Теория вопроса и метод выполнения работы. Цель работы: освоить метод определения порога слышимости с помощью аудиометра.
Лабораторная работа № 1
СНЯТИЕ СПЕКТРАЛЬНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ УХА НА ПОРОГЕ СЛЫШИМОСТИ
Цель работы: освоить метод определения порога слышимости с помощью аудиометра.
Оборудование: наушники, аудиометр.
Теория вопроса и метод выполнения работы
Звук представляет собой колебания с частотой от 16 Гц до 20 кГц, распространяющиеся в упругой среде. Источником звука может быть колеблющееся тело, частота колебаний которого лежит в диапазоне звуковых частот (камертон, звонок, струна и т. п.).
Звуки делятся на тоны, шумы и звуковые удары. Различают простые и сложные тоны. Простой тон – это звуковое колебание, происходящее по гармоническому закону. Основной его характеристикой является частота. Если тон представляет собой негармоническое колебание, то он называется сложным. Простой тон дает камертон, сложный – музыкальные инструменты или голосовой аппарат. Сложный тон можно разложить на простые, при этом тон наименьшей частоты называется основным, а остальные – обертонами. Набор частот с указанием их интенсивности называется акустическим спектром сложного тона. Спектр сложного тона – линейчатый (рис. 1).
Рис. 1. Линейчатый спектр сложного тона Рис. 2. Сплошной спектр шума
Шум – звук, отличающийся сложной временной зависимостью. Шум можно рассматривать как сочетание беспорядочно меняющихся сложных тонов. Спектр шума сплошной (рис. 2). Звуковой удар – это кратковременное звуковое воздействие: хлопок, взрыв и т. п.
Энергетической характеристикой звука является интенсивность. Нормальное человеческое ухо воспринимает очень широкий диапазон интенсивностей звука: так, например, на частоте 1 кГц от 10-12 Вт/м2 (порог слышимости) до 10 Вт/м2 (порог болевого ощущения).
Для оценки интенсивности звука применяют логарифмическую шкалу –
шкалу уровней интенсивности. Уровень интенсивности:
(Б) (1)
или
(дБ) (2)
где 
– интенсивность звука, 
– стандартная наименьшая интенсивность, принимаемая за начальный уровень шкалы ( =10-12 Вт/м2).
Уровень интенсивности выражают в белах (Б) или децибелах (дБ). За 1 Б принимают уровень интенсивности звука, интенсивность которого в 10 раз больше .
Субъективной физиологической характеристикой звука является громкость 
,которая характеризует уровень слухового ощущения. В основе измерения громкости лежит психофизический закон Вебера – Фехнера. Согласно этому закону, при увеличении раздражения в геометрической прогрессии ощущение этого раздражения возрастает в арифметической прогрессии. Из этого закона следует, что громкость звука пропорциональна логарифму отношения интенсивностей звуков:
(фон) (3)
где 
– некоторый коэффициент пропорциональности, зависящий от частоты и интенсивности.
Громкость выражают в фонах (фон). Принято считать, что на частоте 1 кГц шкалы громкости и уровня интенсивности совпадают.
В этом случае 
и 1 фон соответствует 1 дБ.
Громкость на других частотах измеряют сравнением исследуемой громкости звука с громкостью звука частотой 1 кГц.
Для нахождения соответствия между громкостью и интенсивностью звука на разных частотах используют кривые равной громкости (рис. 3).
Рис. 3. Кривые равной громкости
Их строят на основании средних данных, полученных у людей с нормальным слухом. Нижняя кривая соответствует интенсивностям 
звуков, соответствующих возникновению слухового ощущения в условиях тишины – порогу слышимости для каждой частоты. Для всех частот этой кривой Е = 0; для частоты 1 кГц интенсивность звука = = 10-12 Вт/м2. Верхняя кривая соответствует порогу болевого ощущения для каждой частоты – интенсивности, вызывающей в ухе ощущение боли. Пороги болевого ощущения мало зависят от частоты звука.
