Jednostką strukturalną i funkcjonalną układu nerwowego jest neuron. Jego podstawowym zadaniem jest przyjmowanie, przewodzenie i przekazywanie sygnałów, co związane jest z właściwościami błony komórkowej.

Przewodzenie impulsu we włóknach nerwowych
(bezosłonkowych) (wg Delaney, 1976)

Wewnątrz każdej komórki przeważają kationy potasu i aniony organiczne, natomiast w otoczeniu komórki jony sodowe i chlorkowe. Stężenie anionów po obu stronach błony jest zbliżone, różnice dotyczą stężenia kationów. Wynika to z różnej przepuszczalności błony dla jonów sodu i potasu oraz nieprzepuszczalności dla anionów organicznych. Kationy potasu jako mniejsze łatwiej opuszczają komórkę na drodze dyfuzji w odróżnieniu od większych jonów sodu, z których tylko nieliczne dyfundują do komórki.

Nierównomierne rozmieszczenie kationów po obu stronach błony komórkowej sprawia, iż wnętrze komórki jest bardziej ujemne w stosunku do zewnętrznych powierzchni błony komórkowej. Dodatnie jony są jednak potrzebne wewnątrz komórki dla zrównoważenia anionów organicznych. Dlatego też wypływ kationów potasowych z komórki zgodnie z gradientem stężeń jest w pewnym stopniu hamowany przez siły elektrostatyczne. Przede wszystkim jednak wypływowi potasu z komórki zapobiega pompa sodowo-potasowa, umożliwiająca, dzięki energii pochodzącej z rozkładu ATP przez kompleks enzymatyczny pompy, transport aktywny jonów K⁺ do wnętrza komórki i jonów Na⁺ na zewnątrz komórki (kosztem jednej cząsteczki ATP transportowane są 2 jony K⁺ i 3 jony Na⁺). Efektem tych procesów jest wytworzenie w poprzek błony spoczynkowego potencjału błonowego. W momencie zadziałania bodźca następuje miejscowa zmiana właściwości elektrycznych błony neuronu (lub komórki mięśniowej) (depolaryzacja – zmiana potencjału błonowego z ujemnego na dodatni). Jeśli bodziec będzie dostatecznie duży, spowoduje otwarcie kanałów jonowych, którymi sód wpływa do komórki, natomiast potas wypływa z komórki. Efektem tego jest dalsza depolaryzacja błony komórkowej. Powstaje wówczas potencjał czynnościowy, który przemieszcza się wzdłuż błony komórkowej neuronu jako fala depolaryzacyjna, gdyż depolaryzacja w danym miejscu błony powoduje depolaryzację obszaru sąsiedniego. Przesuwająca się fala depolaryzacyjna wzdłuż błony komórkowej stanowi impuls nerwowy. Trwa ona ułamek sekundy. Powrót do stanu wyjściowego, czyli repolaryzacja błony rozpoczyna się zamknięciem kanałów sodowych. Rozmieszczenie jonów występujące w stanie spoczynku błony zostaje przywrócone przy udziale pompy sodowo-potasowej i kanałów potasowych. Zanim jednak zostanie przywrócony potencjał spoczynkowy, błona staje się silniej spolaryzowana, co określane jest jako hiperpolaryzacja. Podczas hiperpolaryzacji błona jest mniej pobudliwa, dzięki czemu fala depolaryzacyjna nie może się cofnąć.

Przebieg zmian potencjału na błonie komórki nerwowej podczas trwania potencjału czynnościowego

Przewodzenie impulsów elektrycznych we włóknach nerwowych otoczonych osłonkami mielinowymi odbywa się w sposób skokowy, od jednego przewężenia Ranviera do drugiego, gdyż w cieśniach węzłów jest największa gęstość kanałów jonowych. Dzięki temu jest znacznie szybsze niż we włóknach nerwowych bezosłonkowych, gdzie bodziec jest przewodzony w sposób ciągły.

Gdy fala depolaryzacyjna dotrze do zakończeń aksonu, natrafia na synapsę. W zależności od sposobu przekazania sygnału przez synapsę wyróżnia się synapsy chemiczne i elektryczne. W synapsach chemicznych sygnał elektryczny zostaje zamieniony w chemiczny. Depolaryzacja błony presynaptycznej w zakończeniach aksonu powoduje otwarcie kanałów wapniowych i wniknięcie jonów Ca²⁺ do komórki, w wyniku czego następuje wydzielenie do szczeliny synaptycznej substancji przekaźnikowej (neuroprzekaźnika), która następnie wiąże się ze swoimi receptorami w błonie postsynaptycznej następnej komórki nerwowej, względnie komórki mięśniowej lub gruczołowej, powodując depolaryzację błony. Może ona wywołać powstanie potencjału czynnościowego, który będzie się przemieszczać dalej.

W synapsach elektrycznych bardzo wąska szczelina synaptyczna umożliwia przeskok impulsu elektrycznego na błonę drugiej komórki.

Neuroprzekaźniki mogą mieć charakter pobudzający lub hamujący. Stąd też wyróżnia się synapsy pobudzające lub hamujące. Do neuroprzekaźników pobudzających należy acetylocholina, kwas glutaminowy, adrenalina, noradrenalina, dopamina, serotonina. Neuroprzekaźnikami hamującymi są: kwas γ-aminomasłowy (GABA), glicyna.

W synapsach pobudzających neuroprzekaźnik wywołuje depolaryzację błony komórkowej na skutek otwarcia kanałów sodowych, co umożliwia napływ jonów Na⁺ do komórki. Synapsy te umożliwiają przekaz pobudzenia.

W synapsach hamujących neuroprzekaźnik wywołuje hiperpolaryzację błony postsynaptycznej dzięki otwarciu kanałów potasowych, przez które jony K⁺ wypływają z komórki, przy równoczesnym wnikaniu do komórki przez odpowiednie kanały jonów Cl^–. Synapsy te zmniejszają pobudliwość neuronów.

Przewodzenie pobudzenia przez synapsę (wg Wiśniewski, 1994)

Zapamiętaj Potencjał spoczynkowy to stała wartość różnicy potencjałów pomiędzy wnętrzem i otoczeniem komórki. Potencjał wnętrza komórki jest ujemny w stosunku do otoczenia. Czynniki warunkujące istnienie potencjałów spoczynkowych to:
• różnice stężeń różnych jonów pomiędzy wnętrzem i otoczeniem komórki utrzymywane przez aktywny transport;
• różna przepuszczalność błony dla różnych typów jonów.
Potencjał czynnościowy to chwilowa zmiana wartości potencjału błony komórkowej, wywołana przez bodziec ponadprogowy. Podczas trwania potencjału czynnościowego występuje kilka faz:
• depolaryzacja (gwałtowny wzrost potencjału błonowego),
• repolaryzacja (nieco powolniejszy spadek potencjału błony),
• hiperpolaryzacja (stan, gdy potencjał błony jest niższy od potencjału spoczynkowego).

Potencjał czynnościowy (czyli iglicowy) - przejściowa zmiana potencjału błonowego komórki, związana z przekazywaniem informacji. Bodźcem do powstania potencjału czynnościowego jest zmiana potencjału elektrycznego w środowisku zewnętrznym komórki. Wędrujący potencjał czynnościowy nazywany jest impulsem nerwowym. Faza depolaryzacji i repolaryzacji potencjału czynnościowego (iglica) trwa nie więcej niż 1 ms i osiąga maksymalnie wartości około +30 mV. Hiperpolaryzacja następcza może trwać kilkadziesiąt milisekund. W trakcie potencjału czynnościowego neurony stają się niepobudliwe, zaś później, podczas hiperpolaryzującego potencjału następczego ich pobudliwość jest zmniejszona. Zjawiska te nazywamy refrakcją bezwzględną i względną ^[1] . Ze względu na okres refrakcji bezwzględnej oraz refrakcji względnej komórki nerwowe człowieka nie mogą generować potencjałów czynnościowych z dowolną częstotliwością. Jednak w najbardziej sprzyjających okolicznościach częstotliwość potencjałów czynnościowych może dojść do 100 impulsów na sekundę ^[2] .

Miejscem powstawania potencjału czynnościowego w komórce nerwowej jest tzw. wzgórek aksonowy, skąd potencjał iglicowy rozprzestrzenia się po powierzchni błony komórkowej wypustki osiowej- aksonu. Generowaniem potencjałów czynnościowych rządzi zasada: "wszystko albo nic": do zapoczątkowania potencjału czynnościowego niezbędny jest bodziec o intensywności wystarczającej do zdepolaryzowania neuronu powyżej określonej wartości progowej; wszystkie potencjały czynnościowe w danej komórce osiągają tę samą amplitudę^[3] .

Przebieg potencjału czynnościowego w komórce nerwowej

Jeśli dokomórkowe prądy kationów przeważają nad odkomórkowymi, następuje depolaryzacja od poziomu potencjału spoczynkowego (ok. -70 mV) do potencjału krytycznego czyli progowego (ok. -50 mV). Po osiągnięciu potencjału progowego, następuje otwarcie bramkowanych elektrycznie (zależne od napięcia) kanałów przewodzących odkomórkowo kationy potasowe, oraz kanałów przewodzących kationy sodowe do wnętrza komórki. Wskutek różnicy stężeń i potencjałów kationy sodowe szybko napływają do wnętrza komórki, niwelując różnicę potencjałów pomiędzy środowiskiem zewnątrz- i wewnątrzkomórkowym do zera (depolaryzują błonę komórkową). Jest to początek tzw. potencjału iglicowego. Ze względu na dużą początkową różnicę stężeń, mimo wyrównania potencjałów, kationy sodowe napływają w dalszym ciągu do wnętrza komórki, powodując odwrotną polaryzację błony, tzw. nadstrzał dochodzący do +35 mV. Następuje to stosunkowo szybko; w ciągu ok. 2 ms następuje już całkowita inaktywacja kanałów sodowych. Po rozpoczęciu aktywacji sodowej, w odpowiedzi na depolaryzację, następuje aktywacja potasowa, czyli otwarcie kanałów dla odkomórkowego prądu kationów potasowych. Powoduje to zmianę potencjału wnętrza komórki z powrotem na ujemny, czyli repolaryzację. W tym czasie nie jest możliwe ponowne pobudzenie komórki, jest to okres refrakcji bezwzględnej^[4]. W czasie trwania potencjału iglicowego, a zwłaszcza pod koniec - proporcje kationów po obu stronach błony są odwrócone (Na⁺ wewnątrz, K⁺ na zewnątrz komórki). Przez cały czas trwania potencjału czynnościowego, aktywna jest pompa sodowo-potasowa oraz inne układy transportujące jony. Poziom aktywności pompy sodowo-potasowej jest bowiem uzależniony m. in. od stężenia kationów sodowych we wnętrzu komórki. Zatem w czasie trwania potencjału iglicowego pompa działa z najwyższą możliwą prędkością. W ciągu kolejnych kilkudziesięciu milisekund przywraca proporcje kationów sodowych i potasowych po obu stronach błony komórkowej. Jednak początkowo błona jest jeszcze w stanie hiperpolaryzacji - różnica potencjałów przekracza wartość spoczynkową. Jest to okres refrakcji względnej, kiedy komórkę da się pobudzić, ale dużo większym bodźcem - ze względu na większą "odległość" od poziomu potencjału krytycznego. W pewnym stopniu, w różnych tkankach, w opisanych procesach biorą udział również inne jony, głównie chlorkowe (Cl^-) oraz wapniowe (Ca²⁺).

