Физика в быту

Как работает наша слуховая система

Давайте, наконец, посмотрим, как устроена наша замечательная слуховая система, способная не просто воспринимать звуки, сильно отличающиеся по интенсивности, но и раскладывать их на гармонические составляющие, то есть определять спектр звуков с высокой точностью.

Рис. 9. Слуховые косточки среднего уха

То, что мы обычно называем ухом, – это лишь наружное ухо. Ушная раковина через слегка изогнутую трубочку – слуховой канал – направляет звук к барабанной перепонке – тончайшей мембране. Наружное ухо благодаря явлению резонанса может усилить звуковое давление в сотни раз в области частот 2–5 тысяч герц, создавая ту самую «ямку» на кривой порога слышимости, на которую мы обращали внимание на рисунке 8.

По другую сторону от барабанной перепонки начинается среднее ухо – система из трёх маленьких слуховых косточек, их называют молоточком, наковальней и стременем (рис. 9).

Среднее ухо соединено с носоглоткой евстахиевой трубой. Это нужно для выравнивания внешнего атмосферного давления и давления воздуха в полости среднего уха. Несмотря на солидное название, «труба» эта имеет толщину всего 2 мм, а у детей и того меньше. Поэтому нам приходится иногда ей помогать: так, в самолёте при взлёте и посадке, когда давление в салоне быстро изменяется, мы должны глубоко зевнуть или сглотнуть, чтобы быстрее выровнять давление снаружи и внутри среднего уха.

Задача слуховых косточек – передать колебания барабанной перепонки дальше по назначению, то есть во внутреннее ухо, а заодно усилить их за счёт эффекта рычага (если эти колебания слишком слабы) или, наоборот, частично погасить их за счёт рефлекторного сокращения мышц среднего уха (для слишком громких звуков). Наковальня служит демпфером между молоточком и стременем, благодаря чему среднее ухо хорошо защищает нас от длительных громких звуков – но только до тех пор, пока мышца среднего уха не устанет, и тогда ухо начнёт постепенно глохнуть. Что касается слабых звуков, то среднее ухо может усилить их интенсивность в несколько тысяч раз!

Внутреннее ухо включает в себя вестибулярный аппарат (три полукружных канала) и главный приёмник и анализатор звука – улитку (рис. 10).

Рис. 10. Внутреннее ухо: вестибулярный аппарат и улитка

Улитка представляет собой свёрнутый спиралью канал, заполненный жидкостью. Канал улитки разделён по всей своей длине перегородкой – основной мембраной, состоящей из 24 тысяч поперечных волокон – слуховых струн. Струны имеют различную длину и толщину, а значит, и разные собственные частоты. Основную мембрану можно сравнить с миниатюрной арфой, только с гораздо бóльшим числом струн и свёрнутой для компактности в спираль. Каждая из струн откликается на свою собственную частоту, так что на поверхности мембраны «представлена» вся шкала звуковых частот: на одном конце – самые высокие частоты, на другом – самые низкие. Когда слуховые струны колеблются, они возбуждают прикреплённые к ним удлиненные звуковоспринимающие клетки – слуховые рецепторы. Электрические сигналы от клеток-рецепторов передаются волокнам слухового нерва и направляются далее к коре головного мозга, где и происходит окончательное различение звуков по их характеру, высоте и силе.

Для частот ниже 50 Гц на основной мембране улитки нет соответствующих по частоте струн. Мозг определяет высоту тона для таких низких звуков по разности частот их высших гармоник.

Вход в улитку – это овальное окошко, прикрытое эластичной плёнкой. Стремя среднего уха упирается в эту плёнку и «запускает» звуковую волну в жидкость улитки. На рисунке 10 вы видите ещё одно окно на поверхности улитки – круглое окно: его эластичная мембрана играет роль «предохранительного клапана», спасающего улитку при слишком сильном давлении стремени на овальное окно.

Главные зоны слуха находятся в височных областях мозга. Слуховые нервы по пути в кору головного мозга перекрещиваются, так что информация от правого внутреннего уха попадает в левое полушарие, и наоборот.

Глава 3
Воздействие звуков

Особо важные частоты

То, о чём сейчас будет сказано, пригодится нам не только в этой части книги. Мы снова вспомним об этом в части 3, когда речь пойдёт о воздействии на нас электромагнитных полей.

