КАС. Вопрос 1 1 Понятие термодинамической системы
 Скачать 189.82 Kb.
|
3*108 м /с. Основные характеристики звука. Звуком называют упругие колебания, (чаще всего в воздухе), воспринимаемые ухом. Для человека границы звукового диапазона соответствуют частотам примерно от 20 Гц до 20 000 Гц (у разных людей эти границы довольно сильно различаются). Понятие звука неразрывно связано со свойствами органа слуха, причём – именно органа слуха человека. Некоторые животные ощущают колебания с частотой около 10 Гц; другие (летучие мыши, дельфины) – с частотами много выше 20 000 Гц (ультразвуки). Как известно, длина волны связана с частотой соотношением λ = с/ν; где с – скорость волны. Например, скорость звука в воздухе 340 м/c, поэтому при частоте 20 Гц длина волны равна 340/20 = 17 м; при частоте 20 000 Гц - в 1000 раз меньше, то есть 17 мм. Как видно, длина звуковых волн сравнима с размерами окружающих нас предметов, поэтому для звука большое значение имеет дифракция, то есть звуковые волны огибают встречающиеся на их пути предметы.9 Звуковые волны всегда распространяются в какой-то среде. В газах и жидкостях эти волны продольные, то есть молекулы среды колеблются вдоль направления распространения волны. (Отсюда, кстати, следует, что для звука не существует явления поляризации). Эти колебания приводят к тому, что в одних точках возникает сгущение молекул, приводящее к локальному повышению давления, а в других точках - разрежение (понижение давления). Таким образом, звуковая волна – это распространение в воздухе (или в другой среде) колебаний давления. В простейшем случае эти колебания могут быть гармоническими (в музыке такие колебания называют чистыми тонами). Гармоническое звуковое колебание выражается формулой: Δр = р – рo = Δрmax.cosωt, где Δр – разность между давлением в данной точке волны и давлением в невозмущённой среде (практически – атмосферным давлением). Величину Δр называют звуковым давлением. На практике почти все звуки являются сложными колебаниями, форма которых далека от синусоиды. Однако, по формуле Фурье сложное колебание можно разложить в гармонический спектр, то есть представить как сумму простых (гармонических) колебаний; поэтому свойства сложных звуков можно, в основном, свести к свойствам гармонических колебаний. Другой важнейшей характеристикой звука является его интенсивность. Интенсивность звука (как и любой волны) – это физическая величина, равная энергии, переносимой волной через единичную площадку, перпендикулярную направлению распространения волны, за единицу времени. Так как энергия, переносимая за единицу времени – это мощность, можно сказать и так: интенсивность – это мощность, переносимая волной через единицу площади. Общее представление о работе органа слуха. Звуковые колебания, попадая в ухо, воздействуют на барабанную перепонку, замыкающую наружный слуховой проход. Колебания барабанной перепонки через систему косточек (молоточек, наковальня и стремечко) передаются в заполненную жидкостью полость улитки. Вдоль этой полости расположена перепонка из соединительной ткани – базилярная мембрана. 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 тонкие выросты, напоминающие волоски. К основаниям волосковых клеток подходят нервные волокна, образующие с клетками синапсы. Когда под воздействием звука жидкость в улитке колеблется, волоски рецепторных клеток изгибаются. Это механическое воздействие открывает находящиеся в мембране натриевые каналы. Ионы натрия идут в клетку, и на мембране волосковой клетки возникает положительный сдвиг потенциала11 (рецепторный потенциал), величина которого зависит от интенсивности звука. Сдвиг потенциала передаётся через синапс на нервное волокно, в котором возникает уже серия потенциалов действия; эти потенциалы действия (нервные импульсы) через несколько промежуточных синапсов поступают в слуховой центр коры головного мозга. Вопрос №31. По определению, звуком называются упругие колебания, воспринимаемые ухом. Отсюда ясно, что и принципиально, и практически никакие измерения звука невозможны без учёта особенностей органа слуха. Самый простой пример: колебания с частотой 30 кГц могут быть очень громкими для летучей мыши, в то время как для человека их громкость равна нулю. Поэтому, говоря о параметрах звука, приходится различать два ряда величин: А. Физические характеристики звука, не зависящие от органа слуха Б. Психофизические (субъективные) характеристики, учитывающие свойства органа слуха. Набор этих величин и связь между ними удобно представить в виде такой таблицы: ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗВУКА . Физические характеристики Психофизические характеристики 1. Частота колебаний [Гц] 1. Высота тона 2. Гармонический спектр 2. Тембр звука 