Лабораторная работа 1. Определение порогов слышимости с помощью аудиометра цели данной работы
 Скачать 0.58 Mb.
|
Лабораторная работа №1.ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОРОГОВ СЛЫШИМОСТИС ПОМОЩЬЮ АУДИОМЕТРА Цели данной работы: 1. На этапе подготовки – изучение вопросов о природе и физических характеристиках звука, о возможностях и принципах работы органов слуха. 2. Практический этап – определение индивидуальных особенностей Вашего слуха на пороге слышимости с помощью аудиометра. 1. Общие сведения о звуке. Работающий источник звука создает в прилегающем воздухе дополнительный вид движения – колебания. Каждый воздушный слой, уже охваченный колебаниями, становится «возмутителем спокойствия» для смежных областей, в которых колебания еще не начались. Поверхность, разделяющая в данный момент времени уже охваченную и еще не охваченную колебаниями среду, называется фронтом волны. Во всех точках такой поверхности после ухода фронта волны устанавливаются колебания, одинаковые по фазе. Луч – это перпендикуляр к фронту волны. Более привычны для нас световые лучи, но в акустике понятие «луч» не менее продуктивно. Акустические лучи, подобно световым, прямолинейны в однородной среде, отражаются и преломляются на границе раздела двух сред. Скорость звука – это скорость перемещения фронта звуковой волны. При этом важно понимать, что частицы вещества в среднем остаются там же, где и были до появления звука. Скорость звука – это по сути скорость передачи возмущения от одних частиц к другим, но не скорость переноса вещества. Звуковые волны в газах и жидкостях относятся к категории продольных волн. Это означает, что молекулы совершают колебания вдоль лучей, т.е. колеблются вдоль направления распространения звука. В твердых телах взаимодействие частиц друг с другом имеет более всеобъемлющий характер, а потому возможно распространение как продольных, так и поперечных волн. Ударяя молотком по рельсу, мы провоцируем возникновение колебаний как поперек рельса, так и вдоль него. Частота колебаний в звуковых волнах определяется частотой колебаний источника, а скорость звука от частоты не зависит (опытный факт). Однако колебания высокой частоты затухают быстрее низкочастотных, в связи с чем акустические колебания вблизи источника звука и звук, достигающий наших ушей, могут иметь отличия. Величина, обратная частоте колебаний , называется периодом колебаний Т:  ;  Период колебаний – это длительность одного полного цикла колебаний. Длина волны – это расстояние λ, на которое смещается фронт волны (его скорость – это скорость звука ν) за время, равное периоду колебаний Т: λ =νТ Длина волны – это характеристика, очень удобная для анализа процессов интерференции и дифракции. На концах отрезка луча протяженностью λ происходят совершенно одинаковые по фазе колебания: на одном конце такого отрезка они возникли на время Т раньше, чем на другом. В вопросах интерференции многое становится гораздо проще, если расстояния измерять не в метрах-сантиметрах, а в длинах волн. Посмотрим, как работает такой эталон длины при обсуждении ситуации на входе в наружный слуховой проход. Он имеет длину L ≈ 25мм. На входе в этот проход накладываются друг на друга две волны: прямая волна от источника и волна, отраженная от барабанной перепонки на дне слухового прохода. Если отраженная волна на пути до перепонки и обратно проходит путь λ, то она усилит прямую волну, поскольку они обе будут иметь одинаковую фазу. Принимаем к сведению, что при отражении имеет место эффект, именуемый «потеря полуволны». Он проявляется в том, что факт отражения равноценен прохождению волной расстояния /2. Тогда еще полволны – это путь 2L туда и обратно, и взаимное усиление прямой и отраженной волн произойдут, если λ/2 = 2L, т.е. λ = 4L = 100мм = 0,1м. При скорости звука в воздухе ν = 330м/с, длине волны λ = 0,1м соответствует период распространяемых колебаний Т = /ν =  с, а частота = 3300 Гц = 3,3 кГц.