PRZEWODZENIE IMPULSÓW

Komórki nerwowe to budują układ nerwowy i to one odpowiedzialne są za przewodzenie impulsów. Przewodzenie impulsów jest przesuwanie się impulsu( potencjału czynnościowego) wzdłuż aksonu. Kierunek przesuwania impulsu jest określony od ciała komórki nerwowej do aksonu.

We włóknach bezmielinowych( bez komórek Schwanna)przewodzenie impulsu odbywa się w sposób ciągły. Tuż za falą depolaryzacyjną przesuwa się fala repolaryzacyjna. U człowieka szybkość przewodzenia w komórkach bezmielinowych jest wolna: 0,5- 2 m/s

We włóknach pokrytych osłonka mielinową impulsy przewodzone są bardzo szybko do 120 m/s. Zachodzi w nich przewodzenie skokowe.

Akson zakończony jest prosto lub jest rozgałęziony. Większość aksonów na zakończeniach posiada zgrubienia, czyli synapsy. Zakończenia te przekazują impuls na kolejną komórkę nerwowa. Po dotarciu impulsu do synapsy. Depolaryzacji ulega błona presynaptyczna synapsy. W wyniku depolaryzacji błony presynaptycznej do szczeliny synaptycznej wydzielane są transmitery. Każdy transmiter łączy się z właściwym receptorem na błonie postsynaptycznej. W ten sposób wywołana zostaje zmiana w polaryzacji w kolejnej komórce nerwowej. Jeżeli impuls przekroczy próg pobudliwości to potencjał czynnościowy jaki powstanie, wywoła falę depolaryzacyjna, która będzie biegła do zakończeń aksonalnych kolejnej komórki nerwowej. zostaje fala depolaryzacyjna na kolejnej komórce nerwowej.

Synapsy dzieli się na pobudzające i hamujące.

Synapsy pobudzające- błona postsynaptyczna ulega depolaryzacji, dzięki czemu impuls noże przebiegać w kolejnej komórce.

Synapsa hamująca- do szczeliny synaptycznej wydzielany jest mediator, który wywołuje hiperpolaryzacje. Aby doszło do depolaryzacji i pobudzenia komórki do przewodzenia bodźca, w tym przypadku musi dojść do wywołania silniejszego bodźca, który przekroczyłby próg pobudliwości.

Dzięki synapsom hamującym, bodźce o nieistotnym znaczeniu biologicznym są "wygaszane".

Transmitery pobudzające to: noradrenalina, adrenalina, serotonina, Ach(acetylocholina), dopamina, histamina.

Transmitery hamujące to: GABA i glicyna.

Dźwięki słyszalne

Używa się też terminu dźwięki słyszalne – na określenie dźwięków z zakresu częstotliwości i natężeń, które rejestruje człowiek, dla odróżnienia od dźwięków zbyt cichych bądź zbyt niskich (bliskie infradźwięki) lub zbyt wysokich (na pograniczu ultradźwięków), by mogły być zarejestrowane przez ludzkie ucho przeciętnego człowieka.

Człowiek, jak i zwierzęta, odbiera dźwięki słyszalne poprzez zmysł nazywany słuchem, którego narządem są uszy. Natężenie dźwięku można wyrazić w postaci powierzchniowej gęstości mocy fali akustycznej w (W m^-2), jednak powszechniejsze i wygodniejsze jest podawanie wartości poziomu natężenia dźwięku, czyli we względnej skali logarytmicznej, której jednostką jest decybel. Jeszcze inną skalą, która uwzględnia fizjologię ludzkiego ucha, jest skala głośności mierzonej w fonach.

Dźwięki słyszalne przez poszczególnych ludzi mogą różnić się zarówno w zakresie częstotliwości, jak i głośności. Regułą jest, że wraz z wiekiem zakres częstotliwości się zawęża (dotyczy to szczególnie częstotliwości wysokich) oraz podnosi się dolna granica poziomu głośności słyszanych dźwięków. Zjawisko niedosłuchu dotyka ostatnio coraz częściej również młodych ludzi, z powodu powszechnego użycia słuchawek dousznych.

Istoty żywe przetwarzają dźwięki w określony sposób. Pierwszy etap to rejestracja wartości ciśnienia w funkcji czasu. Następnie dźwięk jest analizowany - wydzielany jest ton podstawowy (decydujący o słyszanej wysokości dźwięku) i wyższe składowe harmoniczne, których amplitudy decydują o barwie dźwięku. Analiza taka jest możliwa, ponieważ każdą, dowolnie skomplikowaną falę można rozłożyć na składowe sinusoidalne. Z matematycznego punktu widzenia operacja taka nazywa się transformacją Fouriera. Gdy dźwięk składa się z wielu składowych, każdej składowej można przypisać określone parametry — amplitudę, fazę oraz częstotliwość. Następnie uzyskane wartości amplitudy są poddawane logarytmowaniu (zgodnie z Prawem Webera-Fechnera), dzięki czemu słabe dźwięki są tak samo rozróżnialne jak silne. W efekcie mózg uzyskuje strumień danych, który reprezentuje najważniejsze cechy dźwięku (głośność, wysokość, barwę). Człowiek używa tej metody do rozpoznawania mowy mimo występowania silnych zakłóceń (np. rozmowa w tłumie).

Dźwięk

Od dawien dawna ludzkość zastanawiała się nad prawdziwą naturą dźwięku. Przez długi czas nawet uważano, iż jest to jakiś specjalny rodzaj materii, która rozchodzi się na wszystkie strony wokół drgającego ciała. Pewien czas później stwierdzono, że jednak źródło dźwięku stanowią drgania cząstek materii. W ten sposób np. pojmował dźwięk Arystoteles, który żył w IV w p. n. e. Dopiero Witriwiusz w I w n. e. porównał rozchodzenie się dźwięku do powstających fal na wodzie, kiedy do tej wrzuci się kamień. Jak widać było to porównanie bardzo trafne i bardzo bliskie odkryciu prawdziwej natury rozchodzącego się dźwięku.

Czym jest dźwięk?

Zastanówmy się nad tym, czym z fizycznego punktu widzenia jest dźwięk. Otóż dzięki dokonaniom wielkich fizyków, dzisiaj wiemy, że dźwięk jest falą. Dla przypomnienia powiedzmy, że fala to rodzaj zaburzenia które rozchodzi się jakimś ośrodku i falę stanowią okresowe zmiany pewnej wielkości. Jednak jaka wielkość ulega zmianie w przypadku dźwięku. Otóż jest to ciśnienie i gęstość ośrodka w którym rozchodzi się dźwięk. Otóż okazuje się że fala dźwiękowa to fala podłużna, czyli taka w której oscylacje mają kierunek równoległy do kierunku rozchodzenia się fali. Gdyby zrobić takiej fali pojedyncze zdjęcia, to moglibyśmy zauważyć iż w falę dźwiękową stanowią cykliczne zgęszczenie i rozrzedzenia powietrza ( w przypadku fali rozchodzącej się w powietrzu). Takie obszary zagęszczeń i rozrzedzeń rozprzestrzeniają się w powietrzu zgodnie z kierunkiem fali i mają szansę dotrzeć do czyjegoś ucha. W uchu powodują one ruch błony bębenkowej, który z kolei jest przetwarzany przez nasz mózg na określone wrażenia dźwiękowe.

R E K L A M A	czytaj dalej ↓

<SCRIPT type="text/javascript" src="http://admax.quisma.com/tracking/ad.js?FID=12157&PMT=4538&BID=0&SID=626&PCT=http://go.idmnet.bbelements.com/please/redirect/554/2/2/2/!uwi=1280;uhe=1024;uce=1;param=32323/34273_1_?_&CB=1339190088"></SCRIPT>

Wrażenie dźwiękowe z kolei możemy podzielić na wiele rodzajów. Niektóre z nich odbieramy jako szmery, inne jako melodyjne tony, a jeszcze inne jako nieprzyjemne hałasy. Zastanówmy się co tak naprawdę decyduje o tym, że dany dźwięk brzmi tak jak brzmi. Otóż w przypadku tonów mamy do czynienia z drganiami harmonicznymi, które wywołane są oscylacje źródła z jedną określoną częstotliwością. Dany dźwięk powstaje wówczas, gdy niesionej fali podstawowej towarzyszą jeszcze dodatkowe częstotliwości, które są jej wielokrotnościami. Wówczas nasze ucho odbiera dany dźwięk jako regularny. Natomiast szmery lub hałas to fale dochodzące do nas które charakteryzują się częstotliwościami zupełnie ze sobą nieskorelowanymi. Gdy wiele takich dźwięków, których częstotliwości nie są ze sobą w żaden sposób powiązane nałoży się na siebie, to odbieramy wówczas wrażenie hałasu. Wspomniane wcześniej tony, czyli fale o jednej określonej częstotliwości występują bardzo rzadko w przyrodzie. Jednym z takich urządzeń, które w pewien sposób symuluje ton prosty jest kamerton. W jego przypadku oprócz emitowanej fali podstawowej istnieją jeszcze drgania harmoniczne składowe, jednak są bardzo słabe, przez co częstotliwość podstawowa znacznie przeważa.

Rozchodzenie się fal dźwiękowych w wodzie

Fale dźwiękowe potrafią rozchodzić się w środowisku wodnym na setki mil. Źródłem dźwięków w wodzie są wszelkie organizmy żyjące, fale morskie, oraz konstrukcje człowieka, czyli różnego rodzaju statki, czy platformy wiertnicze. W całym tym bogactwie dźwięków, które nam ludziom jednak jawi się jako względna cisza, poruszają się łodzie podwodne. Z kolei taki okręt podwodny potrafi generować szum, który może być słyszalny nawet z odległości ok. 1000 km. Tak więc wiedza o tym w jaki sposób rozchodzą się dźwięki w wodzie ma ogromne znaczenie z punktu widzenia zastosowań wojskowych. Ważne jest bowiem, aby odpowiednio wcześniej usłyszeć taką łódź podwodną i być przygotowany na jej atak. Obecne urządzenia służące do lokacji łodzi podwodnych nie są jednakże pozbawione wad. Wady te raczej wynikają z ograniczeń fizycznych, dzięki którym mogą powstać pewne luki, które z kolei mogą zostać wykorzystane przez wrogie łodzie. Często takie urządzenia wykorzystują zasadę echolokacji, która polega na rejestracji ultradźwięków odbitych od danych obiektów i rozpoznaniu co to jest za rodzaj obiektu. Jednak i tutaj pojawiają się pewne trudności z interpretacją wyników. Poza tym warstwy planktonu, czy fale morskie bardzo często powodują rozpraszanie takich emitowanych ultradźwięków. W przypadku łodzi podwodnych ważnym elementem służącym do zwalczania wrogich okrętów podwodnych jest tzw. termoklina. Jest to takie urządzenie które jest w stanie oddziaływać na prędkość rozchodzenia się fal dźwiękowych w wodzie. Jeśli stosuje się ciągłą termoklinę możliwe jest zmniejszenie tej prędkości nawet do wartości minimalnej.

Natężenie dźwięku

Ucho ludzkie zbiera energię niesioną przez falę akustyczną, tylko z obszaru jaki powierzchnia ucha zajmuje. Więc o wrażeniu głośności decyduje ilość padającej energii w jednostce czasu na jednostkę powierzchni. Tak więc dźwięk może mieć sumaryczną energię bardzo dużą, ale jeśli jest on wydzielany przez cały rok, i do tego rozkłada się na powierzchni boiska piłkarskiego to dla naszego ucha jest bardzo słaby.

Tak więc poprzez natężenie fali dźwiękowej określamy wielkość która jest energią fali akustycznej podzieloną przez czas w jakim została wyemitowana i przez powierzchnię na jaką padła.

