Характеристики слухового ощущения. Понятие об аудиометрии

Ранее рассматривались объективные характеристики звука, которые могли быть оценены соответствующими приборами неза­висимо от человека. Однако звук является объектом слуховых ощущений, поэтому оценивается человеком также и субъективно.

Воспринимая тоны, человек различает их по высоте.

Высота тона — субъективная характеристика, обусловлен­ная прежде всего частотой основного тона.

В значительно меньшей степени высота зависит от сложности тона и его интенсивности: звук большей интенсивности восприни­мается как звук более низкого тона.

Тембр звука почти исключительно определяется спектраль­ным составом.

На рис. 6.1, а, б разные акустические спектры соответствуют разному тембру, хотя основной тон и, следовательно, высота тона одинаковы.

Громкость — еще одна субъективная оценка звука, которая характеризует уровень слухового ощущения.

Несмотря на субъективность, громкость может быть оценена количественно путем сравнения слухового ощущения от двух ис­точников.

В основе создания шкалы уровней громкости лежит важный психофизический закон Вебера—Фехнера: если раздражение увеличивается в геометрической прогрессии (т. е. в одинаковое число раз), то ощущение этого раздражения возрастает в ариф­метической прогрессии (т. е. на одинаковую величину). Приме­нительно к звуку это означает, что если интенсивность звука при­нимает ряд последовательных значений, например aI_o, a²I^o, а³I⁰ (а — некоторый коэффициент, а > 1) и т. д., то соответствующие им ощущения громкости звука Е_о, 2Е₀, 3Е₀ и т. д.

Математически это означает, что громкость звука пропорци­ональна логарифму интенсивности звука. Если действуют два зву­ковых раздражения с интенсивностями I и I₀, причем 1₀ — порог слышимости, то на основании закона Вебера—Фехнера громкость относительно 1₀ связана с интенсивностью следующим образом:

где k — некоторый коэффициент пропорциональности, завися­щий от частоты и интенсивности.

Если бы коэффициент k был постоянным, то сле­довало бы, что логарифмическая шкала интенсивностей звука со­ответствует шкале громкостей. В этом случае громкость звука, так же как и интенсивность, выражалась бы в белах или децибе­лах. Однако сильная зависимость k от частоты и интенсивности звука не позволяет измерение громкости свести к простому ис­пользованию формулы.

Условно считают, что на частоте 1 кГц шкалы громкости и ин­тенсивности звука полностью совпадают, т. е. k=1 и E_Б = lg(I/I₀) или, по аналогии с (6.2),

Для отличия от шкалы интенсивности звука в шкале громкос­ти децибелы называют фонами (фон), поэтому введено обозначе­ние E_ф.

Громкость на других частотах можно измерить, сравнивая ис­следуемый звук со звуком частотой 1 кГц. Для этого с помощью звукового генератора¹ создают звук частотой 1 кГц. Изменяют интенсивность звука до тех пор, пока не возникнет слуховое ощу­щение, аналогичное ощущению громкости исследуемого звука. Интенсивность звука частотой 1 кГц в децибелах, измеренная по прибору, равна громкости этого звука в фонах.

Для того чтобы найти соответствие между громкостью и интен­сивностью звука на разных частотах, пользуются кривыми равной громкости. Эти кривые построены на основании средних данных, которые были получены у людей с нормальным слухом при измерениях, проводимых по описанному выше ме­тоду.

Метод измерения остроты слуха называют аудиометрией.

При аудиометрии на специальном приборе (аудиометре) опре­деляют порог слухового ощущения на разных частотах; получен­ная кривая называется аудиограммой. Сравнение аудиограммы больного человека с нормальной кривой порога слухового ощуще­ния помогает диагностировать заболевание органов слуха.

Физические основы звуковых методов исследования в клинике

Звук, как и свет, является источником информации, и в этом главное его значение.

Звуки природы, речь окружающих нас людей, шум работаю­щих машин многое сообщают нам.

Естественно, что звук может быть и источником информации о состоянии внутренних органов человека.

Распространенный звуковой метод диагностики заболеваний — аускулыпация (выслушивание) — известен еще со II в. до н. э. Для аускультации используют стетоскоп или фонендоскоп. Фо­нендоскоп (рис. 6.5) состоит из полой капсулы 1 с передающей звук мембраной 2, прикладываемой к телу больного, от нее идут резиновые трубки 3 к уху врача. В полой капсуле возникает резо­нанс столба воздуха, вследствие чего усиливается звучание и улучшается аускультация.

При аускультации легких выслушивают дыхательные шумы, разные хрипы, характерные для заболеваний. По изменению то­нов сердца и появлению шумов можно судить о состоянии сердеч­ной деятельности. Используя аускультацию, можно установить наличие перистальтики желудка и кишечника, прослушать серд­цебиение плода.

Для одновременного выслушивания больного несколькими ис­следователями с учебной целью или при консилиуме используют систему, в которую входят микрофон, усилитель и' громкоговори­тель или несколько телефонов.

Для диагностики состояния сердечной деятельности применя­ется метод, подобный аускультации и называемый фонокардиог-рафией (ФКГ). Этот метод заключается в графической регистра­ции тонов и шумов сердца и их диагностической интерпретации. Запись фонокардиограммы производят с помощью фонокардиографа.

Ультразвук и его применения в медицине

Ультразвуком (УЗ) называют механические колебания и волны с частотами более 20 кГц.

Верхним пределом ультразвуковых частот условно можно счи­тать 10⁹—10¹⁰ Гц. Этот предел определяется межмолекулярными расстояниями и поэтому зависит от агрегатного состояния веще­ства, в котором распространяется ультразвуковая волна.