Как вы помните, у тел любой формы есть свои собственные частоты, зависящие от размеров, формы, плотности. А что такое наше тело, как не «набор» клеток, органов и систем? Для всех составных частей наших организмов, от молекул ДНК и клеточных мембран до крупных органов и целых систем (кровеносной, нервной) имеется свой ряд собственных частот, на которые эти части, органы и системы откликаются наиболее явно. Такие частоты определяют экспериментальным путём и называют биоэффективными. Общая закономерность проста: чем меньше орган, тем выше его собственные частоты (как и у струн: чем короче струна, тем больше её основная частота и соответственно выше тон). Так, частоты клеточных мембран имеют порядок миллиарда герц – это выходит очень далеко за пределы звукового и даже ультразвукового диапазонов. В низкий звуковой диапазон попадают биоэффективные частоты нервных волокон (50–60 Гц), некоторые частоты кровеносной системы (80 и 300 Гц). Диапазоны частот ритмов мозга достаточно широки: от 0,3 до 100 Гц – это инфразвуковой и звуковой диапазоны. В инфразвуковом диапазоне лежат частоты отклика кровеносной, сердечно-сосудистой, нервной систем, а также крупных органов: сердца, желудка, почек, позвоночника, кишечника, лёгких и других.

Опыт показывает, что отклик на внешнее воздействие на биоэффективной частоте может как улучшить состояние организма, так и ухудшить его. Тут многое зависит от интенсивности воздействия. Когда мы имеем дело с резонансными явлениями, всегда требуется особая осторожность. Причём неважно, какова природа воздействия: звуки, механическая вибрация, электромагнитные поля – в живом организме механические и электромагнитные колебания могут трансформироваться друг в друга (так, механические сокращения сердца приводят к колебаниям его электрических потенциалов).

Теперь, когда вы узнали о биоэффективных частотах, многие из которых попадают в инфразвуковой диапазон, вас не удивляет, что инфразвук значительной интенсивности опасен для организма и вызывает неблагоприятные реакции самых разных его систем, о чём мы уже говорили в первой главе. Даже при небольшой интенсивности инфразвук может испортить настроение, причём вы даже не поймёте, почему оно испортилось.

Но учёным удаётся получить и благоприятные отклики на инфразвук. Так, с помощью инфразвука с частотой 0,9 Гц при определённой интенсивности можно повысить общий тонус, вызвать прилив бодрости и жажды действий.

Очень сильно на человека действуют ритмичные звуки. Так, музыка с подчеркнутым ритмом 60 ударов в минуту приводит в состояние расслабления. А определённые ритмы барабанов могут ввести человека в транс.

Роль звуков в самочувствии и здоровье человека находится в процессе активного исследования.

Музыка и мозг

Несомненно, музыка и звуки природы сильно действуют на человека. И тут не надо искать совпадений с биоэффективными частотами (хотя и они могут иметь значение). Просто всё то, что доставляет нам радость, эстетическое наслаждение, чувство эйфории, полёта и вдохновения, сопровождается определёнными гормональными и биохимическими изменениями в организме, укрепляет иммунитет и продлевает жизнь. И это научно вполне обосновано.

И всё же музыка занимает особое положение среди «всех великих наслаждений», говоря словами Пушкина. Дело в том, что при восприятии музыки задействуются в той или иной степени почти все области головного мозга! Это подтверждено с помощью современных методов нейровизуализации. Отдельного центра восприятия музыки нет. Когда мы её слушаем, активируется сразу несколько областей мозга за пределами слуховой коры. Одни участки определяют источник звука, другие анализируют его частоты, третьи занимаются анализом мелодии, гармонии и ритма. В левом (доминантном, «логическом») полушарии обрабатывается смысловая информация, содержащаяся в музыке, правое (недоминантное, «интуитивное») полушарие обеспечивает переживание музыки, причём в эмоциональное реагирование вовлечена не только кора, но и подкорка – эволюционно более древняя часть мозга. А поскольку состояния повышенной творческой активности и интуитивных озарений легче всего достигаются через стимуляцию недоминантного правого полушария, то наслаждение музыкой отнюдь не бесполезное занятие!

