Порог слышимости и порог болевого ощущения. Область слышимости

Чтобы сформировалось слуховое ощущение, интенсив­ность звуковых волн должна превысить некоторое минимальное значение, называемое порогом слышимост., Оно имеет различные значения для различных частот звукового диапазона(нижняя кривая на рисунке 1). Это означает, что слуховой аппарат обладает неодинаковой чувствительностью к звуковым воздействиям на разных частотах. Максимальной чувствительностью ухо обладает в области частот 1000-3000 Гц. Здесь пороговое значение интенсивности звука минимально и составляет 10^-12 Вт/м².

С увеличением интенсивности звука возрастает и ощуще­ние громкости. Однако, звуковые волны с интенсивностью порядка 1-10 Вт/м² вызывают уже ощущение боли. Максимальное значение интенсив­ности, при превышении которого возникает боль, называется порогом болево­го ощущения. Он также зависит от частоты звука (верхняя кривая на рисунке 1), но в меньшей степени, чем порог слышимости.

Область частот и интенсивностей звука, ограниченная верхней и нижней кривыми рисунка 1, называет­ся областью слышимости.

20 50 100 200 500 1000 2000 5000 10000 20000

Частота в Гц

Рис. 1. Диаграмма слышимости

Закон Вебера-Фехнера. Уровни интенсивности и уровни громко­сти звука

Уже отмечалось, что объективная физическая характеристика звуковой волны - интенсивность определяет субъективную физиологическую характери­стику - громкость. Количественная связь между ними устанавливается на ос­нове закона Вебера-Фехнера, связывающего степень ощущения и интенсив­ность вызвавшего его раздражителя: ощущение растет в арифметической про­грессии, если интенсивность раздражителя увеличивается в геометрической прогрессии.

Закон Вебера-Фехнера можно пересказать другими словами: физиологическая реакция (в рассматриваемом слу­чае громкость) на раздражитель (интенсивность звука) пропорциональна логарифму интенсивности раздра­жителя. (Рис. 2).

Рис. 2

Это означает, что при малой интенсивности звука небольшое её увеличение (на величину ΔI ) приводит к значительному увеличению громкости (на величину ΔL₁ (Δy₁ на рисунке 2); как только интенсивность звука немного превысила пороговое значение, уже возникает слуховое ощущение. Если же интенсивность звука велика, то ее дальней­шее увеличение на ту же величину ΔI дает малый прирост громкости (на ве­личину ΔL₂ (Δy₂ на рисунке 2) - при большой интенсивности звук хорошо слышен и дальнейшее увеличение интенсивности звука на возрастание ощущения громкости сказыва­ется существенно слабее.

Для установления количественной связи между интенсивностью и гром­костью звука введем уровень интенсивности звука (L) - величину, пропор­циональную десятичному логарифму отношения интенсивности звука (I) к ин­тенсивности на пороге слышимости I₀ = 10^-12 Вт/м²:

(1)

Коэффициент n в формуле (1) определяет единицу измерения уровня интенсивности звука L. Если n=1, то единица измерения L называется Белл(Б). На практике обычно принимают n=10, тогда величина L измеряется в децибеллах (дБ) (1 дБ = 0,1 Б). На пороге слышимости (I = I₀) уровень интенсивности звука L=0, а на пороге болевого ощущения (I = 10 Вт/м² )- L = 130 дБ. Если, на­пример, интенсивность звука составляет 10^-7 Вт/м² (что соответствует нормаль­ному разговору), то из формулы (1) следует, что уровень его интенсивности составляет 50 дБ.

Уровень громкости звука (часто его называют просто громкостью) Е

связан с уровнем интенсивности L соотношением:

Е = kL, (2)

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

Если бы коэффициент k в формуле (2) был постоянным, то уровень гром­кости совпадал бы с уровнем интенсивности и мог бы измеряться в децибелах.

Например, звук с уровнем интенсивности 20 дБ и частотой 1000 Гц будет восприниматься существенно более громким, чем звук с тем же уровнем интенсивности, но частотой 100 Гц. Одинаковый уровень громкости на этих частотах будет достигнут, если для 1000 Гц уровень интенсивности составляет 20 дБ, а для 100 Гц - 50 дБ. По этим причинам для измерения уровня громкости вводится особая единица, называе­мая фоном.

Постановили, что на частоте 1000 Гц (её называют частотой наилучшей слышимости) 1 фон = 1 дБ, т.е. уровень интенсивности в децибелах и уровень громкости в фонах совпадают (в формуле (2) коэффициент k = 1 на частоте 1000 Гц). На других частотах для перехода от децибел к фонам не­обходимо вводить соответствующие поправки, которые можно получить с помощью кривых равной громкости (см. рис.1).

Пример: Для частоты 200 Гц уровень интенсивности звука составляет 40 дБ. Чему равен уровень громкости этого звука? На рисунке 1 находим точку с координатами 200 Гц и 40 дБ. Она ле­жит на кривой, соответствующей уровню громкости 20 фон, следовательно, для данной частоты 20 фон соответствует 40 дБ.

Определение порога слышимости на разных частотах составляет основу методов измерения остроты слуха. Полученная кривая называется спектральной характеристикой уха на пороге слыши­мости или аудиограммой. Сравнивая порог слышимости пациента с усредненной нормой, можно судить о степени развития нару­шений слухового аппарата.