"Уши" насекомых, например, расположены в очень неподходящих для этого местах (с точки зрения человека). Знаете, где уши у паука? Настоящих ушей у него, правда, нет, но он все же может слышать. В дополнение к восьми глазам у пауков есть еще высокочувствительные органы слуха на лапках (рис. 3). Углубление в хитиновом скелете заменяет ему нашу ушную раковину. Слуховой орган, расположенный около ножного сустава, открывается и закрывается в ответ на звуки и вибрацию.
Рис. 3. Ухо паука (показано стрелкой)
Несмотря на кажущуюся простоту, органы слуха насекомых способны воспринимать звуки в чрезвычайно широком диапазоне частот. В ухе ночной бабочки, например, имеется всего три нервных волокна, но оно обнаруживает ультразвуки, издаваемые летучей мышью. Слуховой орган моли воспринимает частоты от 10 до 100 кгц и позволяет обнаруживать приближение летучих мышей на расстоянии до 30 м. "Ухо" моли настолько совершенно и настолько чувствительно, что его использовали для приема сигналов, посылаемых летучими мышами. Для этой цели к нервным волокнам, идущим от слухового органа моли, присоединяли миниатюрные электроды; электрические сигналы милли-секундной длительности, снимаемые со "слухового выхода", записывали на магнитную ленту и затем соответствующим образом обрабатывали для выяснения количества информации, получаемой молью о движении летучей мыши. Работы, проведенные Центром исследований и разработок ВВС США в Кембридже, показали, что два элемента, образующие слуховой орган моли, различаются по чувствительности на 20 — 25 дб.
Немало споров вызвал вопрос о слухе земноводных. Некоторые ученые даже утверждали, что они глухи и не способны воспринимать звуки, которые сами производят. В действительности же последние исследования по нейрофизиологии доказали, что земноводные слышат, но их слух нельзя сравнивать ни со слухом рыб, ни со слухом наземных млекопитающих. Возможно, что некоторое количество вибраций передается не прямо в наружное ухо, а доходит до внутреннего уха кружным путем, через все тело. Некоторые жабы лучше воспринимают звук, когда их слуховые органы наполовину погружены в воду. Прерывистые звуки они слышат лучше, чем непрерывные. Впрочем, разные виды земноводных слышат по-разному, так что какие бы то ни было обобщения здесь затруднительны. Однако несомненно, что обстоятельное изучение органов слуха животных и прежде всего слухового аппарата человека будет способствовать созданию электронных систем, обладающих принципиально новыми свойствами.
Уже одно достижение такой чувствительности у приборов, улавливающих звук, какой характеризуется человеческое ухо, безусловно, имело бы огромное значение для разработки целой гаммы важнейших научно-технических приборов и устройств. Ведь энергетический порог чувствительности нашего уха в 10 раз выше, чем у глаза! Об исключительно высокой чувствительности слухового анализатора человека можно судить по следующим данным. Люди с острым слухом воспринимают звук при звуковом давлении в слуховом проходе, примерно равном 0,0001 дин/см2, что соответствует перемещению элементов улитки уха на величину порядка 10-11 см. Это в 1000 раз меньше диаметра атома водорода! Разрешающая способность человеческого уха также весьма велика. Достаточно сказать, что люди с хорошо развитым слухом могут отличить звук частотой 1000 гц от звука частотой 1001 гц. Отсюда следует, что чувствительность уха человека близка к абсолютной границе различения. Добиться подобной чувствительности технических приборов и систем было бы весьма полезным.
В последнее время в ряде стран получили широкий размах исследования так называемого квазислухового опознавания, имеющие целью создание устройств, моделирующих слуховой аппарат. Исследования органов слуха проводятся главным образом в следующих направлениях:
механизм обработки акустической информации;
акустические сервомеханизмы;
конструктивные особенности органов слуха.
Кроме того, проводится математическое моделирование органов слуха. Некоторые устройства, воспроизводящие функции органов слуха, уже созданы и испытаны. Так, в Лейденском университете в связи с исследованием механизма восприятия звуков человеком разработана электронная модель уха (в виде системы фильтров), воспроизводящая частотные характеристики уха. Моделирование позволило уточнить механизм слуха и, в частности, объяснить такие явления, как восприятие тембра и звуков в их динамике. Одна зарубежная фирма создала электронную модель уха, обеспечивающую, подобно человеческому уху, различение слабых сигналов на фоне шумов за счет корреляционного процесса. Другая разработала модель внутреннего уха, где используются аналоги нейронов — нейромимы.
Интересная разработка выполнена сотрудниками Ленинградского электротехнического института связи имени проф. Бонч-Бруевича. Они создали систему, получившую название "электронное ухо". Электронный прибор определяет, насколько хорошо звучат музыкальные инструменты. Для оценки качества звучания гитары устройству требуется меньше минуты, тогда как весьма компетентный экспертный совет затрачивает на это несколько часов. "Электронное ухо", как опытный педагог-музыкант, выводит инструменту "отметку" по пятибалльной системе.
