Послідовність виконання роботи. 1. Записати затухаюче коливання з допомогою кімографа:

1. Записати затухаюче коливання з допомогою кімографа:

а) закріпіть на барабані аркуш паперу;

б) увімкніть кімограф;

в) відведіть вантаж від положення рівноваги. Ввімкніть тумблер обертання барабана, одночасно відпустивши вантаж. При цьому необхідно виміряти секундоміром час t початку та кінця коливання.

2. Обробити отриманий запис коливання:

а) на кривій затухаючого коливання провести осі координат так, щоб графік відповідав рівнянню х = А₀×ехр(-b×t)×cos wt;

б) обчислити період коливань;

в) за графіком виміряти 3-5 послідовних амплітуд, які відрізняються на період , і побудувати графіки залежностей A = f(t);

г) обчисліть логарифмічний декремент затухання l ( за рівнянням 2.1.4);

д) обчисліть коефіцієнт затухання b (рівняння 2.1.5);

е) визначте зміщення х₁ по формулі 2.1.3. через час t = 2,5 Т (див. 2.1.3); значення А взяти з графіка;

ж) аналогічно знайдіть зміщення х₂ через час t=2,5 Т за графіком і порівняйте.

4. Результати всіх вимірів і обчислень занесіть в таблицю 2.1.1.

5. Написати висновок на основі одержаних результатів.

Таблиця 2.1.1

№	t, c	n	l	T, c	b, c-1	х1, мм	х2, мм

Контрольні запитання

1. Який процес називають коливальним?

2. Назвіть основні типи коливань та дайте їм визначення.

3. Основні параметри затухаючих коливань.

4. Які коливання можуть описувати роботу
деяких внутрішніх органів людини?

5. Які процеси називають автоколивальними?
(Навести приклади).

6. Пояснити блок-схему автоколивального процесу.

Лабораторна робота № 2

Заняття спектральної характеристики слуху-аудіограми — на порозі чутності

Мета роботи: засвоїти один із методів звукової діагностики — аудіометрію.

Обладнання: аудіометр.

Теоретичні відомості

Звук — це коливання частинок пружного середовища, які поширюються у вигляді хвиль і сприймаються органами слуху людини в інтервалі частот від 16 до 20000 Гц. Хвилі з частотою n<16 Гц називають інфразвуковими, з частотою 20*10³<n<10⁹ Гц — ультразвуковими, а з частотою n>10⁹ Гц — гіперзвуковими.

Інфразвук негативно діє на організм людини – інфразвукові коливання великої амплітуди дуже шкідливі, оскільки деякі процеси в організмі людини відбуваються в інтервалі інфразвукових частот. Наприклад,a-ритми головного мозку мають частотний інтервал 9–13 Гц і дія інфразвукових хвиль може викликати шкідливі резонансні явища в мозку людини. Інфразвук викликає головний біль, підвищує втомлюваність. Інфразвук частотою 7 Гц негативно діє на серце.

Високоінтенсивні виробничі шуми і вібрації, що мають складний неперіодичний характер, також є шкідливими для людини. Шумомірами вимірюють рівень інтенсивності цих звуків. Встановлено, що гранично дозволений рівень інтенсивності низькочастотних шумів та вібрацій L = 100 Б, тоді як їх нормальним рівнем вважається значення L = 50 Б.

Ультразвукове коливання отримують за допомогою п’єзо­електричних перетворювачів, які працюють на явищі зворотнього п’єзоелектричного ефекту.

На відміну від звукових хвиль, мають значно більшу енергію, можливість зміни інтенсивності в широких межах, високу напрямленість. Ультразвук сильно поглинається повітрям та іншими газами, менше — рідинами і ще менше - твердими тілами. Завдяки короткій довжині хвилі ультразвук можна сконцентрувати на малій ділянці. У рідинах під впливом ультразвуку виникають змінні напруження стиску та розтягу. Вони перевищують сили, що втримують молекули, і тоді між частинками утворюються мікроскопічні порожнини (кавітація). При цьому виділяється значна енергія. Щодо дії на біооб’єкти можна виділити такі основні механізми: а) механічна дія (зумовлена кавітацією); б) хімічна дія — радіоліз води, утворюються реакційно здатні речовини Н⁺, ОН^–; в) теплова дія — залежить від інтенсивності ультразвуку; г) бактерицидна дія. В медицині ультразвукові хвилі використовують в таких напрямках:

— Терапія — прогрівання при радикулітах та невритах; для лікування дерматозів та бронхіальної астми і т.д. — в основі терапевтичного впливу лежить прискорення фізіологічних процесів у клітинах. У терапії переважно використовують ультразвук з частотою 800 кГц та інтенсивністю порядку 1 Вт/м².

