Зняття спектральної характеристики вуха на порозі чутності

Прилади і матеріали: навушники, генератор сигналів низькочастотний ГС-109.

Мета роботи: Вивчення фізіологічних характеристик звукових коливань та дослідження спектральної чутливості вуха.

 

Короткі теоретичні відомості

Звук – це коливання з частотою від 16 Гц до 20 кГц, що розповсюджуються в пружному середовищі. Джерелом звуку може бути тіло, що коливається, частота коливань якого заходиться в діапазоні звукових частот (камертон, дзвінок, струна тощо).

Розрізняють об'єктивні та суб'єктивні характеристики звуку. Об'єктивними характеристиками звуку, як механічної хвилі, є інтенсивність або сила звуку, частота та частотний спектр. Об'єктивні характеристики звуку можуть бути виміряні відповідними приладами незалежно від людини. Зважаючи на те, що звук є об'єктом слухового сприйняття, він оцінюється людиною суб'єктивно. Суб'єктивними характеристиками звуку є: гучність звуку, висота, тембр.

Енергетичною характеристикою звуку є інтенсивність (І) – кількість енергії (W) яка переноситься звуковою хвилею за одиницю часу (t) через одиницю площі поверхні (S), розміщеної перпендикулярно до напряму розповсюдження хвилі:

Звуки діляться на тони, шуми і звукові удари. Розрізняють прості і складні тони. Простий тон – це звукове коливання, що відбувається згідно гармонічного закону. Основною його фізичною характеристикою є частота. Якщо тон не є гармонічним коливанням, він називається складним. – Простий тон дає камертон, складний – музичні інструменти або голосовий апарат. Складний тон можна розкласти на прості, при цьому тон найменшої частоти називається основним, а інші – обертонами. Залежність інтенсивності звуку від їх частоти називають акустичним спектром. Спектр складного тону – лінійчатий (рис.1а).

 

Рис.1. Спектри звукових коливань.

Шумом називають звук, що відрізняється складною часовою залежністю. Шум можна розглядати як поєднання безладно змінних складних тонів. Спектр шуму суцільний (рис.1б). Звуковий удар – це короткочасна звукова дія: хлопок, вибух тощо.

Нормальне людське вухо сприймає досить широкий діапазон інтенсивності звуку. Так, наприклад, на частоті 1 кГц воно здатне сприймати від 10^-12 Вт/м² (поріг чутності) до =10 Вт/м² (поріг больового відчуття).

 

Таблиця 1. Шкала механічних хвиль.

Частота, Гц	Найменування	Засоби збудження	Застосування
0,5-20	Інфразвуки	Коливання води в великих водоймищах, биття серця	Передбачення погоди, діагностика захворювань серця
20-2 10^4	Чутні звуки	Голос людини та тварин, музикальні інструменти, свистки, сирени, гучномовці, тощо	Для зв’язку та сигналізації, а також виміру відстаней
2 10^4-2 10^10	Ультразвуки	Магнітострикційні та п'єзоелектричні випромінювачі, свисток, збуджуються також деякими тваринами та комахами (летючі миші, цвіркуни, сарана тощо	Гідролокація, очищення деталей, дефектоскопія деталей, прискорення хімічних реакцій, медичні та біологічні дослідження, молекулярна фізика
10^11 та вище	Гіперзвуки	Теплові коливання молекул	В наукових дослідженнях

Для вимірювання інтенсивності звуку застосовують логарифмічну шкалу рівня інтенсивності. Рівень інтенсивності визначається із співвідношення:

(1)

де – інтенсивність даного звуку, – інтенсивність звуку, що приймається за початковий рівень шкали (поріг чутності). Рівень інтенсивності виражають в белах (Б) або децибелах (дБ). За 1 Б приймають рівень інтенсивності звуку, інтенсивність якого в 10 разів більша за .

Суб'єктивною фізіологічною характеристикою звуку є гучність , яка характеризує рівень слухового відчуття. Це об’єктивна характеристика і не піддається точному кількісному виміру. В основі вимірювання гучності покладено психофізичний закон Вебера–Фехнера. Згідно цього закону рівень гучності даного звуку пропорційний логарифму відношення його інтенсивності І до значення інтенсивності звуку І₀, який відповідає порогу чутності (при однакових частотах звукових коливань):

,

(2)

де – деякий коефіцієнт пропорційності, що залежить від частоти й інтенсивності звуку. Гучність виражають у фонах (фон). Прийнято вважати, що на частоті 1 кГц шкала гучності співпадає зі шкалою рівня інтенсивності. В цьому випадку =1, а 1 фон=1 дБ.

Гучність на інших частотах вимірюють порівнянням досліджуваної гучності звуку з гучністю звуку на частоті 1 кГц. Для знаходження відповідності між гучністю й інтенсивністю звуку на різних частотах користуються кривими однакової гучності – залежність інтенсивності звуку (І) від частоти () при сталій гучності (Е=соnst) (рис.2). Їх будують на основі середніх даних, одержаних у людей з нормальним слухом. Нижня крива на рис.2 відповідає інтенсивності найслабших звуків, які можна почути – порогу чутності. Для всіх частот цієї кривої Е =0; для частоти 1 кГц інтенсивність звуку Вт/м². Верхня крива відповідає порогу больового відчуття.

 

Рис.2. Аудіограма і криві однакової гучності.

 

Метод вимірювання гостроти слуху називається аудіометрією (״ аудіо״ – звук, ״ метрія״ – вимір ). При аудіометрії на приладі (аудіометрі) визначають залежність порогу слухового відчуття на різних частотах. Цю криву називають спектральною характеристикою вуха на порозі чутності або аудіограмою.