Биофизика звука

Биофизика слухового восприятия

Биофизика звука

С физиологических позиций звук — это ощущение, возникающее в ухе человека в результате действия изменения давления частиц упругой среды.

Ухо человека может воспринимать и анализировать звуки в широком диапазоне частот и интенсивностей.

Частотный диапазон слышимых человеческим ухом звуков охватывает область частот от 16 — 20 Гц до 20 кГц. Границы частотного восприятия существенно зависят от возраста человека и состояния органа слуха.

У лиц среднего и пожилого возраста верхняя граница слышимой области понижается до 12 – 10 кГц.

Область слышимых звуков ограничена двумя кривыми, так называемые пороги: нижняя кривая определяет порог слышимости, т. е. силу едва слышимых звуков различной частоты, верхняя — порог болевого ощущения, т. е. такую силу звука, при которой нормальное слуховое ощущение переходит в болезненное раздражение органа слуха (рис. 7).

Абсолютная величина порога зависит от частоты колебаний. Самые низкие значения порогов имеют место в диапазоне частот 1 — 5 кГц. Для принятого в акустике стандартного тона частотой .

1000 Гц порог слуха молодого человека составляет 0 дБ, что соответствует звуковому давлению Ро = 2*10-5 Па, а интенсивности I = 10-12 Вт/м2. Порог слухового восприятия на частоте 100 Гц приблизительно в 100 раз выше и составляет 10 дБ.

Ухо менее чувствительно к звукам низких частот.

Болевым порогом принято считать звук интенсивностью 140 дБ, что соответствует звуковому давлению 200 Па и интенсивности 102 Вт/м2.

Таким образом, уровень звукового давления 140 дБ — это порог переносимости интенсивных звуков. Звуковые ощущения оценивают и по порогу дискомфорта (появлению ощущения щекотания, касания, слабой боли в ухе). Такое состояние дискомфорта наблюдается при уровне звукового давления более 120 дБ.

Верхний болевой порог также неодинаков у различных людей. Его уровень может изменяться под воздействием тренировки.

Рис. 7. Слуховой диапазон.

Субъективно воспринимаемую величину звука называют его громкостью. Громкость является функцией интенсивности звука, частоты и времени действия физиологических особенностей слухового анализатора. Интенсивность звука субъективно ощущается как громкость, а частота определяет высоту тона.

Восприятие высоты тона пропорционально логарифму его частоты, а возрастание субъективной громкости пропорционально логарифму увеличения интенсивности. Например, увеличение интенсивности звука в 10 раз соответствует увеличению громкости в 2 раза, а одинаковые отношения частоты 50 — 100 Гц, 1000 — 2000 Гц и т. д. воспринимаются ухом как одинаковое изменение высот тона на одну октаву.

С ростом силы звука частотная характеристика уха выравнивается, и ухо реагирует приблизительно одинаково на звуки разных частот звукового диапазона.

Шкала субъективной громкости является линейной, это позволяет сравнивать громкости различных источников, а также количественно оценивать эффективность шумоглушения.

Восприятие громкости шумов со сложным спектром значительно отличается от восприятия чистых тонов. Громкость шума зависит от ширины частотного спектра и определяется полосой с наибольшими уровнями шума. При этом в ряде случаев может возникнуть явление маскировки, т. е.

изменение порога восприятия одного звука в зависимости от частоты и интенсивности другого. Маскировка максимальна при воздействии низких, близких по значению частот.

Явление маскировки используется для защиты от неблагоприятного действия шума, повышения или снижения разборчивости речи.

Действие шума на организм

Интенсивное шумовое воздействие вызывает в слуховом анализаторе изменения, составляющие специфическую реакцию организма. Процесс адаптации слуховой системы выражается во временном смещении (повышение порогов слуховой чувствительности).

При долговременном акустическом воздействии формируется повышение слуховых порогов, сначала медленно возвращающееся к исходному уровню (слуховое утомление), а затем сохраняющееся к началу очередного шумового воздействия (постоянное смещение порога слуха).

Большой научный вклад в изучение общебиологического действия шума внесла профессор Е. Ц.

Андреева-Галанина, которая показала, что шум, являясь общебиологическим раздражителем, оказывает влияние не только на слуховой анализатор, но в первую очередь действует на структуры головного мозга, вызывая сдвиги в различных функциональных системах организма.

Так, под влиянием шума возникают вегетативные реакции, обусловливающие нарушение периферического кровообращения за счет сужения капилляров, а также изменение артериального давления (преимущественно повышение).

Среди многочисленных проявлений неблагоприятного воздействия шума на организм можно выделить снижение разборчивости речи, неприятные ощущения, развитие утомления и снижение производительности труда и, наконец, появление шумовой патологии.

Снижение разборчивости (внятности) речи, профессионально значимое при многих видах деятельности, обусловлено эффектами звуковой маскировки голоса производственным шумом и тесно связано со спектральными характеристиками шума.

Шумы могут вызывать неприятные ощущения, однако решающую роль в оценке «неприятности» шума играет субъективное отношение человека к этому раздражителю.