Метод измерения остроты слуха называют аудиометрией. При аудиометрии на приборе (аудиометре) определяют порог восприятия 
на разных частотах:
(дБ) (4)
где 
– пороговая интенсивность звука, которая приводит к возникновению слухового ощущения у испытуемого.
Полученная зависимость порога восприятия от частоты 
тона называется спектральной характеристикой уха на пороге слышимости или аудиограммой. При проведении аудиометрии отсчет порога восприятия ведется от нулевого уровня, который соответствует среднему порогу слышимости для молодых людей с нормальным слухом. Изменение порога восприятия по сравнению с нулевым уровнем указывает на отклонение слуха у испытуемого от среднестатистической нормы. Отклонения порога восприятия от нулевого уровня на ± 10 дБ считаются лежащими в пределах нормы.
В медицинской практике принято при построении аудиограмм ось 
направлять вниз (рис. 4), в этом случае отклонение кривых (● – левое ухо, × – правое ухо) от нулевого уровня наглядно характеризует снижение слуха у испытуемого. На рисунке 4 в качестве примера изображены аудиограммы человека, у которого наблюдается снижение слуха для правого уха на 40-60 дБ по сравнению с нормой, а левое ухо соответствует норме.
Рис. 4. Аудиограммы левого (верхняя кривая) и правого (нижняя кривая) уха
Приборы и оборудование
Аудиометр представляет собой звуковой генератор чистых тонов различной частоты и интенсивности. Структурная схема аудиометра приведена на рисунке 5.
Рис. 5. Структурная схема аудиометра
Основной частью прибора является генератор 2 электрических колебаний звуковой частоты, напряжение на который подается от сети через стабилизированный источник питания 1. Кнопки переключения частот 4 «УСТАНОВКА ЧАСТОТЫ» позволяют получить гармонические колебания различной частоты в звуковом диапазоне. Интенсивность изменяется регуляторами 3 «ИНТЕНСИВНОСТЬ ГРУБО» и «ИНТЕНСИВНОСТЬ ПЛАВНО». В наушниках 6 происходит преобразование электрических колебаний в звуковые сигналы. Кнопки-переключатели «КАНАЛЫ» наушников 5 позволяют подавать сигнал раздельно на правый и левый наушники.
Важным приспособлением является аттенюатор – специальный делитель напряжения, ослабляющий выходное напряжение при каждом новом положении ручек. Наличие двух аттенюаторов с плавной и грубой регулировкой позволяет с достаточной степенью точности ослаблять сигнал в широких пределах.
Пропустив промежуточные вычисления, запишем расчетную формулу для определения порога восприятия для данной частоты:
[дБ], (5)
[дБ] (6)
где 
[кОм], 
[кОм]. Величины 
и 
измеряются встроенным омметром и обрабатываются микропроцессором по формуле (6) в [кОм]. В результате чего на LCD дисплей выводится значение коэффициента ослабления 
.
Каждому коэффициенту усиления (ослабления) К соответствует свое определенное значение интенсивности звука L (2), причем в ограниченном диапазоне можно считать, что интенсивность L линейно зависит от коэффициента К. Поэтому, чтобы аудиограмма имела обычный вид, изображенный на рис. 4, вводятся поправочные коэффициенты α и k0, определяемые экспериментально для каждой установки и типа наушников. Коэффициент k0 определяется для каждого прибора на основании средних данных, полученных у людей с нормальным слухом и условно определяет начало отсчета оси 0Lп. Коэффициент 
учитывает зависимость интенсивности звука (2) от значений сопротивлений резисторов и для данного прибора.
Для данной установки принять a = 149; 
k0= − 10 дБ.
Порядок выполнения работы
1. Включите установку в сеть ~ 220 В. Поставьте переключатель «СЕТЬ» на панели лабораторного модуля в положение «ВКЛ», при этом должен загореться индикатор «СЕТЬ», на LCD дисплее должны отображаться текущие параметры эксперимента.
2. С помощью кнопок «УСТАНОВКА ЧАСТОТЫ» установите частоту 1 кГц, ручки «ИНТЕНСИВНОСТЬ ГРУБО» и «ИНТЕНСИВНОСТЬ ПЛАВНО» поставьте в среднее положение.
