Перейти к основному содержанию

Теория слуха Гельмгольца

Немецкий физик Георг Ом впервые высказал мысль, что простое слуховое ощущение вызывается простым синусоидальным колебанием. Как только форма колебания усложняется, появляются обертоны — возникает впечатление окраски звука или его тембра. 

В своей революционной работе «Учение о слуховых ощущениях как физиологическая основа для теории музыки» (1863), которая оказала огромное влияние и на музыкантов, и на изобретателей музыкальных инструментов 20 века,  Герман Гельмгольц на основе исследования натурального звукоряда и строения внутреннего уха разработал т.н. резонансную теорию слуха. Согласно этой теории, первичный анализ звуковых колебаний происходит в одном из разделов внутреннего уха, т.н. "улитке":

Улитка

Расположение внутреннего уха

Внутреннее ухо и улитка (Cochlea)

Улитка

Внутреннее ухо и улитка

Улитка представляет собой заполненный жидкостью перепончатый канал, образующий два с половиной витка спирали. Внутри улитки находится т.н. базилярная мембрана (нижняя перепончатая стенка), на которой расположен Кортиев орган — скопление большого числа резонаторов (т.н. "волосковых клеток"), каждый из которых отзывается на колебания определенной частоты и возбуждает соответствующие нервные окончания, входящие в состав слухового нерва:

Улитка играет основную роль в слуховом восприятии. Она представляет собой трубку переменного сечения, свернутую три раза подобно хвосту змеи. В развернутом состоянии она имеет длину 3,5 см. Внутри улитка имеет чрезвычайно сложную структуру. По всей длине она разделена двумя мембранами на три полости: лестница преддверия, срединная полость и барабанная лестница:

улитка

Сверху срединная полость закрыта мембраной Рейсснера, снизу - базилярной мембраной. Все полости заполнены жидкостью. Ширина и толщина “ленты” мембраны в начале улитки меньше ширины и толщины в конце улитки. Звуковой сигнал, приходящий со стороны начала улитки, заставляет мембрану резонировать в разных частях. Мембрана устроена так, что высокие частоты вызывают возбуждения в начале мембраны (там мембрана жестче), а низкие частоты — в конце (там она мягче). Максимальные колебания мембраны происходят в той ее части, которая соответствует частоте приходящей звуковой волны.

4

На внутренней стороне базилярной мембраны находится орган Корти, а в нем - специализированные слуховые рецепторы - волосковые клетки. В поперечном направлении орган Корти состоит из одного ряда внутренних волосковых клеток и трех рядов наружных волосковых клеток. Между ними образуется тоннель. Волокна слухового нерва пересекают тоннель и контактируют с волосковыми клетками:

Улитка

Улитка в поперечном разрезе

Волосковые клетки, расположенные вдоль мембраны и оказавшиеся в резонирующей области, начинают колебаться, возбуждая тем самым нервные окончания, которые передают информацию о колебаниях в мозг. При этом, конечно, начинает колебаться не какая-то одна точка мембраны, а целый отрезок (ведь мембрана — это своего рода узкая лента типа струны). Таким образом, анализируя информацию о характере колебаний мембраны и волосковых клеток, мозг, подобно спектроанализатору, интерпретирует их, как звук той или иной высоты.

Волосковые клетки под электронным микроскопом:

Волосковые клетки под электронным микроскопом

Число волосковых клеток т.н. органа Корти составляет около 24 000, а число нервных волокон, отходящих от них — около 3000. Таким образом, число различных типов раздражений, производимых звуками в слуховом органе, очень велико. Благодаря этому ухо человека позволяет очень тонко различать звуки по их частоте и спектральному составу.

[ Современные теории слуха ]

Звуковой синтезатор Гельмгольца. Max Kohl. Германия, 1905
«Звуковой синтезатор Гельмгольца». Max Kohl. Германия, 1905
(научный прибор для демонстрации и анализа обертонов, которые описал Гельмгольц в книге «Учение о слуховых ощущениях как физиологическая основа для теории музыки»)