— Ультразвукова хірургія та ультразвуковий остеосинтез — для руйнування різного роду новоутворень та зварювання тканин і кісток за рахунок значного підвищення в них швидкості процесів дифузії. У хірургії використовують ультразвук великої інтенсивності (І>10⁶ Вт/м²) та великої частоти — ультразвукова “пила“(n = 20¸50 кГц).

— Ультразвукова діагностика — тут важливу роль відіграє не інтенсивність, а мала довжина хвилі l, що дає змогу створювати гостронаправлені пучки звуку і використати відбивання звуку для виявлення внутрішніх дефектів. Використовують “ехо-метод” для визначення руху клапанів серця та швидкості кровотоку (ультразвукова кардіографія), в гінекології (ультразвукова інтроскопія), ультразвукова голографія, ультразвукова енцефалографія і т. д.

Методи ультразвукової діагностики ґрунтуються на тому, що здатність тканин поглинати ультразвук залежить від їхньої густини: здорова та хвора тканини мають різну густину, а тому і різну здатність до поглинання.

— Фармацевтична промисловість — використовують кавітаційні процеси, що виникають під дією ультразвукової хвилі великої інтенсивності, для диспергування твердих і рідких матеріалів з метою отримання лікарняних порошків та емульсій.

Швидкість поширення звукових хвиль залежить від властивостей середовища. У повітрі швидкість звуку за нормальних умов u = 332 м/с. При зростанні температури повітря u збільшується приблизно на 0,6 м/с на кожен градус. У тканинах людського організму швидкість поширення звуку становить приблизно 1500 м/с.

Для лікарів вчення про звук представляє інтерес як з діагностичної точки зору, так і з точки зору методів впливу на організм. Робота серця, легенів та інших органів супроводжується звуковими явищами. Прослуховування цих звуків використовують у медицині для діагностики захворювань та для визначення меж розташування того чи іншого органу.

Існують такі методи звукової діагностики:

Аускультація — це прослуховування і аналіз тонів та шумів, що виникають під час функціонування внутрішніх органів. Для прослуховування звуків використовують фонендоскоп або стетоскоп.

Фонокардіографія — графічна реєстрація тонів і шумів серця з діагностичною метою. Відповідний прилад — фонокардіограф.

Перкусія — це аналіз перкуторних звуків, що виникають при постукуванні молоточком по плесиметру або кінчиком зігнутого пальця однієї руки по фаланзі пальця другої руки, прикладеної до певної ділянки тіла хворого.

При постукуванні резонують порожнини всередині організму: по-різному реагують на звук молоточка або пальця м’які, пружні, тверді та порожнисті органи. Добрий резонанс дають порожнини тіла, заповнені повітрям, кістки та еластичні перетинки.

Аудіометрія — метод вимірювання гостроти слуху з діагностичною метою.

Існують фізичні та фізіологічні характеристики звукової хвилі. Як фізичне явище, звук характеризується частотою, інтенсивністю (силою), звуковим тиском та акустичним спектром. Інтенсивність звуку — це енергія, перенесена звуковою хвилею за одиницю часу через одиничну площу, перпендикулярну до напрямку поширення хвиль:

; . (2.2.1)

Звуковий тиск — ефективне значення тиску, надлишкового над атмосферним, який утворюється в місцях згущення частинок середовища при поширенні хвилі. Інтенсивність пов’язана зі звуковим тиском співвідношенням:

, (2.2.2)

де r — густина середовища,u — швидкість поширення хвилі. r×u — називають звуковим опором (імпедансом).

Акустичний спектр — результат розкладання складного тону на прості гармонійні коливання з визначеними частотами та інтенсивностями. Спектр музичного тону — лінійчатий, а шуму — суцільний. Коливання з найменшою частотою (g₀) у спектрі називають основним тоном, а усі інші — обертонами з частотами 2 n₀, 3n₀ і т. д.

До фізіологічних характеристик звукової хвилі (або суб’єктивних ) належать: гучність звуку, яка залежить від інтенсивності та частоти і характеризує рівень слухового відчуття; висота тону — визначається частотою звукових коливань; тембр звуку — визначається його спектральним складом. Фізіологічні характеристики звуку тісно зв’язані з фізичними.

