Тема: “Біоакустика” – 2 год

Одеський національний медичний університет

Кафедра Біофізики, інформатики та медапаратури

Методична розробка

студентам 1 курсу щодо вивчення теми:

Акустика, фізика слуху

Затверджено

на методичній нараді кафедри

Протокол № від “ ” 2010 р.

Зав. кафедрою

Перезатверджено

на методичній нараді кафедри

Протокол № від “ ” 2010 р.

Зав. кафедрою

Одеса - 2010 р.

Тема: “Біоакустика” – 2 год.

2. Актуальність теми, професійна спрямованість:

Актуальність вивчення даної теми обумовлено широким використанням акустичних явищ, законів акустики у життєдіяльності організму людини та під час взаємодії людини з оточуючим середовищем. Питання, якими займається акустика, є дуже різноманітними. Так, фізична акустика вивчає характеристики звукових коливань та фізичні явища, що обумовлюють ті чи інші характеристики звуку. Промислова акустика вивчає розповсюдження звуків у приміщеннях, вплив інфразвукових та звукових коливань на працездатність людини, що є одним з важливих питань гігієни праці.

Біологічна акустика розглядає питання звукового та ультразвукового спілкування тварин, вивчає механізм локації, досліджує також проблеми шумів, вібрацій, їх вплив на життєдіяльність людини.

Фізіологічна акустика досліджує можливості органів слуху, їх побудову та дію. За останній час у зв’язку з розвитком кібернетики перед фізіологічною акустикою повстала дуже важлива проблема аналізу та синтезу звукової річи людини. Ця проблема є важливою при проектуванні роботів-маніпуляторів та ЕОМ, що реагують на голос оператора.

В медицині широко використаються звукові та ультразвукові методи дії на організм людини та різноманітні діагностичні методи.

3. Навчальні ціли заняття:

В результаті даного заняття студенти повинні:

Знати:

- природу звукових хвиль та особливості їх розповсюдження в біооб’єктах;

- основні фізичні характеристики звукової хвилі;

- фізичні процеси, що тривають в біооб’єктах під дією звуків чутного діапазону, інфразвуку та ультразвуку;

- основні характеристики слухового спочуття;

- побудова вуха та функціональні особливості окремих частин слухового апарату людини;

- біофізичні основи механізму виникнення слухових почуттів;

- принцип дії, фізичні основи та призначення медичних приладів, заснованих на законах акустики;

- поняття дисперсії порогу чутності та больового порогу;

- побудову аудіометру та методики проведення тональної та надтональної аудіометрії.

- основні звукові методи дослідження в медицині;

- галузі застосування інфразвуку та ультразвуку в медицині.

Вміти:

- застосовувати закон Вебера-Фехнера для визначення рівня сили звуку по відомим значенням інтенсивності звуку;

- застосовувати закон Вебера-Фехнера для находження інтенсивності звуку по відомим значенням рівня сили звуку;

- проводити роботу з аудіометром, зняття аудіограми на порозі чутності;

- проводити інтерпретацію аудіограми, одержаної для повітряної та кісткової провідності звуку;

- використати відповідні формул інтенсивності звуку, рівня сили звуку, швидкості розповсюдження звуку (ультразвуку), акустичного опіру для підрахунку даних величин при діагностичних дослідженнях;

- використати криві рівної гучності для визначення рівня гучності звуків визначеної частоти по значенням рівня сили звуку.

4. Шляхи реалізації цілей заняття:

Для реалізації цілей заняття для студента є необхідними базисні знання:

1. Поняття про основні акустичні поняття – звук, види звуку – тон, шум, звуковий удар.

2. Уявлення про основні характеристики хвильових процесів, зв’язок між ними та їх одиниці вимірювання в СІ.

3. Фізичний зміст явища резонансу.

4. Уявлення про основні характеристики звуку, різниця між об’єктивними та суб’єктивними характеристиками.

5. Вирази для інтенсивності, гучності, звукового тиску та їх одиниці вимірювання в СІ.

6. Уявлення про акустичний опір.

7. Поняття реверберації звуку, час реверберації.

5. Завдання з еталонами відповідей (для самоперевірки студентами початкового рівня знань).

1. Яка фізична величина вимірюється у Вт/м²?

2. Яка фізична величина вимірюється у белах?

3. Яка фізична величина вимірюється у децибелах?

4. Яка фізична величина вимірюється у фонах?

5. Швидкість розповсюдження звуку залежить від частоти.

А. Правильно В. Неправильно.

6. Акустична провідність – це величина, зворотна до акустичного опіру.

А. Правильно В. Неправильно.

А. Рівень інтенсивності звуку; В. Рівень гучністи звуку; З. Інтенсивність звуку; Д. Енергія звукових коливань.

Відповіді: 1-З; 2-А,В; 3-А; 4-В; 5-В; 6-А

6. Інформацію для закріплення базисних знань-вмінь можна знайти у посібниках:

1. Ландсберг Г.С. Елементарний учбовник фізики, 1971, т.1, с. 48-59, 126-127.

2. Ремізов А.Н. Медична та біологічна фізика, 1987, с. 151-169.

3. Ремізов А.Н. Медична та біологічна фізика, 1982, с..

7. Зміст учбового матеріалу даної теми:

Основні поняття даної теми: звук, ультразвук, інфразвук, звукосприймальний апарат, поріг чутності, поріг больового почуття, реверберація, бінауральний ефект, аудіометрія, аудіограма.

