Физиологические характеристики звука

Звук является объектом слуховых ощущений, поэтому оценивается человеком субъективно.

Воспринимая тоны, человек различает их по высоте.

Высота тона – субъективная характеристика, обусловленная прежде всего частотой основного тона.

Тембр звука почти исключительно определяется его акустическим спектром (спектральным составом).

Субъективной характеристикой звука также является громкость Е, которая характеризует уровень слухового ощущения.

Громкость можно оценить количественно путем сравнения слухового ощущения от двух источников.

В основе измерения громкости лежит психофизический закон Вебера – Фехнера: при увеличении раздражения в геометрической прогрессии (в одинаковое число раз) ощущение этого раздражения возрастает в арифметической прогрессии (на одинаковую величину).

Математически это означает, что громкость звука пропорциональна логарифму интенсивности звука. Если действуют два звуковых раздражения с интенсивностями I и I ₀, причем I ₀ - интенсивность звука на пороге слышимости, то на основании закона Вебера – Фехнера громкость E связана с интенсивностями I и I ₀ следующим образом:

,                                                       (4)

где k - некоторый коэффициент пропорциональности, зависящий от частоты и интенсивности звука.

     Если бы коэффициент k был постоянным, то из (2) и (4) следовало бы, что логарифмическая шкала интенсивностей звука соответствует шкале громкостей. Однако сильная зависимость k от частоты и интенсивности звука не позволяет измерение громкости свести к простому использованию формулы (4).

     Условно считают, что на частоте 1 кГц шкалы громкости и уровня интен­сивности совпадают. В этом случае k = 1 и

,                                                  (5)

.                                              (6)

Для отличия от шкалы интенсивности звуки по шкале громкости называют фонами (фон).

Громкость на других частотах можно измерить, сравнивая исследуемый звук со звуком частотой 1 кГц. Для этого с помощью звукового генератора создают звук частотой 1 кГц. Изменяют интенсивность звука до тех пор, пока не возникнет слуховое ощущение, аналогичное ощущению громкости исследуемого звука. Интенсивность звука частотой 1 кГц в децибелах, измеренная по прибору, равна громкости этого звука в фонах.

Кривые равной громкости

Для нахождения соответствия между громкостью и интенсивностью звука на разных частотах пользуются кривыми равной громкости (рис.3). Их строят на основании средних данных, полученных у людей с нормальным слухом.

Нижняя кривая соответствует интенсивностям самых слабых слышимых звуков - порогу слышимости. Для всех частот этой кривой Е = 0; для частоты 1 кГц интенсивность звука I ₀ = 10^-12 Вт/м². Верхняя кри­вая соответствует порогу болевого ощущения.

Рис.3

Из кривых на рис.3 видно, что среднее человеческое ухо наиболее чувствительно к частотам 2500 – 3000 Гц.

Каждая промежуточная кривая отвечает одинаковой громкости, но разной интенсивности звука для разных частот. По отдельной кривой равной громкости можно найти интенсивности, которые при определенных частотах вызывают ощущение этой громкости.

Используя совокупность кривых равной громкости, можно найти для разных частот громкости, соответствующие определенной интенсивности.

Пример. Интенсивности звука частотой 100 Гц соответствует L = 60 дБ. Какова громкость этого звука?

На рис.3 находим точку с координатами 100 Гц, 60 дБ. Точка лежит на кривой соответствующей уровню громкости 30 фон. Следовательно, громкость звука равна 30 фон.

Аудиометрия

Метод измерения остроты слуха называется аудиометрией.

При аудиометрии на приборе (аудиометре) определяют порог слухового ощущения на разных частотах. Полученная кривая называется спектральной характеристикой уха на пороге слыши­мости или аудиограммой.

Сравнение аудиограммы больного человека с нормальной кривой порога слухового ощущения помогает диагностировать заболевание органов слуха.

Строение уха

Периферический отдел органа слуха включает в своей состав наружное, среднее и внутреннее ухо (рис.4).

 

Рис.4. Схема строения уха (для простоты улитка показана не в спиральной, а в «раскрученной форме»).

Наружное ухо состоит из ушной раковины и наружного слухового прохода 1 (рис.4). Ушная раковина у человека не играет существенной роли для слуха. Она способствует определению локализации источника звука при его приближении или удалении.

Слуховой проход заканчивается барабанной перепонкой 2, отделяющей наружное ухо от среднего.

