Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Физика.Лабораторная работа № 3.doc
Скачиваний:
68
Добавлен:
22.05.2015
Размер:
1.83 Mб
Скачать

Министерство здравоохранения Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Тверская государственная медицинская академия Министерства здравоохранения Российской Федерации»

кафедра медбиофизики и информатики

Методические указания для лабораторной работы № 3

(для фармацевтического факультета)

Тверь 2009

Методические указания составлены кафедрой медбиофизики ТГМА и предназначены в помощь студентам фармацевтического факультета при подготовке и выполнении лабораторной работы.

Лабораторная работа № 3

Исследование спектральной характеристики уха на пороге слышимости

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

  1. Изучение физических основ биологической акустики.

  2. Изучение устройства и принципа работы аудиометра и аудиотестера.

  3. Определение порога слышимости и потери слуха на различных частотах.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: аудиометр поликлинический, аудиотестер.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Ливенцев Н.М., Курс физики, 1978 г. ч. 1, §§ 24;26-32.

  2. Ремизов А.Н., Медицинская и биологическая физика, М.: Высшая школа, 1996, 1999 гг. (гл. 8).

  3. Ремизов А.Н., Медицинская и биологическая физика, М.: Дрофа, 2003 г. (гл. 6).

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

Механические волны в упругих средах с частотой от 16 до 20000 Гц, воспринимаемые человеческим ухом, называются звуком. Механические волны с частотой ниже 16 Гц получили название инфразвука, а выше 20000 Гц - ультразвука. Инфразвук и ультразвук не создают звукового ощущения, но инфразвук может восприниматься рецепторами тела как колебания или вибрация.

Физическим (объективными) характеристиками звука являются: амплитуда, частота, интенсивность, звуковое давление и акустический спектр. Интенсивность звука (плотность потока энергии звуковой волны, I) - это энергия звуковой волны, проходящая через единицу площади поверхности за единицу времени. Наименьшую интенсивность звука, вызывающую звуковое ощущение, называют порогом слышимости (I0); величина I0 зависит от частоты звука и от физиологических особенностей конкретного человека. Звуковое давление (р) - это эффективное избыточное давление, которое образуется в участках сгущения и разрежения частиц в звуковой волне, т.е. р есть разность между давлением в звуковой волне и атмосферным. Звуковое давление связанно с интенсивностью звука соотношением

, (1)

где I – интенсивность звука ( или ), - среднеквадратичное значение звукового давления (Па), ρ - плотность среды (), с - скорость звука (). ω = ρс - удельное акустическое сопротивление среды (), характеристика, определяющая проводимость, преломление и отражение механических волн. Обычные звуки или сложные тоны (ангармонические волны) представляют собой совокупность простых тонов (гармонических волн). Амплитуда, интенсивность, частота есть характеристики простого тона, сложный тон характеризуется акустическим спектром. Спектр – это зависимость интенсивности колебаний, составляющих звук, от частоты. Спектр графически представляется в виде набора вертикальных линий разной высоты, число линий соответствует количеству простых тонов, высота – их интенсивности.

Физические характеристики звука связаны с субъективными характеристиками – ощущениями, возникающими в ответ на звуковое раздражение. Они воспринимаются человеческом как высота, громкость и тембр; например, спектр звука воспринимается как тембр. В человеческом организме нет рецепторов (биологических датчиков), способных создавать ответную реакцию на постоянное (не изменяющееся) физическое воздействие. Рецепторы воспринимают только изменения физических величин. Чувствительностью датчика (S) называют отношение изменения выходной величины (dL) к изменению входной величины (dI)

. (2)

Чувствительность показывает, на сколько изменяется выходная величина (например, громкость) при изменении входной величины на единицу. Наибольшей чувствительностью ухо обладает в среднем диапазоне частот (2 кГц ÷ 3 кГц).

Связь между изменениями громкости (выходной величины) и интенсивности звука (входной величины) экспериментально установлена Вебером -

, (3)

где dI - изменение интенсивности звуковой волны, dL - соответствующее изменение громкости звука – величины, характеризующей уровень слухового раздражения. Чувствительность слухового аппарата зависит от частоты, эта зависимость определяется величиной коэффициента k. Как видно из закона Вебера, ощутимое изменение громкости dL зависит от интенсивности I, что связано с адаптацией уха, т.е. с увеличением интенсивности звука его чувствительность уменьшается. Способность уха к адаптации позволяет человеку воспринимать, различать и сравнивать звуки в огромном диапазоне интенсивностей: от 10 -12 Вт/м2 до величины в 10000 миллиардов раз большей.

Решение дифференциального уравнения (3) с начальным условием L = 0 при I = I0 есть математическая запись закона Вебера – Фёхнера

, (4)

уровень громкости пропорционален логарифму отношения интенсивности звука к порогу слышимости; таким образом, если интенсивность увеличивается в геометрической прогрессии, то громкость увеличивается в арифметической прогрессии. Единицами громкости служат «фон» и «сон». Значение коэффициента пропорциональности k зависит как от частоты (k = f()), так и от выбора единиц измерения громкости. Звук с пороговой слышимостью I0 имеет нулевую громкость (L = 0) и не вызывает слухового раздражения. Часто полагают k = lg(e)k', тогда закон Вебера-Фёхнера принимает вид

. (5)

Единицами измерения уровня интенсивности служат «Белл» (Б) и децибел (дБ), 1 дБ = 0,1 Б. Для изменения громкости на 1 Б необходимо увеличить интенсивность звука в 10 раз. На частоте 1 кГц, k' = 1 и 1 фон = 1 дБ

, (6)

на других частотах k'  1 и численные значения в фонах и дБ не совпадают. Для перевода одних единиц в другие служат графики одинаковой громкости (рис. 1)

Рис. 1

В технике и медицине используются единицы громкости звука, приведенные к усредненному значению порога слышимости I0 = 10 -12 Вт/м2, что соответствует . В этом случае величина громкости не носит субъективного характера и может быть измерена прибором. Именно эти единицы используются в аудиометрии. Например, при = 1 кГц уровень громкости 120 дБ (12 Б, 120 фон) - предельно допустимый для человека - соответствует интенсивности звука, которая в 10 12 раз превышает порог слышимости. Звук громкостью 130 дБ (13 Б, 130 фон) вызывает нарушение в органах слуха и причиняет боль.

Исследование слуха в клинике производится с использованием аудиометров (рис. 2) и аудитестеров (рис. 3). Посредством аудиотестера измеряют зависимость порога слышимости от частоты, с помощью аудиометра – зависимость потери слуха от частоты. График зависимости потери слуха от частоты звуковых колебаний называется аудиограммой. Потеря слуха (Р) – величина, показывающая отклонение порога слышимости пациента от нормы

. (7)

- «нормальный» порог слышимости, определяется по кривой одинаковой громкости; - порог слышимости пациента.

Рис. 1

Кривые одинаковой громкости

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