълнена с течност, но с друг състав (ендолимфа). Средната камера е изградена от два тънки слоя (мембрани), свързани помежду си чрез голям брой (около 10 хиляди) продълговати клетки - слухови (рецепторни) клетки (Фиг. 3.3.2). По-дебелата мембрана се нарича базиларна, а по-тънката – покривна. При бозайниците рецепторните клетки биват два вида – външни и вътрешни клетки (Фиг. 3.3.2). При достигане на звуковата вълна до овалното прозорче на вътрешното ухо, трептенето се предава на по-близкия край на базиларната мембрана и се разпространява към по-далечния й край, създава се бягаща вълна. Външните слухови клетки поемат трептенето на базиларната мембрана и след като го усилят по амплитуда с около 60 dB, го предават на покривната мембрана. Вътрешните слухови клетки поемат усиленото трептене на покривната мембрана и го превръщат в нервни импулси, които по слуховия нерв отиват до главния мозък.
Фиг. 3.3.2. Горе: принципна схема на рецепторния апарат на ухо. Долу: форма на бягащата вълна при различни честоти: ν₁< ν₂< ν₃.
Възможността ухото да различава звуците с различна амлитуда се обяснява с това, че амплитудата на трептене се кодира чрез честотата на генерираните нервни импулси. По-силните звуци предизвикват по-силно трептене на слуховите клетки, което се превръща в нервни импулси с по-висока честота.

Възможността ухото да различава звуците с различни честоти се обяснява с т.н. “пространствена теория”. Трептенията с ниска честота дразнят само слуховите клетки, разположени върху по-далечния край на базиларната мембрана, докато тези с по-висока честота дразнят само клетките върху близкия, начален участък на базиларната мембрана (Фиг. 3.3.2). Установени са следните четири, съвместно действащи и подпомагащи се механизма, чрез които бягащата вълна, в зависимост от своята честота, дразни различни слухови клетки, разположени на различни места по протежение на базиларната мембрана.

1. При обща дължина около 32 мм, базиларната мембрана постепенно променя механичните си свойства, плътността и дебелината си от началото към края си. В началото си, близо до овалното прозорче тя е най-плътна, най-твърда и има максимална дебелина от около 0.5 мм. Към края си тя става силно деформирума и еластична, намалява плътността си и има най-малка дебелина от около 0.1 мм. Тези й механични качества улесняват възприемането на нискочестотните звуци от далечния, апикален край и на високочестотните звуци от тънкия й, близък край, т.е., различните части на базиларната мембрана резонират на различни честоти.

2. Бягащата вълна изминава толкова по-голямо разстояние по базиларната мембрана, колкото по-ниска е нейната честота. Причината за това е околната водна среда, която силно подтиска (затормозява, гаси, демпферира) трептенията на вълната. Например, трептене с честота 100 Hz успява да достигне до далечния апикален край на мембраната, докато трептене с честота 20 kHz затихва още в началото на мембраната (Фиг. 3.3.2). Непосредствено в мястото на затихване трептенето рязко увеличава своята амплитуда и губи изцяло своята механична енергия. Поради това цялата енергия на бягащата вълна се концентрира в мястото на затихване и намиращите се там слухови клетки се дразнят най-силно.

3. Трептенето в мястото на затихване допълнително се усилва от т.н. външни слухови клетки. По принцип трептенето огъва косъмчетата на слуховите клетки, външни и вътрешни, и това механично дразнене предизвиква деполяризация на техните мембрани. Деполяризацията на външните рецепторни клетки ги кара да се удължават и скъсяват в такт с трептенията на звука (електро-механично преобразуване). Това предизвиква локална деформация на покривната мембрана и тя трепти с много по-голяма амплитуда от тази на базиларната мембрана (електро-механично усилване на вибрацията). От своя страна, деформацията на покривната мембрана дразни вътрешните рецепторни клетки, които също се деполяризират. За разлика от външните клухови клетки, деполяризацията на вътрешните слухови клетки ги кара да отделят невромедиатори, който се улавят от близко разположени нервни клетки, които в отговор генерират нерноелектрични импулси. По съответния аксон на слуховия нерв тези нервни импулси достигат до съответната точка в слуховия център на главния мозък и предизвикват усещане за звук с определена височина.