Próg słyszalności

Otóż okazuje się, że minimalna wartość natężenia fali akustycznej jakie nasze ucho jest w stanie zarejestrować wynosi ok. 10^-12 W/m². Jeszcze mniejsza jest moc związana z tym natężeniem. Jednak widzimy jak doskonałym narządem jest nasze ucho, skoro potrafi usłyszeć dźwięki o tak niskim natężeniu. Dźwięki, które charakteryzują się mniejszym natężeniem niż podana wartość są przez nasze ucho nie rejestrowane, czyli po prostu nie jesteśmy w stanie ich usłyszeć. Oczywiście podana wartość jest średnią uzyskaną w wyniku badań dużej grupy osób, dlatego też dla każdego człowieka może ona różnić się. Dlatego też może zdarzyć się, że osoba obdarzona wyjątkowo dobrym słuchem jest w stanie usłyszeć dźwięki o natężeniu poniżej tej wartości.

Próg bólu

Jeśli dźwięk przekroczy natężenie o wartości ok. 1W/m², to stanie się on wówczas zbyt silny dla naszego ucha i będziemy go odbierać już jako ból. Po prostu wtedy nasz organizm nie rejestruje go jako dźwięku, a tylko jako bodziec który powoduje ból. Najczęściej zwykłe dźwięki z którymi się spotykamy na co dzień i które słyszymy, charakteryzują się natężeniem, które zawiera się pomiędzy progiem słyszalności a progiem bólu.

Określanie poziomu natężenia dźwięku - decybele

Zastanówmy się w jaki sposób można określić siłę dźwięku, tak aby można było je odnieść do różnych słuchaczy. Przy tym zagadnieniu ważne jest aby uświadomić sobie, że nawet dźwięki charakteryzujące się tą samą energią, mogą być postrzegane przez nasze ucho jako zupełnie różne, czyli o zupełnie różnej głośności. Z kolei ucho jest na tyle skomplikowanym urządzeniem, że działa zupełnie nieliniowo.

To z kolei oznacza, że dźwięk o 2 razy większym natężeniu nie jest wcale odbierany przez nasze ucho jako 2 razy głośniejszy. Okazuje się, że nasze ucho dokonuje bardzo silnego spłaszczenia dźwięku, czyli mówiąc bardziej obrazowo, dźwięk który wydaje się nam co najwyżej kilka razy głośniejszy od poprzedniego, ma on energię nawet kilkaset razy większą. Mówiąc dokładniej nasze ucho logarytmuje natężenie dźwięku. To oznacza, że jeśli natężenie dźwięku wzrosło 2 razy, to nasze ucho zarejestruje wzrost jego głośności o wartość równą logarytmu z 2. Dlatego też, cała ta komplikacja wymusiła stosowanie do opisu głośności dźwięku wielkości która nazywa się poziomem natężenia dźwięku, która uwzględnia logarytmiczny charakter odczuwalnego dźwięku i stosuje się tutaj jednostkę - decybel.

Decybel [dB] = 10 B.

Przykłady poziomów natężenia dźwięku.

Szum liści - 10 dB.

Rozmowa - od 30 do 60 dB.

Orkiestra - od 50 do 70 dB.

Silnik odrzutowca - od 120 do 140 dB.

Start rakiety - od 150 do 190 dB.

Echo

Echo jest to zjawisko jakie powstaje w wyniku odbicia się fal dźwiękowych od przedmiotów. Można je zaobserwować gdy wyemitowana fala akustyczna zostaje odbita od przedmiotów dużych rozmiarów, np. krzyk odbity od ściany. Wtedy to padająca fala zostaje odbita od powierzchni przedmiotu i powraca do ucha obserwatora po pewnym czasie, przez to obserwator ma wrażenie niejako powtórzenia się dźwięku. Jednak nie każde odbicie się fali akustycznej od przedmiotów powoduje powstanie wrażenia fali akustycznej. Echo jest najlepiej rejestrowane na dużych przestrzeniach, gdzie przedmioty od których dźwięk się odbija, także są duże. W przypadku pomieszczeń ściany są zbyt blisko siebie, aby można było usłyszeć wrażenie powtórzenia się dźwięku. Aby usłyszeć echo, odległość czasowa pomiędzy wyemitowaną a powracającą odbitą falą powinna wynosić ok. 0,1. Wartość ta wynika z rozdzielczości słuchowej naszego narządu słuchu. Korzystając z wartości prędkości dźwięku, można ten czas łatwo przeliczyć na odległość, która wynosi. ok. 17 metrów. Tak więc w takiej odległości minimalnej powinna znajdować się przeszkoda, jeśli chcemy zarejestrować echo. W przypadku mniejszej odległości wyemitowany i odbity dźwięk zleją się w jedną całość i nie usłyszymy echa. Jednak echo czasami bywa bardzo uciążliwe i powoduje powstanie pogłosu, który dla słuchaczy może być drażniący i męczący. Dlatego też bardzo często w przypadku koncertów przeprowadzanych w wielkich salach, wykłada się ich ściany materiałem pochłaniającym dźwięki.

Pogłos

Powiedzieliśmy już słów parę o zjawisku echa i wiemy że powstaje ono gdy dźwięk odbija się od przedmiotów. Teraz jeśli taka odbija dźwiękowa odbije się po raz kolejny od innego przedmiotu, a potem znowu od kolejnego to dźwięk jaki dojdzie do naszego ucha będzie sumą tych dźwięków i nie będziemy go odbierać jako wyraźnego echa, a raczej jako taki pogłos. Zjawisko takie najczęściej występuje w pomieszczeniach, których ściany wyłożone są dosyć twardym materiałem, przez co fala odbita nie traci zbyt dużo energii i może być wielokrotnie odbita. Pomieszczeniem w którym wyraźnie można usłyszeć pogłos to np. łazienka wyłożona kafelkami. W takim pomieszczeniu poszczególne pojedyncze echa nakładają się na siebie, co powoduje także że dźwięk wyemitowany niejako dłużej trwa. Jest to doskonały przykład zjawiska akustycznego jakim jest pogłos. Pogłos jest bardzo istotnym czynnikiem w przypadku sal koncertowych, czy studiów nagraniowych. W tym przypadkach bardzo ważne jest jego jak najlepsze wyeliminowanie. Miarą pogłosu jest czas trwania dźwięku po jego wyemitowaniu.

Ultradźwięki

Są to fale dźwiękowe, których częstotliwość znajduje się powyżej górnej granicy słyszalności ludzkiego ucha (powyżej ok. 20 kHz). Ultradźwięki bardzo często można spotkać w środowisku naturalnym, ponieważ ogromna liczba gatunków zwierząt jest w stanie je emitować (np. delfiny, nietoperze). Najczęściej ultradźwięki przez te zwierzęta wykorzystywane są do echolokacji.

Metody wytwarzania ultradźwięków

Metody mechaniczne

Tą metodę wykorzystują klasyczne układy mechaniczne drgające, takie jak różnego rodzaju płytki, czy struny, a także specjalne gwizdki, czy syreny. W przypadku gwizdków i syren mamy do czynienia z generatorami ultradźwięków które wykorzystują w swym działaniu przepływ cieczy lub gazu. Jak łatwo się domyślić stosuje się je w środowisku wypełnionym powietrzem lub cieczą. Zazwyczaj dzięki nim można wytworzyć sygnał akustyczny o dużej mocy, charakteryzujący się częstotliwością nie przekraczającą zazwyczaj kilkudziesięciu kHz.

Jedną z bardziej interesujących metod do wytwarzania ultradźwięków, która pozwala na wygenerowanie ultradźwięków w szerokim zakresie częstotliwości jest tzw. metoda udarowa. Metoda ta polega na wytworzeniu pewnego odkształcenia (deformacji), podczas zderzenia się dwóch ciał sprężystych. Przykładem tu może być zderzenie metalowej kulki z określoną bryłą ciała stałego, np. płytą, lub blokiem. W wyniku takiego zderzenia powstaje fala uderzeniowa, której częstotliwość może dochodzić do nawet 100 kHz.

Inną z kolei metodą, która także pozwala na wytworzenie ultradźwięków w dosyć szerokim zakresie częstotliwości jest pocieranie dwóch ciał stałych o siebie. To jakimi parametrami będzie charakteryzował się wytworzony sygnał zależy głównie od szybkości z jaką pocierają się o siebie ciała, oraz od rodzaju ich powierzchni.

Metody termiczne

Klasycznym termicznym źródłem ultradźwięków, są wyładowania elektryczne zachodzące w cieczach. Poprzez zastosowanie okresowego, lub impulsowego ogrzewania przewodników, lub wykorzystanie wyładowań iskrowych, możliwe jest wytworzenie ultradźwięków charakteryzujących się dużą mocą. Bolączką tego typu układów jest ich niska wydajność, która jest na poziomie 1%. Jednak przy zastosowanie bardzo krótkich impulsów, produkowane ultradźwięki mogą charakteryzować się naprawdę znaczną mocą. Jeśli chodzi o wytwarzanie ciągłych ultradźwięków, to jedną z metod jest metoda wykorzystująca ciepło Joule'a - Lenza. W metodzie tej przez przewodnik przepływa prąd stały, który jest modulowany prądem zmiennym charakteryzującym się określoną częstotliwością. Przewodnikiem takim może także być łuk elektryczny, którym może być strumień jonów. Jeśli taki przepływający prąd jonowy modulowany jest określoną częstotliwością, to w wyniku jego drgań dochodzi do emisji ultradźwięków. Urządzenie działające na tej zasadzie dodatkowo zaopatrzone jest w tubę, i nazywane jest jonofonem. Dzięki metodzie tego typu możliwe jest uzyskanie ultradźwięków o częstotliwościach dochodzących do kilkuset kHz.

Magnetostrykcja

Jest to metoda wykorzystując do generacji ultradźwięków pole magnetyczne. Opiera się ona na zmianie długości rdzenia magnesu, w wyniku przepływu zmiennego prądu elektrycznego przez solenoid, który jest nawinięty na ten rdzeń. Tego typu metoda znalazła swoje zastosowanie w różnego rodzaju rozwiązaniach przemysłowych, w których zazwyczaj potrzeba wytworzyć ultradźwięki o raczej niskich częstotliwościach.

Odwrotny efekt piezoelektryczny

Efekt ten można zaobserwować w przypadku użycia różnego rodzaju minerałów, takich jak kryształ kwarcu, czy turmalin. Opiera się on na tym, że do przeciwległych płaszczyzn kryształu doprowadzane jest zmienne napięcie elektryczne. Dzięki temu dochodzi do drgań sieci krystalicznej, która objawia się w kurczeniu lub rozszerzaniu płytki kryształu. Drgania te mają określoną częstotliwość i powodują emisję ultradźwięków. Ta metoda wykorzystywana jest w urządzeniach stosowanych w medycynie.

Metody optyczne

W metodach tych wykorzystuje się zalety światła laserowego. W zależności od własności tego światła, oraz od tego w jaki sposób oddziałuje ono z ośrodkiem materialnym, możliwe jest wytworzenie w nim fali o określonej częstotliwości. Metodą tą można wytworzyć ultradźwięki z dosyć szerokiego zakresu częstotliwościowego. Metoda ta jest praktycznie bezkontaktowa i za jej pomocą można wytwarzać bardzo krótko trwające impulsy ultradźwiękowe, rzędu nano, a nawet pikosekundowe. Natężenie tak emitowanych ultradźwięków głównie zależy od mocy użytego lasera. Z kolei, dzięki dużej zbieżności wiązki laserowej możliwe jest wytworzenie wzbudzenia nawet na bardzo małych powierzchniach, co także ma ogromne znaczenie praktyczne.