У профессиональных музыкантов при прослушивании музыки активнее включается «логическое» полушарие, в отличие от простых слушателей, воспринимающих музыку больше на уровне эмоций.

Музыка и дети

За три месяца до рождения в мозгу плода уже начинают действовать слуховые системы. Он воспринимает, прежде всего, звуки организма матери. Но до него доходят и звуки внешнего мира, хотя и приглушённые, и плод реагирует на них движениями и изменением сердцебиения.

О пользе раннего музыкального развития давно и много говорят и пишут. Установлено, что длительное обучение музыке вызывает физические изменения в мозге (как, впрочем, и обучение любым другим умениям и навыкам): увеличивается площадь слуховых зон, реагирующих на музыку, образуются новые межнейронные связи, так что можно смело говорить о музыкальном развитии мозга. Мозг можно тренировать так же, как вы накачиваете мышцы при регулярных упражнениях. Но есть ли от этого толк?

Скорее всего, не случайно среди талантливых физиков и математиков многие (более 60 %) обладают развитым слухом и регулярно музицируют (вспомним хотя бы Эйнштейна, играющего на скрипке под аккомпанемент другого гениального физика, Макса Планка). Идеи часто рождаются в правом «интуитивном» полушарии, а музыка, как уже говорилось, помогает его активировать. У талантливых людей хорошо и взаимосвязанно работают оба полушария, чему также способствует музыка. Гёте, к примеру, утверждал, что ему всегда лучше работается после прослушивания скрипичного концерта Бетховена.

У детей дошкольного возраста ведущую роль в обучении чему бы то ни было играет именно недоминантное правое полушарие, и в этом же возрасте активно формируются множественные межнейронные связи. При занятиях музыкой (и другими искусствами тоже) эти процессы активизируются.

Не обязательно учить ребёнка играть на инструменте (хотя это дело очень полезное, требующее координации работы двух полушарий), можно просто слушать музыку. Многие исследования подтверждают благотворное влияние музыки на умственное развитие, развитие пространственного мышления (за которое тоже отвечает правое полушарие), речи и внимания.

Есть распространенные мифы об особом воздействии музыки Моцарта: дескать, 10 минут прослушивания его сонаты заметно повышает уровень IQ студентов. Или что дети, которые росли под музыку Моцарта, в дальнейшем достигают большего успеха в жизни. Хотя строго научных доказательств «эффекта Моцарта» и нет, но и научного опровержения тоже нет. Так что никто нам не мешает верить и применять музыку Моцарта (и не только его – прекрасных композиторов много!) в качестве универсального релаксанта и стимулятора творческой активности. Надёжно установленными можно считать утверждения о том, что музыка должна быть: а) любимая, б) не слишком громкая.

Но о громкости будет отдельный разговор чуть позже. Сначала о приятном.

Музыкотерапия

Греческий философ Пифагор (примерно VI век до н. э.) был убеждён, что правильно подобранная музыка может не только создавать нужное настроение, но и лечить болезни. Древнекитайский мыслитель Конфуций отводил музыке важную роль в управлении государством. В начале XIX века французский психиатр Эскироль успешно применял лечение музыкой в психиатрических клиниках. Во второй половине XX века музыкотерапия, как и арт-терапия в целом, стала одним из популярных направлений альтернативной медицины. В ряде стран западной Европы (Швеции, Германии, Австрии) и в США возникли музыкально-психотерапевтические центры и общества. Постепенно это направление лечения развивается и в России.

Между большинством болезней и психическим состоянием человека существует прямая связь, так что целебный потенциал музыки не вызывает сомнений. Под воздействием музыки меняются артериальное давление, частота сердцебиений, ритм и глубина дыхания. И, безусловно, огромное влияние музыка оказывает на нервную систему.

Сторонники музыкотерапии делятся на две группы. Одни считают, что её целебная сила основана «лишь» на психологическом воздействии. Но даже если так, разве этого мало? Другие верят в непосредственное физическое действие на организм звуковых волн. Но все сходятся в убеждении, что, хотя мы пока и не понимаем до конца всех механизмов воздействия музыки и прочих звуков, это воздействие может помочь в лечении многих болезней. Музыкальные терапевты высоко оценивают лечебный потенциал классической музыки, а также некоторой этнической музыки. И считают вредными для здоровья тяжёлый рок и ему подобные музыкальные направления: громкие низкочастотные звуки, жёсткие ритмы и монотонные повторения рока оказывают угнетающее действие на мозг и психику. Классическая же музыка, гармоничная и богатая высокочастотными звуками, даёт прилив жизненных сил и творческой энергии.