Приобретает особую значимость то, что шум, являясь информационной помехой для высшей нервной деятельности в целом, оказывает неблагоприятное влияние на протекание нервных процессов и способствует развитию утомления. В соответствии с теорией биологической эквивалентности эффектов влияния шума и нервной нагрузки шум увеличивает напряжение физиологических функций в процессе труда и снижает работоспособность организма.

Среди многообразных проявлений шумовой патологии ведущим клиническим признаком является медленно прогрессирующее снижение слуха по типу кохлеарного неврита.

Профессиональное снижение слуха относится к нейросенсорной (перцепционной) тугоухости. Под этим термином подразумевают нарушение звуковоспринимающего аппарата по типу восходящего кохлеарного неврита.

Рис. 8. граммы, отражающие различные степени потери слуха, вызванной шумом. А — нормальный хороший слух. Б и В — ранние этапы ослабления слуха от воздействия шума; Г — значительные изменения слуха, распространение процесса на более низкие, речевые частоты; Д — потеря слуха, вызванная длительным воздействием шума.

Развитие хронической профессиональной тугоухости — процесс длительный и постепенный.

Время протекания этого процесса различно и зависит от интенсивности, спектра, динамики изменения воздействия шума во времени, индивидуальной чувствительности к шуму, а также многих других факторов, влияние которых еще не до конца изучено.

У некоторых людей серьезное повреждение слуха может наступить в первые месяцы воздействия, у других потеря слуха развивается постепенно, в течение всего периода работы на производстве. Потеря слуха может привести к серьезному физическому недостатку и стойкой потере трудоспособности.

Типичная картина акустической кривой на ранних стадиях развития процесса обычно характеризуется максимальной потерей слуха на частоте около 4000 Гц. Снижение слуха на 10 дБ практически неощутимо, на 20 дБ едва заметно. Только потеря слуха более чем на 20 дБ начинает серьезно мешать человеку, особенно когда к этому добавляются возрастные изменения слуха.

Субъективное ощущение понижения слуха наступает по мере прогрессирования процесса, когда снижение восприятия затрагивает область звуковых частот 500, 1000, 2000 Гц.

Оно обычно развивается медленно и постепенно увеличивается со стажем работы в данной профессии.

При этом может нарушаться способность слышать важные звуковые сигналы, дверные и телефонные звонки, наступает ослабление разборчивости речи.

Дальнейшее развитие профессиональной тугоухости характеризуется расширением повреждения звуковосприятия по всему диапазону звуковых частот (рис. 8).

Для развития нарушений слуха, вызываемых действием шума, в каждой профессиональной группе характерны свои сроки, определяемые физическими параметрами шума и их вероятностным распределением.

Ориентировочная вероятность нарушений слуха (в процентах) может быть проиллюстрирована табл. 7.

Таблица 7. Возрастание тугоухости среди лиц, подвергающихся воздействию шума на протяжении трудового стажа в процентах

Эквивалентный уровень шума, дБА Продолжительность шумового стажа (лет)

Значительные различия в сроках возникновения степени потери слуха среди рабочих однородных профессий указывают на роль индивидуальной чувствительности к повреждающему действию шума.

Факторами, обусловливающими различия в индивидуальной чувствительности к шуму, являются анатомические особенности строения среднего и внутреннего уха, функциональное состояние вегетативной нервной системы, острая недостаточность витаминов группы В, ослабление акустического рефлекса.

При обследовании групп рабочих, подвергающихся действию шума, наряду со специфическими проявлениями шумовой патологии (патология органа слуха) наблюдаются неспецифические изменения в виде синдрома неврастении и реже в виде синдрома вегетососудистой дисфункции (нейроциркуляторной дистонии преимущественно по гипертоническому типу). При действии интенсивного шума изменения со стороны нервной системы значительно более выражены и предшествуют развитию патологии органа слуха. У рабочих преобладают жалобы на головные боли, несистематические головокружения, снижение памяти, повышенную утомляемость, эмоциональную неустойчивость, нарушение сна, сердцебиения и боли в области сердца, снижение аппетита и др. При отсутствии органических поражений со стороны центральной и периферической нервной системы наблюдаются функциональные изменения со стороны рефлекторной и вегетативной сферы.

У лиц, работающих в условиях интенсивного шума, определяются изменения сердечно-сосудистой системы, главным образом в виде синдрома нейроциркуляторной дистонии, чаще кардиального и гипертензивного типа и значительно реже — гипотензивного.

У рабочих шумовых профессий довольно часто выявляется дисфункция желудка, нарушение его эвакуаторной функции, изменение кислотности желудочного сока.

Шум вызывает снижение иммунологической реактивности, общей резистентности организма у рабочих шумовых профессий, что, по некоторым литературным данным, проявляется в повышении уровня заболеваемости с временной утратой трудоспособности в 1,2 — 1,3 раза при увеличении уровня производственного шума на 10 дБ.

Формирование патологического процесса при шумовом воздействии происходит постепенно и начинается с неспецифических проявлений вегетососудистой дисфункции.

В дальнейшем развиваются невротические проявления, которые укладываются в картину вегетоастенического или астеновегетативного синдромов.

У рабочих со стажем более 10 лет изменения приобретают стойкий характер астеноневротического синдрома с вегетососудистыми дисфункциями.