Уже первый опытный экземпляр "электронного уха" позволил организовать своеобразный "конкурс ушей". Гитарист за занавесом по нескольку раз исполнял специально составленную программу. "Электронное ухо" работало параллельно с советом экспертов. Эксперты-музыканты ставили оценки, на основе которых каждому инструменту был выведен средний балл. Когда их сравнили с оценками прибора (эксперты до этого ничего не знали об оценках, поставленных "электронным ухом" тому или иному инструменту), получилось полное соответствие.
Рис. 4. Блок-схема аналоговой модели уха (по В. Колдуэллу, Э. Глессеру, Дж. Стюарту)
Ряд удачных моделей уха создан фирмами и учебными заведениями США. Примером может служить аналоговая модель уха, разработанная американскими учеными В. Колдуэллом, Э. Глессером, Дж. Стюартом. Модель предназначена для анализа зависимости интенсивности звучания разных частот в произносимых человеком звуках от времени с целью выявления признаков, по которым человек опознает звуки, фонемы и слова, произнесенные разными людьми. Блок-схема устройства показана рис. 4.
Из рисунка ясно, что блоки системы точно воспроизводят функции, которые выполняют разные части человеческого уха. Так, входной предусилитель модели играет роль ушной раковины, которая усиливает звук, передаваемый ею на барабанную перепонку. Второй каскад выполняет функцию среднего уха.
Почему человек не слышит звуков, частота которых превосходит 20 кгц? Потому что колебания такой частоты очень плохо воспроизводятся барабанной перепонкой и слуховыми косточками. Дело в том, что эти части уха слишком тяжелы и не успевают колебаться вслед за слишком "быстрыми" ультразвуковыми колебаниями. Иначе говоря, амплитуда ультразвуковых колебаний "на выходе" из среднего уха равна нулю. Но те же слуховые косточки плохо передают низкие частоты в несколько герц — колебания получаются слишком медленными и очень слабыми. Таким образом, среднее ухо работает так же, как обычный узкополосный (резонансный) усилитель, более или менее одинаково усиливающий колебания в диапазоне от нескольких герц до 20 кгц (второй каскад блок-схемы). "Усилителем мощности", рассеиваемой в улитке уха (третий каскад блок-схемы), служит вся гидравлическая система улитки, в которой создается давление на чувствительные элементы (оно должно быть достаточным для четкого восприятия звука). Модель улитки представляет собой линию с распределенными R, L, С, к разным точкам которой подключены "чувствительные элементы" — усилители. В разных точках аналога улитки (линии с распределенными параметрами), к которым подключены усилители, звуковой сигнал звучит по-разному. Исследователей интересовали только величины его амплитуд в разных точках, а не частоты; поэтому усилители (они же чувствительные элементы) еще детектировали усиливаемый сигнал, так что на экране осциллографа изображалась по очереди форма огибающих сигнала, соответствовавшая разным частотам. Очередность подачи на вход осциллографа сигналов с разных точек "улитки" обеспечивал коммутатор. Аналогичного устройства в ухе нет, но предполагается, что сигналы возбуждения, передаваемые нервными волокнами, претерпевают в мозге весьма сложную коммутацию: "оттуда — сюда, отсюда — туда".
Результаты исследования "звуковых узоров", воспроизводимых моделью на экране осциллографа, получились весьма неожиданными. Оказалось, что "узоры", соответствующие одному и тому же звуку или фонеме, произносимым одним человеком, зачастую совершенно непохожи друг на друга. Например, при 100 повторениях буквы I (ай) одним и тем же лицом получалось 30 различных картин. Так что мозг и слуховой аппарат человека производят поистине титаническую работу, отыскивая признаки, по которым можно определить (и действительно определяют!), что слово "бионика", произнесенное гнусавым басом и свистящей фистулой, — одно и то же слово.
Способность человеческого мозга разбираться с помощью слухового аппарата в джунглях звуков, выделять из кажущегося хаоса значимые формы является одним из его самых чудесных свойств. В раскрытии этого свойства, его моделировании ныне кровно заинтересована бионика, пытающаяся внести свой посильный вклад в решение одной из важнейших современных проблем, которую кратко именуют "человек-машина".
Представьте себе такую гипотетическую ситуацию.
Скорая помощь привезла в больницу тяжелобольного. Человека положили на операционный стол. Положение чрезвычайно серьезное, дорога буквально каждая секунда: хирург должен сейчас, сию минуту принять решение, а диагноз заболевания еще далеко не ясен. Остается одно — обратиться за помощью к имеющейся в больнице диагностической вычислительной машине, в "памяти" которой накоплен огромный опыт врачей многих стран и поколений. За доли секунды она может "просмотреть" ты