Описание лабораторной установки. Снятие спектральной характеристики уха на пороге слышимости

Лабораторная работа 7.

Снятие спектральной характеристики уха на пороге слышимости

 

Цель работы: изучить физические и физиологические харак­теристики звуковых колебаний, аудиометрии; получить аудио­граммы, определить порог слышимости уха.

Теоретические основы

Звук представляет собой распространяющиеся в упругой среде механические колебания с частотой от 16 до 20 000 Гц. Механиче­ские волны этого диапазона называют звуковыми ( акустически­ми ), потому что их воздействие на слуховой аппарат человека приводит к формированию слухового ощущения.

Скорость звука в воздухе зависит от давления и температуры и при 20 °С и нормальном давлении составляет около 340 м/с. В жидких средах и в мягких тканях организма — около 1500 м/с, в твердых телах — 3000-6000 м/с.

Звуки подразделяются на тоны, шумы и звуковые удары. Раз­личают простые и сложные тоны.

Простой тон - это звуковое ко­лебание, происходящее по гармоническому закону с определенной частотой. Если тон представляет собой негармоническое колеба­ние, то он называется сложным. Простой тон дает камертон, слож­ный - музыкальные инструменты или голосовой аппарат. Слож­ный тон можно разложить в ряд Фурье на простые тоны, при этом тон наименьшей частоты называется основным, а остальные - обер­тонами, частоты которых кратны частоте основного тона. Набор всех частот с указанием их интенсивности называется акустиче­ским спектром сложного тона. Спектр сложного тона линейчатый.

Шум - звук, отличающийся сложной временной зависимо­стью. Шум можно рассматривать как сочетание беспорядочно меняющихся сложных тонов. Спектр шума сплошной. Звуковой удар - это кратковременное звуковое воздействие большой ин­тенсивности, например хлопок, взрыв и др.

Физические и физиологические характеристики звука. Физи­ческие характеристики звуковых волн имеют объективный харак­тер и могут быть измерены соответствующими приборами в стан­дартных единицах — это интенсивность, частота и спектр звука.

Интенсивность звука - энергетическая характеристика звуко­вой волны, которая представляет собой энергию звуковой волны, попадающей на поверхность единичной площади за единицу вре­мени, измеряется в ваттах на квадратный метр (Вт/м²). Интен­сивность звука определяет физиологическую характеристику слу­хового ощущения - громкость.

Частота звуковых колебаний ( Гц ) определяет физиологиче­скую характеристику звукового ощущения, которую называют высотой звука.

Возможность оценки высоты тона слуховым аппа­ратом человека связана с продолжительностью звучания. Ухо не способно оценить высоту тона, если время звукового воздействия меньше 1 /20 с.

Спектральный состав звуковых колебаний(акустический спектр) - число гармонических составляющих звука и соотноше­ние их амплитуд - определяет тембр звука, физиологическую характеристику слухового ощущения.

Диаграмма слышимости. Чтобы сформировалось слуховое ощущение, интенсивность звуковых волн должна превысить не­которое минимальное значение, называемое порогом слышимости. Оно имеет для различных частот различные значения звуко­вого диапазона (нижняя кривая на рис.17.1).

Это означает, что слуховой аппарат обладает не одинаковой чувствительностью к звуковым воздействиям на разных частотах. Максимальной чувствительностью ухо человека обладает в области частот 1000- 3000 Гц. Здесь пороговое значение интенсивности звука мини­мально и составляет 10^-12 Вт/м².

С увеличением интенсивности звука возрастает и ощущение громкости. Однако звуковые волны с интенсивностью порядка 1-10 Вт/м² вызывают уже ощущение боли. Максимальное значе­ние интенсивности, при превышении которого возникает боль, называется порогом болевого ощущения. Он также зависит от частоты звука (верхняя кривая на рис. 17.1), но в меньшей степе­ни, чем порог слышимости.

Область частот и интенсивностей звука, ограниченная верх­ней и нижней кривыми на рис. 17.1, называется областью слышимости.

Уровни интенсивности и уровни громкости.

Закон Вебера - Фехнера. Объективная физическая характеристика звуковой волны – интенсивность - определяет субъективную физиологи­ческую характеристику громкость. Количественная связь между ними устанавливается Законом Вебера - Фехнера: если интен­сивность раздражителя увеличивается в геометрической прогрес­сии, то физиологическое ощущение растет в арифметической прог­рессии.

Закон Вебера - Фехнера можно сформулировать другими словами: физиологическая реакция (в рассматриваемом случае громкость) на раздражитель (интенсивность звука) пропорцио­нальна логарифму интенсивности раздражителя.

В физике и технике логарифм отношения двух интенсивно­стей называют уровнем интенсивности, поэтому величина, про­порциональная десятичному логарифму отношения интенсивно­сти некоторого звука I к интенсивности на пороге слышимости I ₀ = 10^-12 Вт/м², называется уровнем интенсивности звука L и измеряется обычно в децибелах:

 

L(дБ) = 10lg I/I₀.