Установленные в последние годы соотношения между показателями слуховой функции, состоянием нервной, сердечно-сосудистой системы и заболеваемостью подтверждают концепцию о влиянии шума на целостный организм и дают возможность оценивать и прогнозировать степень шумового воздействия на работающих как по специфическим, так и по опосредованным изменениям.



Источник: https://infopedia.su/15xcc44.html

1.3 Биофизика слуха. Звук. Ультразвук

Биофизика звука

    1. Элементы биомеханики 5

    2. Механические колебания 14

    3. Биофизика слуха. Звук. Ультразвук 17

    4. Биофизика кровообращения 21

    5. Электрические свойства тканей и органов 28

    6. Электрокардиография. Реография 33

    7. Основы электротерапии 36

    8. Биофизика зрения. Оптические приборы 40

1.9 Тепловое излучение и егохарактеристики 45

2.0 Рентгеновское излучение 49

2.1 Элементы радиационной физики. Основыдозиметрии 54

3.Диадинамик является одним из наиболееизвестных аппаратов электротерапии,использующих обезболивающее испазмолитическое воздействиенизкочастотных токов в лечебных целях,например для улучшения кровообращенияв организме. Процедура назначаетсяисключительно врачом, продолжительность3-6 минут (при острых состояниях ежедневно,при хронических заболеваниях 3 раза внеделю 5-6 минут).

Показания:заболевания опорно-двигательногоаппарата, в особенности боли в суставахи

Позвоночника

Электросон- метод электротерапии, при которомиспользуются импульсные токи низкойили звуковой частоты (1-130 Гц), прямоугольнойформы, малой силы (до2-3 мА) и напряжения(до 50 В), вызывающие при длительномприменении сонливость, дремоту, а затемсон различной глубины и продолжительности.

Показания:заболевания внутренних органов(хроническая ишемическая болезнь сердца,гипертоническая болезнь, гипотоническаяболезнь, ревматизм, язвенная болезньжелудка и двенадцатиперстной кишки,гипотиреоз, подагра), заболевания нервнойсистемы (атеросклероз сосудов головногомозга в начальной стадии, травматическаяцеребропатия, гипоталамический синдром,мигрень, неврастения, астеническийсиндром, маниакально депрессивныйпсихоз, шизофрения).

Амплипульстерапия- один из методов электротерапии,основанный на использовании слечебно-профилактическими иреабилитационными целями синусоидальныхмодулированных токов.

Незатухающиегармонические колебания

Гармоническиеколебания совершаются под действиемупругих или квазиупругих (подобныеупругим) сил, описываемых законом Гука:

,

гдеF– сила упругости;

х–смещение;

k– коэффициент упругости или жесткости.

СогласноІІзакону Ньютона , гдеа –ускорение,а= .

(1)

Разделимуравнение (1)намассу mи введем обозначение ,получимуравнениев виде:

(2).

Уравнение(2)– дифференциальноеуравнение незатухающих гармоническихколебаний.

Егорешение имеет вид: или.

Характеристикинезатухающих гармонических колебаний:

х–смещение;А– амплитуда; Т– период;– частота; – циклическаячастота, – скорость;– ускорение,– фаза;0– начальная фаза, Е–полнаяэнергия.

Формулы:

–число колебаний, – время, за которое совершаетсяN колебаний;
, ; или;
или ;
–фаза незатухающих гармонических колебаний;
–полная энергия гармонических колебаний.

Затухающиегармонические колебания

Вреальных системах, участвующих вколебательном движении, всегдаприсутствуют силы трения (сопротивления):

,– коэффициент сопротивления;–скорость.

.

ТогдаІІзакон Ньютона запишем:

(2)

Введемобозначения ,,где– коэффициент затухания.

Уравнение(2) запишемв виде:

(3)

Уравнение(3) – дифференциальноеуравнение затухающих колебаний.

Егорешение ,где

–амплитудаколебаний в начальный момент времени;

–циклическаячастота затухающих колебаний.

Амплитудаколебаний изменяется по экспоненциальномузакону:

.

Рис. 11. График x=f(t)Рис. 12. График At=f(t)

Характеристики:

1) – период затухающих колебаний;2) – частота затухающих колебаний;–собственная частота колебательнойсистемы;

3) логарифмическийдекремент затухания (характеризуетскорость убывания амплитуды):.

Вынужденныеколебания

Дляполучения незатухающих колебанийнеобходимо воздействие внешней силы,работа которой восполняла бы вызванноесилами сопротивлений уменьшение энергииколеблющейся системы. Такие колебанияназываются вынужденными.

Законизменения внешней силы: ,где– амплитуда внешней силы.

ІІзакон Ньютона запишем в виде

Введемобозначения .

Уравнениевынужденных колебаний имеет вид:

.

Решениеэтого уравнения в установившемся режиме:

,

где(4)

– частота вынужденных колебаний.

Изформулы (4), когда ,амплитуда достигает максимальногозначения. Это явление называетсярезонансом.

Волна– это процесс распространения колебанийв упругой среде.

Уравнениеволны выражаетзависимость смещения колеблющейсяточки, участвующей в волновом процессе,от координаты ее равновесного положенияи времени: S= f(x;t).

r

Рис. 13

ЕслиSи Xнаправлены вдоль одной прямой, то волнапродольная,если они взаимно перпендикулярны, товолна поперечная.