3. Интенсивность звука I 3. Громкость звука [сон] Первые две позиции не нуждаются в особых пояснениях. Надо только заметить, что высота тона связана с частотой тоже логарифмическим соотношением; по-другому можно выразиться так: при росте частоты в геометрической прогрессии высота тона увеличивается в арифметической прогрессии. Для сложных звуков высота звука определяется, в основном, частотой первой гармоники. В этом случае субъективное ощущение высоты звука может зависеть и от соотношения интенсивностей разных гармоник По спектру все звуки разделяются на тоны и шумы. Тонами называют звуки, имеющие линейчатый спектр, то есть достаточно строго периодические. Звуки со сплошным спектром, не имеющие определённого периода, называют шумами. К тонам, в частности, относятся гласные звуки речи и звуки музыкальных инструментов; к шумам – согласные и звуки ударных инструментов. Интенсивности звука в субъективном восприятии соответствует громкость. Однако, непосредственно установить соотношение между интенсивностью и громкостью не удаётся; приходится вводить вспомогательные величины – уровень интенсивности и уровень громкости. Понятие уровня интенсивности учитывает сформулированный выше закон Вебера-Фехнера о логарифмической зависимости между частотой нервной импульсации и интенсивностью звука. Уровнем интенсивности называется величина L. Единицей уровня интенсивности является децибел [дБ];(приставка “деци” напоминает о значении коэффициента, то есть В определении понятия уровня интенсивности в какой-то мере отражены биофизические закономерности (конкретно – закон Вебера-Фехнера). Однако, сам по себе уровень интенсивности ещё не соответствует тому субъективному ощущению, которое вызывает тот или иной звук, так как это ощущение в значительной мере зависит и от частоты звука. Например, для большинства людей одинаково громкими будут ощущаться тоны с частотой 30 Гц и интенсивностью 65 дБ и 1000 Гц, 20 дБ, несмотря на то, что уровни интенсивности у них резко различны. Поэтому было введено второе понятие - уровень громкости, единицей которого является фон (фоны иногда называют децибелами громкости). При определении этого понятия исходят именно из субъективного восприятия звука. При этом измеряемый звук сравнивают со звуком с частотой 1000 Гц (её называют «стандартной частотой»). Практически это делается таким образом. Надо иметь генератор звука с частотой 1000 Гц; уровень интенсивности этого звука можно менять. Чтобы определить уровень громкости измеряемого звука, сравнивают этот звук со звуком генератора. Изменяя уровень интенсивности «стандартного» звука, добиваются, чтобы оба звука «на слух» ощущались одинаково громкими. Пусть, например, это имеет место при уровне интенсивности «стандартного» звука 55 дБ. Тогда уровень громкости измеряемого звука равен 55 фон. Исходя из описанной процедуры, можно дать такое определение: уровнем громкости некоторого звука (в фонах) называется величина, равная уровню интенсивности такого звука со «стандартной» частотой 1000 Гц, который воспринимается одинаково громким с данным звуком. Из этого определения видно, что уровень громкости – субъективная величина, то есть одному и тому же звуку разные люди могут приписать разные значения уровня громкости, поскольку нет двух людей с абсолютно одинаковым слухом. Чтобы уменьшить степень субъективности и облегчить расчёты, были определены так называемые кривые равной громкости (изофоны). Для этого большой группе людей предъявляли звуки разной частоты и интенсивности, и полученные значения уровня громкости усреднялись по всем испытуемым. В результате был построен график, пользуясь которым по заданному уровню интенсивности в дБ можно определить уровень громкости звука. Чаще всего для оценки звука пользуются именно понятием уровня громкости. Однако, иногда предпочитают использовать другую величину – громкость, измеренную в единицах, называемых “сон”. Принято, что уровню громкости 40 фон соответствует громкость 1 сон. При изменении уровня громкости на 10 фон громкость изменяется в 2 раза. Для диагностики состояния органа слуха используют специальный прибор - аудиометр. С помощью этого прибора фактически определяют кривые равной громкости в соответствии с процедурой, рассмотренной выше. Однако, большинство аудиометров устроены таким образом, что они показывают не саму величину уровня громкости подаваемого звука у данного пациента, а отклонение этой величины от «стандартного» значения (то есть от соответствующего значения по кривым равной громкости для здоровых людей). Поэтому для человека с «абсолютно нормальным» слухом кривая, полученная на аудиометре, (аудиограмма) будет прямой линией. Практически абсолютно нормального слуха не бывает; у всех людей наблюдаются те