Интенсивность отраженной волны зависит от коэффициента отражения.

Коэффициент отражения (r) – величина, равная отношению интенсивностей отраженной и падающей волн:

r = I_отр/I_пад. (3)

При нормальном падении коэффициент r рассчитывается по формуле:

r = [(R_a2 – R_a1)/(R_a2 + R_a1)]² . (4)

Интенсивность преломленной волны зависит от коэффициента пропускания.

Коэффициент пропускания () – величина, равная отношению интенсивностей прошедшей (преломленной) и падающей волн:

 = I_прош/I_пад.

Таблица. Скорость звука и акустическое сопротивление для

некоторых веществ и тканей человека

При нормальном падении коэффициент  рассчитывается по формуле

 = 4(R_a1/R_a2)/( R_a1/R_a1 + 1)². (5)

Коэффициент , выраженный в процентах, на границе воздуха с водой и бетоном равен, соответственно: _ВОДA = 0,122%, _БЕТОН = 0,037%.

Из соотношений (4) и (5) видно, что чем меньше различаются волновые сопротивления сред, тем меньшая доля энергии отражается на границе раздела. В частности, если сопротивления равны, то при нормальном падении волны отражения вообще не происходит.

Отметим, что сумма коэффициентов отражения и преломления равна единице, а их значения не зависят от того порядка, в котором звук проходит данные среды. Например, для перехода звука из воздуха в воду значения коэффициентов такие же, как для перехода в обратном направлении.

д) Уровень интенсивности. При сравнении интенсивности звука удобно пользоваться логарифмической шкалой, то есть сравнивать не сами величины, а их логарифмы. Для этого используется специальная величина – уровень интенсивности (L):

L = lg(I/I₀) L = 2lg(P/P₀). (6)

Единицей измерения уровня интенсивности является – бел, [Б].

Логарифмический характер зависимости уровня интенсивности от самой интенсивности означает, что при увеличении интенсивности в 10 раз уровень интенсивности возрастает на 1 Б.

Один бел большая величина, поэтому на практике используют более мелкую единицу уровня интенсивности – децибел [дБ]: 1 дБ = 0,1 Б. Уровень интенсивности в децибелах выражается по следующим формулам:

L_ДБ = 10lg(I/I₀); L_ДБ = 20lg(P/P₀).

Если в данную точку приходят звуковые волны от нескольких

некогерентных источников, то интенсивность звука равна сумме интенсивностей всех волн:

I = I₁ + I₂ + ... (7)

Для нахождения уровня интенсивности результирующего сигнала используется следующая формула:

L = lg(10^Ll+10 ^Ll + ...). (8)

Здесь интенсивности должны быть выражены в белах. Формула для перехода имеет вид

L = 0,lL_ДБ. (9)

Рис. 2

Нормальное человеческое ухо воспринимает довольно широкий диапазон интенсивностей звука: так, например, на частоте 1 кГц от

(порог слышимости) до (порог болевого ощущения). За 1Б принимают уровень интенсивности звука, интенсивность которого в 10 раз больше.

Характеристики слухового ощущения

Звук является объектом слухового ощущения. Он оценивается человеком субъективно. Все субъективные характеристики слухового ощущения связаны с объективными характеристиками звуковой волны. Воспринимая звуки, человек различает их по высоте, тембру, громкости.

Высота тона обусловлена, прежде всего, частотой основного тона (чем больше частота, тем более высоким воспринимается звук). В меньшей степени высота зависит от интенсивности волны (звук большей интенсивности воспринимается более низким).

Тембр звука определяется его гармоническим спектром. Различные акустические спектры соответствуют разному тембру, даже в том случае, когда основной тон у них одинаков. Тембр — это качественная характеристика звука.

Субъективной физиологической характеристикой звука также является громкость Е, которая характеризует уровень слухового ощущения. В основе измерения громкости лежит психофизический закон Вебера-Фехнера. Согласно ему

при увеличении раздражения в геометрической прогрессии ощущение этого раздражения возрастает в арифметической прогрессии. Из этого закона следует, что громкость звука

, (10)

где – интенсивность звука,– интенсивность звука на пороге слышимости,– некоторый коэффициент пропорциональности, зависящий от частоты и интенсивности звука. Громкость выражается в фонах (фон). Принято считать, что на частоте 1кГц шкалы громкости и уровня интенсивности совпадают. В этом случае= 1 и 1 фон = 1 дб. Громкость на других частотах измеряют сравниванием исследуемой громкости звука с громкостью звука частотой 1 кГц.

Для нахождения соответствия между громкостью и интенсивностью звука на разных частотах пользуются кривыми равной громкости. Их строят на основании средних данных, п

олученных для людей с нормальным слухом. Нижняя кривая соответствует интенсивности самых слабых слышимых звуков – порогу слышимости. Для всех частот этой кривойЕ = 0, для частоты 1 кГц интенсивность звука . Верхняя кривая с

Рис. 2

оответствует порогу болевого ощущения.

Метод измерения остроты звука называется аудиометрией. При аудиометрии на приборе (аудиометре) определяют порог слухового ощущения на разных частотах. Полученная кривая называется спектральной характеристикой уха на пороге слышимости или аудиограммой (рис.2).

