ЛОКАЛИЗАЦИЯ ЗВУКА

Способность определять направление, из которого исходит звук, обусловлен: бинауральным характером нашего слуха, т. е. тем, что мы воспринимаем звук двумя ушами. Локализацию звука в пространстве обозначают поэтому как бинауралъный эффект. Люди, глухие на одно ухо, лишь с большим трудом определяют направление звука и вынуждены прибегать для этой цели к вращению головы и к различным косвенным показателям.

Бинауральный эффект может быть фазовым и амплитудным. При фазовом бинауральном эффекте определение направления, из которого исходит звук, обусловлено разностью времен прихода одинаковых фаз звуковой волны к двум ушам. При амплитудном бинауральном эффекте определение направления звука обусловлено разностью громкостей, получающихся в двух ушах. Локализация звуков на основании фазового бинаурального эффекта возможна только в отношении звуков невысоких частот (не свыше 1500 Гц, а вполне отчетливо даже только до 800 Гц). Для звуков высоких частот локализация совершается на основе различия громкостей, получающихся в одном и другом ухе. Между фазовым и амплитудным бинауральным эффектами существуют определенные соотношения. Некоторые авторы (Р. Гартлей, Т. Фрей) считают, что механизмы фазовой и амплитудной локализации всегда действуют в какой-то мере совместно.

В естественных условиях пространственная локализация звука определяется не только бинауральным эффектом, а совокупностью данных, служащих для ориентировки в реальном пространстве. Существенную роль при этом играет взаимодействие слуховых данных со зрительными и осмысливание первых на основе восприятия реального пространства.

В пояснение этого тезиса привожу наблюдения, сделанные мною во время одного заседания. Заседание происходило в очень большом радиофицированном зале. Речи выступающих передавались через несколько громкоговорителей, расположенных слева и справа вдоль стен.

Сначала, сидя сравнительно далеко, я по свойственной мне близорукости не разглядел выступавшего и, не заметив, как он оказался на трибуне, я принял его смутно видневшуюся мне фигуру за председателя. Голос (хорошо мне знакомый) выступавшего я отчетливо услышал слева, он исходил из помещавшегося поблизости громкоговорителя. Через некоторое время я вдруг разглядел докладчика, точнее, заметил, как он сделал сначала один, а затем еще несколько энергичных жестов рукой, совпавших с голосовыми ударениями, и тотчас же звук неожиданно переместился — он шел ко мне прямо спереди, от того места, где стоял докладчик.

Рядом со мной сидел коллега, профессор-педагог, сам слепой. Мне бросилось в глаза, что он сидит в полуоборот, повернувшись всем корпусом влево, напряженно вытянувшись по направлению к репродуктору; в такой позе он просидел все заседание. Заметив его странную позу, я сначала не сообразил, чем она вызвана. Так как он не видел, для него, очевидно, все время, как для меня сначала, пока я не разглядел докладчика, источник звука локализовался в направлении громкоговорителя. Ориентируясь на основе слуховых ощущений, мой сосед локализовал и трибуну в направлении громкоговорителя. Поэтому он сидел в полуоборот, желая сидеть лицом к президиуму.

Воспользовавшись перерывом, я пересел на заднее место справа. С этого отдаленного места я не мог разглядеть говорившего; точнее, я смутно видел его фигуру, но не видел, говорил ли он (движение губ, жестикуляцию и т. д.): звук перестал идти от трибуны, как это было до перерыва, он снова переместился к громкоговорителю, на этот раз справа от меня. Рискуя несколько нарушить порядок на заседании, я перешел ближе к оратору. Сначала в локализации звука не произошло никаких перемен. Но вот я стал вглядываться в говорящего и вдруг заметил его жестикуляцию, и тотчас звук переместился на трибуну; я стал слышать его там, где я видел говорящего.

Когда следующий оратор направился к трибуне, я следил за ним глазами до трибуны и заметил, что с момента, как он взошел на трибуну, понесся звук и звук его речи шел с трибуны.

Но во время его речи я стал делать себе заметки и потерял его, таким образом, из виду Перестав писать, я с удивлением заметил, что голос того же оратора уже доносился до меня не спереди, с того места, где он стоял, а справа, сбоку, локализуясь в ближайшем репродукторе.

В течение этого заседания раз 15 звук перемещался с неизменной закономерностью. Звук перемещался на трибуну или снова возвращался к ближайшему громкоговорителю в зависимости от того, видел ли я говорящего человека (движение рта, жестикуляция) или нет. В частности, когда оратор начинал заметно для меня жестикулировать и я видел, что он говорит, звук перемещался к нему, я слышал его на трибуне; когда оратор переставал жестикулировать и я не видел непосредственно перед собой говорящего человека, звук переходил к громкоговорителю. При этом я не представлял, а воспринимал или даже ощущал звук то тут, то там.