Наш результат можно кратко сформулировать так: на частоте 3,3 кГц и на частотах, близких к этому значению, волны, идущие в направлении барабанной перепонки, усиливаются волнами, достигшими перепонку чуть раньше и отразившимися от нее. Благодаря такому усилению (оно называется акустическим резонансом) колебания перепонки будут происходить с большей амплитудой. Наш результат хорошо соответствует тому известному факту, что человек имеет наибольшую остроту слуха именно в окрестностях частоты 3 кГц. Наибольшая острота слуха у мужчин – в среднем на частоте 4 кГц, а у женщин – в диапазоне от 4 до 6 кГц. При этом, разумеется, имеет значение индивидуальная протяженность слухового прохода. Параметр «длина волны» имеет следующую особенность: если волна переходит из одной среды в другую, то значение длины волны меняется. Так, если скорость звука в воздухе составляет 330 м/с, а в воде – 1480 м/с, то при переходе из воздуха в воду значение длины волны возрастает почти в пять раз. Однако наше восприятие звука при этом не изменится. Аналогично обстоят дела и со световыми волнами при их переходе из одной среды в другую. 2. Энергетические характеристики звука. В «неозвученном» воздухе молекулы совершают хаотическое тепловое движение. При нормальных условиях (атмосферное давление р0 = 760 мм рт. ст., температура воздуха t = 00С) средняя скорость молекул в их хаотическом движении – порядка 500 м/с. При появлении звуковой волны у молекул воздуха появляется дополнительный вид движения – упорядоченные колебания. Энергетические показатели этого вида движения весьма скромны. Максимальная скорость молекул в их упорядоченных колебаниях – величина порядка миллиметров в секунду даже для весьма громкого звука. Однако пренебречь этими движениями молекул – значило бы пренебречь звуком. Аналогично положение дел с движением электронов в проводнике с током. Их скорость упорядоченного дрейфа в электрическом поле проводника – тоже порядка миллиметров в секунду. Мы убеждаемся, что наше речевое общение – это общение с очень низким уровнем энергозатрат. Так, мощность, развиваемая человеком при разговоре нормальной громкости составляет 10-5 Вт. Если начинает работать источник звука, то энергия колебаний источника постепенно становится энергией колебаний все большего и большего числа частиц «озвучиваемой» среды. От источника звука в окружающую среду устанавливается поток энергии. Плотность этого потока – величина I, измеряемая в джоулях на квадратный метр в секунду; или, что то же самое, в ваттах на квадратный метр:  . Такая характеристика доступна для измерений с помощью акустических приборов и называется, применительно к звуку, интенсивностью звука.Наряду с интенсивностью I нашла применение другая характеристика – акустическое давление - ∆p. Речь идет о дополнительном давлении, избыточном по отношению к атмосферному и обусловленном дополнительным видом движения молекул – их колебанием. Единица измерения акустического давления, как и любого другого – паскаль: 1 Па = 1 Н/м2; связан с миллиметром ртутного столба следующим образом: 1 мм рт. ст. = 133 Па. Интенсивность звука и акустическое давление связаны между собой. Но тут есть одна тонкость: энергия от источника передается непрерывным потоком, а потому интенсивность звука I – величина постоянная, чего не скажешь об акустическом давлении, которое непрерывно меняется по гармоническому закону. Если иметь в виду эффективное давление ∆pэф, соответствующее показаниям обычного инерционного измерителя давления, то ∆pэф =  ;  Здесь V – скорость звука; ρ0 – плотность «неозвученной» среды. Амплитудное значение акустического давления: ∆Рmax = ∆Рэф  Возможности нашего слуха поразительны. На частоте 1000 Гц среднестатистический человек воспринимает звуки в диапазане интенсивностей от минимального значения I0 = 10-12 Вт/м2 (порог слышимости) до порога болевого ощущения, для которого I = 10+1 = 10 Вт/м2. Эти значения интенсивности отличаются друг от друга в 1013 раз! Для сравнения: в 1013 раз отличаются друг от друга значения масс m1 = 0,01 мг и m2 = 100 тонн. Универсальные весы, рассчитанные на такой диапазон, немыслимы. А вот наш слух и наше зрение – работают. При работе с величинами, способными отличаться друг от друга на много порядков, целесообразно перейти от этих чисел к их логарифмам. Единица измерения интенсивности звука в логарифмической шкале называется белом (в честь Белла, изобретателя телефона). Но практически более удобной оказалась единица, в 10 раз меньшая – децибел. Интенсивность звука I, измеренная в Вт/м2, и интенсивность Е, измеренная в децибелах, связаны следующим образом: Е = 10 lg I/I0 (1) Логарифмировать можно лишь безразмерные величины, поэтому под знаком логарифма – не величина I, а дробь, в знаменателе которой – интенсивность I0 звука на пороге слышимости. Для звука с частотой = 1000 Гц она принята равной I0 = 10-12 Вт/м2, что соответствует среднестатистической норме. Приведем примеры использования децибельной шкалы. Если звук имеет интенсивность I = 10-5 Вт/м2, то в децибелах это будет: E = 10 lg  = 10 lg 107 = 107 = 70 дБЕсли человек имеет повышенную остроту слуха и способен слышать звуки более тихие, чем среднестатистический порог слышимости I0: например I = 10-14 Вт/м2, то в децибельной шкале такой сверхтихий звук имеет уровень интенсивности: E = 10 lg  = 10 lg 10-2 = 10(-2) = -20 дБПорогу болевых ощущений соответствует уровень интенсивности 130 дБ. Кстати, звуки, интенсивность которых превосходит 130 дБ, как звуки нами уже не воспринимаются. Звуку I = I0 соответствует уровень интенсивности Е = 0 дБ. Приводим сведения об уровнях интенсивности звука в некоторых частных ситуациях:
3. Ухо Когда звуковые колебания приходят к нам по воздушной среде, можно говорить о работе нашего органа слуха по каналу воздушной проводимости: наружное ухо – среднее ухо – внутреннее ухо. Но когда мы произносим звуки, мы слышим собственную речь в основном по каналу костной проводимости; вклад звуковых колебаний, приходящих кружным путем через воздушную среду, почти нулевой. Канал костной проводимости таков: колебания стенок носоглотки – кости черепа – вход во внутреннее ухо. Если мы, нырнув, что-то слышим под водой, то мы слышим по каналу костной проводимости; канал воздушной проводимости оказывается заблокированным. Заметим, кстати, что мы слышим сами себя не совсем так, как нас слышат другие. В этом легко убедиться, записав разговор на магнитофон. При прослушивании записи голоса Ваших собеседников будут звучать как обычно, и только Ваш голос будет звучать «не так»: обнаружится, что Ваш голос звучит немножко выше, чем Вы привыкли считать. Это объясняется тем, что высокочастотные компоненты произносимых нами звуков возникают в основном на выходных участках голосового аппарата и передаются в механизм костной проводимости слабее, чем низкие частоты. Говоря об остроте слуха, мы в обиходе имеем в виду возможности нашего канала воздушной проводимости звука. Если этот канал работает безукоризненно, то можно быть уверенным, что и с каналом костной проводимости все в порядке. Однако такое благополучие бывает не всегда. Потеря слуха по каналу воздушной проводимости не означает переход в категорию глухих: если кортиев орган внутреннего уха – в порядке, то выручит слуховой аппарат. Рассмотрим цепочку преобразований звуковых колебаний по воздушному каналу. Наружное ухо: ушная раковина, слуховой проход, барабанная перепонка. Ушные раковины играют определенную роль, когда мы определяем, откуда исходит звук. Но многие животные используют ушные раковины гораздо эффективнее, чем мы. По слуховому проходу звук передается на барабанную перепонку, вызывая ее вынужденные колебания. Как мы убедились, глубина этого прохода оказывает влияние на остроту нашего слуха. Среднее ухо тоже заполнено воздухом; полость среднего уха сообщается с наружной атмосферой через евстахиеву трубу, выходящую в носоглотку. Однако передача звуковых колебаний в среднем ухе осуществляется не по воздуху, а через миниатюрную механическую систему косточек-рычагов: молоточек, наковальня, стремечко. Дальше по ходу цепочки преобразований следует внутреннее ухо, заполненное жидкостью. Прямая передача звуковых колебаний из воздушной