Потеря слуха в результате нарушения проведения звука или частичного поражения звуковосприятия может быть компенсирована с помощью слуховых аппаратов-усилителей. В последние годы в этой области наблюдается большой прогресс, связанный с развитием аудиологии и быстрым внедрением достижений электроакустической аппаратуры на основе микроэлектроники. Созданы миниатюрные слуховые аппараты, работающие в широком частотном диапазоне.

Однако при некоторых тяжелых формах тугоухости и глухоты слуховые аппараты не помогают больным. Это имеет место, например, когда глухота связана с поражением рецепторного аппарата улитки. В этом случае улитка не генерирует электрические сигналы при воздействии механических колебаний.

Такие поражения могут быть вызванные неправильной дозировкой лекарственных препаратов, применяемых для лечения заболеваний, совсем не связанных с лор-болезнями. В настоящее время возможна частичная реабилитация слуха и у таких больных. Для этого необходимо имплантировать электроды в улитку и подавать на них электрические сигналы, соответствующие тем, которые возникают при воздействии механического стимула. Такое протезирование основной функции улитки осуществляется с помощью кохлеарных протезов.

Тимпанометрия — метод измерения податливости звукопроводящего аппарата слуховой системы под влиянием аппаратного изменения воздушного давления в слуховом проходе.

Данный метод позволяет оценить функциональное состояние барабанной перепонки, подвижность цепи слуховых косточек, давление в среднем ухе и функцию слуховой трубы. Исследование начинается с установки зонда с надетым на него ушным вкладышем в начале наружного слухового прохода, который герметично перекрывает слуховой проход. Через зонд в слуховом проходе создается избыточное (+) или недостаточное (–) давление, а затем подается звуковая волна определенной интенсивности. Дойдя до барабанной перепонки, волна частично отражается и возвращается к зонду.

Измерение интенсивности отраженной волны позволяет судить о звукопроводящих возможностях среднего уха. Чем больше интенсивность отраженной звуковой волны, тем меньше подвижность звукопроводящей системы. Мерой механической податливости среднего уха является параметр подвижности, измеряемый в условных единицах.

В процессе исследования давление в среднем ухе изменяют от +200 до –200 дПа. При каждом значении давления определяется параметр подвижности. Результатом исследования является тимпанограмма, отражающая зависимость параметра подвижности от величины избыточного давления в слуховом проходе.

При отсутствии патологии среднего уха максимум подвижности наблюдается при отсутствии избыточного давления

(Р = 0) рис.3.

Рис. 3. Тимпанограммы при различной степени подвижности

системы

Повышенная подвижность свидетельствует о недостаточной упругости барабанной перепонки или о вывихе слуховых косточек. Пониженная подвижность указывает на избыточную жесткость среднего уха, связанную, например, с наличием жидкости.

При патологии среднего уха вид тимпанограммы изменяется, рис. 4.

Рис. 4. Основные типы тимпанограмм при патологиях среднего уха:

а — отсутствие патологии; б — экссудативный средний отит;

в — нарушение проходимости слуховой трубы; г — атрофические изменения барабанной перепонки; д — разрыв слуховых косточек

Описание установки

Аудиометр представляет собой звуковой генератор чистых тонов различной частоты и интенсивности. Регулятор частот позволяет получить гармонические колебания фиксированной частоты в диапазоне от 100 до 5000 Гц. Уровень интенсивности измеряется амперметром, проградуированном в децибелах (дБ). В наушниках происходит преобразование электрических колебаний в звуковые.

Порядок выполнения работы

1. Включить наушники и включить генератор электрических колебаний.

2. Установить частоту колебаний 200 Гц и, увеличивая интенсивность звука от 0 дБ, зафиксировать значение уровня интенсивности , при котором будет слышен звук. Измерения повторить еще 2 раза.

3. Не меняя частоты, установить уровень интенсивности на 20–30 дБ выше и, уменьшая интенсивность, зафиксировать наименьший уровень интенсивности, при котором звук еще слышен. Измерения повторить еще 2 раза.

4. Вычислить среднее значение первого уровня интенсивности для данной частоты.

5. Проделать пп. 2–5 для других частот генератора (до 10000 Гц.)

6. Данные измерений и вычислений занести в таблицу.

7. Повторить действия 2–6 для другого уха.

8. Построить аудиограммы для правого и левого уха (см. рис.2).

Таблица

f , Гц	, дб	, дб	, дб	, дб	, дб	, дб	, дб
200
400
800
1000
2000
3000
4000
5000
6000

Контрольные вопросы

1. Что представляет собой звук? Укажите физические характеристики звука.

2. Перечислите характеристики слухового ощущения и укажите, как они связаны с физическими характеристиками звука.

3. Сформулируйте закон Вебера-Фехнера.

4. Укажите единицы измерения уровня интенсивности и громкости звука.

5. Что называется аудиометрией?

6. Что представляет собой спектральная характеристика уха и как она используется?

Литература:

1. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика.– М:Высшая школа, 1987, главы 8.1 – 8.3, 8.5.

61