Стоит отметить, что я, конечно, очень быстро установил и затем отлично знал, где говорящий. Но мне нужно было видеть говорящего, а не только знать, где он находится, для того чтобы звук переместился к нему. Отвлеченное знание не влияло на непосредственную пространственную локализацию звука. Однако к концу заседания, по прошествии примерно 2 часов, в течение которых происходили эти перемещения, за которыми я специально наблюдал и над которыми я собственно экспериментировал, положение изменилось, я мог уже добиться перемещения звука на трибуну, фиксируя мысленно внимание на говорящем, перенося говорящего на трибуну в своем представлении^[1].

Локализуем ли мы звук, исходя из слуховых или зрительных данных, мы локализуем не слуховые и зрительные ощущения и образы восприятия в слуховом или зрительном «поле», а реальные явления, отображаемые в наших ощущениях, в восприятиях в реальном пространстве. Поэтому локализация источника звука определяется не только слуховым, но и зрительным восприятием вообще, совокупностью всех данных, служащих для ориентировки в реальном пространстве.

ТЕОРИЯ СЛУХА

Из большого числа различных теорий слуха наиболее прочное положение занимает резонансная теория слуха, выдвинутая Г. Гельмгольцем.

Согласно этой теории, основным органом слуха является улитка, функционирующая как набор резонаторов, с помощью которых сложные звуки могут быть разложены на парциальные тоны. Отдельные волокна основной мембраны являются как бы струнами, настроенными на различные тоны в пределах от нижней до верхней границы слуха. Гельмгольц сравнил их со струнами музыкального инструмента — арфы. Более короткие волокна, лежащие у основания улитки, должны воспринимать высокие ноты; более длинные волокна, находящиеся у вершины ее, — низкие. Поскольку волокна мембраны легко отделяются друг от друга в поперечном направлении, они легко могут колебаться изолированно. Число этих волокон колеблется в пределах 13—24 тысяч; число слуховых нервных окончаний составляет примерно 23 500. Это хорошо согласуется с нашей слуховой способностью различения, позволяющей нам воспринимать тысячи ступеней тонов (примерно 11 октав).

Свою резонансную теорию слуха Гельмгольц обосновывал прежде всего анатомическими данными. Анатомическое строение преддверия таково, что маловероятной является возможность передачи колебаний перелимфы не только в улитку, но и на полукружные каналы, поскольку преддверие более или менее полно разделено перегородкой^[2]. К тому же оба конца каждого полукружного канала открываются в преддверии очень близко друг от друга; поэтому колебания перепонки овального окна вряд ли могут вовлекать в колебание перелимфу каналов. Таким образом, основным органом слуха приходится признать улитку.

Кроме анатомических данных резонансная теория подтверждается также наблюдениями клиники. Явления, называемые пропуском тонов и островами тонов, заключаются в том, что в первом случае выпадают ощущения большей или меньшей области тонов как если бы были разрушены отдельные резонаторы, или же из области тонов остаются только небольшие «островки», т. е. способность слышать звуки только определенной высоты; заболевание верхушки улитки влечет за собой глухоту к басу, т. е. нечувствительность к низким тонам, как если бы большинство резонаторов было уничтожено. Эксперименты Л. А. Андреева по методу условных рефлексов с животными, улитка которых разрушалась в определенной области, также подтвердили, что «изолированное повреждение кортиева органа, в зависимости от места этого повреждения, вызывает выпадение слуха на отдельные тоны»^[3].

Исследования поврежденных улиток при вскрытии трупа подтверждают, что потеря слуха на определенные тоны всегда связана с дегенерацией нервных волокон в соответствующей области основной мембраны. Удалось даже точно локализовать отдельные тоны. Например, тон 3192 Гц локализован примерно на расстоянии 10-15 мм, тон 2048 Гц — на расстоянии 18,5-2,5 мм.

В пользу теории Гельмгольца говорит и эффект Увера—Брея, или эффект улитки^[4], а также то обстоятельство, что повреждение, перерождение или отсутствие органа Корти при сохранении других основных элементов улитки вызывает ослабление или отсутствие эффекта Увера—Брея. Изменение величины порога электрического эффекта улитки в различных ее точках подтвердило намеченную Гельмгольцем картину распределения восприятия тонов вдоль основной мембраны (низкие тоны локализуются у вершины улитки, высокие — у основания, близ круглого окна, средние — в области среднего завитка улитки) и т. д.