среды в жидкую была бы крайне неэффективной: на границе «воздух-жидкость» звук отразился бы на 99,9%, и лишь чуть больше 0,1% энергии колебаний передалось бы в жидкость. Для эффективной работы органа слуха в целом, колебания барабанной перепонки необходимо не только передать в жидкость внутреннего уха, но и дополнительно усилить. Система косточек среднего уха – это механическая система рычагов, выполняющая функции усилителя колебаний. В любой системе рычагов выполняется «золотое правило механики»: каков проигрыш в перемещении, таков выигрыш в силе. Следуя этому правилу, система косточек – рычагов среднего уха способна обеспечить 26-кратное повышение давления в жидкости среднего уха, в сравнении с тем акустическим давлением, которое действует на барабанную перепонку. Вместе с тем, коэффициент усиления этой миниатюрной механической системы не является константой. Косточки среднего уха имеют совокупность связок, сухожилий и мышц. Сокращение этих мышц происходит рефлекторно в тех случаях, когда поступает звук чрезмерной интенсивности. Усилительный механизм косточек отказывается усиливать колебания, которые и без того слишком сильны. Такова защита внутреннего уха от акустических перегрузок. Внутреннее ухо. С точки зрения слуха, во внутреннем ухе нас интересует кортиев орган и один из каналов лабиринта, ведущий к нему. В жидкости, заполняющей каналы внутреннего уха, устанавливаются колебания, пришедшие сюда как по воздушной, так и по костной системе звукопроведения. Кортиев орган преобразует эти колебания в электрические импульсы и отправляет их в центральную нервную систему на подсознательный и сознательный анализ. Рецепторами акустических колебаний являются волосковые клетки кортиева органа. Эти клетки помещаются на базилярной мембране, а их волоски соприкасаются с покровной мембраной. Пространство между этими мембранами заполнено перилимфой. Данная слоистая структура обеспечивает всю полноту наших ощущений в мире звуков. Каждому значению частоты акустических колебаний соответствует своя зона, свой участок структуры, в пределах которого имеет место резонансное усиление деформаций мембран и, как следствие, возбуждение волосковых клеток, расположенных на этом участке. Таким образом, волосковые клетки различного расположения имеют различную специализацию по частоте колебаний, на которые они реагируют. Кортиев орган, благодаря особенностям строения, осуществляет спектральный анализ звуков. В диапазоне частот наибольшей остроты слуха мы способны различать значения частоты, отличающиеся на 0,3% 4. Особенности слуха. Аудиометрия. Наше ухо воспринимает как звук колебания, частота которых – в диапазоне 16 Гц – 20 кГц. Колебания с частотой ниже 16 Гц называются инфразвуком; колебания той же природы, что и звук, но с частотой больше, чем 20 кГц, называются ультразвуком. В пределах диапазона слышимости острота нашего слуха весьма неодинакова. Как уже отмечалось, мы лучше всего слышим на частоте около 3000 Гц и, можно сказать, ничего не слышим на границах этого диапазона. На рисунке приведены кривые, показывающие, при каких звуковых нагрузках возникают два вида слуховых ощущений, имеющих красноречивые названия «порог слышимости» и «порог болевых ощущений». По нижней кривой видно, что на частоте 3000 Гц ощущение звука на пороге слышимости возникает при нагрузке 0 дБ (т.е. 10-12 Вт/м2), а на частоте 50 Гц такое ощущение возникнет, если уровень громкости звука будет 50 дБ.  Кривые на рисунке показывают, каковы, в принципе, особенности слуха среднестатистического человека: какие частоты мы слышим лучше, какие – хуже, и т.