מנגנון השמיעה



חוש השמיעה  –  מבט כללי

שמיעה (hearing) היא אחד מחמש החושים של האדם.

שמיעה היא היכולת לקלוט צלילים (sounds), או גלי קול (sound waves), שהם גלים מכאניים של תנודות של שינויי לחץ. ראה כאן הרחבה: קול וגלי קול

חוסר היכולת לשמוע נקרא חירשות.

אצל בני אדם ובעלי חיים אחרים, השמיעה מתבצעת באמצעות מערכת השמיעה, או מנגנון השמיעה (Auditory system). מנגנון השמיעה מורכב בעיקרו מהאוזן, על חלקיה השונים. האוזן קולטת את תנודות גלי הקול, יוצרת התמרה (transduction) של תנודות גלי הקול לדחפים עצביים (nerve impulses), המועברים למוח  –  ובמוח הם נקלטים כקולות וצלילים.


האוזן האנושית  –  מבט כללי

אצל בני אדם וחולייתנים (בעלי חוליות) אחרים, האוזן היא האיבר המשמש לשמיעה וכן לשיווי משקל.

לבני אדם ולחולייתנים אחרים יש שתי אוזניים, הממוקמות משני צדי הראש. סידור זה תורם לאפשרות איתור המיקום, או הכיוון, של מקור הקול.

צורתה של האוזן החיצונית שונה אצל יונקים שונים. עם זה, אופן פעולתה של האוזן דומה מאד אצל כל היונקים.


מבנה האוזן

האוזן מתחלקת לשלושה חלקים: חיצונית, תיכונה ופנימית.


האוזן החיצונית

האיור הבא מתאר את חלקי האוזן החיצונית:
אוזן חיצונית


באוזן החיצונית (outer ear) נכללים אפרכסת האוזן, תעלת האוזן וחלקו החיצוני של עור התוף.

חלק האוזן הנראה לעין מבחוץ הוא האפרכסת, או אפרכסת האוזן (pinna or auricle).

תעלת האוזן (external auditory canal) היא מעין צינור הנמשך מהאפרכסת עד עור התוף.

החלק החיצוני של עור התוף נכלל בחלקי האוזן החיצונית.


האוזן התיכונה

בחלקי האוזן התיכונה (middle ear) נכללים עור התוף, חלל האוויר בין עור התוף לבין עצם הגולגולת, שלוש עצמות שמע זעירות וחצוצרת השמע, או תעלת אוסטכיוס.

עור התוף (Tympanic Membrane or Ear Drum) הוא קרומית (קרום דק, ממברנה), העשויה מפיסת עור גמיש ואטום לאוויר.

שלוש עצמות השמע (ossicles) הן הפטיש (malleus), הסדן (incus) והארכוף (stapes). הפטיש נמצא במגע עם עור התוף, מצדו האחד ועם הסדן מצדו השני. הסדן נמצא במגע עם הפטיש מצדו האחד ועם הארכוף מצדו השני. הארכוף נמצא במגע עם הסדן מצדו האחד ומצדו השני עם החלק הקרומי של שבלול האוזן, הנכלל באוזן הפנימית.

חצוצרת השמע, או תעלת אוסטכיוס (Eustachian tube) היא תעלה המחוברת לחלקו האחורי של הלוע ונפתחת לאזור האוזן התיכונה.


האוזן הפנימית

האוזן הפנימית (inner ear) מכילה את שבלול האוזן (cochlea), שהוא איבר השמיעה  –  וכן את איבר שיווי המשקל. האוזן הפנימית נתונה בתוך העצם הקשה ביותר בגוף האדם.

האיור הבא מתאר את חלקי האוזן הפנימית:
אוזן פנימית


שבלול האוזן (cochlea) הוא האיבר המבצע התמרה של גלי קול לדחפים עצביים, הנשלחים למוח.
שבלול האוזן הוא מעין שפופרת מפותלת, העשויה מעצם, חלולה בפנים, אשר צורתה דומה לשבלול. בתוך השבלול יש שלושה תאים ממולאים בנוזל (perilymph), המופרדים זה מזה על ידי מחיצות קרומיות. הארכוף (עצם השמע השלישית) מחובר לשבלול, על ידי מגע עם קצהו הקרומי של השבלול.
בתוך השבלול קיימים אלפי תאי שיער (hair cells), המתחברים ויוצרים את עצב השמיעה (auditory nerve, or acoustic nerve, or cochlear nerve), המוביל אל גזע המוח (brainstem or brain stem) .


