58

Лабораторная работа № 7

Снятие спектральной характеристики уха на пороге слышимости

Цель работы: определить границы воспринимаемых ухом звуковых частот, построить график частотной зависимости уровня интенсивности на пороге слышимости.

Приборы и принадлежности: звуковой генератор (Г3-33, Г3-34) с аттенюатором, головные телефоны.

Теория работы

Звук – это воспринимаемое ухом человека продольные механические волны в упругих средах (твердых, жидких, газообразных) с частотой в диапазоне примерно 16 – 20000 Гц. Индивидуальные возможности слуха у человека очень различны и нередко диапазон воспринимаемых частот уменьшается с возрастом или в результате болезней.

Звуковая волна создает акустическое давление (избыточное над атмосферным давлением), переносит энергию и распространяется в средах со скоростью, зависящей от упругости, плотности среды и температуры. При прохождении звука через любую среду происходит поглощение энергии, вследствие чего звук ослабевает.

Организм человека подвергается влиянию звука, который действует на нервную систему и слух, понижая работоспособность, ослабляя внимание. С другой стороны организм сам является источником звука, что широко используется при диагностике заболеваний внутренних органов.

Различают физические характеристики звука: частота, спектральный состав (для сложного звука), интенсивность, звуковое давление и психофизические характеристики: высота тона, тембр, громкость. Чем больше частота звука, тем более высоким по тону воспринимается звук. Звук одной какой-либо частоты – «чистый тон» редко встречается в природе. Чаще всего приходится иметь дело со сложными звуками, описываемыми сложными периодическими функциями, которые согласно теории Фурье можно представить в виде суммы гармоничных колебаний. Звук с наименьшей частотой является основным тоном, а с более высокими частотами - обертонами, определяющими тембр звука.

Интенсивности звука соответствует физиологическая характеристика – громкость. Под интенсивностью звука понимают количество энергии, переносимой в единицу времени через единичную площадь, перпендикулярную звуковой волне. Интенсивность измеряется в или.

Ухо человека воспринимает звуки интенсивностью от J₀ = 10^-12 Вт/м² до J_max = 10 Bт/м² для частоты 1000 Гц. Первое значение интенсивности назначают порогом слышимости, второе – болевым порогом. Этим интенсивностям соответствуют звуковые давления Р₀ = и Р_max = 60 Па. Поскольку диапазон интенсивности воспринимаемых звуков довольно велик (10¹³), оказывается удобным сравнивать интенсивности звука в логарифмической шкале. В связи с этим введена величина уровня интенсивности звука:

L_Б = lg, (1)

где J – интенсивность исследуемого звука; J₀ – интенсивность звука на пороге слышимости.

В этой шкале уровень интенсивности измеряется в белах (Б). Из (1) следует, что бел (Б) – единица шкалы уровней интенсивностей звука, соответствующая изменению интенсивности в 10 раз. Обычно применяют единицу в 10 раз меньшую - децибел (дБ). В этом случае формула (1) принимает вид:

L_дБ = 10lg. (2)

Можно показать, что интенсивность плоской волны связана с акустическими давлениями зависимостью:

, (3)

где ρ – плотность среды, - скорость волны, Р_m – амплитудное значение давления. В этом случае: L_дБ = 20lg, где Р₀ – максимальное давление на пороге слышимости.

Уровень интенсивности звука характеризует звук с физической точки зрения. Для оценки субъективного восприятия введено понятие громкости. Громкость – это величина, характеризующая слуховое ощущение от данного звука и зависящая от его интенсивности и спектра частот. Например, ультра- и инфразвуки характеризуются определенной интенсивностью, но громкость их равна нулю, так как эти звуки не воспринимаются ухом человека.

Для измерения громкости вводится понятие уровня громкости Е, который измеряется в фонах. В основе создания шкалы уровней громкости лежит психофизический закон Вебера-Фехнера. Согласно этому закону, если увеличивать раздражение в геометрической прогрессии (на одинаковую величину), например, если интенсивность звука принимает ряд последовательных значений: аJ₀; а²J₀; а³J₀ (а > 1 – некоторый коэффициент), то соответствующие им значения громкости звука будут равны Е₀, 2Е₀, 3Е₀. Математически это означает, что громкость звука пропорциональна логарифму интенсивности.

Чтобы определить уровень громкости произвольного звука, условились брать тон с частотой 1кГц и изменять его интенсивность до тех пор, пока его громкость не станет одинаковой с громкостью определяемого звука. Уровень интенсивности этого тона в децибелах будет численно равен уровню громкости определяемого звука в фонах.

На основании сказанного закон Вебера-Фехнера можно записать так:

Е = kL или Е = klg, (4)

где k – коэффициент пропорциональности, зависящий от интенсивности и частоты исследуемого звука, принятый равным единице для частоты 1000 Гц.

Если принять k = 1 на всех частотах, то в соответствии с формулой (4) мы получим шкалу уровней интенсивностей, а при- шкалу громкостей. Учитывая, что на чистоте 1кГц шкалы громкостей и интенсивности совпадают, Е_ф = lg.

На основании многочисленных опытов с людьми были получены кривые равной громкости, т.е. L = f (v), [J = f (v)] при Е = const, (рис.1). Каждая кривая соответствует определенному уровню громкости в фонах.

Значения индивидуальных кривых уровней громкости на пороге слышимости может являться вашим диагностическим фактором, позволяющим решить вопрос о патологических изменениях органа слуха.