Ultradźwięki a zwierzęta.

Aby zobrazować wykorzystanie ultradźwięków przez zwierzęta, weźmy sytuację taką: otóż w nocy fretka opuściła legowisko pozostawiając w nim swoje potomstwo. Podczas poszukiwania pożywienia, nagle reaguje ze strachem i natychmiast rzuca się z powrotem do legowiska. Dobiega do niego w samą porę aby odpędzić szczura który zaatakował jej dzieci. Zastanówmy się teraz, skąd matka wiedziała o niebezpieczeństwie jakie spotkało jej dzieci, pomimo całkowitych ciemności. Otóż jej potomstwo w momencie zagrożenie wyemitowało sygnał ultradźwiękowy, który odebrała ich matka i wiedziała że są one w niebezpieczeństwie. Inne zwierzęta jak np. ryjoskoczek są w stanie rejestrować niesłyszalne dla człowieka dźwięki, jak np. szelest pełznącego po piasku węża, czy ruch skrzydeł afrykańskiego puchacza.

Szczury wędrowne, które kłócą się między sobą to piszczą na siebie wydając ultradźwięki, których nie możemy usłyszeć. Jest to mechanizm pozwalający im na rozstrzygnięcie sporu zanim przejdą do bardziej drastycznych środków, jak np. do gryzienia.

Ultradźwięki można wykorzystać także przeciw zwierzętom. Jako że niektóre gatunki są na nie uwrażliwione, można przy ich pomocy wywołać u nich określone zachowanie. W ten sposób np. przegania się z domów czy ogrodów szczury, myszy, krety, czy kuny. Stosuje się tutaj specjalistyczne nadajniki ultradźwiękowe. Minusem tej metody jest to, że oprócz wymienionych zwierząt uciekną także koty i psy.

Chyba każdy słyszał o gwizdku który służy do przywoływania psów. Otóż dźwięk wydobywający się z niego dla ucha ludzkiego brzmi co najwyżej bardzo cicho. Jednak ucho zwierzęcia jest bardzo na niego wyczulone, dlatego też czasami można przywołać psa z odległości nawet kilkuset metrów. Innym przykładem są kory, które są w stanie rejestrować ultradźwięki wydawane przez myszy. Dzięki temu koty mogą lokalizować myszy. W latach 80 Związek Radziecki wykorzystywał do podsłuchu pluskwy pracujące na ultradźwiękach. Kilka takich pluskiew zostało podłożonych w ambasadzie holenderskiej. Podsłuchy te zostały odkryte nie przez ludzi, ale co ciekawe przez koty syjamskie które odkryły je pod dywanem uważając, że źródłem ultradźwięków są myszy.

Słuch ultradźwiękowy

Okazuje się, że gatunków zwierząt, które są w stanie rejestrować ultradźwięki, jest ogromna ilość. Z technicznego punktu widzenia ich narządy słuchu nie są bardziej skomplikowane od naszego. Po prostu są wrażliwsze na dźwięki o częstotliwościach powyżej 20 kHz. Jednak przez wiele lat problemem dla badaczy stanowił mechanizm wytwarzania ultradźwięków przez zwierzęta. Problem dotyczył takich zwierząt jak nietoperze, czy delfiny, które używają tzw. echolokacji do orientowania się w otoczeniu. Obecnie wydaje się, że problem ten został rozwiązany i naukowcy już znają mechanizm wytwarzania ultradźwięków przez zwierzęta, jednak jak na razie wyniki tych badań pozostają tajemnicą wojskową.

Zastosowanie ultradźwięków

Głównie wykorzystuje się je w celach echolokacyjnych jak np. do poszukiwania ławic ryb, pomiaru głębokości, analizy dna morskiego. Wszystkie te zadania można wypełnić za pomocą urządzenia zwanego sonarem. Zazwyczaj sonar zaopatrzony jest w komputer, który przetwarza sygnał echolokacyjny na obraz na ekranie.

Ultradźwięki wykorzystywane są także przez inżynierów, którzy za ich pomocą sprawdzają czy elementy konstrukcji budynków, samolotów, czy innych urządzeń nie posiadają żadnych pęknięć, czy innego tego typu usterek. Stosuje się tutaj tzw. metodę defektroskopii ultradźwiękowej, która jest metodą badania ciał stałych za pomocą echa ultradźwiękowego.

Każdy zapewne słyszał o ultrasonografie. Jest to urządzenie wykorzystujące ultradźwięki do skanowania organizmu ludzkiego. Wykorzystuje się tutaj różnicę w sposobie odbijania się dźwięków od kości, mięśni, czy innych tkanek. Emitowane fale przez ultrasonograf po odbiciu od organów wewnętrznych są rejestrowane i następnie przetwarzane przez komputer, w wyniku czego powstaje obraz wnętrza ciała na ekranie.

Infradźwięki

Otóż są to dźwięki których częstotliwość jest poniżej progu słyszenia u człowieka. Zakres częstotliwości infradźwięków przyjmuje się jako od 0,1 do 20 Hz. Występują one naturalnie w przyrodzie i najczęściej łączą się z dźwiękami normalnie słyszalnymi o niskich częstotliwościach. Jednak w obecnych czasach coraz częściej otaczają nas urządzenia, które także emitują infradźwięki. Tymie urządzeniami są głównie środki transportu, jednak ich ogromna liczba występuje także w zakładach przemysłowych. Infradźwięki mogą w znaczący sposób wpływać na zdrowie i samopoczucie człowieka. Infradźwięki głównie powodują powstawanie drgań rezonansowych ludzkich organów takich jak płuca, przepona brzuszna i innych. W przypadku chwilowego działania infradźwięków na organizm człowieka, mogą u niego wystąpić zaburzenia w oddychaniu, a przypadku długotrwałego działania mogą powstać problemy z trawieniem. Działanie infradźwięków powoduje podobne skutki uboczne jak działanie alkoholu, czyli powstanie zaburzeń równowagi, utrudniają skupienie się, czy powodują zmniejszenie się refleksu. Rodzaj oddziaływania infradźwięków można podzielić ze względu na ich natężenie:

- do 120 dB - krótkie działanie tego rodzaju infradźwięków nie jest dla człowieka szkodliwe, natomiast długotrwałe ich oddziaływanie nie zostało jeszcze dostatecznie dobrze zbadane.

- od 120 do 140 dB - ich działanie może powodować powstanie uczucia zmęczenia, a także w niewielkim stopniu zaburzyć działanie pewnych procesów fizjologicznych

- do 140 do 170 dB - w przypadku tego rodzaju infradźwięków, nawet krótkie ich działanie (ok. 2 minuty) może doprowadzić do zaburzenia równowagi i wywołać wymioty, długotrwałe ich działanie może być jeszcze bardziej niebezpieczne i może doprowadzić do trwałego uszkodzenia pewnych organów

- od 170 dB - takie infradźwięki były testowane na zwierzętach, u których spowodowały one śmierć w wyniku przekrwawienia płuc. Ludzi takim testom nie poddawano.

Jak już wspomniano infradźwięki występują w przyrodzie, emitowane z naturalnych źródeł. Źródłami tymi jest falowanie wody, czy ruch mas powietrza. Nie stanowią one jednak zagrożenia dla człowieka. Niebezpieczne są jednak dla niego infradźwięki emitowane przez sztuczne źródła, a szczególnie niebezpieczne są różnego rodzaju fale dźwiękowe uderzeniowe, które powstaję np. w przypadku wybuchu jądrowego, lub przekroczenia bariery dźwięku przez samolot ponaddźwiękowy. Wówczas to powstaje fala o bardzo dużej amplitudzie, a unoszona przez nią energią głównie zależy od wielkości samolotu. Oprócz samolotów źródłem infradźwięków są także statki i łodzie motorowe wyposażone w silniki Diesla. Infradźwięki o mniejszym natężeniu emitowane są przez pociągi, samochody, a także przez telefony komórkowe. Głównym przemysłowym źródłem infradźwięków jest szybki przepływ gazu, w przypadku którego infradźwięki mogą osiągać natężenie 120 dB.

Hałas

Hałas jest zjawiskiem, które w ogólności przeszkadza wszystkim ludziom. Szczególne zagrożenie dla człowieka stanowi hałas w jego miejscu pracy. Według badań przeprowadzonych przez Instytut Medycyny Pracy wynika, że aż 600 000 pracowników przebywa w takich warunkach, w których hałas stanowi zagrożenie dla ich narządu słuchu. Każdego roku w wyniku pracy w takich warunkach 3000 osób doznaje zawodowego uszkodzenia słuchu. W związku ze szkodliwością hałasu określono normy czasu przebywania w miejscu o danym natężeniu dźwięku. Poniżej przedstawiono normy które obowiązują w USA od 1990 roku:

Hałas [dB]	Maksymalny czas przebywania [godz]
85	8
90	4
95	2
100	1
105	0,5 [30 min]
110	0,25 [15 min]
115	0,125 [7,5 min]

Oprócz tego rodzajów norm, które przedstawiają dopuszczalne czasy przebywania w danym hałasie, to istnieją także normy określające maksymalną wartość natężenia dźwięku, który może przenikać do pomieszczeń mieszkalnych, lub innych budynkach użytkowanych przez ludzi i zwierzęta. Oprócz tego, że w otoczeniu występuje hałas który doskonale słyszymy, to istnieje także hałas, na który składają się dźwięki o częstotliwościach, których nasze ucho nie słyszy. Oprócz dźwięków, które normalnie słyszy nasze ucho występują jeszcze tzw. infradźwięki, które obejmują częstotliwości poniżej 20 Hz, oraz ultradźwięki o częstotliwościach powyżej 20 kHz. Hałas infradźwiękowy występuje zazwyczaj w otoczeniu urządzeń przemysłowych, urządzeń przepływowych, takich jak sprężarki, młoty pneumatyczne, dmuchawy, czy silniki wysokoprężne. Oprócz takich urządzeń infradźwięki mogą być jeszcze emitowane przez zapory wodne, systemy kanalizacyjne, a także wszelkiego rodzaju środki transportu lądowego, lotniczego i wodnego. W związku z tym, iż częstotliwości infradźwięków są małe długości tych fal mogą osiągać znaczne wartości - powyżej 17 metrów. Do tego mogą się rozchodzić w powietrzu na znaczne odległości, przez co stanowią zagrożenie także dla osób nie znajdujących się bezpośrednio w sąsiedztwie urządzeń je emitujących. Co do natężenia dźwięku takiego rodzaju hałasu to w okolicach źródła może on dochodzić do 135 dB, a takie natężenie może już powodować niebezpieczne zjawisko rezonansu narządów znajdujących się wewnątrz naszego organizmu, powodując zaburzenia w pracy komórek, tkanek, a nawet całych narządów. Przy natężeniach powyżej 160 dB może już dojść do mechanicznych uszkodzeń narządów wewnętrznych.

Jeśli chodzi o hałas na który składają się ultradźwięki, to jest on emitowany głównie przez takie urządzenia jak lutownice ultradźwiękowe, sprężarki, zgrzewarki, maszyny włókiennicze a także inne. Przy wysokich natężeniach hałas ultradźwiękowy także może stanowić zagrożenie dla zdrowia człowieka. Jednak ultradźwięki mogą być także wykorzystywane w pożyteczny sposób. Stosuje się je między innymi w diagnostyce medycznej, w defektoskopii, a także w przemyśle spożywczym.

Budowa ucha ludzkiego. Jak słyszymy?