Уравнение в точке «0» имеет вид .Фронт волны дойдет до точки «х»с запаздыванием за время.

Уравнениеволны имеетвид .

Характеристикиволны:

S– смещение, А– амплитуда, – частота,Т– период, – циклическая частота,– скорость.

–фаза волны, – длина волны.

Длинойволныназывается расстояние между двумяточками, фазы которых в один и тот жемомент времени отличаются на .

Фронтволны –совокупность точек имеющих одновременноодинаковую фазу.

Потокэнергии равенотношению энергии, переносимой волнамичерез некоторую поверхность, к времени,в течении которого эта энергия перенесена:

, .

Интенсивность: ,–площадь, .

Векторинтенсивности, показывающий направлениераспространения волн и равный потокуэнергии волн через единичную площадь,перпендикулярную этому направлению,называется векторомУмова.

–плотностьвещества.

Звуковыеволны

Звук– это механическая волна, частотакоторой лежит в пределах ,– инфразвук,– ультразвук.

Различаютмузыкальные тоны (это монохроматическаяволна с одной частотой или состоящаяиз простых волн с дискретным наборомчастот – сложный тон).

Шум– это механическая волна с непрерывнымспектром и хаотически изменяющимисяамплитудами и частотами.

Характеристикизвука

Энергетическойхарактеристикой звука являетсяинтенсивность.

Напрактике для оценки звука удобнееиспользовать звуковое давление.

Звуковоедавление ()– это избыток давления в звуковой волненад атмосферным.

,,

где– скорость звука,– интенсивность звуковой волны.

Характеристикислухового ощущения

Высотатона –зависит от частоты, чем выше частота,тем выше звук (определяется минимальнойчастотой акустического спектра, рис. 14).

Т

Рис. 14. Акустический спектр

ембр –«окраска» звука,зависит от состава акустического спектра(совокупность простых волн, образующихсложные).

Громкость– субъективная характеристика звука,которая характеризует уровень слуховогоощущения.

– коэффициент пропорциональности,зависящий от частоты и интенсивности;

– интенсивность исследуемого звука;

– порог слышимости;– порог болевых ощущений.

Для,,.

Единицейизмерения громкости, является Белл –это громкость звука, которая при имеет,при этом.

.1 Децибел (дБ) или 1 фон = 0,1Б.

Зависимостьгромкости от частоты учитывают с помощьюкривых равных громкостей, получаемыхэкспериментально, и используется дляоценки дефектов слуха. Метод измеренияостроты слуха называется аудиометрия.Прибор для измерения громкости называетсяшумомер. Норма громкости звукадолжна составлять 40 – 60 дБ.

Ультразвук

Ультразвук– это механическая волна с частотой.Верхним пределом ультразвуковой частотыможно считать10 910 10 Гц.

В 1880г. П. Кюри открыл пьезоэффект.

Дляполучения ультразвука используютультразвуковые излучатели, основанныена обратном пьезоэлектрическомэффекте: кэлектродам прикладываетсяпеременное электрическое поле и пластинкакварца (сегнетовой соли, титаната бария)начинает вибрировать, излучая механическуюволну определенной частоты.

Приемникультразвука использует прямойпьезоэффект: возникновение разностипотенциалов на гранях пьезокристаллапри его деформации.

Свойстваультразвука используемые в медицине

Первичныммеханизмом ультразвуковой терапииявляется механическое и тепловоедействие на ткань.

1.Высокая частота соответствуетбольшой интенсивности ультразвука:

,пропорционально();

, тогдапропорционально.

Свойствабольшой интенсивности используютсядля разрушения биомакромолекул, клетоки микроорганизмов, применяется в урологиидля разрушения камней и др.

2.Соотношение длины волны илинейных размеров препятствияопределяет поведение ультразвука.

еслито.

а)Если соизмеримс,то наблюдается явление дифракции.

Дифракция– это огибание волной препятствия.

б)Если ,то наблюдается ультразвуковая тень, атакже отражение и поглощение ультразвуковойволны (УЗ – эхолокация).

в)Поглощение. При переходе из одной средыв другую интенсивность ультразвукаизменяется по формуле: ;

гдеволновоесопротивление.

Волновоесопротивление биологических сред в3000 раз больше воздуха. Поэтому, еслиУЗ-излучатель приложить к телу человека,то ультразвук не проникает и будетотражаться. Чтобы исключить воздушныйслой, поверхность УЗ-излучателейпокрывают слоем масла.

Этисвойства используются в ультразвуковойдиагностике, применяя диапазон частотот 1 до 20 МГц и ,которая не вызывает никаких патологическихизменений в биологических тканях.

3. Явлениекавитации– это сжатие и разряжениечастиц среды, приводящие к образованиюразрывов сплошной среды (при).При кавитации выделяется энергия,происходит нагревание веществ, а такжеионизация и диссоциация молекул.

Обычнодля терапевтических целей применяютультразвук

,.

Проходячерез биоткань интенсивность ультразвукауменьшается по закону:

d–толщина биоткани;–монохроматический коэффициент поглощения(для разных длин волн–разный).

