Машаев С.Ш., Байсултанов И.Х.Исаева Э.Л. Краткий курс медицинской, биологической физики / Изд. Вестник ЧГУ, 2016. С. 230-244

4. Руководство по выполнению лабораторной работы. С.Ш.Машаев

5.Ремизов, А.Н. Медицинская и биологическая физика / А.Н. Ремизов, А.Г. Максина, А.Я. Потапенко. М.: Дрофа, 2003. С. 265-278

6.Федорова В.Н., Фаустов Е.В. Медицинская и биологическая физика. М.: Наука, 2010.

Лабораторная работа 7.

Снятие спектральной характеристики уха на пороге слышимости

Цель работы: изучить физические и физиологические харак­теристики звуковых колебаний, аудиометрии; получить аудио­граммы, определить порог слышимости уха.

Теоретические основы

Звук представляет собой распространяющиеся в упругой среде механические колебания с частотой от 16 до 20 000 Гц. Механиче­ские волны этого диапазона называют звуковыми (акустически­ми), потому что их воздействие на слуховой аппарат человека приводит к формированию слухового ощущения.

Скорость звука в воздухе зависит от давления и температуры и при 20 °С и нормальном давлении составляет около 340 м/с. В жидких средах и в мягких тканях организма — около 1500 м/с, в твердых телах — 3000-6000 м/с.

Звуки подразделяются на тоны, шумы и звуковые удары. Раз­личают простые и сложные тоны.

Простой тон - это звуковое ко­лебание, происходящее по гармоническому закону с определенной частотой. Если тон представляет собой негармоническое колеба­ние, то он называется сложным. Простой тон дает камертон, слож­ный - музыкальные инструменты или голосовой аппарат. Слож­ный тон можно разложить в ряд Фурье на простые тоны, при этом тон наименьшей частоты называется основным, а остальные - обер­тонами, частоты которых кратны частоте основного тона. Набор всех частот с указанием их интенсивности называется акустиче­ским спектром сложного тона. Спектр сложного тона линейчатый.

Шум - звук, отличающийся сложной временной зависимо­стью. Шум можно рассматривать как сочетание беспорядочно меняющихся сложных тонов. Спектр шума сплошной. Звуковой удар - это кратковременное звуковое воздействие большой ин­тенсивности, например хлопок, взрыв и др.

Физические и физиологические характеристики звука. Физи­ческие характеристики звуковых волн имеют объективный харак­тер и могут быть измерены соответствующими приборами в стан­дартных единицах — это интенсивность, частота и спектр звука.

Интенсивность звука - энергетическая характеристика звуко­вой волны, которая представляет собой энергию звуковой волны, попадающей на поверхность единичной площади за единицу вре­мени, измеряется в ваттах на квадратный метр (Вт/м²). Интен­сивность звука определяет физиологическую характеристику слу­хового ощущения - громкость.

Частота звуковых колебаний (Гц) определяет физиологиче­скую характеристику звукового ощущения, которую называют высотой звука.

Возможность оценки высоты тона слуховым аппа­ратом человека связана с продолжительностью звучания. Ухо не способно оценить высоту тона, если время звукового воздействия меньше 1 /20 с.

Спектральный состав звуковых колебаний(акустический спектр) - число гармонических составляющих звука и соотноше­ние их амплитуд - определяет тембр звука, физиологическую характеристику слухового ощущения.

Диаграмма слышимости. Чтобы сформировалось слуховое ощущение, интенсивность звуковых волн должна превысить не­которое минимальное значение, называемое порогом слышимости. Оно имеет для различных частот различные значения звуко­вого диапазона (нижняя кривая на рис.17.1).

Это означает, что слуховой аппарат обладает не одинаковой чувствительностью к звуковым воздействиям на разных частотах. Максимальной чувствительностью ухо человека обладает в области частот 1000- 3000 Гц. Здесь пороговое значение интенсивности звука мини­мально и составляет 10^-12 Вт/м².

С увеличением интенсивности звука возрастает и ощущение громкости. Однако звуковые волны с интенсивностью порядка 1-10 Вт/м² вызывают уже ощущение боли. Максимальное значе­ние интенсивности, при превышении которого возникает боль, называется порогом болевого ощущения. Он также зависит от частоты звука (верхняя кривая на рис. 17.1), но в меньшей степе­ни, чем порог слышимости.

Область частот и интенсивностей звука, ограниченная верх­ней и нижней кривыми на рис. 17.1, называется областью слышимости.

Уровни интенсивности и уровни громкости.

Закон Вебера - Фехнера. Объективная физическая характеристика звуковой волны – интенсивность - определяет субъективную физиологи­ческую характеристику громкость. Количественная связь между ними устанавливается Законом Вебера - Фехнера: если интен­сивность раздражителя увеличивается в геометрической прогрес­сии, то физиологическое ощущение растет в арифметической прог­рессии.

Закон Вебера - Фехнера можно сформулировать другими словами: физиологическая реакция (в рассматриваемом случае громкость) на раздражитель (интенсивность звука) пропорцио­нальна логарифму интенсивности раздражителя.

В физике и технике логарифм отношения двух интенсивно­стей называют уровнем интенсивности, поэтому величина, про­порциональная десятичному логарифму отношения интенсивно­сти некоторого звукаIк интенсивности на пороге слышимости I₀ = 10^-12 Вт/м², называется уровнем интенсивности звукаL и измеряется обычно в децибелах:

L(дБ) = 10lg I/I₀ .

На пороге слышимости (I =Iо) уровень интенсивности звука L= 0, а на пороге болевого ощущения (I=10 Вт/м²) L=130 дБ.

E = kL

Громкость звука в соответствии с законом Вебера — Фехнера пропорциональна уровню интенсивностиL:

Коэффициент пропорциональности kзависит и от частоты, и от интенсивности звука, поэтому зависимость (17.2) нелиней­ная и громкость звука Е приходится измерять в других едини­цах - фонах.

Постановили, что 1 фон = 1 дБ на частоте 1000 Гц, т.е. на этой частоте k = 1. На других частотах переход от децибел к фонам можно осуществить с помощью кривых равной громкости диа­граммы слышимости (рис. 17.1).

Определение порога слышимости на разных частотах состав­ляет основу методов измерения остроты слуха. Полученная кри­вая называется спектральной характеристикой уха на пороге слышимости или аудиограммой.

Сравнивая порог слышимости пациента с усредненной нормой, можно судить о степени разви­тия нарушений слухового аппарата.