Наиболее существенной частью среднего уха являются слуховые косточки: молоточек 3, наковальня 4 и стремечко 5 с соответствующими мышцами, сухожилиями и связками. Одна из этих косточек – молоточек – вплетена своей рукояткой в барабанную перепонку, другая сторона молоточка сочленена с наковальней, которая в свою очередь связана со стремечком. Косточки осуществляют передачу механических колебаний от воздушной среды наружного уха к жидкой среде внутреннего через мембраны овального (6) и круглого (7) окна. Чтобы привести в движение инерционную жидкость, нужно получить выигрыш в давлении. Это достигается за счет двух факторов. Во-первых, косточки среднего уха (молоточек, наковальня и стремечко) работают как рычаг, обеспечивающий выигрыш в силе. Во-вторых, площадь барабанной перепонки человека значительно больше площади овального окна, поэтому обе мембраны и связывающие их косточки выполняют функцию трансформатора давления.

Другой важной функцией среднего уха является ослабление передачи колебаний в случае звука большой интенсивности. Это осуществляется рефлекторным расслаблением мышц косточек среднего уха.

Среднее ухо заполнено воздухом. Значительное изменение давления окружающего воздуха (например, связанное с изменением высоты), действуя на перепонку, может вызвать боль или даже ее разрыв. Для избавления от таких перепадов давления служит небольшая трубка - евстахиева труба (12), которая соединяет полость наружного уха с верхней частью глотки. Евстахиева труба, с одной стороны, достаточно велика, что позволяет проходить воздуху и приспосабливаться к большим изменениям давления, и, с другой стороны, достаточно мала, чтобы быстрые изменения давления, вызванные звуковыми волнами, могли быть переданы через барабанную перепонку.

Наружное и среднее ухо относятся к звукопроводящей системе. Звуковоспринимающей системой является внутреннее ухо.

Внутреннее ухо в отличие от наружного и среднего заполнено жидкостью. Главной частью внутреннего уха является улитка 8, преобразующая механические колебания в электрический сигнал. Кроме улитки к внутреннему уху относится вестибулярный аппарат, который к слуховой функции отношения не имеет.

Улитка человека является костным образованием и имеет форму конусной спирали. Полость улитки делится двумя мембранами - базилярной (основной) 9 и тонкой вестибулярной 10 - на три канала. Верхний и нижний каналы заполнены жидкостью - перилимфой - и сообщаются между собой у вершины улитки через небольшое отверстие геликотрему 11. Верхний канал отделен от полости среднего уха мембраной овального окна (6), к которому прикреплено стремечко, а нижний канал - мембраной круглого окна (7). Средний канал заполнен эндолимфой.

Внутри среднего канала улитки на основной мембране расположен кортиев орган, содержащий рецепторные волосковые клетки. Рецепторные клетки имеют вытянутую форму и одним концом фиксированы на основной мембране, а другим выходят в полость среднего канала улитки. На этом конце рецепторных клеток имеется по 60 – 70 волосков длиной несколько микрометров. Каждая волосковая клетка имеет синапсы с несколькими окончаниями слуховых нейронов.

Физика слуха

     Рассмотрим последовательность событий при восприятии звука.

     Звуковая волна, пройдя наружное ухо, наталкивается на туго натянутую барабанную перепонку, приводя ее в движение. Барабанная перепонка в силу своей геометрии и механических свойств не имеет собственного периода колебаний и колеблется всегда с частотой звуковых колебаний, однако наибольшей чувствительностью обладает при частоте 1000 Гц.

Барабанная перепонка связана с системой слуховых косточек среднего уха, которые передают звуковые колебания во внутреннее ухо – улитку. Слуховые косточки приводят в движение овальное окно, отделяющее перилимфу внутреннего уха от воздушного пространства среднего уха. В результате различной длины плеч рычагов косточек, а также в результате неравенства площадей барабанной перепонки и овального окна сила колебаний мембраны овального окна возрастает приблизительно в 22 раза по сравнению с силой колебаний барабанной перепонки.

Колебания мембраны овального окна вызывают колебания перилимфы в верхнем и нижнем каналах улитки. Вестибулярная мембрана представляет собой очень тонкую пленку, поэтому колебания перилимфы передаются на эндолимфу и на базилярную мембрану. Эта мембрана, тонкая около овального окна, расширяется по мере удаления от него. Благодаря неоднородным механическим свойствам базилярной мембраны волны разной частоты приводят в движение различные ее участки. Низкие частоты вызывают колебания наиболее массивной части мембраны около геликотремы. Высокие частоты приводят в движение участок мембраны вблизи овального окна.