или иные отклонения. Если эти отклонения не превышают 10-15 фон (децибел громкости), их обычно считают несущественными. Более значительные отклонения могут указывать на заболевание органа слуха. Важно выявить, на каких частотах наблюдаются эти отклонения. При одних заболеваниях понижается слух (повышается порог слухового восприятия) на всех частотах, при других – преимущественно на низких, при третьих – на высоких. Эти данные имеют большое диагностическое значение. Вопрос №32. Рецепторный аппарат глаза человека. Различают оптическую (преломляющую) систему глаза, формирующую изображение видимых предметов, и рецепторный аппарат – сетчатку. В последней находятся фоторецепторные клетки – колбочки и палочки. Примерно половина объёма этих клеток занята внутренними мембранами (дисками), содержащими особый интегральный белок (зрительный пигмент). В палочках он называется родопсин, а в колбочках - иодопсин. Родопсин состоит из белка опсина, к которому присоединена группа, называемая ретиналь. Опсин обладает свойствами фермента, но пока к нему присоединён ретиналь, опсин этих свойств не проявляет (он не активен). Структура иодопсина аналогична, но белок в нём несколько отличается по составу. Ретиналь по своей химической природе очень близок к витамину А, из которого он и синтезируется в организме; поэтому недостаток витамина А может вызвать нарушения зрения. Когда на рецепторную клетку попадает квант света, он поглощается ретиналем. Энергия кванта вызывает перестройку ретиналя, и он отрывается от опсина. При этом белок (опсин) активируется и катализирует синтез медиатора пока ещё не известной природы. Медиатор воздействует на наружную мембрану рецепторной клетки, изменяя её проницаемость для ионов натрия, в результате чего на мембране возникает сдвиг потенциала (рецепторный потенциал). Величина рецепторного потенциала зависит от числа квантов, одновременно попавших в рецептор. Через синапсы этот РП преобразуется в потенциалы действия, частота которых тем больше, чем больше был рецепторный потенциал. Эти ПД по волокну зрительного нерва передаются в зрительный центр мозга, где и происходит восприятие света. Различия между дневным и сумеречным зрением. При хорошей освещённости (днём) работают, в основном, колбочки, а при малой освещённости (в сумерки) – в основном палочки, то есть порог восприятия света у палочек значительно ниже, чем у колбочек. Зато разрешающая способность (способность различать близко расположенные предметы) у колбочек много выше, чем у палочек. Так как высокая разрешающая способность нужна, в первую очередь, в центре поля зрения, в20 центральной части сетчатки преобладают колбочки, а на периферии – палочки. При недостаточном освещении преобладает палочковое зрение, поэтому при определении остроты зрения таблица должна быть хорошо освещена, иначе можно сделать существенную ошибку. Механизм цветового зрения. Цветовое зрение присуще только колбочкам; изображение, даваемое палочками, одноцветно. Это объясняется тем, что все палочки одинаковы, а колбочек существует три типа; точнее, имеются три вида иодопсина с разными спектрами поглощения. Поэтому у одних колбочек максимум поглощения света лежит в синей части спектра, у других – в зелёной и у третьих – в красной . В зависимости от спектра света, падающего на данный участок сетчатки, соотношение сигналов, поступающих в зрительный центр, будет разным, что и даёт субъективное ощущение цвета. 33. Основы фотометрии. Относительной спектральной чувствительности. Основные фотометрические величины: сила света, яркость, освещенность, единицы их измерения. Связь между этими величинами. Область электромагнитных волн, воспринимаемых глазом, называют светом. Свет-это очень узкий диапазон в огромной совокупности ЭМВ. Человек ощущает ЭМВ только в области длин волн от 400 до760 нанометров (0,4-0,76 мкм). Тем не менее, именно с помощью зрения мы получаем основную часть информации об окружающем мире. С чисто физической точки зрения для измерения любого излучения используются энергетические. характеристики: мощность, поток, интенсивность и др. Но легко понять, что такой подход не годится для измерения света; по самому смыслу понятия "свет" нельзя проводить никаких его измерений не учитывая свойств глаза , (причём именно человеческого, так как у многих животных диапазон воспринимаемых длин волн отличен от нашего). Скажем, какова бы ни была мощность инфракрасного излучения, для нашего глаза она равна нулю - глаз ИК - лучи не ощущает. Относительная спектральная световая эффективность глаза Относительная спектральная световая эффективность глаза Основной характеристикой восприятия света глазом является относительная спектральная световая эффективность. Максимум чувствительность на зелёный свет 555 нм. Эта разница объясняется наличием в глазу двух типов фоторецепторных клеток - палочек и колбочек. Для измерения любого излучения можно воспользоваться приёмником, полностью поглощающим лучи всех длин волн, то есть обладающим свойствами абсолютно чёрного тела. К основным энергетическим характеристикам относятся: 1.