АКУСТИКА. ЕЛЕМЕНТИ ФІЗИКИ СЛУХУ. ОСНОВИ АУДІОМЕТРІЇ

Акустика - наука про звук. Предметом акустики є вив­чення фізичної природи звуку, механізмів його генерації, розповсюдження (заломлення, відбиття, поглинання) і прак­тичного використання.

Як відомо, звук являє собою частинний випадок меха­нічних хвиль з частотою в інтервалі від 16 до 20000 Гц. Хвилі з частотою відповідають інфразвуку, з частотою - ультразвуку, а з частотою Гц - гіперзвуку. Для лікарів вчення про звук має значний інтерес у зв'язку з широкою областю його використання у медичній практиці. Добре відомо, що звукові сигнали мо­жуть бути важливим джерелом інформації про стан внут­рішніх органів. Достатньо згадати такі традиційні акустичні методи діагностики, як аускультація та перкусія. Для діаг­ностики серцевої діяльності поряд з електрокардіографією широко використовується фонокардіографія - реєстрація тонів та шумів серця з їх подальшим аналізом. Область застосування ультразвуку в медицині охоплює як методи діагностики, так і методи впливу.

1.5.1. Природа звуку, його основні характеристики (об'єктивні і суб'єктивні)

Як відомо, всі звуки поділяються на тони, або музи­кальні звуки, шуми та звукові удари. Тони, або музикальні звуки обумовлені коливаннями джерела з постійними амплі­тудою та частотою, або такими, що закономірно зміню­ються з часом. Розрізняють прості тони, що викликані гармонічними коливаннями джерел, та складні, викликані ангармонічними коливаннями. Прикладом простого тону є звук камертона, а складного - голос людини, звуки музич­них інструментів тощо.

Основною характеристикою простого тону є частота. Складний тон може бути розкладений на прості тони. Простий тон, що входить до складного і має найменшу частоту зветься основним тоном. Прості тони, що входять до складного і мають частоти, кратні частоті основного тону називають обертонами. Таким чином, складний тон має лінійчастий акустич­ний спектр (мал. 1.30а).

Мал. 1.30. Види звукових спектрів.

Шум являє собою складний аперіодичний звук, що має неперервний спектр. Шуми можуть відрізнятися між собою спектрами. Наприклад, низько- та високочастотні шуми ма­ють різні амплітуди у відповідних областях спектра (мал. 1.30б).

Звуковий удар - це короткочастотний звук, що має неперервний спектр, наприклад, вибух.

Основними характеристиками звуку як механічної хвилі є: інтенсивність або сила звуку I, частота та частотний спектр. Ці характеристики є об'єктивними характеристиками звуку, бо вони можуть бути виміряні відповідними приладами незалежно від людини.

Інтенсивність звуку - густина потоку енергії, що її приносить звукова хвиля, тобто

(1.63)

Інтенсивність звуку називають також силою звуку, тому що інтенсивність визначає надлишковий звуковий тиск (а, отже, і силу звукового тиску), що виникає у ділянках згущення частинок при розповсюдженні звукової хвилі:

(1.64)

де - так званий акустичний опір середовища ( - густина середовища, - швидкість звуку).

Людське вухо здатне сприймати досить широкий діапа­зон інтенсивностей звукової хвилі. На частоті най менша інтенсивність, що сприймається, в середньому становить (поріг чутності), а найбільша (поріг больового відчуття). Таким чином, значення порогових інтенсивностей відрізняються в разів. Для порівняння інтенсивностей звуку зручно користу­ватися логарифмічною шкалою, тобто порівнювати не інтенсивності звуку, а їхні логарифми. Ця шкала зветься шкалою рівнів інтенсивності звуку. За нульовий рівень інтенсивності приймають рівень інтенсивності звуку, що відповідає порогу чутності Тоді рівень інтенсивності звуку визначається за формулою

(1.65)

де - інтенсивність звуку, - інтенсивність звуку на порозі чутності. Одиниця шкали рівнів інтенсивності - 1 Бел (Б), який відповідає зміні інтенсивності звуку в 10 разів. Дійсно, нехай

Таким чином, перехід від рівнів інтенсивності до шкали інтенсив­ності здійснюють через значення інтенсивності, що відпові­дає нульовому рівню, тобто через Напри­клад, шум в аудиторії може мати рівень інтенсивності L = 6 Б. Визначимо інтенсивність цього шуму.

Звідки

Інакше кажучи, шум в 6 Б перевищує порогове значен­ня інтенсивності звуку у мільйон разів. Співвідношення між шкалами інтенсивності і рівнів інтенсивності наочно пода­но на мал. 1.31. Поряд з Белом використовують одиницю шкали рівнів інтенсивності

Децибел відповідає зміні інтенсивності звуку в разів.

Мал. 1.31.

Звук є об'єктом сприйняття і причиною виникнення слухового відчуття у людини, внаслідок чого оцінка його характеристик відбувається цілком суб'єктивно. Шляхом тривалої еволюції сформувався орган слуху, надзвичайно чутливий до звукових коливань.