     Движения базилярной мембраны вызывают деформацию рецепторных волосковых клеток, располагающихся в кортиевом органе внутри улиткового канала. Деформация волосковых клеток приводит к частичной деполяризации их цитоплазматических мембран. В результате появляются потенциалы действия, передаваемые звуковыми слуховыми нервами в кору головного мозга.

      

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Описание установки

Аудиометр представляет собой звуковой генератор чистых тонов различной частоты и интенсивности. Структурная схема аудиометра приведена на рис.5.

1 - блок питания; 2 - генератор электрических колебаний звуковой частоты; 3 - регулятор изменения уровня интенсивности; 4 - переключатель частот;  5 - переключатель наушников; 6 – наушники.

 

Рис.5

 

Основной частью прибора является генератор электрических колебаний звуковой частоты 2, напряжение на который подается от сети через блок питания 1. Переключатель частот 4 позволяет получить гармонические колебания фиксированной частоты в диапазоне от 125 до 8000 Гц. Уровень интенсивности изменяется дискретно регулятором 3 с интервалом 5 дБ на каждой частоте в диапазоне от 0 до 80 дБ. В наушниках 6 происходит преобразование электрических колебаний в звуковые. Переключатель наушников 5 позволяет подавать сигнал раздельно на правый и левый наушники.

 

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Включить тумблер СЕТЬ аудиометра. При этом на панели ауди­ометра включаются светодиоды АВТ, ВОЗД, на цифровых индикаторах выс­вечиваются нули.

2. Проинструктируйте обследуемого: "Слушайте звуки в телефо­нах и нажимайте кнопку ТОЛЬКО ПРИ ПОЯВЛЕНИИ ЗВУКА. Не забывайте после нажатия отпускать кнопку".

3. Обследуемый должен сесть около прибора, надеть и подогнать по размеру оголовье с телефонами. На правом ухе должен находиться "красный" телефон, а на левом - "голубой". Отверстия амбушюров должны находиться напротив наружных слуховых проходов.

4. Обследуемый должен взять кнопку пациента и нажать ее. По­сле этого прибор автоматически переходит к работе в режиме тренировки. Тренировка проводится с целью обучения обследуемого прави­льному нажатию на кнопку (правильным считается нажатие во время звуча­ния тона в телефоне). В ходе тренировки обследуемому подаются заведомо слышимые звуки частотой 1000 Гц (в случае сокращенного перечня частот - тон первой записанной частоты) интенсивностью 50 или 70 дБ.

5. После получения от обследуемого трех правильных ответов подряд прибор автоматически переходит к определению порогов. В дальнейшем обследуемый должен слушать звуки в телефонах и нажи­мать на кнопку. При каждом правильном нажатии на кнопку в ходе опре­деления порогов на аудиометре включается индикатор ОТВЕТ. При отсутствии нажатия на кнопку в ходе определения поро­гов прибор продолжает подачу тонов согласно программе (увеличивает уровень сигнала) и затем переходит к подаче тонов следующих частот.

6. После успешного окончания тренировки автоматически начина­ется определение порогов. Обследуемому подаются тоны различной частоты и интенсивности по методике, приближенной к классической аудиометрии. Значения частоты в Гц и уровня в дБ высвечиваются на соответствующих цифровых индикаторах. Полученные в ходе обследования значения порогов автоматически фиксируются в памяти аудиометра. (Если на какой-либо частоте порог определить не удалось, то в память прибора автоматически заносятся коды: "99" - максимальный уровень сигнала недостаточен для нахождения порога, или "88" - порог не удалось определить после 20 предъявлений сигнала).

7. После определения порогов правого уха процесс обследования повторяется на левом ухе с тем же порядком изменения частот.

8. После определения порогов левого уха программа определения порогов слышимости по воздушной проводимости завершается, в аудиометре раздается звуковой сигнал и включается светодиод заключения НОРМА - ДА или НОРМА - НЕТ. В случае заключения "неопределенность" включаются оба светодиода.

9. Для воспроизведения полученных результатов на­жать кнопки ВОСПР, ПРАВ (ЛЕВ), ВОЗД. Нажимая кнопку ЧАСТОТА +(<'), просмотреть на индикаторе уровня "дБ" значения полученных порогов слышимости по воздушной проводимости. Результаты занести в таблицу 1.

