Лабораторная работа 5. Снятие спектральной характеристики уха на пороге слышимости

Цель работы

1. Изучить физические основы звуковых колебаний.

2. Освоить метод определения порога слышимости с помощью аудиотестера.

3. Построить спектральную характеристику на пороге слышимости (порог слышимости на разных частотах).

Оборудование

1. Аудиотестер АТ-1-5.

Контрольные вопросы

1. Звук. Классификация звуков.

2. Физические (объективные) характеристики звука.

3. Физиологические (субъективные) характеристики звука и их связь с физическими характеристиками.

4. Закон Вебера-Фехнера.

5. Шкала уровней интенсивности звука. Единицы измерения.

6. Шкала уровней громкости. Единицы измерения. Кривые равной громкости.

7. Порог слышимости и порог болевого ощущения, их зависимость от частоты.

8. Ультразвук: определение, свойства, получение и применение в медицине.

Литература

1. Ремизов, А. Н. Медицинская и биологическая физика: учебник / А.Н. Ремизов, [Электронный ресурс]- М.: ГЭОТАР-Медиа, 2013. – 647 с. – URL-: ЭБС «Консультант студента. Электронная библиотека медицинского вуза» www.studmedlib.ru

2. Ливенцев, Н.М. Курс физики: учебник для студентов вузов, обучающихся по техническим и технологическим направлениям / Н. М. Ливенцев. – 7-е изд., стер. – СПб: Лань, 2014. – 666 с, §143.

Теоретические сведения

Для человека звуковые волны (или звук) являются источником информации об окружающем мире. В медицине звук и ультразвук используют для диагностики заболеваний. Кроме этого ультразвук применяют в терапии и хирургии.

Звук – колебания частиц в упругих средах, распространяющиеся в виде продольных волн с частотой от 16 Гц до 20000 Гц, воспринимаемые человеческим ухом. Механические волны с частотой ниже 16 Гц называются инфразвуком, а выше 20000 Гц – ультразвуком. Инфразвук и ультразвук не создают звукового ощущения.

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

Простой тон – это звуковое колебание, происходящее по гармоническому закону. Если тон представляет собой негармоническое колебание, то он называется сложным. Простой тон даёт камертон или звуковой генератор, сложный – музыкальные инструменты или голосовой аппарат (гласные звуки речи человека).

Шум – звук, отличающийся сложной временной зависимостью. Шум можно рассматривать как сочетание беспорядочно меняющихся сложных тонов.

Звуковой удар–это кратковременное звуковое воздействие: хлопок, взрыв и т. п.

Физическими называют те характеристики звука, которые существуют объективно. Они не связаны с особенностями ощущения человеком звуковых колебаний. К физическим характеристикам звука относятся частота, амплитуда колебаний, интенсивность, скорость распространения звуковых колебаний, звуковое давление, акустический спектр.

Частотой звуковых колебаний называется число колебаний частиц упругой среды (в которой распространяются звуковые волны) в единицу времени.

Амплитудой звукового колебания называется наибольшее отклонение колеблющихся частиц среды (в которой распространяется звуковое колебание) от положения равновесия.

Скоростью звука называется скорость распространения энергии звукового колебания.

Интенсивностью звуковой волны (или плотностью потока энергии) называется физическая величина, численно равная отношению энергии, переносимой звуковой волной в единицу времени через единицу площади поверхности, ориентированной перпендикулярно вектору скорости звуковой волны, то есть:

,                                                     (1)

здесь  - энергия волны, - время переноса энергии через площадку площадью .

В СИ интенсивность измеряется в Вт/м² (ватт на квадратный метр). Интенсивность звука, воспринимаемая ухом человека, на частоте 1000 Гц лежит в пределах:

от 10^–12 Вт/м² до 10 Вт/м².

Минимальные значения интенсивности звука, при которых у человека возникают слуховые ощущения, называются порогом слышимости. Для человека с нормальным слухом на частоте 1000 Гц порогу слышимости соответствует значение интенсивности звука

Порог слышимости зависит от частоты звукового колебания. На какой-то частоте (обычно 1000-3000 Гц) в зависимости от длины слухового канала слухового аппарата человека происходит резонансное усиление звука в человеческом ухе. При этом ощущение звука будет наилучшим, а порог слышимости будет минимальным. При уменьшении или увеличении частоты колебаний условие резонанса ухудшается (удаление по частоте от резонансной частоты) и порог слышимости соответственно повышается.