Фиг. 3.3.3. Зависимост на дължината на външните слухови клетки от мястото им върху базиларната мембрана.
А – клетки от кохлея на прилеп на място, където се детектира 160 kHz,

B - клетки от кохлея на котка на място, където се детектира 40 kHz,

C - клетки от кохлея на човек на място, където се детектира 20 kHz,

D - клетки от кохлея на морско свинче на място, където се детектира 5 kHz,

E - клетки от кохлея на морско свинче на място, където се детектира 2.5 kHz,

F - клетки от кохлея на морско свинче на място, където се детектира 150 Hz,

G - клетки от кохлея на човек на място, където се детектира 40 Hz,

H - клетки от кохлея на плъх на място, където се детектира 15 Hz,

Както виждаме, способността на ухото да различава височината на звука се дължи на това, че трептенията с различна честота дразнят различни клетки, намиращи се в различни части на базиларната мембрана. В зависимост от честотата на трептене, нервните импулси от съответния участък на базиларната мембрана се изпращат до определена област в звуковия център на главния мозък. Така, усещането за височина зависи от това, коя част на звуковия център е стимулирана. Същият механизъм обяснява и различаването на тембъра на сложните звуци. Тембърът се дължи да големия брой елементарни хармонични трептения (чисти тонове), съдържащи се в сложния тон и зависи от честотния спектър на тези трептения.

Посоченият по-горе сложен механизъм за усилване на честотната чувствителност на ухото е особено ефективен при човек и му позволява да различава различните звуци, произведени при говор и музика.

Важен дял от рецепторния потенциал на вътрешните слухови клетки при някои видове се дължи на т.н. флексоелектричество – това е ефект, подобен на пиезоелектричеството, но проявяващ се в биологичните обекти – клетки, мембрани. Когато клетъчната мембрана на слуховите клетки се деформира от звуковите вибрации, получава се пространствено разделяне на свързани електрични заряди и се генерира електрично напрежение върху мембраната.

Местоположението на звуковия източник в хоризонталната равнина се определя благодарение на наличието на два слухови осезателя, това е т.н. бинаурално чуване. Бинауралният ефект е способността на човек да определя посоката, от която идва звукът в хоризонталната равнина посредством два осезателя. Както се вижда от Фиг. 3.3.4, преди да достигне от източника до двете уши, звукът изминава различен път, S = S₂ – S₁ = d.cos . В тази формула d е базата (разстоянието между двете уши). До по-отдалеченото ухо звукът попада с по-късна фаза и по-ниска амплитуда, което се използва за установяване местоположението на звуковия източник в хоризонталната равнина. При  = 0^о разликата x е максимална и равна на базата, а при  = 90^о тази разлика е равна на нула. Пространствената разделителна способност на човек е минималния ъгъл между два източника, които се възприемат като различни. Обикновено, този ъгъл е около 3^о.

Понякога се срещат патологични отклонения в слуха – при малки деца с вродено увреждане, при някои инфекции и производствени злополуки, при възрастни хора. Най-общо, намалява се динамичният диапазон на слуха, като минималният праг на чуване се повишава, а прагът на болката се понижава. Този дефект може да се отстрани чрез поставяне на слухова протеза или имплант. Слуховата протеза се състои от микрофон, електронен усилвател и слушалка. Микрофонът превръща звуковите трептения в електрични сигнали, които се усилват по мощност от усилвателя, благодарение на енергията на електрична батерия или акумулатор. Слушалката е поставена в ухото и превръща усилените електрични сигнали в звук. Основното звено на слуховата протеза е усилвателят, който прави възможно възприемането на слаби звукове, коригира възприемането на звуци от определен честотен диапазон и подтиска усилването на звуци с голяма интензивност (компресия). Усилвателят трябва да усилва еднакво сигнали с различна честота и амплитуда, в противен случай възникват честотни и амплитудни изкривявания и тембърът на предаваните звуци се променя. При аналоговите усилватели обаче това е трудно осъществимо. Използват се и цифрови усилватели, които практически не дават изкривяване на усиления звуков сигнал.

