BIOFIZYCZNE PODSTAWY ZMYSŁU SŁUCHU

Ruch drgający:

Fala akustyczna to zaburzenie ciśnienia (gęstości), które propaguje się w ośrodku sprężystym. Dźwięk jest szczególną falą akustyczną, która propaguje się w powietrzu i wytwarza tzw. wrażenia słuchowe. Źródłem dźwięku może być każde drgające ciało lub przepływ powietrza przez przewężenie. Jeśli źródłem dźwięku jest drgające ciało to parametry dźwięku przez nie wytwarzanego są ściśle związane z parametrami drgań tego ciała. Dźwięki ulegają zasadzie superpozycji ( tj. wypadkowe zaburzenie w dowolnym punkcie obszaru, do którego docierają dwie fale tego samego rodzaju, jest sumą algebraiczną zaburzeń wywołanych w tym punkcie przez każdą falę z osobna. Obie fale opuszczają obszar superpozycji(czyli nakładania się) niezmienione). Cechy dźwięku mogą być:

-fizyczne (obiektywne),

- psychologiczne (subiektywne).

Fala dźwiękowa= fala głosowa - fala podłużna tzn. kierunek rozchodzenia się fali jest zgodny z kierunkiem drgań cząsteczek

• Fala dźwiękowa to przemieszczające się ciśnienia i zagęszczenia oraz rozrzedzenia przemieszczające się z prędkością c.

Dźwięki mogą się różnić wysokością, natężeniem i barwą.

• Wysokość dźwięku jest związana z częstotliwością drgań źródła; częstotliwościom małym odpowiadają dźwięki niskie i odwrotnie.

• Natężenie dźwięku mierzy się ilością energii przenoszonej w jednostce czasu przez jednostkę powierzchni ustawionej prostopadle do promienia fali. I = E/S [W/m2].

• Barwa dźwięku zależy od liczby składowych tonów harmonicznych i stosunków ich natężeń.

Drgania ciała polegają na tym, że przemieszcza się ono z ustalonego punktu w przestrzeni do innego punktu i następnie z powrotem do punktu, w którym ruch się rozpoczął. Ciało mające masę jest bezwładne tzn. aby wprawić je w ruch należy przyłożyć siłę. Zdolność ciała do powrotu do warunków początkowych po odkształceniu lub przesunięciu wywołanym przez tę siłę jest opisana sprężystością. W praktyce większość ciał ma masę i właściwości sprężyste, dlatego większość z nich można wprowadzić w drganie. Najprostsze drganie to drganie sinusoidalne tj. takie, w którym wychylenie ciała drgającego z położenia równowagi w dowolnej chwili czasu t można opisać za pomocą funkcji sinus.

Podstawy analizy sygnałów- analiza sygnału polega na przedstawieniu badanego sygnału za pomocą funkcji elementarnych tzn. rozłożenia go na składowe elementarne, jakimi są sinusoidy.

- celem analizy sygnału jest przedstawienie go za pomocą widma tj. wykresu ilustrującego zależność amplitudy sinusoid składających się na analizowany sygnał w zależności od ich częstotliwości.

- impuls tonu to kilka następujących po sobie okresów sinusoidy.

Propagacja dźwięku w przestrzeni:

- jeżeli drgające ciało np. membrana głośnika porusza się na zewnątrz, to cząsteczki powietrza w bezpośrednim jej sąsiedztwie zostają ściśnięte tworząc obszar, w którym gęstość jest większa, ruch membrany w pewnym momencie zostanie jednak przerwany i rozpoczyna się ruch drgający w druga stronę tj. membrana oddala się do wewnątrz głośnika po za swe położenie równowagi, efekt jest taki, że zmniejsza się chwilowa gęstość ośrodka w bezpośrednim sąsiedztwie membrany do wartości mniejszej niż gęstość normalna. Zmianom gęstości ośrodka wywołanym przez drgające ciało towarzyszą zmiany ciśnienia, które zmieniają ciśnienie normalne (statyczne) powietrza. Różnicę pomiędzy ciśnieniem chwilowym, a ciśnieniem statycznym nazywamy ciśnieniem akustycznym.

- ciśnienie jest ilorazem siły i powierzchni, na którą ta siła oddziałuje, a w przypadku ciśnienia wywieranego przez powietrze to iloraz siły parcia i powierzchni. Źródłem siły parcia jest chaotyczny ruch cząsteczek powietrza połączony z przekazywaniem pędu (cząsteczki się zderzają)

Natężenie dźwięku- (I) to miara fizyczna, która wyraża stosunek mocy P dźwięku przechodzącego przez powierzchnię jednostkową. Jednostką natężenia dźwięku jest [W/m²]. Dzięki natężeniu jesteśmy w stanie ocenić energię przenoszoną przez falę dźwiękową. Iloraz najmniejszego i największego natężenia, jakie może odebrać ucho nazywany jest zakresem dynamicznym ucha (10¹²). Zakres dynamiczny ucha jest bardzo duży.

Natężenie dźwięku jest odwrotnie proporcjonalne do kwadratu odległości od źródła.

Częstotliwość dźwięku- rozróżnienie przez ucho wysokości dźwięku:

- wyższa częstotliwość- wyższy dźwięk,

- niższa częstotliwość- niższy dźwięk.