 

На пороге слышимости (I = I о) уровень интенсивности звука L = 0, а на пороге болевого ощущения (I =10 Вт/м²) L= 130 дБ.

 

E = kL

Громкость звука в соответствии с законом Вебера — Фехнера пропорциональна уровню интенсивности L:

Коэффициент пропорциональности kзависит и от частоты, и от интенсивности звука, поэтому зависимость (17.2) нелиней­ная и громкость звука Е приходится измерять в других едини­цах - фонах.

Постановили, что 1 фон = 1 дБ на частоте 1000 Гц, т.е. на этой частоте k = 1. На других частотах переход от децибел к фонам можно осуществить с помощью кривых равной громкости диа­граммы слышимости (рис. 17.1).

Определение порога слышимости на разных частотах состав­ляет основу методов измерения остроты слуха. Полученная кри­вая называется спектральной характеристикой уха на пороге слышимости или аудиограммой.

Сравнивая порог слышимости пациента с усредненной нормой, можно судить о степени разви­тия нарушений слухового аппарата.

Описание лабораторной установки

Определение спектральной характеристики уха на пороге слы­шимости проводится с помощью генератора электрических колеба­ний звуковой частоты и наушников. Устанавливают начальную ча­стоту (100 или 125 Гц) сигнала генератора и подают его на наушники. Испытуемый, надев наушники, постепенно ослабляет амплитуду сигнала генератора, пока не достигнет порога слышимости (пере­станет слышать звук в наушниках). По шкале аттенюатора опреде­ляется уровень ослабления сигнала генератора в децибелах. Затем устанавливается следующая частота и определяется порог слыши­мости на ней и т.д.

Порядок выполнения работы

Убедитесь, что корпус генератора надежно заземлен.

Включите в сеть (220 В, 50 Гц) шнур питания генератора и тумблер «Сеть» на его панели.

Подключите наушники испытуемого к «Выходу» генератора.

Установите на генераторе первое значение частоты v = 100 Гц.

Постепенно уменьшая амплитуду звукового сигнала, добей­тесь отсутствия слышимого звука в наушниках.

Запишите полученные значения частоты v и ослабления В (дБ) (при отсутствии шкалы L децибел запишите значение ам­плитуды U_min сигнала на пороге слышимости) в табл. 17.1.

Аналогичным образом определите уровень ослабления В (дБ) сигнала генератора в момент исчезновения звука в наушниках на каждой из частот v.

Найдите в таблице наибольшее по модулю значение ослаб­ления В_max(дБ) сигнала генератора.

Рассчитайте для каждой частоты V,- уровень интенсивности сигнала на пороге слышимости L₁ (дБ) = B_max - |В_i|.

Результаты занесите в табл. 17.1.

 

ча­стотаν,Гц
lg ν
Ослабление генератора B,дБ
Порог слышимости L = Bmax - Bi,дБ

По данным таблицы постройте зависимость уровня интен­сивности звука на пороге слышимости L от логарифма частоты lg ν звука.

Сделайте вывод относительно области наилучшей слыши­мости.

Контрольные вопросы и задания

1. Какова природа звука? Чему равна скорость звука. Опишите клас­сификацию звуков (тоны, шумы).

2. Назовите физические и физиологические характеристики звука (час­тота, интенсивность, спектральный состав, высота, громкость, тембр).

3. Что показывает диаграмма слышимости (порог слышимости, порог болевого ощущения, область речи)?

4. Как формулируется закон Вебера — Фехнера? Назовите уровни интен­сивности и уровни громкости звука. Как они связаны между собой?

5. Каковы их единицы измерения?

6. Опишите методику определения порога слышимости (спектральной

характеристики уха на пороге слышимости).

Задачи

1. Интенсивность звука частотой 5 кГц равна 10^-9 Вт/м². Определите уровни интенсивности и громкости этого звука.

Ответ: 30 дБ; 30 фон.

2. Уровень интенсивности звука от некоторого источника ра­вен 40 дБ. Чему равен суммарный уровень интенсивности звука от деся­ти таких источников звука при их одновременном действии?

Ответ. 50 дБ.

3. Уровень громкости звука частотой 1000 Гц после его про­хождения через стенку понизился от 100 до 20 фон. Во сколько раз уменьшилась интенсивность звука?

Ответ-, в 10⁸ раз.

Литература

1. Ильич, Г.К. Электрические и магнитные свойства биологических тка­ней: учеб.-метод. пособие / Г.К. Ильич, В.Г. Лещенко. Минск: БГМУ, 2006. С.

2. Лещенко, В.Г. Медицинская и биологическая физика / В. Г. Лещенко, Г.К. Ильич. Минск: Новое знание, 2012. С. 245-268.