\section{Ľudský sluch} \label{sec:ludsky_sluch}

Predtým než sa dostaneme k popisu fungovania ľudského sluchu, oboznámime sa so stavbou ucha, tak ako je schematicky zachytená na obr. \ref{pic:stavba_ucha}. Ucho začína vonkajším uchom, ktoré je zložené z dvoch častí -- ušnice a zvukovodu. Pomocou vonkajšieho ucha je zvuk smerovaný k citlivému strednému a vnútornému uchu. Rozhranie medzi koncom zvukovodu a začiatkom stredného ucha tvorí tympanická membrána, tiež nazývaná ušný bubienok. Za ňou sa smerom do lebky nachádzajú kostičky stredného ucha, konkrétne kladivko, nákovka a strmienok. Tieto slúžia na zosilnenie tlaku zvukovej vlny pred tým, než dosiahne vnútorné ucho. V ňom sú vibrácie premenené na nervové impulzy. Vnútorné ucho je tiež inak nazývané slimák alebo \emph{kochlea}. Slimák má tvar slimačej ulity, jedná sa o rúrku dlhú zhruba 3 cm s priemerom 2 mm, naplnenú tekutinou. Na obr. \ref{pic:stavba_ucha} je kvôli prehľadnosti zakreslený ako rovný obdĺžnik. Na dne slimáka sa nachádza bazilárna membrána, podporná štruktúra pre viac ako 12 000 vláskových buniek, vytvárajúcich kochleárny nerv. Bazilárna membrána má rôznu tuhosť v závislosti na vzdialenosti od bubienka. Chová sa ako frekvenčný analyzátor, na vysokých frekvenciách rezonuje tam, kde je pevná (v blízkosti oválneho okienka) a na nízkych frekvenciách rezonuje na pružných úsekoch (na druhom konci slimáka). Pri rezonancii vybudí nervové bunky, ktoré predávajú informáciu o budiacej frekvencii mozgu na ďalšie spracovanie. Tento spôsob vnímania zvuku sa označuje ako \emph{rezonančný princíp}, alebo tiež \emph{teória miesta}.\footnote{v anglickej literatúre sa stretneme s pojmami \emph{place principle}, prípadne \emph{place theory} \cite{dsp_guide}}

\begin{figure}[hbtp]
	\centering
		\includegraphics[width=\columnwidth]{../obrazky/teoreticky_rozbor/stavba_ucha}
	\caption{Funkčný diagram stavby ucha}
	\label{pic:stavba_ucha}
\end{figure}								

Pri analýze zvuku sa uplatňuje aj druhý princíp, tzv. \emph{frekvenčný}.\footnote{v anglickej literatúre označovaný ako \textit{volley principle} alebo \textit{volley theory} \cite{dsp_guide}} Nervové bunky sú schopné generovať krátke elektrické pulzy, nazývané akčné potenciály. Napríklad 200 hertzový zvukový signál môže byť reprezentovaný neurónom produkujúcim 200 akčných potenciálov za sekundu. Pre prevod frekvencií nad 500 hertzov sa používa niekoľko nervových dráh simultánne. Vďaka tomu je možné využívať frekvenčný princíp do asi 4 kHz. Nad touto hodnotou sa uplatňuje výlučne rezonančný princíp.

V tab. \ref{tab:intenzita_zvuku} je uvedený vzťah medzi intenzitou zvuku a akustickým tlakom. Intenzita zvuku sa vyjadruje v logaritmickej škále jednotkami nazývanými \emph{decibel SPL} (Sound Power Level). V tejto mierke je 0 dB SPL najslabší zvuk detekovateľný ľudským sluchom. Rozdiel medzi najslabším a najsilnejším zvukom, ktorý nespôsobuje bolesť, je asi 120 dB (milión násobok amplitúdy). Priemerný poslucháč dokáže rozoznať zmenu hlasitosti zvuku pri zmene jeho intenzity o 1 dB (12\% zmena amplitúdy). Existuje teda len asi 120 úrovní hlasitosti, od najtichšieho šepotu po rachot rockového koncertu. Pre predstavu o jemnosti sluchového ústrojenstva uveďme, že pri počúvaní veľmi tichých zvukov kmitá bubienok s odchýlkou menšou ako priemer jedinej molekuly. \cite{dsp_guide}

\begin{table}[hbtp]
\begin{center}
	\begin{tabular}{l c p{9cm}}
		$L_p$[dB SPL] & $p$[Pa] & zdroj zvuku \\
		\hline
		0   & 0.000 020 & prah počuteľnosti zdravej osoby, na 3 kHz \\
		10  & 0.000 063 & ľudský dych zo vzdialenosti troch metrov \\
		30  & 0.000 632 & ticho v divadle, noc v púšti \\
		40  & 0.002 000 & ticho na sídlisku v noci, ľudský šepot \\
		50	& 0.006 325	& tichá kaviareň \\
		60	& 0.020	    & zvyčajná hlasitosť normálnej konverzácie \\
		80	& 0.200	    & vysávač zo vzdialenosti jeden meter \\
		90	& 0.632	    & nákladné auto zo vzdialenosti jeden meter \\
		100	& 2	        & diskotéka, televízor alebo veža pri najvyššej hlasitosti \\
		120	& 20        & rockový koncert, vzlietnutie prúdového lietadla (100 m), na nízkych frekvenciách cíti telo vibrácie \\
		130	& 63        & vojenský dychový orchester zblízka, prah bolesti na všetkých frekvenciách \\
		150	& 632       & prúdový motor (30 m), bolesť v hrudníku, rozmazané videnie, poškodzovanie sluchu na všetkých frekvenciách \\
		180	& 20 000    & motor rakety (30 m), dunenie vráskavca ozrutného (1 m), výbuch sopky Krakatoa (r. 1883) vo vzdialenosti 160~km
	\end{tabular}
	\caption[Prehľad úrovní intenzity zvuku]{Prehľad úrovní intenzity zvuku ($L_p$) vo vzťahu k akustickému tlaku ($p$) a~zdroju zvuku \cite{uvod_do_metod_spracovania_zvuku}.}
	\label{tab:intenzita_zvuku}
\end{center}
\end{table}

Frekvenčný rozsah zvuku vnímaného ľudským sluchom je všeobecne uvažovaný medzi kmitočtami 20 Hz až 20 kHz (prípadne 16 kHz). S pribúdajúcim vekom sa rozsah hlavne v oblasti vysokých frekvencií zmenšuje. Citlivosť sluchu nie je na všetkých frekvenciách rovnaká. Najcitlivejší je na 3 kHz, kde dokáže detekovať 0 dB SPL. Pri 100 Hz ale nepočuje zvuk s intenzitou menšou ako 100 dB SPL. Priemerný poslucháč dokáže rozoznať dva tóny, vzdialené od seba o 0.3\% na 3 kHz, na 100 Hz sú to 3\%. Pre porovnanie, medzi susediacimi klávesmi na klavíri je rozdiel vo frekvencii asi 6\%.