 

Таблица 1

Частота, Гц	Уровень интенсивности на пороге слышимости, дБ
	Воздушный		Костный
	Левое ухо	Правое ухо	Левое ухо	Правое ухо
125
250
500
1000
2000
3000
4000
6000
8000

 

10. Провести определение порогов слышимости по костной проводимости. Нажать кнопки АВТ, ВОЗД/КОСТН. При этом включится и нач­нет мигать светодиод КОСТН.

11. Установить костный вибратор на мастоид выбранного уха. Нажать кнопку ЛЕВ или ПРАВ в соответствии с установкой вибратора. Должен включиться соответствующий светодиод, а светодиод КОСТН гореть постоянно.

12. Определить пороги слышимости по костной проводимости аналогично определению порогов по воздушной проводимости. Обследуемый должен взять кнопку пациента и нажать ее. После этого прибор автоматически переходит к работе в режиме опреде­ления порогов слышимости по костной проводимости на частотах, соотве­тствующих установленному списку (полному или сокращенному). Значения частоты в Гц и уровня в дБ высвечиваются на соответствующих цифровых индикаторах. Полученные в ходе обследования значения порогов автоматически фиксируются в памяти аудиометра.

13. После определения порогов слышимости на одном ухе в приборе раздается звуковой сигнал, после чего можно провести опреде­ление порогов на другом ухе, для чего установить костный вибратор на второй мастоид, нажать соответствующую кнопку ПРАВ или ЛЕВ и повто­рить процедуру.

14. Для воспроизведения полученных результатов на­жать кнопки ВОСПР, ПРАВ (ЛЕВ), КОСТ. Нажимая кнопку ЧАСТОТА +(<'), просмотреть на индикаторе уровня "дБ" значения полученных порогов слышимости по костной проводимости. Результаты занести в таблицу 1.

15. Выключить прибор.

16. Построить графики зависимости уровня интенсивности на пороге слышимости от частоты для всех измерений и сравнить с рис.3.

17. Определить громкость в фонах на частоте 1 кГц для всех измерений.

18. Сделать вывод и оформить отчет.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что называется звуком? На какие виды делятся звуки?

2. Чем сложный тон отличается от простого? Нарисуйте акустический спектр простого и сложного тона.

3. Что представляет собой шум? звуковой удар?

4. Укажите физические характеристики звука.

5. Перечислите субъективные характеристики звука и укажите, как они связаны с объективными характеристиками.

6. Что называется громкостью? В каких единицах измеряется громкость?

7. Сформулируйте закон Вебера – Фехнера, запишите формулу для определения громкости звука.

8. Что называется кривыми равной громкости?

9. В каком диапазоне частот наиболее чувствительно среднее человеческое ухо?

10. Что называется аудиометрией? аудиограммой?

11. Расскажите о строении и назовите основные функции наружного, среднего и внутреннего уха.

12. Объясните функциональное назначение элементов внутреннего уха.

13. Объясните последовательность формирования слухового ощущения.

 

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ И РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Блохина М.Е., Эссаулова И.А., Мансурова Г.В. Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике. М.: Дрофа, 2001. - 288 с. (Раздел 2. стр.52-57)

2. Джерри Мерион Б. Общая физика с биологическими примерами. М.: Высш. шк., 1986. 623 с. (§ 14.3 стр.366-382)

3. Владимиров Ю.А., Рощупкин Д.И., Потапенко А.Я., Деев А.И. Биофизика. М.: Медицина, 1983. (§ 13.2 стр.252-258)

4. Ремизов А.Н., Максина А.Г., Потапенко А.Я. Медицинская и биологическая физика. М.: Дрофа, 2003.- 558 с. (Глава 6. § 6.1 - § 6.5 стр.93-107)

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Джанколи Д. Физика. М.: Мир, Т.1. 1989. - 653 с. (Том 1. Глава 16 § 16.1 стр.465-467; § 16.5 стр.477-478; § 16.8 стр.485-487)

2. Губанов, Н.И. Медицинская биофизика / Н.И. Губанов, А.А. Утепенбергов. – М.:             Медицина, 1978. – 304 с. (Глава 13. стр.296-304)

3. Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике/ Под ред. Кудрявцева В.А. - Киров: КГМА, 1999.-278с. (часть II стр.51-56)