Значения интенсивности звука, при которых у человека возникают болевые ощущения, называются порогом болевого ощущения.

Для человека с нормальным слухом на частоте 1 кГц порогу болевого ощущения соответствует значение интенсивности звука . Порог болевого ощущения зависит от частоты (хотя и в меньшей степени, чем порог слышимости). На низких и высоких частотах порог болевого ощущения снижается, т.е. болевые ощущения наблюдаются при больших интенсивностях.

Звуковое давление – это эффективное избыточное давление, которое образуется в участках сгущения и разрежения частиц среды при прохождении звуковой волны, т.е. звуковое давление есть разность между давлением в среде при прохождении звуковой волны и атмосферным. Звуковое давление обозначается (Р) и измеряется в Па (паскаль). Звуковое давление лежит в пределах: от 3∙10^–5 Па до 100 Па.

Звуковое давление связанно с интенсивностью звука соотношением

,                                                      (2)

здесь   – звуковое давление,  – плотность среды,   – скорость звука в данной среде.

Акустический спектр – это зависимость интенсивности колебаний, составляющих звук, от частоты. Спектр сложного тона графически представляется в виде набора вертикальных линий разной высоты, число линий соответствует количеству простых тонов, высота – их интенсивности.

Физические характеристики звука связаны с физиологическими (субъективными) характеристиками: высота, тембр, громкость.

Высота звука определяется частотой звуковых колебаний (чем больше частота, тем более высоким воспринимается звук).

Тембр определяется его гармоническим (или акустическим) спектром. По тембру человек легко отличает звуки скрипки и рояля, голоса людей и т.д.

Громкостью звука называется уровень слухового ощущения над порогом слышимости. Громкость звука определяется интенсивностью и частотой звука.

Диапазон интенсивностей от порога слышимости до болевого порога составляет . При таком широком диапазоне удобно воспользоваться логарифмическим масштабом, с этой целью вводиться величина, называемая уровнем интенсивности :

,                                                 (3)

здесь – интенсивность исследуемого звука, - наименьшая интенсивность, воспринимаемая человеческим ухом на частоте 1000 Гц.

Единицей измерения уровня интенсивности является бел (Б) или децибел (дБ): 1 дБ = 0,1 Б. Для изменения уровня интенсивности на 1 Б необходимо увеличить интенсивность звука в 10 раз.

Использование логарифмической шкалы для оценки уровня интенсивности звука хорошо согласуется с психофизическим законом Вебера-Фехнера: если увеличивать раздражение в геометрической прогрессии (т.е. в одинаковое число раз), то ощущение этого раздражения возрастает в арифметической прогрессии (т.е. на одинаковую величину).

Математическая запись закона Вебера – Фехнера:

,                                                  (4)

здесь  – уровень громкости,  – коэффициент пропорциональности, его значение зависит от частоты, интенсивности звука и индивидуальных особенностей уха человека.

Единицами уровня громкости служат «фон». Считается, что уровень громкости в фонах численно равен уровню интенсивности в децибелах на частоте 1000 Гц.

Связь между частотой, уровнем громкости и уровнем интенсивности изображают графически с помощью кривых равной громкости (рисунок 16). Эти кривые показывают изменение интенсивности от частоты при постоянном уровне громкости. Нижняя кривая, уровень громкости 0 – фон, соответствует порогу слышимости. Верхняя кривая соответствует порогу болевого ощущения.

Рисунок 16. Кривые равной громкости

 

Для построения кривой равной громкости с помощью звукового генератора создают звук частотой 1000 Гц. В этом случае громкость в фонах равна интенсивности в децибелах, измеренной по прибору.

На других частотах изменяют интенсивность до тех пор, пока не получат ощущение громкости аналогично ощущению на частоте 1000 Гц.

Кривые равной громкости отражают восприятие звука средним человеком. Для оценки слуха конкретного человека в медицине применяют различные приборы – аудиометры и аудиотестеры. Посредством аудиотестера измеряют зависимость порога слышимости от частоты.