Эффектвоздействия ультразвука на клетку:

микромассажна клеточном и субклеточном уровне;

изменениепроницаемости мембран клетки (перестройкаи повреждение);

улучшениеобменных процессов (рассасываютсяинфильтраты);

разрушениеклеток и микроорганизмов;

тепловоедействие.

Эффектвоздействия ультразвука на вещество:

перемешиваниеслоев жидкости и газообразной среды,обусловленное явлением кавитации,приводит к выделению тепла;

прохождениеультразвука через вещество можетсопровождаться люминесценцией (свечениевещества);

фонофорез– введение лекарственных веществ подвоздействием ультразвука вследствиеизменения проницаемости мембран.

Способностьультразвука дробить тела, помещенныев жидкость, и создавать эмульсиииспользуется в фармацевтическойпромышленности при изготовлениилекарств. При лечении бронхиальнойастмы, катаракты верхних дыхательныхпутей применяются аэрозоли различныхлекарственных веществ, полученных спомощью ультразвука.

Источник: https://studfile.net/preview/4509939/

Биофизика звука

Биофизика звука

Акустикой называют раздел физики, который рассматривает упругие колебания и волны, диапазон которых от самых низких до очень высоких ($10{12} — 10{13 }$ Гц). Акустику рассматривают как учение о звуке, упругих колебаниях и волнах в газообразных средах, жидкостях и твердых телах, которые воспринимает ухо человека. Это частоты ν=16-20000 Гц.

Характеристики звука в физике

Колебания звука и волны являются частным случаем механических колебаний и волн. Выделяют следующие виды звуков:

  • тоны или звуки музыки;
  • шумы;
  • звуковые удары.

Интенсивность в физике используется как энергетическая характеристика звука,это относится и к любой другой механической волне. Для ее выражения применяет вектор Умова.

Для практической оценки звука чаще применяют давление звука, которое появляется при прохождении волн звука в жидкости или газе. В пло$ской волне интенсивность $ (I) $ и средняя амплитуда звукового давления $(p)$ связаны выражением: связаны выражением:

$I=p2/(2ρc) (1)$, где:

  • $ ρ$ – плотность вещества, в котором распространяется волна;
  • $c$ – скорость звука.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Человек при нормальном слухе воспринимает широкий диапазон интенсивностей звука, так при $ν=1000$ Гц диапазон воспринимаемых человеком интенсивностей звука:

  • от $I=10{-12} Вт/м2 $ или $ p_0= 2∙10{-5}$ Па (граница слышимости)
  • до $ I_{max}= 10 Вт/м2 $ или $ p_{max }= 60 $ Па (порог болевого ощущения).

Часто применяют шкалу уровней интенсивности звука. Она создается так: величину $ I_0$ считают начальной на шкале, любую другую интенсивность $I$ выражают через десятичный огарифм ее отношения к $ I_0$:

$L_B=lg⁡(I/I_0 ) (2)$.

Для давления звука имеем:

$L_B=2 lg⁡(p/p_0 ) (3).$

Параметры оценки слухового ощущения

Характеристики звука в физике, которые мы рассматривали выше, являются объективными и могут оцениваться приборами независимо от человека. Но звук – это объект слуховых ощущений, следовательно, может оцениваться человеком субъективно.

Человек способен различать тоны по высоте.

Определение 1

Высота звука является субъективной характеристикой, которая обусловлена в первую очередь, частотой основного тона.

Тембр – субъективная характеристика звука, определяемая спектром звука.

Громкость – субъективная оценка звука, являющаяся характеристикой слухового ощущения.

Громкость можно оценивать количественно при сравнении слуховых ощущений от двух источников. Шкала уровней громкости строится на основании закона Вебера – Фехнера. Этот психофизический закон говорит о том, что если раздражение увеличивается в геометрической прогрессии, то ощущение от него возрастает в арифметической прогрессии.

С точки зрения математики получается, что громкость звука пропорциональна логарифму его интенсивности.

При действии двух звуковых раздражителей, имеющих интенсивности $I $ и $ I_ 0$, где $ I_0$ – порог слышимости, то по закону Вебера – Фехнера громкость связана с интенсивностями как:

$E=k lg(I/I_0 )(4),$,

где $k$ – коэффициент пропорциональности, зависящий от частоты и интенсивности.

Замечание 1

Условно принимают, что при частоте в 1000 Гц шкалы громкости и интенсивности звука совпадают ($k=1$).

Громкость при других частотах измеряют, сравнивая рассматриваемый звук и «образцовым» звуком. С этой целью, используя генератор звука, создают звук частотой 1000 Гц. Изменяют его интенсивность до совпадения слуховых ощущений с рассматриваемым звуком.

Физика слуха

Слуховая система является связью непосредственного приемника волны звука с головным мозгом. Слуховая система принимает, обрабатывает и передает информацию. Для исследования физики слуха выделяют:

  • наружное,
  • среднее,
  • внутреннее ухо.

Наружное ухо имеет ушную раковину и наружный слуховой проход. Ушная раковина помогает определять местоположение источника звука. Имея два уха, человек и животное могут определять направление на источник звука.

Волна звука идет через слуховой проход и фрагментарно отражается от барабанной перепонки. Происходит интерференция падающей и отраженной волн, это может вызывать акустический резонанс. Он появляется, если длина волны в 4 раза больше, чем длина слухового прохода.

