امواج صوتی

شنوائی نیز در کنار بینائی، ابزار اصلی ما برای کسب اطلاعات دربارهٔ محیط است. برای اکثر آدمیان شنوائی ابزار اصلی ارتباط با دیگران و بهره‌مندی از موسیقی است. شنوائی چیزی جز این نیست که تغییرات جزئی در فشار صوت، غشائی را در گوش داخلی به‌جلو و عقب حرکت دهد.

بحث ما دربارهٔ شنوائی تابع همان الگو خواهد بود که در بحث از بینائی به‌کار گرفتیم. نخست ماهیت محرک فیزیکی را که شنوائی به آن حساس است بررسی می‌کنیم، سپس به توصیف دستگاه شنوائی با تأکید ویژه بر نحوهٔ نیروگردانی توسط گیرنده‌های مربوط می‌پردازیم، و در پایان بازگو می‌کنیم که دستگاه شنوائی چگونه شدت و کیفیت صوت را رمزگردانی می‌کند.

امواج صوتی

منشاء صوت، حرکت یا ارتعاش یک شیء است، مانند زمانی‌که باد به‌سرعت از لابه‌لای شاخه‌های درخت‌ها می‌گذرد. وقتی شیئی حرکت می‌کند مولکول‌های هوای مقابل آن هم فشرده می‌شوند. این مولکول‌ها به مولکول‌های دیگر فشار می‌آورند و سپس به‌جای اول خود باز می‌گردند. به این ترتیب، اگرچه هر مولکول هوا حرکت چندانی نمی‌کند، موجی از تغییرات فشار (موج صوتی) در هوا، به‌حرکت درمی‌آید. این موج شبیه موجی است که در نتیجهٔ پرتاب سنگی به درون برکه، بر سطح آب ایجاد می‌شود.

وقتی دوشاخهٔ صوتی (tuning fork - دیاپازون) در حال ارتعاش است به‌طور متناوب امواجی از تراکم و انبساط هوا ایجاد می‌کند که شکل سینوسی دارند. چنین صوتی، صوت خالص نامیده می‌شود و می‌توان آن را برحسب فراوانی و شدت توصیف کرد. اگر دوشاخهٔ صوتی ۱۰۰ ارتعاش در ثانیه داشته باشد، موج صوتی با ۱۰۰ تراکم در ثانیه و با فراوانی ۱۰۰ هرتز، ایجاد خواهد کرد. شدت (یا دامنهٔ) صوت خالص، تابع تفاوت فشار بین قله‌ها و پایه‌های آن است. شکل موجی هر صوت را می‌توان به یک رشته موج‌های سینوسی با درجات مختلف فراوانی که هریک دامنه و چرخهٔ متفاوتی دارند، تجزیه کرد. وقتی این موج‌های سینوسی به‌هم افزوده شوند شکل موجی اولیه به‌دست می‌آید.

موج صوتی را می‌توان با نمودار مقدار فشار هوا به‌صورت تابعی از زمان نشان داد. در شکل صوت خالص نمودار تغییرات فشار هوا برحسب زمان را در مورد نوعی صوت نشان داده‌ایم. این نمودار، موج سینوسی را نشان می‌دهد (وجه تسمیهٔ این موج، همانندی آن با شکل تابع موج سینوسی در ریاضیات است). صوت‌هائی که موج سینوسی دارند صوت‌های خالص نامیده می‌شوند. صوت‌های خالص، در تحلیل‌ شنوائی مهم هستند، زیرا صوت‌های پیچیده‌تر را می‌توان به صوت‌های خالص یعنی به چندموج سینوسی متفاوت تجزیه کرد. صوت‌های خالص از چند لحاظ تفاوت‌هائی با هم دارند، همان تفاوت‌هائی که تنوع تجربهٔ ما را از صوت‌ها تعیین می‌کنند. یکی از این تفاوت‌ها مربوط به بسامد صوت است. بسامد هر صوت عبارت است از تعداد چرخهٔ آن در ثانیه (که هرتز - Hertz نامیده می‌شود). این بسامد نمایندهٔ سرعت حرکت مولکول‌های هوا به جلو و عقب است (شکل صوت خالص). بسامد، پایهٔ ادراک زیر و بمی (pitch) است و از بارزترین کیفیات صوت محسوب می‌شود.

وجه دیگر صوت خالص، شدت (intensity) آن است که به تفاوت ستیغ (peak) و پایه (trough) در نمودار تغییرات فشار برحسب زمان، اطلاق می‌شود (شکل صوت خالص)، و مبنای احساس‌ بلندی صوت است. شدت صوت معمولاً برحسب دسیبل (decibel) بیان می‌شود. افزایش ۱۰ ۲۰ یا ۳۰ دسیبل به‌ترتیب معادل ۱۰، ۱۰۰ و ۱۰۰۰ برابرشدن نیرومندی صوت است، و بقیه برهمین قیاس. جدول (دسیبل تقریبی و مدت زمان خطرزائی صداهای معمولی) شدت برخی صوت‌های آشنا را نشان می‌دهد و حاکی از آن است که بعضی صوت‌ها آنقدر شدید هستند که شنوائی را به مخاطره می‌اندازند. به‌ویژه، توجه کنید که شدت صوت کنسرت موسیقی راک، معادل ۱۰۰۰۰ برابر شدت لازم برای ایجاد ناشنوائی در درازمدت است (تفاوت بین ۸۰ دسیبل و ۱۲۰ دسیبل، معادل ۴ فاصلهٔ لگاریتمی یا ۱۰۰۰۰ برابر است).

