Urechea umană este un organ extrem de complex. Pentru a face lucrurile mai dificile, informațiile de la două urechi sunt combinate într-o rețea neuronală uimitoare, creierul uman. Rețineți că următoarele sunt doar o prezentare succintă; există multe efecte subtile și fenomene prost înțelese legate de auzul uman.

Figura 22-1 ilustrează structurile și procesele majore care cuprind urechea umană. Urechea externă este compusă din două părți, partea vizibilă a pielii și cartilajul atașat la o parte a capului, și canalul auditiv, un tub de aproximativ 0,5 cm în diametru care se extinde aproximativ 3 cm în cap. Aceste structuri direcționează sunetele din mediu către organele sensibile ale urechii medii și interne situate în siguranță în interiorul oaselor craniului. Întinsă pe capătul canalului urechii se află o foaie subțire de țesut numită membrană timpanică sau tamburul urechii. Undele sonore lovind membrana timpanică o fac să vibreze. Urechea medie este un set de oase mici care transferă această vibrație către cochlea (urechea internă) unde se transformă în impulsuri neuronale. Cochlea este un tub umplut cu lichid de aproximativ 2 mm în diametru și 3 cm în lungime. Deși este arătat drept în figura 22-1, cohleea este curbată și arată ca o cochilie mică de melc. De fapt, cochlea este derivată din cuvântul grecesc pentru melc.

Atunci când o undă sonoră încearcă să treacă din aer în lichid, doar o mică parte a sunetului este transmisă prin interfață, în timp ce restul energiei este reflectat. Acest lucru se datorează faptului că aerul are o joasă impedanță mecanică (presiune acustică scăzută și o viteză ridicată a particulelor care rezultă din mica densitate și înalta compresibilitate), în timp ce lichidul are o înaltă impedanță mecanică. În termeni mai puțini tehnici, este nevoie de mai mult efort pentru a flutura mîna în apă decît o face în aer. Această diferență de impedanță mecanică are ca rezultat că cea mai mare parte a sunetului este reflectată la o interfață aer/lichid.

Urechea medie este o rețea de potrivire a impedanței care mărește fracțiunea de energie sonoră care intră în lichidul urechii interne. De exemplu, peștii nu au un tambur al urechii sau o ureche mijlocie, deoarece nu au nevoie să audă în aer. Cea mai mare parte a conversiei impedanței rezultă din diferența de suprafață dintre tamburul urechii (recepția sunetului din aer) și fereastra ovală (transmiterea sunetului în lichid, vezi figura 22-1). Tamburul urechii are o suprafață de aproximativ 60 (mm)², în timp ce fereastra ovală are o suprafață de aproximativ 4 (mm)². Deoarece presiunea este egală cu forța împărțită la suprafață, această diferență de suprafață mărește presiunea undelor sonore de aproximativ 15 ori.

Conținută în cochlea este membrana bazilară, structura de susținere pentru aproximativ 12.000 de celule senzoriale care formează nervul cohlear. Membrana bazilară este mai rigidă în apropierea ferestrei ovale și devine mai flexibilă spre capătul opus, permițându-i să acționeze ca un analizor de spectru de frecvență. Atunci când este expusă la un semnal de înaltă frecvență, membrana bazilară rezonează unde este rigidă, rezultând excitarea celulelor nervoase aproape de fereastra ovală. Sunetele de joasă frecvență excită celulele nervoase la capătul îndepărtat al membranei bazilare. Aceasta face ca fibrele specifice din nervul cohlear să răspundă la frecvențe specifice. Această organizare este numită principiul locului, și este păstrată de-a lungul căii auditive în creier.

O altă schemă de codificare a informației este utilizată și în auzul uman, numită principiul salvă. Celulele nervoase transmit informația generând impulsuri electrice scurte numite potențiale de acțiune. O celulă nervoasă de pe membrana bazilară poate codifica informația audio prin producerea unui potențial de acțiune ca răspuns la fiecare ciclu al vibrației. De exemplu, o undă sonoră de 200 Hz poate fi reprezentată de un neuron care produce 200 de potențiale de acțiune pe secundă. Dar, aceasta funcționează numai la frecvențe sub 500 Hz, rata maximă la care neuronii pot produce potențiale de acțiune. Urechea umană depășește această problemă, permițând mai multor celule nervoase să facă cu rândul în realizarea acestei singure sarcini. De exemplu, un ton de 3000 Hz ar putea fi reprezentat de zece celulele nervoase excitate alternativ de 300 de ori pe secundă. Aceasta extinde gama principiului salvă la aproximativ 4 kHz, deasupra căruia se folosește exclusiv principiul locului.

Tabelul 22-1 arată relația dintre intensitatea sunetului și intensitatea sonoră percepută. Este comună exprimarea intensității sunetului pe o scală logaritmică, numită decibel SPL (Sound Power Level). Pe această scală, 0 dB SPL este o putere sonoră de 10^-16 wați/cm², aproximativ cel mai slab sunet detectabil de urechea umană. Vorbirea normală este la aproximativ 60 dB SPD, în timp ce deranjamentul dureros al urechii are loc la aproximativ 140 dB SPL.