Самые важные части среднего уха – барабанная перепонка и слуховые косточки, с соответствующими мышцами и сухожилиями и связками. Косточки осуществляют передачу механических колебаний от воздуха к жидкой среде внутреннего уха.

Жидкость внутреннего уха обладает волновым сопротивлением.

Основная функция внутреннего уха – передача внутреннему уху большей интенсивности звука, то есть среднее ухо проводит согласование волнового сопротивления воздуха и жидкости внутреннего уха.

Давление звука действует на барабанную перепонку с силой:

$ F_0=p_0 S_0 (5)$,

где $ p_0 $ – давление звука.

На овальное окно внутреннего уха воздействует сила $F_1$ , которая порождает давление звука $ p_1$ в жидком веществе:

$ F_1=p_1/ S_1 (6).$

При этом, система косточек осуществляет роль рычага с выигрышем в силе со стороны внутреннего уха (у человека примерно в 1,3 раза).

Среднее ухо может увеличивать транспортировку наружного давления звука к внутреннему уху или ослаблять передачу колебаний, если звук имеет большую интенсивность. Среднее ухо соединено с атмосферой при помощи слуховой трубы.

Наружное и среднее ухо относят к звукопроводящей системе. Внутреннее ухо – приемник звука.

часть внутреннего уха – улитка, которая преобразует механические колебания в электрический сигнал.

Вдоль улитки идут три канала. Первый канал называют вестибулярной лестницей, второй барабанной лестницей. Вестибулярная и барабанная лестницы объединяются в области купола улитки маленьким отверстием геликотермой. Эта система каналов наполнена перилимфой.

Пространство между вестибулярной и барабанной лестницами называют улитковым каналом. Он содержит эндолимфу. Между улитковым каналом и барабанной лестницей находится основная мембрана. На ней лежит кортиев орган, обладающий рецепторными клетками.

К улитке подходит слуховой нерв.

Замечание 2

Кортиев орган трансформирует механические колебания в электрические сигналы.

Основная мембрана представляет интерес для физиков. Она умеет выбирать частоты. Гельмгольц уподоблял основную мембрану настроенным струнам пианино. Бекеши показал ошибочность теории резонанса в этой области.

Он доказал, что основная мембрана — это неоднородная линия передачи механического возбуждения. При наличии акустического стимула по основной мембране проходит волна. Затухание данной волны происходит в зависимости от частоты.

С уменьшением частоты увеличивается расстояние распространения волны до места затухания.

Были получены теории в которых восприятие высоты тона определено положением максимума колебания основной мембраны.

Некоторые формы глухоты связывают с поражением рецепторного аппарата улитки. Улитка не способна создавать электрические сигналы под воздействием механических колебаний. Таким больным можно помочь, если имплантировать электроды в улитку.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/biofizika/biofizika_zvuka/

Биофизические основы слуха

Биофизика звука

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации 

ФГОУ ВПО «Вятская государственная сельскохозяйственная академия»

Биологический факультет

Кафедра Биоэкологии  

 РЕФЕРАТ

по биофизике клетки 

«Биофизические основы слуха»

.   

                Выполнила: Губанова А.С..

Киров 2011 

      Оглавление

Строение уха

 

             Здесь приводятся только некоторые сведения, без которых трудно изложить биофизику слуха. Более подробно строение органа слуха изучается в курсах анатомии и гистологии. 

       Орган слуха принято делить на наружное, среднее и внутреннее ухо.   Наружное ухо это ушная раковина и слуховой проход, который отделяется от среднего уха барабанной перепонкой. Полость слухового прохода образует резонатор с резонансной частотой около 2 – 3 кГц (именно к этой области частот наш орган слуха наиболее чувствителен).

        За барабанной перепонкой расположена полость среднего уха, отделённая овальным окном от спирально закрученной полости внутреннего уха, называемой улиткой. Овальное окно затянуто эластичной перепонкой, а улитка заполнена жидкостью.

         При попадании звуковых волн в ухо они оказывают на барабанную перепонку переменное давление (звуковое давление, см.стр. 14), которое вызывает колебания баоабанной перепонки.

Если бы барабанная перепонка прямо граничила с жидкостью, заполняющей полость улитки, то из-за большой разницы в импедансах между воздухом и жидкостью 99% энергии звука отражалось бы от барабаной перепонки.

Чтобы избежать этого, барабанная перепонка связана с внутренним ухом тремя косточками (молоточек, наковальня и стремечко)Молоточек прикреплён к барабанной перепонке, а стремечко -–к овальному окну. Благодаря такой системе передачи колебаний происходит согласование импедансов, и отражение звука значительно уменьшается.

Кроме того, косточки работают как система рычагов, увеличивающая силу давления на овальное окно приблизительно в 90 раз. Однако, при громких звуках, которые могли бы повредить очень чувствительный аппарат внутреннего уха, усиление блокируется или даже переходит в ослабление. Это происходит потому, что к косточкам прикреплены мышечные волокна, которые при громких звуках рефлекторно сокращаются и тормозят движения косточек.

       Полость среднего уха соединена с наружным воздухом узким каналом. Это необходимо для выравнивания давления на барабанную перепонку с обеих сторон.