Słuch jest zmysłem pozwalającym na porozumiewaniu się. Oprócz mechanizmu słyszenia konieczne jest także generowanie mowy. Proces ten odbywa się w organie mowy. Na organ ten składają się płuca, tchawica, krtań, gardło, nos, jama nosowa, zęby i usta. Te elementy, które położone są powyżej krtani noszą wspólną nazwę kanału głosowego. Dzięki zmianie kształtu przekroju poprzecznego tego kanału możliwa jest artykulacja różnych głosek. Uczestniczą w tym : język , wargi oraz szczęki. Głównym elementem krtani są tzw. więzadła głosowe. Obszar pomiędzy nimi nosi nazwę głośni. Więzadła głosowe mogą zamykać się i otwierać. Przy takich ruchach dochodzi do zmiany rozmiarów głośni. W ten sposób jest regulowany przepływ powietrza z płuc. Aby doszło do wygenerowania dźwięku powietrze podczas wydechu musi przejść przez więzadła głosowe. Dzięki temu, że elementy te szybko się poruszają zamykając i otwierając dostęp do głośni zostaje wytworzony dźwięk, który nosi nazwę tonu krtaniowego. Tony krtaniowe należą do dźwięków okresowych o małych częstotliwościach podstawowych. W skład ich wchodzą harmoniczne z dużego zakresu częstotliwości.

Wartość częstotliwości podstawowej tonu krtaniowego zależy od płci i zawiera się w przedziale 100 - 140 Hz (głos męski) i 200 - 250 Hz (głos damski).

Kanał głosowy pełni funkcję układu rezonatorów, mających określone wartości częstości rezonansowych. Dzięki temu w widmie tonu krtaniowego , po przejściu przez kanał wyróżnia się charakterystyczne minima i maksima.

Maksima w widmie zostały nazwane formantami. Ten formant, który ma najmniejszą częstotliwość nosi nazwę formantu pierwszego, kolejny drugiego itp. Wartość częstotliwości środkowej dla każdego z formantów jest uzależniona od kształtu kanału głosowego. Natomiast lokalne minima noszą nazwę antyformantów.

Tony krtaniowe nie są jedynymi dźwiękami jakie mogą powstawać w organie mowy człowieka. Wszystkie generowane tam dźwięki w zależności od tego w jaki sposób są wytwarzane można podzielić na kilka grup. Są to:

- aspiraty - czyli tzw. szumy krtaniowe

- dźwięczne bezszumowe

- dźwięczne szumowe

- szumowe

- udarowe

Analizy dźwięków mowy dokonuje się na podstawie spektrogramu. Spektrogram jest trójwymiarowym wykresem, na którym wyraźnie widać ile energii przypada dla danej częstotliwości w funkcji czasu.

W celu wyznaczenia takiego wykresu należy dokonać podziału sygnału mowy na krótkie odcinki czasowe. Następnie dla każdego takiego odcinka należy obliczyć widmo chwilowe. Na osi odciętych zaznaczony jest czas natomiast na osi rzędnych częstotliwość. Na taki układ nanosi się natężenie dźwięku stosując różne stopnie zaczernienia lub tez używając kolorów.

Jednym z nośników informacji w sygnale mowy są głoski. Ale informacje można także przekazywać dzięki odpowiedniemu akcentowi lub też poprzez intonację. Intonacja polega na zmianach wysokości sygnału mowy.

Dźwięk dociera do naszego ucha . Co się z nim dzieje dalej zanim zostanie odebrany w mózgu? Mianowicie musi on przebyć dystans ucho zewnętrzne od kory mózgowej. Droga przebiega przez ucho środkowe, ucho wewnętrzne i nerw słuchowy. Czasem wszystkie elementy drogi słuchowej za wyjątkiem ośrodka w mózgu nazywa się peryferyjnym układem słuchowym.

Ucho zewnętrzne zbudowane jest z małżowiny usznej oraz przewód słuchowy zewnętrzny. Na końcu kanału słuchowego znajduje się błona bębenkowa. Wzmacnianie dźwięków rozpoczyna się już na etapie małżowiny usznej. Dzięki niej wzmacniane są dźwięki o częstotliwości z przedziału od 4 do 7 kHz. Wartość wzmocnienia to około 5-7 dB. Kolejnym miejscem gdzie dochodzi do procesu wzmocnienia jest komora rezonansowa utworzona przez ucho zewnętrzne i błonę bębenkową. Tam wzmacniane o 10 dB są dźwięki o częstotliwości 2-4 kHz.

Na całkowite wzmocnienie dźwięków w uchu zewnętrznym ma wpływ także kształt głowy. Tak więc wartość tego wzmocnienia może w konsekwencji wynosić 15 - 20 dB dla dźwięków o częstotliwości z przedziału od 2-5 kHz.

Ucho zewnętrzne jest także odpowiedzialne za lokalizację źródeł dźwięku. Dzięki niemu właśnie wiemy z której strony dochodzi do nas dźwięk.

Za błoną bębenkową znajduje się ucho środkowe. Tam , na obszarze jamy bębenkowej zlokalizowane są kosteczki słuchowe. Są to : młoteczek, kowadełko i strzemiączko. Ponieważ młoteczek połączony jest z błoną bębenkową dlatego gdy zostanie ona wprawiona w drgania pod wpływem fali akustycznej drgania są przekazywane na młoteczek. Młoteczek natomiast przekazuje je na pozostałe kosteczki słuchowe. Ostatnia kosteczka słuchowa czyli strzemiączko zamyka tzw. okienko owalne. Podstawa strzemiączka wykazuje trzy rodzaje ruchów: tłokowy, wahadłowy i obrotowy.

Dzięki uchu środkowemu dochodzi zatem do przetworzenia drgań fali akustycznych rozchodzących się w powietrzu na drgania kosteczek słuchowych. Dzięki drganiom docierającym do podstawy strzemiączka może dojść do pobudzenia cieczy wypełniających ślimak. Jest to tzw. dopasowanie impedancji. Dochodzi do zwiększenia wartości ciśnienia akustycznego , które jest wywierane na ciecz ślimaka przez podstawę strzemiączka w stosunku do ciśnienia jakie jest wywierane na błonę bębenkową. Gdyby nie dochodziło do dopasowania impedancji wówczas tylko niespełna 1 procent energii akustycznej mógłby być przenoszony na ciecze ślimaka. Proces dopasowania impedancji jest najbardziej efektywny dla częstotliwości z przedziału od 1 do 4 kHz.

Kosteczki słuchowe w uchu środkowym maja jeszcze jedną funkcje. Mianowicie stanowią barierę zabezpieczającą ucho przed dźwiękami, które mają zbyt duże natężenie i małą częstotliwość. Do osłabienia przekazywanego dźwięku może dojść dzięki mięśniom: naprężaczowi błony bębenkowej oraz mięśniowi strzemiączkowemu. W wyniku usztywnienia tych dwóch mięsni pod wpływem dźwięku o dużym natężeniu następuje ograniczenie w przekazywaniu takiego dźwięku . Ma bowiem miejsce obniżenie wartości amplitudy drgań. Proces ten nosi nazwę odruchu strzemiączkowego.

Jama bębenkowa jest połączona z gardłem za pomocą trąbki Eustachiusza. Dzięki istnieniu tego elementu możliwe jest utrzymanie wewnątrz jamy bębenkowej takiego samego ciśnienia jakie panuje w środowisku zewnętrznym. Jeśli dojdzie do niedrożności trąbki Eustachiusza wówczas maja miejsce zaburzenia słuchu. Natomiast przy całkowitym jej otwarciu własny głos jest słyszany jako wyjątkowo głośny.

Jeśli dochodzi do nieprawidłowości w pracy ucha elementów ucha zewnętrznego lub też środkowego wówczas skutkiem ich są tzw. przewodzeniowe ubytki słuchu. W przypadku takiego zaburzenia dochodzi do tłumienia przekazywanego sygnału.

Podstawowym elementem składowym ucha wewnętrznego jest ślimak. Ma on postać rurki o kształcie skorupy ślimaka, stąd jego nazwa. Początkowy element ślimaka to wspomniane wcześniej okienko owalne. Ślimak podzielony jest przez dwie błony : podstawną i przedsionkową na trzy komory. Są to : schody bębenka, schody przedsionka i przewód ślimakowy. Komory wypełnione są cieczami. W schodach bębenka i schodach przedsionka znajduje się perylimfa, natomiast w przewodzie ślimakowym obecna jest endolimfa. Na końcu ślimaka w miejscu zwanym szparą osklepka dochodzi do połączenia się schodów bębenka i schodów przedsionka.

Do okienka owalnego przylega ostatnia kosteczka słuchowa czyli strzemiączko. W momencie gdy dochodzi do

przekazywania drgań i strzemiączko wychyla się w kierunku ślimaka wówczas dochodzi do lokalnego wzrostu gęstości płynu w ślimaku. Następnie to lokalne zagęszczenie zaczyna się przemieszczać w kierunku szpary osklepka. Następnie schodami bębenka dociera do okienka okrągłego. Okienko to zlokalizowane jest poniżej okienka owalnego. To zaburzenie gęstości w płynie ślimaka generuje powstawanie fali biegnącej w błonie podstawnej ślimaka. Fala ta powoduje tworzenie się odkształceń błony. Odkształcenia te podążają za zaburzeniami gęstości. Okazuje się , że amplituda odkształceń na danym fragmencie błony podstawnej jest uzależniona od natężenia dźwięku. Natomiast to , w której części błony powstaną największe odchylenia zależy od częstotliwości wpadającego do ucha dźwięku.

Długość błony podstawnej wynosi około 33- 35 mm. Okazuje się, że własności tej błony na całej jej długości nie są takie same. Na początku (idąc od okienka owalnego) błona ta ma małą szerokość i charakteryzuje się dużą sztywnością. W miarę posuwania się dalej wzdłuż ścian ślimaka sztywność maleje a błona zdecydowanie się poszerza. Stąd właśnie wynika zależność miejsca wychylenia od częstotliwości. Dźwięki, które charakteryzują się dużą częstotliwością będą chętnie wzbudzały obszary zlokalizowane w pobliżu okienka owalnego. Natomiast w okolicach szpary osklepka położona jest ta część błony podstawnej, która jest wzbudzana przez dźwięki o małych wartościach częstotliwości. Ślimak wiec w pewnym sensie dokonuje analizy dźwięku pod względem częstotliwości. Dźwięki , które wpadają do ucha rzadko stanowią pojedyncze tony. Raczej składają się z tonów o różnych częstotliwościach. Ucho potrafi odseparować te tony. Zjawisko to nosi nazwę selektywności częstotliwościowej. Jednak nie jest to proces doskonały. Jeśli różnice w częstotliwości między tonami są małe wówczas oba tony słyszane są jako jeden dźwięk. Dla błony podstawnej wyznacza się tzw. krzywe strojenia. Krzywą taką konstruuje się dla pojedynczego punktu błony na podstawie jego reakcji na tony o różnych częstotliwościach. Natężenie tych tonów jest tak dobrane, aby amplituda wychylenia miała zawsze taką samą wartość. Tak więc krzywe strojenia odzwierciedlają zdolność błony do separacji dźwięków pod względem częstotliwości.

W uchu wewnętrznym istnieje jeszcze mechanizm zwany wzmacniaczem ślimakowym. Chodzi o to, że w ślimaku dochodzi do wzmacniania drgań , które maja najmniejsze amplitudy.

