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 Umin 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 Вmax(дБ) сигнала генератора.
Рассчитайте для каждой частоты V,- уровень интенсивности сигнала на пороге слышимости L1 (дБ) = Bmax - |Вi|.
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.