При нарушении проходимости этого прохода или при очень быстром изменении внешнего давления выравнивание давлений не успевает происходить.

Это нарушает работу барабанной перепонки и ведёт к понижению слуха (в обиходе говорят: «уши заложило»).

        Собственно рецепция звука осуществляется во внутреннем ухе, а первые два отдела можно назвать вспомогательным аппаратом уха.

При повреждении вспомогательного аппарата (при травме или в специальном эксперименте) возможность воспринимать звук не теряется, но чувствительность органа слуха значительно падает (пороговая интенсивность звука возрастает в тысячи раз).

В этом случае звук достигает слуховых рецепторов через кости черепа  (височную кость), почему говорят о костной проводимости звука в отличие от обычной – воздушной проводимости. Из-за зависимости отражения и поглощения

звука костной тканью от частоты, звуки разных частот проводятся по-разному, в результате чего изменяется спектр воспринимаемого звука. В субъективном восприятии

спектральному составу звука  соответствует его тембр, поэтому один и тот же звук при воздушной и костной проводимости  имеет  совершенно  различную тембровую

окраску.  Интересно отметить, что,   в отличие от других

звуков, свой собственный голос человек в значительной мере ощущает с помощью костной проводимости (колебания воздуха в гортани и полости рта непосредственно передаются костям черепа).

Поэтому каждый человек воспринимает свой голос не так, как слушающие его люди; в этом легко убедиться, записав свой голос на магнитную кассету (в этом случае при воспроизведении звук будет передаваться только через воздух и вспомогательный аппарат уха). Как правило, человек при этом не узнает свой голос.

        Полость улитки делится двумя соединительнотканными мембранами на три отсека (рис. 3). Нижний и верхний соединены в верхушке улитки небольшим отверстием.*) В широком конце нижнего отсека расположено овальное окно, связывающее среднее ухо с улиткой.

В широком конце верхнего отсека находится круглое окно, также открывающееся в полость среднего уха. Круглое окно, как и овальное, затянуто эластичной перепонкой.

Если бы не было круглого окна,  звуковые волны отражались бы и создавали интерференционные эффекты, которые  искажали  бы  восприятие  звука.

        Верхний и нижний отсеки улитки заполнены жидкостью, называемой перилимфой. Средний отсек заполнен более вязкой жидкостью – эндолимфой. Основную роль в регистрации звука играет базилярная мембрана (1 на рис.1).

На ней располагается рецепторный аппарат уха – кортиев орган. Он состоит из рецепторных клеток, которые принято называть волосковыми клетками, потому что на их верхнем конце мембрана образует выросты, напоминающие волоски.

Концы волосков упираются в лежащую над ними покровную мембрану (4). Волосковые клетки расположены на базилярной мембране двумя полосками – внутренней (2) и наружной (3); различие между ними объяснено далее.

К основаниям волосковых клеток подходят нервные волокна от биполярных нейронов (6). Волокна, отходящие от этих нейронов в центральном направлении, образуют слуховой нерв (7).

———————————————————————

     *)Термины «верхний» и «нижний» здесь и далее относятся к рисунку, а не к реальному расположэению улитки в височной кости.                                 

Рис.3 

Поперечный разрез через улитку

1 – базилярная мембрана; 2 – волосковые клетки внутреннего ряда; 3 – волосковые клетки наружного ряда; 4 – покровная мембрана; — 5 нервные окончания; 6 – биполярные нейроны; 6 – волокна слухового нерва   

Работа рецепторного аппарата органа слуха 

       Перейдём теперь к работе внутреннего уха.  Усиленные в среднем ухе колебания через овальное окно передаются перилимфе – жидкости, заполняющей наружные отделы улитки. От перилимфы колебания передаются на базилярную мембрану, на которой располагаются собственно рецепторные элементы – волосковые клетки.  Волоски упираются концами в расположенную над ними покровную мембрану.

При колебаниях базилярной мембраны волосковые клетки колеблются вместе с ней; в то же время эндолимфа и покровная мембрана остаются неподвижными.  В результате волоски изгибаются. Это механическое воздействие передаётся апикальной части мембраны, что приводит к открытию натриевых каналов.

В данном случае эти каналы  являются не потенциалзависимыми, а механозависимыми, то есть

вместо сенсора напряжений в белковые молекулы, образующие канал, входят структурные группы, реагирующие на механическое усилие (изгиб).

  Открытие натриевых каналов, как обычно, приводит к деполяризации мембраны, но так как  в мембране волосковой клетки нет потенциалзависимых каналов, то потенциал действия не может возникнуть, а развивается градуальный сдвиг потенциала, который в данном случае называют рецепторным потенциалом (РП).

Величина РП зависит от интенсивности звука. РП распространяется по мембране волосковой клетки. На базальном (нижнем) конце этой клетки имеется синапс с окончанием волокна одного из биполярных нейронов.

Через этот синапс с помощью медиатора возбуждение передаётся на нервное волокно, в котором возникает постсинаптический потенциал, преобразующийся далее в потенциал действия (нервный импульс).  Потенциалы действия по слуховому нерву передаются без декремента в ЦНС.  Таким образом, по типу передачи информации слуховые рецепторы относятся ко вторичночувствующим.