Wzdłuż błony podstawnej ślimaka zlokalizowany jest bardzo ważny element jeśli chodzi o proces słyszenia. Jest to organ Cortiego. W jego skład wchodzą komórki rzęskowe zewnętrzne i wewnętrzne. Położone są one po obu stronach tunelu Cortiego. Nad organem znajduje się błona pokrywkowa. Liczba wewnętrznych komórek rzęskowych wynosi około 3500. każda komórka rzęskowa kontaktuje się z 20 neuronami, które wchodzą w skład drogi słuchowej. W momencie gdy przez błonę podstawną przechodzi odkształcenie wówczas dochodzi do cyklicznego zbliżania się organu Cortiego i błony pokrywkowej. Rzęski w tym procesie zaczynają wychylać się w dwie strony. W tym samym czasie dochodzi do zamykania się i otwierania kanałów jonowych . Dzięki nim z endolimfy ślimaka do wnętrza rzęsek napływają jony potasu. W ten sposób zostają wywołane chwilowe zmiany potencjału. Na zmiany te reagują zakończenia komórek nerwowych, które powstałe pobudzenie przekazują dalej do wyższych pięter układu słuchowego.

Liczba zewnętrznych komórek rzęskowych wynosi około 25000. Komórki te kontaktują się z neuronami , które uczestniczą w przewodzeniu sygnałów z mózgu. Pod wpływem zmiany potencjału następuje kurczenie się tych komórek. I tak w czasie przemieszczania się wychylenia błony podstawnej następuje otwieranie kanałów jonowych. W związku z tym do wnętrza komórki rzęskowej zewnętrznej przedostają się jony dodatnie z endolimfy. Proces ten prowadzi do wzrostu potencjału komórki i równoczesnego jej skrócenia. Tam gdzie amplituda wychylenia błony podstawnej jest największa tam komórki są najbardziej skrócone.

Skrócenie komórek rzęskowych zewnętrznych powoduje , że błona pokrywkowa i komórki rzęskowe wewnętrzne mogą się do siebie maksymalnie zbliżyć co jest związane z większym stopniem ich pobudzenia.

Dzięki własności kurczliwości zewnętrznych komórek rzęskowych możliwy jest odbiór najcichszych dźwięków. Gdy zatracą one swoją funkcję wówczas dochodzi do upośledzenia wzmacniania ślimakowego. Jest to tzw. odbiorcze uszkodzenie słuchu. Znacznie podwyższony jest próg słyszalności tak że dźwięki o zbyt małych natężeniach nie są słyszane.

Odbierany dźwięk jest przekazywany w postaci impulsu z wewnętrznych komórek rzęskowych do neuronów. W zależności od częstotliwości dźwięku pobudzeniu ulega określona grupa neuronów kontaktujących się z komórkami rzęskowymi wewnętrznymi w określonym obszarze błony podstawnej. Natomiast informacje o tym jakie jest natężenie odbieranego dźwięku niesie częstotliwość impulsów neuronowych czyli ilość impulsów przypadających na sekundę.

Najmniejszy poziom natężenia dźwięku , który jest w stanie wywołać wrażenie słyszenia nosi nazwę progu słyszalności. Dźwięki słyszalne mieszczą się w zakresie częstotliwości od 16 Hz do 20 kHz. Czułość ucha ludzkiego nie jest jednakowa dla wszystkich dźwięków lecz zmienia się wraz z częstotliwością. Największą czułość ucho wykazuje na dźwięki z zakresu 0.5 - 5 kHz.

Podczas określania progów słyszalności pacjentów krzywe odniesienia stanowią wyniki uzyskane dla młodych , zdrowych ludzi , nie mających problemów ze słuchem.

Do subiektywnych cech dźwięku należy głośność. Do porównywania głośności dźwięków o różnej częstotliwości służą krzywe zwane krzywymi jednakowej głośności. Tworzy się je w ten sposób, że głośność analizowanego dźwięku zrównuje się z głośnością tonu, którego częstotliwość wynosi 1 kHz. Wyznacza się w ten sposób poziom głośności dźwięku.

Tak więc poziom głośności danego dźwięku jest taki jaki jest poziom ciśnienia akustycznego dźwięku o częstotliwości 1 kHz , który ma taką sama głośność jak badany dźwięk. Poziom głośności dźwięku wyraża się w fonach.

Obiektywną czyli mierzalną cechą dźwięku odpowiedzialną za jego głośność jest natężenie dźwięku. Aby wyznaczyć zależności między tymi dwiema wielkościami tworzy się skale głośności dźwięku.

Ucho ludzie charakteryzuje się zdolnością do rozróżniania natężenia sygnału dźwiękowego. Jest ona wyrażona poprzez próg różnicowy natężenia. Ucho jest w stanie uchwycić zmiany poziomu ciśnienia akustycznego rzędu 0.5 - 2 dB.

Ucho ludzkie dokonuje także rozróżnienia dźwięków o różnych częstotliwościach pod warunkiem oczywiście , że różnica miedzy nimi nie jest zbyt mała. Tak więc jeśli słuchać usłyszy dźwięk złożony z dwóch tonów to zostanie on zarejestrowany jako dwa oddzielne tony o różnych częstotliwościach. Jeśli jednak różnica częstotliwości miedzy nimi będzie zbyt mała np. rzędu 20 - 30 Hz wówczas zostanie odebrany dźwięk pośredni między tymi dwoma tonami.

Jak już wcześniej zostało wspomniane zdolność rozdzielania częstotliwościowego dźwięków jest związana z własnościami błony podstawnej.

Kolejną subiektywną cechą dźwięku jest jego barwa. Barwa dźwięku zasadniczo uzależniona jest od kilku cech fizycznych tego dźwięku. Zależy przede wszystkim od widma dźwięku czyli rozkładu energii w dziedzinie częstotliwości. Duże znaczenie ma także charakter dźwięku oraz metoda jego prezentacji.

Trzecią subiektywną cechą dźwięku jest wysokość dźwięku. Jest ona uzależniona od częstotliwości fali dźwiękowej. Tak więc danemu dźwiękowi można przyporządkować częstotliwość na podstawie subiektywnego stwierdzenia , że oba dźwięki czyli analizowany i ten o znanej częstotliwości miały taką samą wysokość.

Jednostką wysokości dźwięku jest wielkość zwana melem. Jednak jednostkę tą stosuje się tylko do wyrażania wysokości tonalnej.

Istnieją dwie teorie dotyczące percepcji wysokości dźwięku. Są to : teoria miejsca i teoria czasu. Według teorii miejsca wysokość dźwięku jest powiązana z różną aktywnością poszczególnych odcinków błony podstawnej oraz neuronów słuchowych.

Teoria czasu natomiast sugeruje, że wysokość dźwięku wiąże się z tym jak wygląda czasowy przebieg impulsów neuronowych , które zostały przez ten dźwięk wywołane.

Wady słuchu i sposoby ich korygowania

Szacuje się, że u prawie 10 % populacji ludzkiej występują jakieś zaburzenia słuchu. Początkowo są to zmiany niewielkie często zupełnie niezauważalne. Jednak stopniowo przechodzą w coraz poważniejsze upośledzenie. Do uszkodzenia słuchu może dojść na skutek stanu zapalnego w obrębie ucha środkowego, długotrwałego narażenia na hałas, stosowania niektórych leków czy też urazów mechanicznych. Oprócz tego często bardzo ważnym czynnikiem są uwarunkowania genetyczne oraz rozmaite choroby, głównie o podłożu nowotworowym.

Dane podają, że około 10 % przypadków uszkodzenia słuchu może być leczonych farmakologicznie. W przypadku pozostałych uszkodzeń komfort życia pacjentów mogą poprawiać aparaty słuchowe.

O tym czy aparat słuchowy jest konieczny czy nie decyduje procent ubytku słuchu. Jeśli doszło do wystąpienia głuchoty całkowitej w niektórych przypadkach możliwe jest zastosowanie implantu.

Można wyróżnić trzy typy niedosłuchu. Podstawą klasyfikacji jest miejsce uszkodzenia narządu słuchu. I tak wyróżnia się:

- niedosłuch typu przewodzeniowego - może do niego dojść na skutek urazu, zatkania kanału zewnętrznego , stanem zapalnym w obrębie ucha , uszkodzeniem kosteczek słuchowych czy też błony bębenkowej.

- niedosłuch typu odbiorczego - dochodzi do niego wskutek uszkodzenia ucha wewnętrznego, do takiego uszkodzenia może dojść bądź w wyniku starzenia się organizmu bądź też w wyniku chorób prowadzących do degeneracji nerwów, które przewodzą impulsy z ucha do ośrodka w mózgu.

- niedosłuch typu mieszanego - składają się na niego elementy obu wyżej wymienionych niedosłuchów.

Przeprowadzając badanie narządu słuchu należy skupić się na trzech celach. Należy zlokalizować miejsce gdzie doszło do uszkodzenia w obrębie narządu słuchu jako potencjalną przyczynę uszkodzenia słuchu. Jeśli do uszkodzenia nie doszło konieczne jest ustalenie przyczyny ubytku słuchu. No i przede wszystkim należy określić procent ubytku słuchu.

Medycyna dysponuje różnymi metodami badania słuchu w zależności od pacjenta i od wyposażenia placówki diagnostycznej. I tak wyróżnia się:

- próby stroikowe, badania mową - służą one do wstępnej oceny stopnia i rodzaju niedosłuchu.

- obserwacja zachowań pacjenta - słuch można ocenić także po sposobie mówienia pacjenta. Na podstawie sposobu wypowiadanych słów można wskazać prawdopodobne miejsca uszkodzenia narządu słuchu. I tak np. jeśli słowa są dokładnie i powoli wypowiadane sugeruje to, że uszkodzenie jest zlokalizowane w obrębie ucha środkowego.

Wyżej wymienione metody pozwalają tylko na wstępną ocenę ubytku słuchu. Dokładniejszą metoda jest audiometria progowa tonalna. Metoda ta opiera się na wykorzystaniu dźwięków , które leżą na granicy dźwięków słyszalnych. Dzięki temu można określić ilościowy ubytek słuchu.

W metodzie tej istotne są dwa parametry, częstotliwość i natężenie dźwięku. Są to dwie obiektywne cechy dźwięku. Są one odpowiedzialne za cechy subiektywne takie jak odpowiednio wysokość i głośność dźwięku. Tak więc w pomiarach audiometrycznych dokonuje się pomiaru cech obiektywnych dźwięku ale na podstawie reakcji pacjenta czyli cech subiektywnego odbioru danego dźwięku. Za pomocą metody audiometrycznej można oceniać ubytek słuchu zarówno na drodze powietrznej jak i kostnej.

Przewodnictwo powietrzne badane jest w ten sposób, że sygnał z aparatury audiometrycznej z przedziału częstotliwości 125Hz - 8 kHz dzięki słuchawkom dostaje się do kanału usznego. Następnie pacjent reguluje poziom odtwarzania dźwięku .

Natomiast badanie przewodnictwa kostnego polega na wzbudzeniu drgań mechanicznych , które są przekazywane w sposób bezpośredni do kości czaszki. Rezultatem tych badań jest wykres zwany audiogramem.

Do metod badania słuchu należy także audiometria nadprogowa. Dzięki niej można wykryć rozmaite stany patologiczne , które nie ujawniają się podczas badania nadprogowego oraz precyzyjnie zlokalizować miejsce uszkodzenia narządu słuchu.

Na drodze przewodnictwa powietrznego można zmierzyć tzw. próg niewygody. Lokalizuje się on na poziomie głośności wynoszącym 110 fonów. Na podstawie tego pomiaru można dużo powiedzieć na temat ubytku słuchu.

