4.4. Пространственный, или бинауральный, слух

Важным свойством слуховой системы является способность определять направление звука в пространстве, получившая назва­ние

ототопики. Ототопика возможна только при наличии нор­мально слышащих обоих ушей. При этом условии человек спосо­бен оценить по слуху отклонение звука от средней плоскости на величину примерно около 3°. Если одно ухо вследствие тех или иных причин воспринимает звуки хуже, такая способность утра­чивается. За счет здорового уха слышимость сохраняется, но оп­ределить направление звука человек не может, так как не обла­дает «двуушным», или, как говорят в медицине, «бинауральным» слухом.

Первым, кто пытался ответить на вопрос, каким образом чело­век определяет направление звука, был итальянский физик Джованни Батиста Вентури (1736). Изучая слуховую локализацию звука, Д. Вентури помещал испытуемого с завязанными глазами посреди открытого луга, затем ходил вокруг него на расстоянии 50 м и время от времени издавал звуки с помощью флейты или коло­кольчика. Когда источник звука находился под прямым углом к положению прямо впереди, испытуемый легко определял его на­правление; если он держал голову неподвижно, то часто не удава­лось различить, какой звук доносится спереди, а какой сзади. Если источник звука находился по диагонали, впереди или сзади, ис­пытуемый часто не мог определить положение источника звука спереди или сзади, но никогда не испытывал трудностей в разли­чении правой и левой сторон.

Д. Вентури также установил, что глухой на одно ухо может локализовать звуки, если поворачивает голову при продолжаю­щемся действии звука. Он поворачивается до тех пор, пока здоро­вое ухо не будет прямо обращено к источнику звука. Люди, глу­хие на одно ухо, никогда не могут точно локализовать короткие звуки.

Д. Вентури пришел к выводу, что локализация звуков основана на различии в силе раздражений, действующих на то и другое ухо. Кроме того, он считал, что этот процесс включает умственное суждение, и отрицал возможность физиологического взаимодей­ствия нервных сигналов от обоих ушей.

В 1911 г. было впервые высказано предположение об ином механизме определения звука в пространстве, а именно: на вос­приятие положения источника звука могут влиять небольшие раз­личия во времени достижения звуком обоих ушей.

Звук, источник которого расположен справа от головы, дохо­дит до правого уха примерно на 0,0005 с раньше, чем до левого. Если же источник находится спереди или сзади на 5° правее сре­динной (медианной) плоскости головы, то звук дойдет до правого уха раньше всего 'лишь на 0,00004 с. Но могут ли столь ничтож­ные различия во времени служить основой для восприятия на­правления? Во время Первой мировой войны этот вопрос секрет­но изучали во Франции и Германии в связи с разработкой звуковых

локаторов для обнаружения самолетов. Как показали опыты, различия во времени порядка 0,0001 с (при одинаковой силе зву­ка) действительно позволяют локализовать источник звука. Такие интервалы слишком малы для того, чтобы оба уха могли воспри­нять раздельно два звука.

Конечно, при обычных условиях звук воздействует на оба уха не одновременно. Ухо на стороне, противоположной источнику звука, получает сигнал не только позднее, но и меньшей интен­сивности из-за «экранирующего» влияния головы. Схема разли­чий во времени прихода звуковой волны от источника приведена на рис. 31.

Сначала звук достигает уха, расположенного ближе к источни­ку. При низких частотах звуковые волны «огибают «голову в силу их большой длины. Звук в воздушной среде имеет скорость 330—+ 340 м/с. Следовательно, 1 см он проходит за 30 мкс. Поскольку расстояние между ушами человека составляет 18 —20 см, а голову можно рассматривать как шар с радиусом 9 см, то разница между

попаданием звука в разные уши составляет 9П • 30 - 840 мкс, где 9П (или 28 см) — это тот дополнительный путь, который должен пройти звук вокруг головы, чтобы попасть в другое ухо. Естест­венно, разница во времени зависит от места расположения источ­ника; если он находится по средней линии впереди (или сзади), то звук достигает обоих ушей одновременно. Малейший сдвиг (даже менее 3°) вправо или влево от средней линии уже воспринимается человеком. Это значит, что значимая для анализа мозгом разница между приходом звука к правому и левому уху составляет меньше 30 мкс. Следовательно, физическая пространственная размерность воспринимается 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). Подобных мест, так называемых основных уровней конвергенции, в классической слуховой системе не менее трех — это верхнеоливарный комплекс, нижний холм и слуховая кора. Дополнительные места конверген­ции находятся внутри каждого уровня, например межхолмовые и межполушарные связи.

Удаление слуховой коры и неизбежная при этом ретроградная дегенерация медиального коленчатого тела приводят к наруше­ниям локализации звука.

Следовательно, бинауральный слух определяют два основных условия. Для низких частот основным фактором является разли­чие во времени попадания звука в левое и правое ухо, для высо­ких частот — различие в интенсивности. Кроме того, для локали­зации звука необходимо еще одно условие - фазность.

Фаза звуковой волны связана с различиями во времени по­ступления звука в правое и левое ухо. Более «поздний» звук отста­ет по фазе от предыдущего, более «раннего» звука. Отставание имеет значение при восприятии относительно низких частот зву­ков с длиной волны не менее 840 мкс, т.е. это частоты не более 1300 Гц.

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 его волны составляет 33 м, при частоте звука 1 000 Гц — 33 см, а при частоте 10000 Гц — 3,3 см. Из приведенных цифр следует, что при высоких частотах звук отражается головой. В результате возникает разница и в интенсивности звуков, поступающих к пра­вому и левому уху. У человека дифференциальный порог по интенсивности на частоте 1000 Гц составляет величину порядка 1 дБ, поэтому оценка местоположения источника звука высокой частоты

основывается на различиях интенсивности звука, попадающего на каждое из ушей.

Пространственный слух позволяет установить место располо­жи источника звучащего объекта, степень его удаленности и направление перемещения, увеличивает четкость восприятия. Первый уровень бинауральной конвергенции информации — ядра верхней оливы на уровне моста мозга (рис. 32).

Простое сравнение монофонического и стереофонического вслушивания стереофонической записи дает полную картину имущества пространственного восприятия, которое обеспечи­мся многочисленными уровнями бинауральной конвергенции слуховых ядрах головного мозга,

Предъявление звуков одновременно на оба уха не только добавляет к восприятию звука пространственное измерение, но и увеличивает четкость восприятия. Это обеспечивается путем действия трёх разных механизмов: локализации звука, снижения интерференции и сведения к минимуму маскировки.

Итак, локализация звука в горизонтальной плоскости обеспечивая различиями между ушами по времени поступления звука (фазе) и его интенсивности (силе). Локализация звуков в вертикальной плоскости требует обязательного наличия в них высоких Tot (более 7 кГц). В последнее время показано, что в бинауральном слухе важную роль играет ушная раковина: это акустики фильтр, способствующий точности оценки расположения км по вертикали.