Основні фізичні явища та процеси: розповсюдження звуку, робота різних відділів звукосприймального апарату, перетворення акустичних сигналів в біоелектричні, акустичний опір, реверберація.

Основні формули та закони: формули для зв’язку між об’єктивними та суб’єктивними характеристиками (закон Вебера-Фехнера), для часу реверберації, звукового тиску та акустичного опору.

Основні фізичні величини: амплітуда, частота, звуковий тиск, інтенсивність, гучність, час реверберації.

Основні методики медико-біологічних досліджень: аудіометрія, ехокар- діографія.

Основні медичні прилади: ехокардіограф, аудіометр, аналізатор, стетоскоп.

Основні поняття акустики.

1. Акустика – галузь фізики, що вивчає коливання та хвилі в пружному середовищі. Часто під акустикою розуміють галузь фізики, що вивчає звук. Звук – це пружні коливання та хвилі з частотами від 16 до 20000Гц (20кГц), які сприймаються органами слуху людини. Якщо частота є нижчою за 16Гц, то такий звук має назву інфразвук, а якщо частота перевищує 20кГц – це ультразвук. В обох випадках такі хвилі не сприймаються людиною як звук, що можна чути, але вони здатні оказувати вплив на організм (про це далі буде говоритись більш подрібно). Звуки розповсюджуються в газах, рідинах та твердих тілах. Під час проходженні звуків через межу двох середовищ вони можуть відбиватися та заломлюватися; закони відбиття та заломлення звуку є подібними до таких для світла.

2. Різноманітність звуків нескінченна, але усі вони можуть бути розподілені на три групи.

а) Музикальні звуки, або тони – звуки, що є періодичними процесами. До них відносяться, наприклад, голосні звуки річі. Якщо цей процес – гармонічний, тон має назву простого, або чистого. Якщо коливання негармонічні (ангармонічні), то тон має назву складного. Складний тон можливо розкласти на прості; найменша частота такого розкладення має назву частоти основного тона, інші гармоникі (обертони) мають частоти, кратні до цей величини. Набір частот з вказаним значенням їх відносної інтенсивності має назву акустичного спектру..

б) Шуми – звуки, які відрізняються складною залежністю від часу. До них відносяться согласні звуки річі, шум моря, багато техногенних звуків.

з) Звукові удари – короткочасні звукові дії, наприклад, в результаті вибуху.

Фізичні характеристики звуку можуть бути розподілені на дві категорії: об’єктивні та суб’єктивні.

3. Об’єктивними називаються такі характеристики, які можуть бути кількісно оцінені якимось приладом незалежно від враження людини. Найважливішими об’єктивними характеристиками звуку є: 1) частота звуку, 2) звуковий тиск p, та 3) інтенсивність I. Звуковий тиск, що виникає під час проходженні звукових хвиль в рідкому або газовому середовищі, залежить від густини середовища r, швидкості частинок середовища, що створюють коливання, v, та швидкості хвилі у середовищі c: .

Інтенсивність звуку I визначається вектором Умова. Для плоскої хвилі інтенсивність пов’язано зі звуковим тиском залежністю:

(1).

Вухо людини здатне сприймати звуки у дуже широкому діапазоні інтенсівностей. Для частоти 1кГц цей діапазон - від , або Па (так званий порог чутності) і до , або Па (порог больового почуття). Ці величини відрізняються у разів, тому для розрахунків та графічного представлення цих величин краще використати логарифмічну шкалу. Порог чутності приймають за початковий рівень шкали, а будь-яку іншу інтенсивність I виражають через десятинний логарифм її відношення до та вимірюють у Белах (Б):

, або, через звуковий тиск, (2).

Дуже поширеними є менші одиниці – децибели (дБ). Під час їх використанні:

, або (3).

4. Суб’єктивними називають характеристики, що залежать від сприяття людини. До них відносяться: 1) висота звуку, 2) тембр та 3) гучність. Висота звуку залежить головним чином від частоти основного тону, а тембр визначається спектральним складом звуку. Гучність звуку характеризує рівень слухового сприяття. Вона пов’язана з інтенсивністю т. з. психофізичним законом Вебера – Фехнера.

За цим законом, під час збільшенні інтенсивності звуку в геометричній прогресії (тобто в однакову кількість разів) його гучність зростає лише в арифметичній прогресії (тобто на однакову величину), тобто гучність звуку пропорційна логарифму його інтенсивності.

, де - порог чутності (4).

Одиниця виміряння гучності – Фон (Ф). Значення коефіцієнту k суттєво залежить від частоти та інтенсивності звуку. Рахують, що за частоту 1кГц k =1. В цьому випадку наведена формула є ідентичною формулі длярівня інтенсивності, та їх шкали співпадають, тобто гучність можна вимірять в белах та децибелах.

, (5).

Під час інших частотах звуку гучність можна вимірити, порівнюючи звук, що досліджують, зі звуком частотою 1 кГц, який можна створити за допомогою звукового генератора. Інтенсивність цього звуку підбирають такою, щоб виникло слухове враження, аналогічне враженню від гучності звуку, що досліджується. Під час цьому рівень інтенсивності звуку з частотою 1кГц, виміряний приладом, буде дорівнювати гучності звуку, що досліджується (в фонах).