Figura 22-1 Diagrama funcțională a urechii umane.
Urechea externă (outer ear) colectează undele sonore din mediu la membrana timpanului (ear drum), un strat subțire de țesut care vibrează sincron cu forma de undă din aer. Oasele urechii mijlocie (ciocănel, nicovală și scăriță) transmit aceste vibrații la fereastra ovală (oval window), o membrană flexibilă în cohlea umplută cu fluid. Conținută în cohlea este basilar membrane, structura de suport pentru aproximativ 12000 de celule nervoase care formează nervul cohlear. Datorită deplasării variabile a membranei basilar, fiecare celulă nervoasă răspunde numai la o gamă îngustă de audio-frecvențe, făcând fiecare ureche un analizor de spectru de frecvență.

Diferența dintre cele mai puternice și cele mai slabe sunete pe care le pot auzi oamenii este de aproximativ 120 dB, un interval de un milion în amplitudine. Ascultătorii pot detecta o schimbare a intensității când semnalul este schimbat cu aproximativ 1 dB (o schimbare de amplitudine de 12%). Cu alte cuvinte, există doar aproximativ 120 de niveluri de intensitate care pot fi percepute de la cea mai slabă șoaptă până la cel mai puternic tunet. Sensibilitatea urechii este uimitoare; când ascultați sunete foarte slabe, tamburul urechii vibrează mai puțin decât diametrul unei singure molecule!

Percepția de zgomot se referă aproximativ la puterea sonoră la un exponent de 1/3. De exemplu, dacă creșteți puterea sonoră cu un factor de zece, ascultătorii vor raporta faptul că intensitatea sonoră a crescut cu un factor de aprox. doi (10^1/3 ≈ 2). Aceasta este o problemă majoră pentru eliminarea sunetelor nedorite din mediul ambiental, de exemplu, stereo crescut în apartamentul vecin. Să zicem că acoperiți 99% din perete cu un material absorbant de zgomot, lipsind doar 1% din suprafață datorită ușilor, colțurilor, gurilor de ventilație etc. Chiar dacă puterea sonoră a fost redusă la doar 1% din valoarea sa anterioară, percepția de zgomot a scăzut doar la aproximativ 0,01^1/3 ≈ 0,2, sau 20%.

Gama de auz uman este în general considerată a fi de la 20 Hz la 20 kHz, dar este mult mai sensibilă la sunete între 1 kHz și 4 kHz. De exemplu, ascultătorii pot detecta sunete de până la 0 dB SPL la 3 kHz, dar necesită 40 dB SPL la 100 Hz (o creștere a amplitudinii de 100). Ascultătorii pot spune că două tonuri sunt diferite dacă frecvențele lor diferă cu mai mult de 0,3% la 3 kHz. Aceasta crește la 3% la 100 de hertzi. Pentru comparație, cheile adiacente pe un pian diferă cu aproximativ 6% în frecvență.

Avantajul primar de a avea două urechi este abilitatea de a identifica direcția sunetului. Ascultătorii umani pot detecta diferența dintre două surse de sunet care sunt amplasate la doar trei grade distanță, în jurul lățimii de o persoană la 10 metri. Această informație direcțională se obține în două moduri diferite. În primul rând, frecvențele de peste 1 kHz sunt puternic umbrite de cap. Cu alte cuvinte, urechea cea mai apropiată de sunet primește un semnal mai puternic decât urechea din partea opusă a capului. Cel de-al doilea indiciu al direcționalității este că urechea de pe partea cea mai îndepărtată a capului aude sunetul puțin mai târziu decât urechea apropiată, datorită distanței mai mari de la sursă. Pe baza unei dimensiuni tipice a capului (aprox. 22 cm) și a vitezei sunetului (aprox. 340 de metri pe secundă), o discriminare unghiulară de trei grade necesită o precizie de timp de aprox. 30 de microsecunde. Deoarece acest timp necesită principiul salvă, acest indiciu al direcționalității este utilizat în mod predominant pentru sunete mai joase de aproximativ 1 kHz.

Ambele aceste surse de informație direcțională sunt mult sprijinite de abilitatea de a întoarce capul și de a observa schimbarea semnalelor. O senzație interesantă apare atunci când un ascultător este prezentat cu exact aceleași sunete pentru ambele urechi, cum ar fi ascultarea sunetului mono prin căști. Creierul concluzionează că sunetul vine de la centrul capului ascultătorului!

În timp ce auzul uman poate determina direcția în care se află un sunet, acesta nu reușește să identifice distanța față de sursa de sunet. Acest lucru se datorează faptului că există câteva indicii disponibile într-o undă sonoră care pot furniza aceste informații. Auzul uman percepe slab că sunetele de înaltă frecvență se află în apropiere, în timp ce sunetele de frecvență joasă sunt îndepărtate. Acest lucru se datorează faptului că undele sonore disipă frecvențele lor mai înalte, pe măsură ce se propagă pe distanțe lungi. Echo-ul este un alt indiciu slab despre distantă, oferind o percepție a dimensiunii camerei. De exemplu, sunetele dintr-un auditoriu mare vor conține ecouri la intervale de aproximativ 100 de milisecunde, în timp ce 10 milisecunde este tipic pentru un birou mic. Unele specii au rezolvat această problemă prin folosirea sonarului activ. De exemplu, liliecii și delfinii produc clicuri și țipete ascuțite care reflectă obiectele din apropiere. Prin măsurarea intervalului dintre transmisie și ecou, ​​aceste animale pot localiza obiecte cu o rezoluție de aproximativ 1 cm. Experimentele au arătat că unii oameni, în special orbii, pot folosi, de asemena, o localizare activă a ecoului într-o mică măsură.

Secțiunea următoare: Timbru