Для генерирования УЗ используются устройства, называемые УЗ-излучателями. Наибольшее распространение получили элек­тромеханические излучатели, основанные на явлении обратного пьезоэлектрического эффекта. Обратный пьезоэффект заключается в механической деформации тел под действием элект­рического поля. Основной частью такого излучателя (рис. 6.13, а) является пластина или стержень 1 из вещества с хорошо выражен­ными пьезоэлектрическими свойствами (кварц, сегнетова соль, ке­рамический материал на основе титаната бария и др.). На поверх­ность пластины в виде проводящих слоев нанесены электроды 2. Если к электродам приложить переменное электрическое напряже­ние от генератора 3, то пластина благодаря обратному пьезоэффекту начнет вибрировать, излучая механическую волну соответствую­щей частоты.

Наибольший эффект излучения механической волны возникает при выполнении условия резонанса (см. § 5.5). Так, для пластин толщиной 1 мм резонанс возникает для кварца на частоте 2,87 МГц, сегнетовой соли — 1,5 МГц и титаната бария — 2,75 МГц.

Приемник УЗ можно создать на осно­ве пьезоэлектрического эффекта (пря­мой пьезоэффект). В этом случае под действием механической волны (УЗ-вол-ны) возникает деформация кристалла (рис. 6.13, б), которая приводит при пьезоэффекте к генерации переменно­го электрического поля; соответствую­щее электрическое напряжение может быть измерено.

Применение УЗ в медицине связано с особенностями его распространения и характерными свойствами. Рассмот­рим этот вопрос.

По физической природе УЗ, как и звук, является механической (упругой)

волной. Однако длина волны УЗ существенно меньше длины звуко­вой волны. Так, например, в воде длины волн равны 1,4 м (1 кГц, звук), 1,4 мм (1 МГц, УЗ) и 1,4 мкм (1 ГГц, УЗ). Дифракция волн существенно зависит от соотношения длины волны и размеров тел, на которых волна дифрагирует. Непрозрачное (для звука) тело размером 1 м не будет препятствием для звуковой волны с длиной 1,4 м, но станет преградой для УЗ-волны с длиной 1,4 мм: возникнет «УЗ-тень». Это позволяет в некоторых случаях не учиты­вать дифракцию УЗ-волн, рассматривая при преломлении и отраже­нии эти волны как лучи (аналогично преломлению и отражению световых лучей).

Отражение УЗ на границе двух сред зависит от соотношения их волновых сопротивлений. Так, УЗ хорошо отражается на границах мышца — надкостница — кость, на поверхности по­лых органов и т. д. Поэтому можно определить расположение и размер неоднородных включений, полостей, внутренних органов и т. п. (УЗ-локация). При УЗ-локации используют как непрерыв­ное, так и импульсное излучения. В первом случае исследуется стоячая волна, возникающая при интерференции падающей и от­раженной волн от границы раздела. Во втором случае наблюдают отраженный импульс и измеряют время распространения ультра­звука до исследуемого объекта и обратно. Зная скорость распрост­ранения ультразвука, определяют глубину залегания объекта.

Волновое сопротивление биологических сред в 3000 раз больше волнового сопротивления воздуха. Поэтому если УЗ-излучатель приложить к телу человека, то УЗ не проникнет внутрь, а будет от­ражаться из-за наличия тонкого слоя воздуха между излучателем и биологическим объектом (см. § 6.4). Чтобы исключить воздуш­ный слой, поверхность УЗ-излучателя покрывают слоем масла.

Скорость распространения ультразвуковых волн и их поглоще­ние существенно зависят от состояния среды; на этом основано ис­пользование ультразвука для изучения молекулярных свойств ве­щества. Исследования такого рода являются предметом молеку­лярной акустики.

Как видно из (5.56), интенсивность волны пропорциональна квадрату круговой частоты, поэтому можно получить УЗ значи­тельной интенсивности даже при сравнительно небольшой ампли­туде колебаний. Ускорение частиц, колеблющихся в УЗ-волне, также может быть большим [см. (5.14)], что говорит о наличии су­щественных сил, действующих на частицы в биологических тка­нях при облучении УЗ.

Сжатия и разрежения, создаваемые ультразвуком, приводят к образованию разрывов сплошности жидкости — кавитаций.

Кавитации существуют недолго и быстро захлопываются, при этом в небольших объемах выделяется значительная энергия, происходит разогревание вещества, а также ионизация и диссо­циация молекул.

Физические процессы, обусловленные воздействием УЗ, вызы­вают в биологических объектах следующие основные эффекты:

• микровибрации на клеточном и субклеточном уровне;

• разрушение биомакромолекул;

• перестройку и повреждение биологических мембран, изме­ нение проницаемости мембран (см. гл. 11);

• тепловое действие;

• разрушение клеток и микроорганизмов.

Медико-биологические приложения ультразвука можно в ос­новном разделить на два направления: методы диагностики и исследования и методы воздействия.

К первому направлению относятся локационные методы с ис­пользованием главным образом импульсного излучения. Это эхо-энцефалография — определение опухолей и отека головного моз­га (на рис. 6.14 показан эхоэнцефалограф «Эхо-12»); ультразву­ковая кардиография — измерение размеров сердца в динамике; в офтальмологии — ультразвуковая локация для определения размеров глазных сред. С помощью ультразвукового эффекта До­плера изучают характер движения сердечных клапанов и измеря­ют скорость кровотока. С диагностической целью по скорости ультразвука находят плотность сросшейся или поврежденной кости.

Ко второму направлению относится ультразвуковая физио­терапия. На рис. 6.15 показан используемый для этих целей ап­парат УТП-ЗМ. Воздействие ультразвуком на пациента произво­дят с помощью специальной излучательной головки аппарата.