Таким образом, в пользу теории Гельмгольца свидетельствуют многочисленные и веские данные. Но все же с самого начала она вызывала и серьезные возражения. Непонятно, во-первых, почему ничтожная по размерам перепонка отвечает на тон определенной высоты изолированными колебаниями одной единственной струны или узкой полосы этих струн, тем более что эти струны соединены в общую перепонку. Однако главную трудность для теории Гельмгольца составляет объяснение не каких-либо частных вопросов, а восприятия всей совокупности звуков, особенно различия в большом диапазоне силы звука. Диапазон изменения громкости, в котором наблюдается несколько сот градаций, весьма трудно объяснить с точки зрения резонансной теории. В самом деле, каждое нервное волокно может давать ощущение только одной неизменной силы. Если раздражение меньше порога чувствительности, то нерв не реагирует вовсе. Если оно превышает порог, то сила нервного процесса оказывается постоянной. Число волокон, затрагиваемых действием одного тона, исчисляется максимум 1—2 десятками. И непонятно, каким образом это небольшое число волокон дает столь большое число градаций.

Непонятным оказывается также бинауральный эффект. Оценка разницы времени прихода одинаковых фаз волны к обоим ушам может происходить, очевидно, лишь в мозговых центрах, а значит, периодический характер звукового процесса должен как-то отображаться в нервных процессах коры. Между тем теория Гельмгольца, будучи теорией «периферического анализатора», относит оценку звука исключительно к возбуждению нервов в данной области улитки.

Затруднения, объяснить которые теория Гельмгольца пока не в состоянии, вызывают к жизни все новые и новые теории слуха. Одной из таких теорий является теория Г. Флетчера. Согласно этой теории, на звуковые волны отвечают не отдельные струны основной перепонки, а пере- и эндолимфа улитки. Пластинка стремечка передает звуковые колебания жидкости улитки к основной перепонке, причем максимум амплитуды этих колебаний при более высоких тонах лежит ближе к основанию улитки, при более низких — ближе к ее вершине. Оканчивающиеся на основной перепонке нервные волокна резонируют лишь на частоты выше 60—80 Гц; волокон, воспринимающих более низкие частоты, на основной мембране нет. Тем не менее в сознании формируется ощущение высоты вплоть до 20 Гц. Оно возникает как комбинационный тон высоких гармоний. Таким образом, с точки зрения гипотезы Флетчера, восприятие высоты низких тонов объясняется ощущением всего комплекса гармонических обертонов, а не только восприятием частоты основного тона, как это обычно принималось до сих пор. А так как состав обертонов в значительной степени зависит от силы звуков, то становится понятной тесная связь между тремя субъективными качествами звука — его высотой, громкостью и тембром. Все эти элементы, каждый в отдельности, зависят и от частоты, и от силы, и от состава обертонов звука.

Согласно гипотезе Флетчера, резонансные свойства присущи механической системе улитки в целом, а не только волокнам основной мембраны. Под действием определенного тона колеблются не только резонирующие на данную частоту волокна, но вся мембрана и та или иная масса жидкости улитки. Высокие тоны приводят в.движение лишь небольшую массу жидкости вблизи основания улитки, низкие — замыкаются ближе к геликотреме. Флетчер преодолевает также основное затруднение резонансной теории, связанное с объяснением большого диапазона громкости. Он считает, что громкость определяется суммарным числом нервных импульсов, приходящих к мозгу от всех возбужденных нервных волокон основной мембраны.

Теория Флетчера в общем не отрицает существа теории Г. Гельмгольца и может быть отнесена к теориям «периферического анализатора».

Другую группу теорий составляют теории «центрального анализатора», или так называемые телефонные теории. Согласно этим теориям, звуковые колебания превращаются улиткой в синхронные волны в нерве и передаются к мозгу, где и происходит их анализ и восприятие высоты тона. К этой группе теорий принадлежит теория И. Эвальда, согласно которой при действии звука в улитке образуются стоячие волны с длиной, определяемой частотой звука. Высота тона определяется восприятием формы узора стоячих волн. Ощущению определенного тона соответствует возбуждение одной части нервных волокон; ощущению другого тона — возбуждение другой части. Анализ звуков происходит не в улитке, но в центрах головного мозга. Эвальду удалось построить модель основной мембраны, размером приблизительно соответствующей реальной. При возбуждении ее звуком в колебательное движение приходит вся перепонка; возникает «звуковая картина» в виде стоячих волн с длиной тем меньшей, чем выше звук.

Несмотря на удачные объяснения некоторых затруднительных частностей, теория Эвальда (как и другие теории «центрального анализатора») плохо согласуется с новейшими физиологическими исследованиями природы нервных импульсов. С. Н. Ржевкин считает, однако, возможной двойственную точку зрения, а именно объяснение восприятия высоких тонов (не встречающее затруднений) в смысле теории «периферического анализатора», а низких — с точки зрения «центрального анализатора».