شنیدن شدت صوت

ما به برخی طول موج‌ها حساس‌تر هستیم. پدیده‌های مشابهی در مورد شنوائی نیز دست‌اندرکار است. توضیح اینکه ما به صوت‌هائی با بسامد متوسط حساس‌تر هستیم تا به صوت‌هائی با بسامدهای نزدیک به دو انتهای دامنهٔ شنوائی. این نکته در شکل آستانهٔ مطلق شنوائی که آستانهٔ مطلق شدت صوت را به‌صورت تابعی از بسامد صوت نشان می‌دهد، نمایان است. در شنوائی بسیاری از مردم نقیصه‌ای هست، و درنتیجه، آستانهٔ مطلق شنوائی برای آنان بالاتر از حدی است که در شکل آستانهٔ مطلق شنوائی نشان داده شده است. کاستی شنوائی اصولاً بر دو نوع است. در یک نوع از آن، در نتیجهٔ رسانائی (conduction) ضعیف گوش میانی، آستانهٔ مطلق شنوائی کم و بیش به یک اندازه در مورد تمامی بسامدها بالاتر است (کاستی رسانشی) (conduction loss). در نوع دوم کاستی شنوائی، افزایش آستانهٔ شنوائی نابرابر است، بدین معنی که در مورد صوت‌هائی با بسامد بالا افزایش آستانه بیشتر است. این وضعیت معمولاً ناشی از آسیب گوش داخلی در اثر تخریب بخشی از یاخته‌های موئی است (کاستی حسی - عصبی) (sensory-neural loss). یاخته‌های موئی وقتی تخریب شوند ترمیم نمی‌شوند. کاستی حسی - عصبی در بسیاری از افراد مسن روی می‌دهد و به‌همین دلیل، این افراد غالباً در شنیدن صداهای زیر مشکل دارند. البته تنها افراد مسن دچار کاستی حسی - عصبی نمی‌شوند، بلکه در جوانانی نیز که در معرض صوت بیش از حد شدید قرار گرفته باشند این نقص دیده می‌شود.

منحنی پائینی، آستانهٔ مطلق شدت صوت را برحسب بسامدهای متفاوت نشان می‌دهد. حساسیت در حوالی ۱۰۰۰ هرتز به حداکثر می‌رسد. منحنی بالائی آستانهٔ درد را نشان می‌دهد (داده‌ها تقریبی هستند و از آزمایش‌های مختلف به‌دست آمده‌اند).

نوازندگان موسیقی راک، کارمندان باند فرودگاه‌ها، و کارگرانی که با مته بادی (پنوماتیک) کار می‌کنند نیز معمولاً دچار کاستی شدید و دائمی شنوائی می‌شوند. مثلاً، پیت تانسند (Pete Townsend)، گیتاریست معروف گروه راک دِ هو (The Who)، به‌دلیل اینکه پیوسته در معرض صدای بسیار بلند موسیقی راک بود، دچار کاستی بسیار شدید عصب حسی شنوائی شد. پیت تانسند از آن زمان بسیاری از جوانان را متوجه این خطر کرده است. معمولاً تصور می‌شود که شدت ادراکی صوت برای هر دو گوش یکسان است، اما حقیقت این است که در این مورد به تفاوت‌های ظریفی برمی‌خوریم. مثلاً، صدائی که منشاء آن در سمت راست شنونده باشد، شدتش در گوش راست او بیشتر از گوش چپ به‌نظر می‌آید. علت این امر آن است که سر به‌مثابهٔ 'سایهٔ صوتی' عمل می‌کند و سبب می‌شود از شدت صوتی که به گوش دورتر می‌رسد، کاسته شود. البته این امر محل صوت کمک می‌کند. گوئی چنین استدلال می‌کنیم که 'اگر صدا به گوش راستم شدیدتر به‌نظر می‌آید تا به گوش چپم، پس باید از سمت راست من آمده باشد' . همین‌طور هم صدائی که منشاء آن سمت چپ ما باشد کسری از یک ثانیه زودتر به گوش چپ (چون در متن اصلی توضیح مربوط به گوش راست عیناً تکرار شده بود، به‌نظر رسید که توضیح دوم مربوط به 'گوش چپ' باشد. ویراستار) می‌رسد. در این مورد نیز اختلاف زمانی بین رسیدن صدا به دو گوش ما را در تعیین محل صدا کمک می‌کند ( 'اگر صدا اول به گوش چپ من رسید، پس باید از سمت چپ من آمده باشد' ).