Звуковые волны улавливаются ушной раковиной и вызывают вибрацию барабанной перепонки. В улитке внутреннего уха происходит преобразование звуковых колебаний в электрические сигналы, которые затем передаются в мозг. Улитка внутреннего уха человека занимает объем около 1 см3 и «работает» в интервале частот приблизительно от 20 Гц до 20 кГц, что позволяет улавливать звуковые сигналы в диапазоне около 120 дБ.
Какую роль играет спиральная форма улитки в обработке звуковых колебаний? Существующие теоретические модели не давали ответа на этот вопрос. Ученым из университета Теннесси и Национального института здоровья штата Мэриленд удалось установить, что спиральная форма улитки повышает чувствительность уха к низкочастотным звуковым сигналам на целых 20 дБ.
Звуковые колебания передаются через барабанную перепонку к мембране, размещенной в улитке. Исследователи разработали математические уравнения, позволяющие описывать механическое взаимодействие между мембраной улитки и окружающей ее жидкостью, а именно изменение амплитуды колебаний мембраны в каждой секции спиральной полости улитки. Оказалось, что из-за спиральной формы трубки амплитуда колебаний мембраны становится гораздо больше у внешней стороны стенки улитки, чем у внутренней. Разница амплитуд увеличивается по мере увеличения радиуса кривизны, что повышает чувствительность уха к звуковым колебаниям. «Поскольку низкочастотные звуки обрабатываются в области, где величина кривизны больше всего, т.е. в вершине улитки, наше ухо лучше улавливает именно низкочастотные звуковые волны», — поясняет доктор Дафне Мануссаки (Daphne Manoussaki), руководитель исследования.
Почему в процессе эволюции сформировалась именно спиральная структура? По мнению ученых, это связано с тем, что животные обмениваются низкочастотными звуковыми сигналами, которые передаются на большие расстояния. Для подтверждения полученных результатов исследователи планируют сравнить строение улитки внутреннего уха у различных млекопитающих.
Способность костей черепа проводить звук объясняет, почему самому человеку его голос, записанный на магнитофонную пленку, при воспроизведении записи кажется чужим, в то время как другие его легко узнают. Дело в том, что магнитофонная запись воспроизводит ваш голос не полностью. Обычно, разговаривая, вы слышите не только те звуки, которые слышат и ваши собеседники (т. е. те звуки, которые воспринимаются благодаря воздушно-жидкостной проводимости), но и те низкочастотные звуки, проводником которых являются кости вашего черепа. Однако слушая магнитофонную запись собственного голоса, вы слышите только то, что можно было записать, — звуки, проводником которых является воздух.
Экспериментальное подтверждение Костная передача звука
Доказать существование костной проводимости очень легко. Заткните уши «берушами» или кончиками пальцев и начните разговаривать или жевать. Звуки, которые вы при этом слышите, преимущественно низкочастотные звуки, дошедшие до внутреннего уха благодаря костной проводимости, минуя все структуры как наружного, так и среднего уха. Колебания воздуха, возникающие в полости рта, через вибрацию щек передаются нижней челюсти и в конце концов достигают внутреннего уха.