Разные инструменты дают разный терапевтический эффект: возможно, частоты-форманты разных инструментов «родственны» частотам тех или иных органов и систем. Так, согласно наблюдениям, звуки флейты помогают при заболеваниях бронхо-лёгочной системы (как и звуки саксофона, ксилофона, колокольчиков), кларнет хорош при сердечно-сосудистых проблемах, фортепиано и арфа успокаивают нервную систему, а барабаны оказывают оживляющее влияние.

Что лучше: играть самому или слушать? Оказывается, оба эти действия дают сравнимые результаты. Так, общеизвестно, что игра на духовых инструментах укрепляет дыхательную систему. Но и простое прослушивание музыки, исполняемой на этих инструментах, оказывает подобное действие! Почему? Да потому, что при слушании вы непроизвольно подстраиваете дыхание под ритм дыхания исполнителя, даже не сознавая этого, – подобно тому, как ваши связки беззвучно воспроизводят звуки речи, которые вы слышите. А слушая пение, мы тоже беззвучно поём. Большинство пианистов подпевают себе под нос, когда играют (на аудиозаписях Глена Гульда это хорошо слышно).

Абсолютно все специалисты сходятся во мнении об особой пользе вокала. Пение, как активное, так и беззвучное, улучшает кровоснабжение мозга, помогает наладить правильное дыхание, а также укрепляет сердечную мышцу. Когда человек поёт, во внутренних органах возникает вибрация – ведь при пении больше половины звуковой энергии идёт во внутренние органы, а не в окружающую среду. В результате улучшается кровоснабжение всех органов, снимаются застойные явления.

Сильное и прямое воздействие и на тело, и на эмоции оказывают ритмы. Определённые ритмы могут ускорять или тормозить обменные процессы, расслаблять или тонизировать мускулатуру. Поп-музыка «выезжает» во многом именно на простых ритмах (зачастую примитивных).

Весьма опасны могут быть синтезируемые на компьютерах ритмы с одинаковой частотой, звучащие на большой громкости. Жёсткая периодичность таких ритмов противоестественна – живые ритмы всегда «дышат». А низкие частоты, как мы уже поняли, могут вызвать нежелательные резонансы в организме.

Пётр Ильич Чайковский говорил о музыке Моцарта: «Слушая его музыку, я как будто совершаю хороший поступок» (в письме к Надежде Филаретовне фон Мекк от 11/23 января 1883 года). Целительна для духа, души и тела самая разная музыка – главное, чтобы она была хорошей.

Немного о мантрах

Определённые сочетания звуков использовались во многих древних культурах для воздействия на психику и тело человека. И это понятно, ведь голос – самый совершенный и самый первый музыкальный инструмент, данный нам.

Санскритское слово «мантра» означает в буквальном переводе «инструмент мышления». Считают, что мантры появились более трёх тысяч лет назад. Для людей, практикующих йогу или медитацию, повторение мантр – это способ успокоения ума.

Основная мантра индуизма – «Ом» (произносится как АУМ на выдохе, на одной высоте, нараспев), с неё начинаются и ею заканчиваются все индуистские молитвы (можно провести аналогию с христианским «Аминь»), причём правильному произношению мантр индийских браминов учат годами.

Много книг написано об исцеляющей силе мантр. В сущности, это неспешное ритмичное пропевание звукосочетаний. Не только гласные, но и многие согласные звуки вызывают ощутимые вибрации в носо-рото-глоточном и грудном резонаторах, передающиеся и другим органам. Не говоря о психотерапевтическом действии мантр (вы же не просто их произносите – вы сосредотачиваете свои мысли на чём-то возвышенном), вибрации их звуков оказывают физическое воздействие. Вспомним о формантах гласных – повышенной силе вибраций на определённых, для каждого звука своих, частотах, не зависящих от высоты основного тона. Веками эмпирически подбирались сочетания звуков, наилучшим образом воздействующих на те или иные системы организма. Доверимся многовековой мудрости.