Зовнішнє вухо забезпечує спрямованість слухового сприйняття і локалізацію джерела звуку. Окрім того, будова вушної раковини та слухового проходу забезпечує резо­нансне сприйняття в досить широкому діапазоні частот, максимум якого припадає на частоту 2-3 кГц. Дійсно, зовнішнє вухо складається з вушної раковини і зовнішного слухового проходу, що має довжину l ~ 2,7 см і закритого барабанною перетинкою. Відомо, що акустичний резонанс має місце, якщо довжина резонатора дорівнює чверті дов­жини хвилі, тобто Це дозволяє оцінити резонансну частоту, оскільки Звідси що з урахуванням значення швидкості звуку у повітрі і величини дає значення

Барабанна перетинка і середнє вухо виконують роль зв'язку між атмосферою та внутрішнім вухом, заповненим рідиною (перилімфою). Середнє вухо забезпечує узгоджен­ня акустичних опорів повітря і рідини, внаслідок чого суттєво зменшуються втрати інтенсивності звукової хвилі при її переході з повітря в рідке середовище внутрішнього вуха. Крім того; цей механізм відіграє роль підсилювача тиску, забезпечуючи приблизно 90-кратний виграш у силі для збудження бігучої акустичної хвилі в рідині та базилярній мембрані внутрішнього вуха. При занадто великій інтенсивності на рівні больового відчуття цей механізм частково блокується за рахунок рефлекторного зменшення рухливості системи слухових кісточок.

Цікавим є питання про величини зміщень барабанної перетинки під дією звукової хвилі. Середня швидкість змі­щення перетинки и„ пов'язана зі зміною звукового тиску Р (1.64), швидкістю розповсюдження хвилі і густиною повітря р за допомогою співвідношення

(1.66)

Щодо величини зміщення барабанної перетинки то її величина зв'язана з швидкістю і частотою v звукової хви­лі формулою оскільки

Чисельні оцінки величин показують, що на порозі чутності при де інтенсивність швидкість руху і зміщення барабанної перетинки є дуже малими: На больовому порозі, де величини стають набагато більшими: Такі досить великі зміщення стають причиною появи болю в м'язах, що утримують бара­банну перетинку. При зростанні інтенсивності ще на З порядки, тобто при інтенсивності або при рівні інтенсивності швидкість коливань перетинки досягає а максимальна величина зміщення барабанної перетинки стає порядка 1 мм, що не дозволяє м'язам утримати її неушкодженою. Це приводить до її руйнування під дією дуже великої енергії звукової хвилі, що припадає на одиницю площі барабанної перетин­ки.

Таким чином, систему передачі звуку, яка зосереджена в зовнішньому та середньому вусі, можна вважати механіч­ним перетворювачем (підсилювачем), що володіє змінним, здатним регулюватися коефіцієнтом передачі тиску з бара­банної перетинки на рідину внутрішнього вуха. При руйну­ванні слухових кісточок слух не втрачається повністю, але слабшає у разів або на 30-40 дБ.

Внутрішнє вухо має достатньо складну будову. Функції цього органу різні, одна з них - формування нервових імпульсів у волокнах слухового нерва у відповідь на подразнення слухових рецепторів. Подразнення рецепторів відбувається у місцях максимального зміщення базилярної мембрани при виникненні у ній бігучої хвилі. Базилярну мембрану можна розглядати як нелінійну коливальну систе­му, що функціонує подібно до системи механічних мікрорезонаторів, в якій локальне розташування максимального зміщення залежить від частоти коливань. Це локальне под­разнення спричиняє виникнення серії електричних імпуль­сів у певному нервовому волокні, що входить до складу слухового нерва. Отже, в цілому по слуховому нерву в мозок передається серія імпульсів, що несуть інформацію про амплітуду та частоту коливань або інформацію щодо спектрального складу звуку, яка піддається аналізу в слухо­вих центрах кори головного мозку, де остаточно і форму­ється суб'єктивне відчуття звуку.

У фізіологічній акустиці розглядають такі суб'єктивні (психофізичні) характеристики слухового відчуття звуку: гучність, висота тону і тембр.

Основою суб'єктивного відчуття гучності звуку є здат­ність людини розрізняти звуки за їх інтенсивністю. Чим гучніше звук, тим вище він за рівнем слухового відчуття, тим більша його інтенсивність. Тобто, гучність звуку можна визначити як рівень слухового відчуття над його порогом. Залежність між інтенсивністю звуку і рівнем його слухо­вого відчуття (гучністю ρ) має складний характер, вона відтворює адаптаційні властивості вуха до зміни інтенсив­ності у досить широкому діапазоні. Дійсно, на порозі чут­ності відчуваються зміщення барабанної перетинки, що на порядок менші лінійних розмірів молекул у той час, як на рівні больового порогу ці коливання збільшуються на багато порядків. 1 для кожного з цих крайніх випадків орган слуху повинен забезпечити нормальне виділення інформа­ції, що передається зниженням чутливості органів слуху при збільшенні інтенсивності звуку. Ця закономірність знайшла відображення у психофізичному законі Вебера-Фехнера.