Наиболее распространенные источники звука имеют следующие уровни громкости:
— шум дыхания человека равняется 10 дБ, или децибелам;
— шелест листвы, тихий шепот с расстояния одного метра равняется 15 дБ;
— тиканье часов — 30 дБ;
— приглушенный шум в зале ресторана, стрекот пишущей машинки — 50 дБ;
— шум от легкового автомобиля или громкий разговор с расстояния одного метра — 60 дБ;
— шум уличного транспорта — 70 дБ;
— шум в самолете — 100 дБ;
— треск отбойного молотка — 120 дБ;
— гром пушечного выстрела — 130 дБ;
— шум стартующей космической ракеты оценивается в 150–175 дБ.
Поскольку звуки играют довольно значительную роль в жизни многих живых существ, то природа за многие миллионы лет весьма усовершенствовала органы слуха. Акустические колебания, которые несут информацию о том или ином звуке, сначала попадают в ушную раковину, которая является своеобразным звукоуловителем. Далее звуковые волны идут по слуховому проходу, состоящему из узкого изогнутого канала, к барабанной перепонке и раскачивают ее.
Конечно, «раскачкой» это явление можно назвать лишь условно, потому что мы способны воспринимать столь слабые звуковые волны, при которых барабанная перепонка под их давлением перемещается всего лишь на 0,0000000001 миллиметра, то есть на расстояние в 1000 раз меньше диаметра атома водорода!
Далее движение перепонки передается в барабанной полости через специальный аппарат — слуховые косточки. Они усиливают толчки воздуха, связанные с колебаниями, и транслируют движение улитке, которая находится во внутреннем ухе и напоминает раковину морской улитки. Спирально закрученные каналы ее заполнены жидкостью.
Улитка устроена очень сложно, включает в себя несколько камер и мембран. На одной из мембран (она закручивается по спирали, повторяя извивы полости, и состоит из эластичных резонирующих волокон) расположен специальный рецепторный аппарат из волосковых слуховых клеток. Здесь происходит звуковое восприятие.
Так выглядят волосковые клетки под микроскопом.
Акустические волны вызывают резонанс тех волокон мембраны, собственная частота колебаний которых совпадает с частотой этих волн. Энергия звуковых колебаний с помощью чувствительных клеток преобразуется в нервный процесс и в виде электрического сигнала передается по слуховому нерву в кору головного мозга.
Таким образом, как мы видим, прежде чем звук будет воспринят мозгом, ему, этому звуку, необходимо из воздуха перейти в кость, из кости — в жидкость, а из жидкости с помощью рецепторных клеток преобразоваться в нервные импульсы.
И в этих процессах далеко не все тонкости исследованы до конца. Недавно объектом внимания калифорнийских ученых стали пучки волосковых клеток, полученные из внутреннего уха лягушек. Их колебания исследователи изучали при помощи анализа высокоскоростной видеозаписи.
Свои исследования ученые проводили на лягушках.
Исследователи показали, что волоски при достаточной силе сигналов колеблются синхронно, в такт. А вот звуки были очень слабы, и колебания волосков часто рассинхронизировались, словно бы в поисках нужной волны, после чего вновь восстанавливали фазовое «сцепление, пишут авторы статьи, опубликованной в Physical Review Letters. Такой механизм позволяет сделать слуховые рецепторы чувствительными даже к таким тихим сигналам, энергия которых не превышает обычного теплового шума.
Здесь нужно, наверное, сказать, что волосковые клетки являются рецепторами слуха у всех позвоночных.
Они собраны в пучки по 30–50 штук, колеблющихся как единое целое. Клетки расположены в Кортиевом органе внутреннего уха.
Как и всякий сложный прибор, орган слуха не «всеяден», обладает определенной избирательностью. Из огромного многообразия звуков, которыми наполнена Вселенная, живые существа слышат довольно узкий интервал звуковых частот. Так человек может воспринимать звуковые колебания в пределах от 10…20 до 15 000… 20 000 колебаний в секунду.
Именно поэтому, наверное, физики на основании полученных данных время от времени создают все новые приборы и устройства, которые превосходят возможности нашего слуха. Так, недавно немецкие ученые создали наноухо, которое в шесть раз чувствительнее нашего слуха.