תהליך השמיעה

גלי הקול המגיעים מבחוץ פוגעים באפרכסת האוזן. האפרכסת קולטת את גלי הקול, ממקדת אותם ומעבירה את גלי הקול, דרך תעלת האוזן אל עור התוף  –  וממנו אל חלקי האוזן הפנימיים יותר. מבנה האפרכסת גורם לשינוי של חלק מהתדרים של גלי הקול המגיעים לאוזן  –  שינוי המותנה בזווית הגעת גלי הקול. שינוי מותנה זווית זה מאפשר זיהוי מדויק יותר של הכיוון ממנו מגיע הקול.

תעלת האוזן מוליכה את גלי הקול מהאפרכסת אל עור התוף.

כאשר גלי קול פוגעים בעור התוף, הם מרעידים אותו. רעידות עור התוף תואמות לגלי הקול הפוגעים בו.

תנודות עור התוף מועברות אל עצמות השמע. עור התוף עצמו מזיז, או מרעיד, את הפטיש, בהתאם לגלי הקול המרעידים את עור התוף. כך, רעידות גלי הקול מועברות לפטיש.
הפטיש מזיז, או מרעיד, את הסדן והסדן מזיז, או מרעיד, את הארכוף. הארכוף מחובר אל שבלול האוזן.
כך, גלי הקול מועברים, דרך האוזן החיצונית, דרך תעלת השמע, דרך עור התוף, דרך עצמות השמע, אל הקצה הקרומי של שבלול האוזן.

שבלול האוזן ממולא בנוזל. תנודות הארכוף, התואמות את גלי הקול הנקלטות על ידי האוזן החיצונית, מרעידות את הקצה הקרומי של השבלול.
רעידות אלה יוצרות גל בנוזל הממלא את השבלול. הרעידות, או התנודות, בנוזל השבלול, מזיזות את תאי השיער שבתוך השבלול.
תזוזות תאי השיער עוברות התמרה, או מתורגמות, לדחפים עצביים בעצב השמיעה. אזורים שונים בתוך השבלול מתמירים תנודות בתדרים שונים.
המוח מזהה את הדחפים העצביים בעצב השמיעה כצלילים וקולות.

האיור הבא מביא המחשה מקורבת של אופן פעולת מנגנון האוזן:

מנגנון האוזן


לצורך בהירות ההמחשה, שבלול האוזן המפותל מתואר כשפופרת ישרה.


מאפייני השמיעה

מאפיין אחד הוא טווח התדרים, או המנעד (דיאפזון) אותו שומעים בני אדם.
אצל אנשים צעירים, טווח התדרים המקובל הוא בין 20 הרץ (עשרים מחזורים בשנייה) בתחום הנמוך ועד 20 קה"ץ (עשרים אלף הרץ, או 20 קילוהרץ) בתחום הגבוה. עם הגיל, הרגישות לתדרים הגבוהים נחלשת. אנשים מבוגרים עשויים לשמוע עד 15 קה"ץ, או פחות, בתחום הגבוה.
ראה הרחבה כאן: תדרי גלי הקול.

מאפיין שני הוא גובה הצליל (pitch). גובה הצליל נקבע על פי התדר של גל הקול.

מאפיין שלישי הוא הגוון (timbre), או הצליל האופייני של קולות אנושיים וכן של צלילים של כלי נגינה וצלילים אחרים.
גוון הצליל נקבע על פי ההתפלגות של ההרמוניות השונות, המתלוות לתדר היסוד.
ראה הרחבה כאן: הרמוניות של גלי קול.