Поток излучения (поток энергии) F э . Это -величина энергии излучения, переносимая через данную площадку за единицу времени : Fэ = W/t. Можно сказать короче: поток излучения - это мощность излучения, переносимая через данную площадку : Fэ= Р изл. Размерность Fэ - 1 ватт . 2. Энергетическая сила света I э. Большинство источников света испускают излучение не во все стороны равномерно, а имеют определённую диаграмму направленности. При этом результат облучения сильно зависит от того, в каком телесном угле распространяется излучение Это - величина, равная отношению потока излучения к тому телесному углу W , в пределах которого распространяется данный поток: F э I э = ------ W Размерность энергетической силы света - 1 ватт/ср телесный угол. W = S/R2 Если излучение идёт во все стороны, S равно площади поверхности сферы 3.Энергетическая яркость Lэ. Представьте себе, например, две лампы, - лампочку накаливания и люминесцентный светильник. От обеих ламп в глаз попадает одинаковое количество энергии, но ощущение будет совершенно разное: на люминесцентную лампу можно спокойно глядеть, а на лампу накаливания не только неприятно смотреть. Причина разницы очевидна: площадь нити накаливания во много раз меньше площади поверхности светящейся трубки люминесцентного светильника. Исходя из таких соображений вводится величина, называемая энергетической яркостью .Это- величина, равная отношению энергетической силы света источника излучения к площади его поверхности: Iэ F э L э = ----- = ---------- S изл W S изл Размерность энергетической яркости 1 ватт/ср*м2 4. Энергетическая освещённость Еэ. Это- величина, равная отношению потока излучения, падающего на какую-то площадку к площади этой площадки: Еэ = F э/ S Размерность энергетической освещённости - 1 ватт/м2 . Основу этой системы составляют тоже четыре величины: световой поток Ф, сила света I, яркость L и освещённость Е (без эпитета и значка "энергетический"), в определениях которых учтена спектральная световая эффективность глаза V( λ 0). По техническим причинам в основу этой системы был положен эталон силы света. Принятая на основании этого эталона единица силы света называется 1 кандела, кд . ( по русски - свеча). Световым потоком Ф . называют мощность излучения,оцениваему по создаваемому им световому ощущению. 5. Яркость- это величина силы света, испускаемого с единицы поверхности излучателя: L= Ф/ Sизл Единица яркости –нит. 1 Нит = кд/м2 6.Освещённость- величина, равная световому потоку, падающему на едиицу площади:Е = Ф/S Единица освещённости - 1 люкс, лк; лк = кд 5. 1ср/м2 Часто бывает полезна формула, связывающая освещённость в какой-то точке А с силой света источника I. Если расстояние до источника R, а угол падения лучей α,то I Е = -------- cos α R2 34. Строение органа слуха. Роль вспомогательного аппарата органа слуха. Рецепторный аппарат (кортиев орган); слуховые рецепторные клетки. Биофизические процессы, происходящие при восприятии звука. Строение уха Здесь приводятся только некоторые сведения, без которых трудно изложить биофизику слуха. 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, которое вызывает колебания барабанной 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 . 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 . На ней располагается рецепторный аппарат уха – кортиев орган. 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 потенциал зависимых 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. 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  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 группы общий 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. 35 Энергия, переносимая волной. Интенсивность волны и поток. При образовании волны энергия от источника волн непрерывно переходит в энергию самой волны (в электромагнитных волнах - в энергию электрического и магнитного полей; в звуковой волне-в энергию упругих колебаний молекул воздуха и т.д.). Поэтому можно сказать, что любая волна переносит энергию. Энергия, которую содержит электромагнитное поле в расчёте на единицу объёма, равна:  Первый член отображает энергию электрической составляющей ЭМП, второй - энергию магнитной составляющей. Так как в электромагнитной волне энергия электрического поля постоянно переходит в энергию магнитного поля и наоборот, средние значения энергии обоих полей будут одинаковы:Wэл=Wмагн.Отсюда следует,что  или  (для вакуума Н |