Ważna metodą jest także audiometria mowy. Koncentruje się ona na ocenie stopnia utraty rozumienia mowy ludzkiej oraz rozróżniania poszczególnych dźwięków mowy.

Jak już wyżej wspomniano wady słuchu mogą być korygowane za pomocą protez słuchowych. Modele protez są dobierane w zależności od rodzaju patologii narządu słuchu. Ale generalnym zadaniem wszelkiego typu aparatów jest poprawa słuchu pacjenta.

Pierwszą grupę protez stanowią implanty. Mają one postać miniaturowych elektrod, które umieszczane są w uchu wewnętrznym pacjenta. Kolejnym elementem implantu jest mikrofon, który odbiera sygnały akustyczne z zewnętrz. Sygnał odebrany przez mikrofon, przetworzony na sygnał elektryczny jest przekazywany do elektrod. Dzięki zmianom napięcia sygnałów wchodzących do elektrod generowane są prądy biologiczne. Maja one analogiczną postać jak te wytwarzane przez komórki nerwowe wchodzące w skład nerwów słuchowych. Istnieje jednak pewna różnica dotycząca liczby pobudzeń. Mianowicie liczba elektrod wprowadzonych do ucha jest niewielka w porównaniu z ilością komórek nerwowych wytwarzających pobudzenie. Jednak dzięki takiemu implantowi pacjent , który jest całkowicie głuchy dostaje możliwość rozróżniania głośności i wysokości dźwięków. Na takiej zasadzie działa implant ślimakowy.

Drugim rodzajem implantów są tzw. implanty pniowe. Jest to wynalazek ostatnich lat. Są one wszczepiane bezpośrednio do płata mózgowego, w którym ma miejsce odbiór dźwięków. Implantów takich używa się w przypadku pacjentów, u których doszło do uszkodzenia nerwu VIII.

Drugą grupa protez słuchowych zdecydowanie bardziej rozpowszechnionych są aparaty słuchowe. W skład każdego aparatu wchodzi mikrofon a także wzmacniacze: przedwzmacniacz mikrofonowy, wzmacniacz sterujący , wzmacniacz końcowy , oraz układy regulujące, słuchawki i zasilanie w postaci baterii. Oczywiście niezbędnym elementem jest także wkładka uszna.

Rodzinę aparatów słuchowych można podzielić na kilak rodzajów. Pierwszy stanowią aparaty kieszonkowe. Mają one małe rozmiary, są mniej więcej wielkości pudełeczka od zapałek. Dzięki sporej odległości między słuchawką a mikrofonem możliwe jest używanie wysokich poziomów dźwięku na wyjściu aparatu. W tym momencie dostępne są aparaty o wzmocnieniu rzędu 90 dB.

Drugim rodzajem aparatów słuchowych są aparaty noszone na głowie. Mogą to być zarówno aparaty zauszne jak i okularowe i wewnątrzuszne. Aparaty zauszne i okularowe osiągają maksymalne wzmocnienie rzędu 70 dB.

W aparatach wewnątrzusznych końcówka urządzenia może dochodzić do pierwszego załamka zewnętrznego kanału słuchowego albo też za drugi załamek lub też może znaleźć się w odległości ok. 3 mm od błony bębenkowej. W aparatach tych pomiędzy słuchawką i mikrofonem występuje mała odległość. Dlatego tez istnieje ryzyko występowania sprzężeń akustycznych.

Cały czas trwają prace nad unowocześnianiem aparatów słuchowych. Przede wszystkim dąży się do ich miniaturyzacji oraz do udoskonalania przetworników elektroakustycznych.

Na koniec krótkie podsumowanie dotyczące tego czym jest dźwięk.

Dźwięk jest falą mechaniczną, która u człowieka wywołuje wrażenia słuchowe. Zakres częstotliwości takich fal czyli liczba drgań w ciągu sekundy mieści się w przedziale od 16 Hz do 20000 Hz. Najlepiej słyszalne są te dźwięki o częstotliwości wynoszącej około 1000 Hz. Fale o częstotliwościach niższych niż 20 Hz to tzw. infradźwięki, a fale o częstotliwościach powyżej 20000 Hz to ultradźwięki.

Są to progi słyszalności tylko dla człowieka. Zwierzęta bowiem potrafią we wzajemnej komunikacji wykorzystywać zarówno infradźwięki (słonie) jaki i ultradźwięki (nietoperze).

Fala dźwiękowa może rozchodzić się w każdym ośrodku materialnym przy czym jej prędkość jest uzależniona od rodzaju ośrodka. Największą prędkość dźwięki osiągają w ciałach stałych, mniejszą w cieczach a najmniejszą w gazach. W powietrzu dźwięk rozchodzi się z prędkością 340 m/s.

Istnieją sytuacje, kiedy ciało porusza się z prędkością większą od prędkości dźwięku w danym ośrodku. W takim przypadku czoło fali przybiera kształt stożka, w którego wierzchołku znajduje się źródło. Przykładem jest fala uderzeniowa powstająca, gdy samolot lub pocisk porusza się w prędkością naddźwiękową.

W sytuacji gdy nałożeniu ulegają drgania o zbliżonych częstotliwościach i amplitudach następują okresowe zmiany amplitudy drgań złożonych i mówi się o tzw. zjawisku dudnienia.

Innym obserwowanym zjawiskiem jest efekt Dopplera. Polega on na pozornej zmianie częstotliwości fali, która jest wysyłana przez źródło. Dzieje się tak jeśli dojdzie do względnego ruchu obserwatora i źródła dźwięku. Gdy następuje zbliżanie się obserwatora lub źródła dźwięku wtedy słyszany jest dźwięk o pozornie wyższej częstotliwości drgań. Natomiast, gdy obserwator lub źródło oddalają się następuje pozorne obniżenie częstotliwości.

Dźwięk można charakteryzować z pomocą cech obiektywnych i subiektywnych. Do cech obiektywnych należy natężenie dźwięku. Jest ono równe stosunkowi mocy dźwięku przechodzącego przez powierzchnię do tej powierzchni. Progiem słyszalności określa się najniższy poziom natężenia dźwięku, który wywołuje jeszcze wrażenia słuchowe czyli jest słyszalny.

Natomiast do subiektywnych cech dźwięku należą:

- głośność - jest to cecha zależna od natężenia dźwięku oraz od czułości ucha ludzkiego na dźwięki o różnej częstotliwości

- barwa - na podstawie tej cechy ucho ludzkie może dokonać rozróżnienia między dwoma dźwiękami o tej samej głośności i wysokości

- wysokość dźwięku - jest ona funkcją częstości drgań

WZORY

Natężenie fali dźwiękowej

Ponieważ ucho zbiera tę energię tylko z obszaru jaki samo zajmuje, więc dla wrażenia głośności istotna jest energia padająca w jednostce czasu na jednostkę powierzchni (Co z tego, że dźwięk ma wielką energię, jeżeli wydziela się ona przez rok rozkładając się na obszar boiska sportowego?...).

Wielkość wyznaczana jako energia fali dźwiękowej dzielona przez czas i powierzchnię, przez którą ta energia przenika? nazywana jest natężeniem fali dźwiękowej:

I - natężenie dźwięku - jednostką jest "wat na metr kwadrat" [W/m²].
t - czas w sekundach [s]
S - pole powierzchni, na którą pada energia dźwiękowa wyrażone w "metrach kwadratowych" [m²].
P - moc fali dźwiękowej w watach [W]

Natężenie progu słyszalności

Minimalna wartość natężenia fali dźwiękowej, którą człowiek może jeszcze usłyszeć wynosi: 10^-12 W/m² (jedna bilionowa wata na metr kwadrat). Moc związana z tym natężeniem jest niezwykle mała, a fakt że w ogóle może być przez ucho rejestrowania świadczy bardzo dobrze o możliwościach naszych zmysłów.

Dźwięki o natężeniach poniżej progu słyszalności są zbyt ciche, aby mogły być usłyszane. Faktem jest jednak, że podana wartość natężenia progu słyszalności została wyznaczona w wyniku badań wielu ludzi i jest pewną średnią statystyczną. Dlatego może się zdarzyć, że wyjątkowo dobrze słyszący ludzie będą w stanie usłyszeć dźwięku o natężeniu mniejszym niż podana wyżej wartość 10^-12 W/m².

Natężenie progu bólu

Gdy natężenie fali dźwiękowej przekroczy wartość ok. 1 W/m², wtedy dźwięk staje się zbyt silny jak na możliwości ludzkiego ucha. Wtedy przestaje ono rozróżniać cechy tego dźwięku i reaguje bólem.

"Zwykłe", słyszalne dźwięki, mają natężenie zawarte gdzieś pomiędzy progiem słyszalności, a progiem bólu.

Poziom natężenia dźwięku – logarytmiczna miara natężenia dźwięku w stosunku do pewnej umownie przyjętej wartości odniesienia, wyrażana w decybelach. Wielkość ta wyznaczana jest ze wzoru:

gdzie:

• L – poziom natężenia dźwięku

• I – natężenie dźwięku

• I₀ – wartość odniesienia, wynosząca 10^–12 W/m²

Przykłady

Wartości tu podane należy traktować jako orientacyjne i przybliżone. Ponadto w otwartym obszarze natężenie głosu ze źródła punktowego spada z kwadratem odległości, dlatego podane wartości dotyczą poziomu natężenia niedaleko źródła głosu w standardowej (charakterystycznej odległości) albo bardzo małej z uwagi na bezpieczeństwo słuchacza.

• 10 dB – szelest liści przy łagodnym wietrze

• 20 dB – szept

• 30 dB – bardzo spokojna ulica bez ruchu

• 40 dB – szmery w domu, darcie papieru

• 50 dB – szum w biurach

• 60 dB – odkurzacz

• 70 dB – wnętrze głośnej restauracji

• 80 dB – głośna muzyka w pomieszczeniach, trąbienie

• 90 dB - ruch uliczny

• 100 dB – motocykl bez tłumika

• 120 dB – wirnik helikoptera w odległości 5 metrów

• 140 dB – start myśliwca

• 160 dB – eksplozja petardy

• 190 dB – start statku kosmicznego

• 220 dB – eksplozja bomby atomowej

• od 300 do 350 dB (huk był słyszalny z odległości 5000 kilometrów) – wybuch wulkanu Krakatau w Indonezji – prawdopodobnie najgłośniejszy w historii wyemitowany głos na świeci

Głośność – cecha wrażenia słuchowego, która umożliwia odróżnianie dźwięków cichszych i głośniejszych. Jest pojęciem psychoakustycznym i nie może być utożsamiana z parametrami fizycznymi, chociaż od nich zależy, np. od ciśnienia, struktury widmowej, czasu trwania. Wrażenie głośności określa się przez poziom głośności w fonach lub przez głośność w sonach^[1].

Poziom głośności – wielkość będąca porównawczą miarą głośności dźwięku w odniesieniu do głośności tonu wzorcowego, wyrażona w fonach.

Poziom głośności dowolnego dźwięku w fonach jest liczbowo równy poziomowi ciśnienia akustycznego tonu o częstotliwości 1 kHz, który brzmi jednakowo głośno jak ten dźwięk. Zmieniając częstotliwość badanych tonów można wyznaczyć krzywe jednakowego poziomu głośności czyli izofony^[1]. Dźwięki o tej samej liczbie fonów wywołują to samo wrażenie głośności, ale nie muszą być to dźwięki identyczne w sensie barwy.