מאפיין רביעי הוא איתור כיוון מקור הקול.
איתור כיוון מקור הקול נעשה בעיקרו באמצעות השוואת הצלילים הפוגעים בכל אחת משתי האוזניים. המוח מבצע השוואה של העוצמה של צלילים זהים בין שתי האוזניים  –  וכן הוא מזהה את הפרש הזמן בו צלילים זהים מגיעים לכל אחת משתי האוזניים.
מנגנון השמיעה מסוגל לאתר בדיוק די גדול את הכיוון של מקור הקול, אבל הוא לא מסוגל לקבוע בדיוק את המרחק של מקור הקול.
על אותו חלק של מנגנון השמיעה המזהה את הכיוון של מקור הקול מבוססות מערכות שמע סטריאופוניות.

מאפיין חמישי הוא תחושת החוזק, או העוצמה, של הצלילים הנשמעים.

כאשר מדובר בגלי קול כשלעצמם, מתייחסים ללחץ גלי הקול.
ראה הרחבה כאן: לחץ גלי הקול.

במנגנון השמיעה האנושית, יש הבדל בין לחץ גלי הקול, שהוא נתון פיזיקאלי מדיד (בר מדידה)  –  לבין התחושה הסובייקטיבית של החוזק, או העוצמה, של הקולות והצלילים.
רגישות מנגנון השמיעה האנושי שונה בתדרים שונים. מרגישות שונה זאת נובעת תחושה סובייקטיבית של עוצמה שונה לצלילים בתדרים שונים, שהם בעלי לחץ גלי קול זהה.
בנוסף, תגובת מנגנון השמיעה לתדרים השונים משתנה עם הבדלים בלחץ גלי הקול.

חלוצי החוקרים בתחום זה היו הרווי פלטשר (Harvey Fletcher) וווילדן א. מונסון (Wilden A. Munson) אשר פרסמו מחקר בנושא עוצמת השמע של בני אדם בשנת 1933. הם פרסמו מערכת עקומות (קווי תרשים, גרפים) שנודעה בשם 'עקומות פלטשר-מונסון' (Fletsher-Munson contours), המתארת את רגישות השמיעה, או התחושה הסובייקטיבית של עוצמות קול, בתדרים שונים ובעוצמות שונות.

בשנת 1956 פרסמו רובינסון (Robinson) ודדסון (Dadson) מחקר חדש, אשר הראה ממצאים שונים מהממצאים של פלטשר-מונסון.

מחקרים מתקדמים יותר הראו ששני המחקרים הקודמים שגו, אם כי המחקר הקודם יותר, של פלטשר-מונסון, קרוב יותר למחקרים העדכניים מהמחקר של רובינסון-דדסון. המחקרים העדכניים מהווים את הבסיס לתקן איזו (ISO), התקף כיום. לטבלת העקומות ניתן שם כולל, 'עקומות עוצמת קול שווה'(Equal-loudness contours).

האיור הבא ממחיש את עקומות פלטשר-מונסון (בכחול) לצד עקומות עוצמת קול שווה, לפי תקן איזו (באדום):

Equal-loudness_contours


בעקומות אלה, הציר האופקי הוא ציר התדרים ביחידות הרץ והציר האנכי הוא רמת לחץ הקול ביחידות dBSPL. התחושה הסובייקטיבית של עוצמת השמיעה נמדדת ביחידות פון (phon), כאשר פון אחד (1phon) שווה ל-1dBSPL בתדר של 1 קה"ץ.

מעקומות אלה נראה שרגישות מנגנון השמיעה האנושי היא גבוהה ביותר בתדרים הבינוניים, בסביבות 3 קה"ץ, או בין 1 קה"ץ ועד 4 קה"ץ.

הטבלה הבאה ממחישה עוצמות של צלילים שונים:

loudness


הצליל החלש ביותר המובחן על ידי מנגנון השמיעה הוא 0dBSPL (אפס דציבל) בתדר 3 קה"ץ, 20dBSPL בתדר 10 קה"ץ ו- 40dBSPL בתדר 100 הרץ.
צלילים בעוצמה של 120dBSPL גורמים לאי-נוחות וצלילים בעוצמה של 140dBSPL גורמים לכאב.
שיחה רגילה היא בסביבות 60dBSPL, בעוד פטיש אוויר וקונצרט רוק הם בעוצמה של בסביבות 110dBSPL.







לתוכן העניינים





שאלות, הערות והצעות יתקבלו בברכה: דואר אלקטרוני E-mail



כל הזכויות שמורות.
Copyright © - 2011-2012 ליהושע גומא,
תל מונד