Decybel- 1 bel = 10 decybeli, za pomocą decybeli mierzy się głośność, skala decybelowa jest skalą logarytmiczną tzn. dźwięk 2 dB jest 10 razy głośniejszy niż dźwięk 1 dB, zaś dźwięk 20 dB sto razy głośniejszy.

Fala kulista- źródło kuliste promieniuje dźwięk we wszystkich kierunkach jednakowo. Jej powierzchnia falowa tj. zbiór punktów przestrzeni o tej samej fazie jest sferą.

Impedancja akustyczna to wielkość charakteryzująca rozchodzenie się fal akustycznych w ośrodkach, zdefiniowana jest jako iloraz ciśnienia akustycznego do prędkości cząsteczek.

Ucho jako układ przekazujący informacje:

- dokonuje wstępnej analizy informacji,

- pośredniczy w przekazywaniu informacji zakodowanych w stanach fizycznych.

fala dźwiękowa przetwornik informacji

- fala może wykazywać ruch harmoniczny (drgania tłumione- w układzie występują siły hamujące ruch, ich amplituda zmienia się w czasie; drgania nie tłumione, drgania aperiodyczne- współczynnik tłumienia jest bardzo duży, większy od krytycznego, ciało nie oscyluje i wraca do położenia równowagi; drania wymuszone- na ciało o częstotliwości własnej działa siła wymuszająca o innej częstotliwości, amplituda tych drgań zależy od różnicy częstotliwości drgań własnych i drgań wymuszonych),

- ucho zewnętrzne, środkowe i wewnętrzne stanowią tzw. peryferyjny układ słuchowy,

- ucho zewnętrzne- wzmocnienie dźwięku,

- ucho środkowe- fala dźwiękowa wprawia w drganie błonę bębenkową wraz z młoteczkiem, drgania młoteczka przez kowadełko przekazywane są do strzemiączka. Ruch podstawy strzemiączka zamykającej okienko owalne jest złożone i rozłożone na ruch tłokowy, wahadłowy i obrotowy.

Zadaniem ucha środkowego jest transformowanie fali dźwiękowej rozchodzącej się w powietrzu na drgania podstawy strzemiączka mogące efektywnie pobudzić ciecze ślimaka. Dodatkowo kosteczki zabezpieczają ślimaka przed dźwiękami o zbyt wysokich natężeniach i małych częstotliwościach (odruch strzemiączkowy).

Aby ucho środkowe mogło poprawnie funkcjonować w jamie bębenkowej musi panować ciśnienie takie same jak na zewnątrz organizmu.

- ucho wewnętrzne- ślimak jako właściwy narząd słuchu.

Progi słyszalności- to tzw. próg absolutny/ detekcji sygnału, jest to najmniejszy poziom natężenia dźwięku, który wywołuje spostrzegalne wrażenie słuchowe. W przypadku człowieka 16/20 Hz- 20 kHz.

Wrażenia słuchowe:

• Tony - odpowiadają drganiom harmonicznym źródeł o jednej, ściśle określonej częstotliwości.

• Dźwięki - powstają wtedy, gdy źródło prócz fali podstawowej, o częstotliwości najmniejszej, wysyła fale harmoniczne o częstotliwościach będących całkowitymi wielokrotnościami częstotliwości fali podstawowej.

• Szmery są to wrażenia słuchowe powstające wtedy, gdy do ucha dochodzą fale o różnych, dowolnych częstotliwości.

• Tony proste występują niesłychanie rzadko. Dźwięk wydawany przez kamerton jest zbliżony do tonu prostego.

Skala subiektywnego natężenie dźwięku: subiektywne odczuwalne natężenie dźwięku (poziom natężenia) można ocenić na podstawie prawa Webera i Fechnera: zmiana intensywności subiektywnego wrażenia dźwiękowego wywołanego przez dwa dźwięki jest proporcjonalne do logarytmu stosunku natężeń porównywanych dźwięków.

Audiometria progowa:

- Audiometria progowa pozwala na ocenę stanu słuchu za pomocą dźwięków leżących na granicy słyszenia, najsłabszych jakie jeszcze percepuje ucho

- Audiometria pozwala na ilościowe określenie ubytków słuchu

- Podstawą badania audiometrycznego jest częstotliwość i natężenie dźwięku.

Rezonans- jest to układ o częstotliwości własnej, na ten układ działa siła zmienna z inną częstotliwością, układ wykonuje drgania wymuszone . Im większe jest tłumienie drgań układu tym bardziej płaska krzywa rezonansowa.

Poziom głośności- wielkość będąca porównawczą miarą głośności dźwięku w odniesieniu do głośności tonu wzorcowego, wyrażona w fonach. Poziom głośności dowolnego dźwięku wyrażony w fonach jest równy liczbowo poziomowi ciśnienia akustycznego tonu o częstotliwości 1kHz, który brzmi jednakowo głośno jak ten dźwięk. Jesteśmy w stanie stwierdzić czy dany dźwięk jest cichszy czy głośniejszy od innego, ale nie stwierdzimy ile razy.

Zjawisko maskowania- dochodzi do podwyższenia progu słyszalności.

3

Źródło dźwięku

ucho

Centralny układ nerwowy

---