Korzystając z poziomu głośności można ocenić, czy dany dźwięk jest cichszy czy głośniejszy od innego, ale nie można stwierdzić ile razy (fonów jako miary logarytmicznej nie można sumować arytmetycznie). Aby stwierdzić, ile razy głośniej dany dźwięk jest słyszany niż inny, należy skorzystać z subiektywnej skali głośności, wyrażonej w sonach^[1

Decybel

decybel   10 log10 ( X )	wartość X
...	...
30	1000
20	100
10	10
0	1
-10	0.1
-20	0.01
-30	0.001
...	...

Decybel, dB – logarytmiczna jednostka miary równa 1/10 bela.

Decybeli używamy w sytuacji, gdy chcemy porównywać wielkości zmieniające się liniowo w bardzo szerokim zakresie, a interesują nas zmiany względne (np. procentowe). Przykładem takiej sytuacji jest pomiar wielkości, których zmiany ludzkie zmysły rejestrują zgodnie z prawem Webera-Fechnera.

Jednostką podstawową jest bel [B], jednak przyjęło się używać jednostki pochodnej – 10 razy mniejszej czyli 1 dB = 0,1 B (stąd przedrostek decy).
Wartości wyrażane w decybelach odnoszą się do stosunku dwóch wielkości P do pewnej wielkości odniesienia P₀

gdzie:

P_dB – wielkość P w decybelach,

log₁₀ – logarytm dziesiętny,

P₀ – wielkość odniesienia.

Na przykład załóżmy, że chcemy pokazać na wykresie jak zmienia się pewna wielkość P:

P₀ = 1

P₁ = 10

P₂ = 100

P₃ = 1000

P₄ = 10000

Jeżeli nanieślibyśmy te wartości na skalę liniową, to punkty P₁, P₂ i P₃ byłyby zupełnie niewidoczne, przesłonione największa wartością P₄. Zmieńmy dane na decybele oznaczając otrzymane wielkości p

p₁ = 10 log (P₁/P₀) = 10 dB

i podobnie

p₂ = 20 dB

p₃ = 30 dB

p₄ = 40 dB.

Teraz na jednym wykresie możemy umieścić widoczne zmiany wszystkich wartości, podczas gdy na poprzednim wartości początkowe wydają się być zerowe.

Spis treści 1 Zastosowanie 2 Moc w skali logarytmicznej 2.1 Elektronika 2.2 Akustyka 3 Zobacz też

Zastosowanie

Moc w skali logarytmicznej

W decybelach często wyraża się moc

Jeżeli wielkością, którą chcemy wyrazić w decybelach, jest natężenie, energia lub moc związana z drganiami harmonicznymi (drgania mechaniczne, fala, prąd zmienny), wówczas zamiast mocą, można posłużyć się amplitudą A. Ponieważ moc jest w tym przypadku proporcjonalna do kwadratu amplitudy, wzór przybierze postać

Elektronika

W przypadku wielkości typu wzmocnienie napięciowe wykorzystuje się następującą definicję decybela:

Wzór ten wykorzystywany jest przy analizie charakterystyk amplitudowych filtrów elektronicznych oraz obiektów automatyki, w których np. o sytuacji, gdy 10-krotny wzrost częstotliwości powoduje 10-krotny wzrost napięcia, mówi się o wzroście 20 dB na dekadę. Dla stosunku napięć lub prądów będzie to 20 log (U₁/U₂).

Akustyka

Krzywe częstotliwościowych charakterystyk korekcyjnych A oraz C

Głośność dźwięku jest przede wszystkim związana z jego natężeniem, lub ciśnieniem akustycznym. Zgodnie z prawem Webera Fechnera postrzeganie głośności dźwięku związane jest ze względną zmianą bodźca. Zatem z pojęciem głośności związane jest pojęcie poziomu natężenia dźwięku, lub poziomu ciśnienia akustycznego:

dB(A) - jednostka natężenia dźwięku. Przy pomiarze wykorzystuje się częstotliwościową charakterystykę korekcyjną A, która optymalizuje pomiar ze względu na charakterystykę słuchu człowieka. W pomiarach akustycznych wykorzystywane są również częstotliwościowe charakterystyki korekcyjne C oraz Z (tzw. zerowa).

Rozchodzenie się fal akustycznych

Fale mechaniczne rozchodzą się w ośrodkach sprężystych, transportują energię, ale nie powodują ruchu postępowego masy. Fale głosowe są to mechaniczne fale podłużne. Fale te mogą rozchodzić się w cieczach, gazach i ciałach stałych. Rozchodzenie się fal akustycznych w cieczach i gazach polega na przekazywaniu drgań cząsteczek, z czym są związane zagęszczenia i rozrzedzenia ośrodka. Powstają obszary zwiększonego i zmniejszonego ciśnienia. Zmianom ciśnienia towarzyszy zmiana gęstości gazu. Prędkość rozchodzenia się fal akustycznych w gazach zależy od rodzaju gazu, jego temperatury i gęstości. I tak w temperaturze 273 K prędkość w wodorze wynosi 1284 m/s, a w powietrzu 331,6 m/s. Rozchodząca się fala akustyczna potrzebuje określonego czasu na przebycie określonej drogi. Jeżeli droga jest odpowiednio długa , wówczas możemy usłyszeć echo, czyli falę odbitą od przeszkody. W tym module symulacja echa następuje przez gwałtowne wytrącenie ośrodka z położenia równowagi (przesunięcie pierwszych kuleczek z lewej strony na prawą i ponowne ustawienie w położeniu równowagi ).

Oporność akustyczna, podatność akustyczna, wielkość charakteryzująca reakcję ośrodka płynnego (cieczy, gazu) na przemieszczającą się w nim falę akustyczną.

W najprostszym przypadku nieskończenie długiej rury o stałym polu przekroju S oporność akustyczna

Z=p/(vS)

gdzie: p - ciśnienie akustyczne, v - średnia prędkość cząstek wykonujących drgania pod wpływem fali akustycznej.

W ogólnym przypadku (gdy drgania cząstek nie są zgodne w fazie z drganiami fali akustycznej) oporność akustyczna jest wielkością zespoloną, jej składowa urojona nosi nazwę podatności akustycznej.

Efekt Dopplera – zjawisko obserwowane dla fal, polegające na powstawaniu różnicy częstotliwości wysyłanej przez źródło fali oraz zarejestrowanej przez obserwatora, który porusza się względem źródła fali. Dla fal rozprzestrzeniających się w ośrodku, takich jak na przykład fale dźwiękowe, efekt zależy od prędkości obserwatora oraz źródła względem ośrodka, w którym te fale się rozchodzą. W przypadku fal propagujących się bez udziału ośrodka materialnego, jak na przykład światło w próżni (w ogólności fale elektromagnetyczne), znaczenie ma jedynie różnica prędkości źródła oraz obserwatora.

Gdy źródło emituje falę cały czas z taką samą częstotliwością i nie porusza się, to odległość między kolejnymi grzbietami fali jest jednakowa we wszystkich kierunkach, natomiast kiedy źródło porusza się, to odległość między kolejnymi grzbietami jest zależna od kierunku rozchodzenia się fali. Z tego powodu nieruchomy obserwator może odbierać falę o innej częstotliwości niż nadawana, przy czym zmiana zależy od prędkości źródła oraz kąta między kierunkiem obserwacji, a kierunkiem ruchu źródła.

Zmiany częstotliwości wywołane efektem Dopplera są opisywane przez nieco inne zależności w przypadku fal mechanicznych (np. fal dźwiękowych), niż w przypadku fal elektromagnetycznych (np. światła, fal radiowych).

Efekt Dopplera dla fal mechanicznych

Rysunek 2: Wpływ ruchu źródła na powstającą falę
1 - fala gdy źródło nie porusza się
2 - fala gdy źródło porusza się
A - położenie źródła w momencie początkowym
B - obserwator

Gdy źródło fali wysyła kolejne drgania z taką samą częstotliwością i porusza się, odległość między kolejnymi grzbietami jest zależna od kierunku rozchodzenia się fali. Źródło przybliża się do zaburzeń, które wysłało, w kierunku zgodnym z kierunkiem ruchu źródła, a oddala się od fali przemieszczającej się w kierunku przeciwnym. Tak więc w kierunku ruchu źródła kolejne grzbiety falowe są emitowane w mniejszej odległości niż gdyby źródło spoczywało. Nieruchomy obserwator odbiera to jako zmianę częstotliwości fali, ale odległości między nimi zależą od położenia obserwatora względem kierunku ruchu źródła.

Podobnie jeśli obserwator zbliża się do źródła to wprawdzie odległości między grzbietami i ich prędkość propagacji są takie same w każdym kierunku, ale obserwator spotyka grzbiety fal częściej, co powoduje wrażenie większej częstości fal.

Jeżeli źródło lub obserwator poruszają się w innym kierunku niż prosta łącząca je, efekt wywołują składowe prędkości źródła i obserwatora równoległe do prostej łączącej źródło z obserwatorem.

Fala mechaniczna emitowana przez ruchome źródło

Poruszające się źródło pomiędzy wysłaniem dwóch kolejnych grzbietów fali, czyli w czasie równym jednemu okresowi fali T, przebywa drogę:

emitując kolejny grzbiet w miejscu przesuniętym względem miejsca emisji poprzedniego grzbietu o s i o tyle zmniejsza się długość fali dla obserwatora w kierunku, którego porusza się źródło.

Co prowadzi to do wzoru na częstotliwość fali odbieranej:

gdzie:

• s – droga,

• T – okres fali generowanej przez źródło,

• λ – długość fali odbieranej przez obserwatora,

• λ_z – długość fali generowanej przez nieruchome źródło,

• v – prędkość fali,

• f_o – częstotliwość fali odbieranej przez obserwatora,

• f_z – częstotliwość fali generowanej przez źródło,

• v_z – składowa prędkości źródła względem obserwatora, równoległa do kierunku łączącego te dwa punkty.

Efekt Dopplera zapisuje się określając prędkość ruchu w odniesieniu do prędkości fali w ośrodku, przyjmując oznaczenie:

Fala mechaniczna - przemieszczający się obserwator

W przypadku spoczywającego źródła odległości między kolejnymi grzbietami fali są niezależne od kierunku, ale zmienia się częstość ich spotykania przez poruszającego się obserwatora. Jeśli obserwator zbliża się do źródła, to względna prędkość obserwatora i fali jest równa v_wz = v + v_o, wobec tego czas między obserwacjami kolejnych frontów jest równy:

ostatecznie

W powyższych wzorach prędkość obserwatora ma wartość dodatnią, gdy obserwator porusza się ku źródłu. Przy przeciwnym zwrocie ruchu prędkość ta ma wartość ujemną.

Uogólnienie

Z połączenia powyższych wzorów wynika, wzór opisujący zjawisko gdy zarówno źródło jak i obserwator poruszają się:

Prędkości źródła i obserwatora są określane względem ośrodka. Górne znaki prędkości we wzorach oznaczają przypadek, gdy są one skierowane ku sobie, a dolne dotyczą sytuacji, w których mają odwrotne zwroty.

Przybliżenie obowiązuje, gdy prędkość źródła jest znacznie mniejsza od prędkości fali w ośrodku. Wynika z niego, że zmiana częstotliwości jest proporcjonalna do prędkości obserwatora względem źródła.

Ogólny wzór uwzględniający kierunki ruchu źródła i obserwatora:

Przy czym, wymienione kąty są zawarte między odcinkiem łączącym źródło z nadajnikiem, a wektorem prędkości źródła lub nadajnika.

Przesunięcie ku czerwieni linii spektralnych w zakresie światła widzialnego supergromady odległych galaktyk (po prawej) w porównaniu do Słońca (po lewej).

Efekt Dopplera dla światła