      Волосковые клетки обладают крайне высокой чувствительностью: звуковые колебания, лежащие около порога слышимости, вызывают колебания базальной мембраны с амплитудой порядка нанометра. Такого ничтожного смещения оказывается достаточным, чтобы создать потенциал действия.

      Надо заметить, что характер преобразования звуковых сигналов в потенциалы действия несколько отличается для громких и тихих звуков. Волосковые клетки на базальной мембране сгруппированы в двух полосках – внешней и внутренней.

Во внутренней полоске рецепторных клеток  меньше, и к каждой из них подходит своё нервное волокно . В наружной полоске волосковых клеток во много раз больше, но они объединены в группы по несколько тысяч клеток; к каждой группе подходит только одно общее нервное волокно.

Такое устройство наружной полоски способствует восприятию очень слабых звуков. Дело в том, что при слабых звуках энергия звуковых колебаний сравнима с энергией беспорядочных тепловых флюктуаций («теплового шума»), и на фоне этого шума слабый звуковой сигнал может потеряться.

Однако, между сигналом и шумом есть принципиальная разница. Звуковые колебания, поступающие в орган слуха, исходят от одного источника, поэтому они когерентны, то есть попадают во все рецепторы в одинаковой фазе.

Шум – это хаотические некогерентные колебания; они приходят в разные рецепторные клетки в разных (случайных) фазах.   В теории сложения колебаний доказывается, что если складываются N одинаковых когерентных колебаний с  амплитудой А, то общая  амплитуда  Аобщ равна:

                                            Аобщ = N.А ,

а  если складываются некогерентные колебания, то

                                          Аобщ = .А

Возьмём для примера приближённые, но вполне реальные значения. Пусть  амплитуда рецепторного потенциала в одной клетке 1 мкВ, амплитуда шумового потенциала 10 мкВ, и в группе соединено 2500 волосковых клеток.

Для одной клетки шум в 10 раз больше фона; в таких условиях различение звукового сигнала на фоне шума практически невозможно. Для всей группыобщий потенциал сигнала будет равен 1 мкВ.2500 = 2 500 мкВ = 2,5 мВ; общий потенциал шума  — 10 мкВ. = 10 мкВ.50 = 500 мкВ = 0,5 мВ.

Теперь потенциал сигнала в пять раз больше потенциала шума, и такой звук  будет уверенно воспринят.

      В случае звуков обычной и большой громкости амплитуда сигнала много больше амплитуды шума, поэтому нет надобности в объединении рецепторов. В этом случае работают, в основном, волосковые клетки внутренней полоски.  

Отражение физических параметров звука (частоты и интенсивности)

в характере нервной импульсации, поступающей в ЦНС 

       Интенсивность звука, как и в других рецепторах, отображается частотой следования потенциалов действия, возникающих в нервном волокне. При этом функцией сжатия является логарифмическая функция (закон Вебера-Фехнера):

      ,

где Iо пороговая интенсивность, то есть минимальная интенсивность звука, который человек может услышать при самых благоприятных условиях.  Надо заметить, что для очень слабых и очень сильных звуков от этой формулы наблюдаются заметные отклонения.

Однако, в области звуков средней интенсивности, которые чаще всего встречаются на практике,  закон Вебера-Фехнера (для звуков одной частоты) выполняется достаточно точно.

Однако,при действии звуков разных частот (как это почти всегда бывает на практике) ощущение звука существенно зависит не только от интенсивности, но и от частоты.  

              Отображение частотного состава звука имеет более сложный характер.  Распространение колебаний в улитке сильно зависит от частоты. Когда звуковое колебание через овальное окно попадает в улитку, то как в перилимфе, так и в базальной мембране происходит поглощение энергии колебаний.

Как указано выше, поглощение звука пропорционально квадрату частоты. Поэтому колебания высокой частоты затухают уже в начальной части улитки, недалеко от овального окна, в то время как низкочастотные колебания распространяются до вершины улитки почти без затухания. С другой стороны, существенную роль играют особые свойства базальной мембраны.

Базальная мембрана имеет форму трапеции, одна сторона которой примерно в 10 раз шире другой. Узкая сторона мембраны прилежит к овальному окну, а широкая находится в вершине улитки. Инерция широкой части больше, и она лучше отзывается на колебания низкой частоты.

Кроме того, в разных участках базальной мембраны составляющие её волокна имеют разные вязко-упругие свойства. В силу всех названных причин в разных точках базальной мембраны  колебания одних частот усиливаются, а других частот – ослабляются.

В результате, максимальная амплитуда колебаний базальной мембраны на разных частотах достигается в разных участках мембраны (в точках, по разному удалённых от овального окна).  Для высоких частот амплитуда колебаний мембраны максимальна в начальном участке, а для низких – ближе к вершине улитки.

Это можно непосредственно видеть, если просверлить в височной кости отверстие,  вставить  в него миниатюрный микроскоп и подавать на ухо звуки различных частот. Впервые такой эксперимент проделал лауреат Нобелевской премии венгерский биофизик Г.Бекеши; его результаты наглядно представлены на рис. 4.                    

Источник: https://www.stud24.ru/biology/biofizicheskie-osnovy-sluha/99015-295629-page1.html

Booksm
Добавить комментарий