3. Дайте параметрам стабилизироваться в течение не менее 3-х минут.
4. Наденьте наушники на испытуемого. Нажимая кнопки-переключатели «КАНАЛЫ», добейтесь появления звукового сигнала одновременно в левом и правом наушнике. Во время нажатия кнопок возможно появления помех в наушниках.
5. Используя кнопки-переключатели «КАНАЛЫ», выключите сигнал от одного из наушников (левого либо правого).
6. Вращая ручки «ИНТЕНСИВНОСТЬ ГРУБО» и «ИНТЕНСИВНОСТЬ ПЛАВНО»(синхронно) против часовой стрелки, зафиксируйте значение порога восприятия (показания аттенюатора K), при котором испытуемый перестает слышать звук.
7. Рассчитайте по формуле (5) значение порога восприятия 
, дБ. Данные занесите в таблицу 1.
8. Измерения повторите не менее 3-х раз ( , 
, 
), каждый раз снижая интенсивность от среднего уровня до значения, при котором испытуемый перестает слышать звук.
9. Не меняя частоты, установить наименьший уровень интенсивности, повернув ручки регулировки ослаблений до упора против часовой стрелки.
10. Вращая по возможности синхронно ручки «ИНТЕНСИВНОСТЬ ГРУБО» и «ИНТЕНСИВНОСТЬ ПЛАВНО»по часовой стрелке, зафиксируйте значение порога восприятия (показания аттенюатора K), при котором испытуемый начинает слышать звук.
11. Рассчитайте по формуле (5) значение порога восприятия 
, дБ. Данные занесите в таблицу 1.
12. Измерения повторите не менее 3-х раз ( , 
, 
).
13. Вычислите среднее значение порога восприятия 
для данной частоты.
Таблица 1
Частота  , Гц |  , дБ |  , дБ |  , дБ |  , дБ |  , дБ |  , дБ |  , дБ | |
| п | ||||||||
| л | ||||||||
| п | ||||||||
| л | ||||||||
| п | ||||||||
| л | ||||||||
| п | ||||||||
| л | ||||||||
| п | ||||||||
| л | ||||||||
| п | ||||||||
| л | ||||||||
| п | ||||||||
| л | ||||||||
| п | ||||||||
| л | ||||||||
| п | ||||||||
| л | ||||||||
| п | ||||||||
| л |
14. С помощью кнопок «УСТАНОВКА ЧАСТОТЫ» установить другую частоту аудиометра и повторить измерения аналогично пп. 6-13. Все данные измерений и вычислений заносите в таблицу 1. При переключении частоты рекомендуется перед началом измерения подождать в течение ~ 1 минуты для стабилизации параметров.
15. Измерения проделать для всех возможных частот аудиометра, при которых испытуемый слышит звук.
16. Используя кнопки-переключатели «КАНАЛЫ», выключить сигнал от наушника, который вы исследовали в предыдущих пунктах, и подать его на другой наушник.
17. Повторите действия, аналогичные пп. 8-16 для всех возможных частот аудиометра, при которых испытуемый слышит звук для второго уха. Все вычисления заносите в таблицу 1.
18. Постройте аудиограммы для левого и правого ушей в одной системе координат (см. рис. 4).
19. По окончании работы поставьте переключатель «СЕТЬ» на панели установки в положение «выкл», при этом должен погаснуть индикатор сеть и выньте вилку из розетки.
Контрольные вопросы
1. Что представляет собой звук? Приведите классификацию звуков.
2. Укажите физические (объективные) характеристики звука.
3. Назовите субъективные характеристики звукового тона и укажите их связь с объективными характеристиками.
4. Сформулируйте закон Вебера – Фехнера.
5. Для чего используют кривые равной громкости? Укажите единицы уровня интенсивности и громкости звука.
6. Что такое порог слышимости и порог боли?
7. Что называется аудиометрией? Что представляет собой аудиометр?
8. Опишите устройство уха человека.
9. Где применяются звуковые методы исследования в клинике?
10. Влияние инфразвука на биологические объекты.