Частота	«	Висота тону
Інтенсивність	«	Гучність
Гармонічний спектр	«	Тембр

Для порівняльної оцінки сприйняття гучності звуку зручніше брати звуковий тиск р (Па). Для плоскої хвилі

, (2.2.3)

де — середня амплітуда звукового тиску.

Фізіологічні характеристики відчуття звуку залежать від фізичних характеристик звукової хвилі. Висота тону залежить від частоти. Тембр звуку залежить від його акустичного спектру. Рівень гучності звуку залежить від частоти та інтенсивності.

Розглянемо залежність рівня гучності L_E від інтенсивності і частоти. Нехай n = const. Для кількісної оцінки зміни інтенсивності введемо логарифмічну величину L_і, рівну логарифму безрозмірного відношення даної інтенсивності до вихідної і названу рівнем інтенсивності

L_і = lg I/I₀. (2.2.4)

I₀ відповідає порогу чуття на частоті 1000 Гц (I₀ = 10^-12 Вт/м²). Рівень гучності характеризує відносну зміну гучності звуку.

Вебер і Фехнер отримали психофізичний закон, згідно якого

. (2.2.5)

У практичних вимірах рівень інтенсивності замінюємо на рівень звукового тиску, натуральний логарифм на десятковий, а “к“ приймемо рівним 1. Тоді маємо формулу (2.2.6), де Р₀ = 2×10^-5 Па при n = І000 Гц і відповідає порогу чуття.

. (2.2.6)

Рівні інтенсивності, звукового тиску і гучності є ло­гарифмічними величинами і вимірюються в позасистемних логарифмічних одиницях — белах (Б), децибелах (дБ). з добавкою дБ РІ (рівень інтенсивності) або дБ РЗТ (рівень звукового тиску), рівень гучності вимірюється в дБ РГ (рівень гучності). 1дБ РГ називають фоном, він чисельно співпадає з 1 дБ РЗТ.

При зміні частоти від 16 до 3000 Гц рівень гучності знижується, біля 3000 Гц — мінімальний, від 3000 до 4000 Гц — дещо підвищується, вище 4000 Гц — зростає. Залежність L_E = f(n,P) відображена на графіку кривих рівнів гучності (ізофон) — рис.2.2.1. Нижня крива відповідає 0 фон, тобто порогу чуття на різних частотах, верхня крива — 130 фон, тобто больовому відчуттю. Користуючись сімейством ізофон, можна визначити РІ по даному рівню звукового тиску (РЗТ) і частоті.

При погіршенні слуху крива порогу чуття підіймається вище норми, тобто той самий РГ відповідає більшому РЗТ. Різниця між РГ на порозі чуття на даній частоті в нормі і при захворюванні називається втратою слуху DL_Е.

Рис.2.2.1. Криві рівнів гучності.

Втрата слуху оціню­ється за різницею порогу чуття РЗТ при нормі і захво­рю­ванні. Є різні методи оцінки втрати слуху, в т.ч. аудіометричні.

Для норми РЗТ існує ГОСТ (13655-75).

Аудіограма — це графік, який показує втрату слуху (у фонах) в залежності від частоти коливань.

Розглянемо аудіограму (рис.2.2.2). На верхньому рис. (2.2.2) знаходимо різницю РЗТ в нормі (ГОСТ) і при захворюванні на кожній частоті.

Потім у тому ж масштабі перенесемо різницю РЗІ на нижній графік (2.2.2), так щоб DLE = LPH – LPП.

Втрату DLE відкладемо від горизонтальної лінії, яка приймається за лінію порогу чуття отологічно нормальної людини (ГОСТ). З’єднаємо кінці відрізків ламаними лініями і отримаємо аудіограму.

Аудіометр являє собою звуковий генератор чистих тонів різної частоти і інтенсивності. Структурна схема аудіометра приведена на рис. 2.2.3.

Рис.2.2.2. Криві порогу чуття.

Рис.2.2.3. Структурна схема аудіометра.

Опис установки

Основною частиною приладу є генератор електричних коливань звукової частоти 2, напруга на який подається від мережі через блок живлення 1. Перемикач частот 4 дозволяє отримати гармонічні коливання фіксованої частоти в діапазоні від 125 до 8000 Гц.

Рівень інтенсивності змінюється дискретно регулятором 3 з інтервалом 5 дБ на кожній частоті в діапазоні від 0 до 80 дБ. В навушниках 6 відбувається перетворення електричних коливань у звукові. Перемикач навушників 5 дозволяє подавати сигнал роздільно на правий і лівий навушник.