Друг съвременен начин за корекция на слуха е слуховият имплант, който се прилага в случаите на силно увреждане на тъпанчевата мембрана и средното ухо. Състои се от външна и вътрешна части (Фиг. 3. 3. 5). Външната част съдържа микрофон и микропроцесор, който не само усилва електричните сигнали на микрофона, но и ги кодира във вид на поредица от импулси. Посредством бобина, тези импулси се прехвърлят към вътрешна бобина (приемател), разположена под черепната кост. Импулсите, уловени от приемателя предизвикват във вибратора трептения, които посредством жилото достигат до трептящата слухова протеза. Тя се поставя или на първата костица – чукчето или върху овалното прозорче в зависимост от мястото на увреждане на слуховия апарат.

Използва се още един вариант на слухов имплант. Той се различава от по-горе описания по това, че от приемателя, сигналите тръгват по сноп от проводници (между 4 и 22 на брой), които се имплантират директно в кохлеарния апарат успоредно на базиларната мембрана. Така сигналите достигат до различни участъци от базиларната мембрана и дразнят съответните слухови клетки.
3.4. Физични основи на говора. Говорен апарат при човека. Звукови единици. Произнасяне на гласни и съгласни, звучни и беззвучни фонеми. Честотен спектър и форманти на звуковите единици
Говоренето е характерен за човека физиологичен процес, извършван от т.н. говорен апарат. В основата на говоренето стои произвеждането на продължителна и сложноустроена реч, която може да се възприеме от другите хора и да им предаде сведения. Най-кратките, неразделими части на речта се наричат звукови единици (фонеми). В писмената реч всяка фонема се обозначава с определен знак (буква). Най-общо, фонемите биват гласни (А, Ъ, О, Е, И, У и техните варианти) и съгласни (Б, В, Г, Д, Ж, З, К, Л, М, Н, П, Р, С, Т, Ф, Х, Ч, Ш и техните варианти).

От своя страна фонемите изграждат думи, а думите са организирани по определени правила в изречения. На Земята съществуват хиляди езици, които използват практически едни и същи фонеми, но различни думи за обозначаване на едно и също нещо и различни правила за съставяне на изречения. Броят на фонемите в отделните езици е различен, между 25 и 45. Например, българската дума ФИЗИКА съдържа пет отделни фонеми: Ф, И, З, К и А, една от които (И) се повтаря. Фонемите в отделните езици се отличават малко една от друга. Например фонемата А присъства във всички езици и има практически един и същи вид в тях. Някои езици не съдържат определен вид фонеми, например китайският език не съдържа фонемата Р, арабския език не съдържа фонемата П, фонемата Ф отсъства в някои източноирански езици, тюркските езици не съдържат фонемата Ц и т.н.

Основната функция на говорният апарат при човек е да произвежда фонеми в такава последователност, че да се образуват думи и изречения. Говорният апарат се е развил по еволюционен път твърде късно и използва такива органи, които са част от други физиологични системи (дихателна, храносмилателна) – трахея, гръклян, глътка, меко небце, език, устни, зъби, носна кухина (фиг. 3.4.1).

Най-общо, говорният апарат може да се раздели на две части. Едната част съдържа трахеята и ларингса, а другата част – устната и носна кухина. Първата част произвежда периодично трептене на издишвания въздух, а втората филтрира и преобразува това трептене в крайна фонема.

Първата част на говорния апарат съдържа въздухопровода (трахея), в единия край на който е свързан белия дроб, а в другия му край е разположен ларингсът (фиг. 3.4.2 А). Ларингсът (фиг. 3.4.2 Б) първоначално е бил орган за разделяне на хранопровода от въздухопровода. Съдържа два мускула с плоска форма, наречени гласни струни, които в единия си край са винаги свързани, а другите им краища могат да се сближават и раздалечават. При дишане и издишване тези два края са раздалечени и трахеята е широко отворена. Това позволява на въздуха лесно да се движи от и към белия дроб. При говоренето и пеенето тези два края са плътно прилепени един за друг и гласните струни затварят подобно на клапа трахеята.

Източник на звуковата енергия за произнасяне на фонемите е белия дроб. Въздушният поток, излизащ от белия дроб при издишването има ламинарен вид. След преминаване през ларингса, той се променя в зависимост от това дали гласните струни са отворени или затворени. В първия случай въздушният поток придобива турболентен вид (бял шум) докато във втория случай той придобива накъсан, пулсиращ вид (принудено трептене, механична вълна, звук с определена честота и голяма амплитуда).