п. Однако у каждого из нас острота слуха на разных частотах индивидуальна, и диапазон слышимых частот – тоже. Как правило, не одинаковы характеристики левого и правого уха. При решении вопросов профессионального отбора к остроте слуха предъявляются определенные требования. Если критерии отбора не жесткие, то качество слуха бывает достаточно оценить по простой двухуровневой шкале «слышит – не слышит»: врач произносит шепотом какие-то числа, а мы стараемся их расслышать и повторить. Ясно, что во многих случаях такие оценки удовлетворить не могут. Детальное изучение индивидуальных особенностей слуха на пороге слышимости осуществляется с помощью специальных электронных приборов – аудиометров. Главный блок аудиометра – генератор электрических колебаний звуковых частот. Генератор способен создавать колебания на ряде фиксированных значений частоты (1; 2;...). Общий диапазон частот этого ряда – обычно от 125 Гц до 10 кГц. Интенсивность колебаний на любой частоте может плавно меняться, с контролем уровня громкости по децибельной шкале. Электрические колебания, созданные генератором, могут создавать звуковые колебания в двух вариантах: а) При исследованиях остроты слуха по каналу воздушной проводимости ток от генератора подается на динамики наушников, с переключениями «левое ухо – правое ухо». б) При исследованиях по костной проводимости ток от генератора подается на вибратор, прислоняемый к голове и создающий звуковые колебания в костях черепа без посредничества воздушной среды. В аудиометрах обычно предусмотрена дополнительная возможность исследовать остроту слуха на фоне непрерывных или прерывистых шумовых помех различной интенсивности. Эти дополнительные возможности обеспечиваются работой дополнительного генератора электрических колебаний – генератора шумов. Интенсивность шумов можно плавно менять, контролируя интенсивность по децибельной шкале. 5. Описание установки. Порядок выполнения работы. Аудиометр, используемый в данной работе, обеспечивает проверку остроты слуха по воздушной или костной проводимости, при наличии или отсутствии шумовых помех различного спектра и интенсивности в диапазоне частот от 125 до 10000 Гц. Ваша задача – определить остроту собственного слуха по воздушной проводимости, при полном отсутствии шумовых помех, по левому и правому уху. Данные по обоим ушам фиксируются на одном бланке аудиограммы. В отчете представляется аудиограмма и ваши собственные выводы по ней: а) по поводу остроты слуха в целом б) по отличиям порогов слышимости левого и правого уха на различных частотах. Измерения остроты слуха производятся при полной тишине в аудитории. В клинической практике пациент, одев наушники или прислонив к голове вибратор, никаких переключений в приборе не производит, и лишь сообщает врачу о своих слуховых ощущениях. Следуя этой норме, каждый в студенческой бригаде, выполняющий эту работу, получает возможность побыть как врачом, так и пациентом. Д  ля включения прибора необходимо включить сетевой шнур в розетку электрической сети и нажать кнопку 1. Прибор готов к работе практически сразу после этого.Ряд кнопок 2 предназначен для установки различных режимов шумового фона и в данной работе не используется. Бланк аудиограммы и шкала на горизонтальной панели прибора идентичны. Начальное положение переключателя уровней громкости 3 – дальнее от Вас (-10 дБ), а не такое, как на рисунке. Начальное положение переключателя частоты 4 – левое (125 Гц). Из двух внешне одинаковых переключателей 4 Вам требуется дальний от Вас (ближний – для работы с шумами – не используется). На панели прибора, в верхней части шкалы – два маленьких переключателя – 5 обеспечивают переключение генератора на левое или правое ухо. Слева от шкалы на панели Вы увидите кнопку, обозначенную (+ 10 дБ). При ее нажатии уровень громкости меняется на 10 дБ при неизменном положении переключателя 3. Используйте ее, когда будете «ловить» пороги слышимости. На каждом значении частоты необходимо плавными переключениями уровня громкости добиться появления минимальной слышимости, т.е. определить порог слышимости, и нанести на бланк точку на пересечении соответствующих линий. Точки по каждому уху соединяются плавными кривыми, «от точки к точке», т.е. без усреднения. После того, как все члены бригады аттестованы по остроте слуха, переключатели необходимо установить в начальное положение. Контрольные вопросы. Работа №1. Определение порогов слышимости с помощью аудиометра.
Автор - Сидоров В.П. | |||||||||||||||||||||||||||||