Биофизические основы слуха

Рис. 4

      Место расположения точки, где  амплитуда колебаний         базилярной мембраны максимальна  при разных частотах  ν.

• расстояние по улитке от овального окна

(По  опытам Г.Бекеши на ухе слона) 

      Таким образом, если в ухо попадает звук одной частоты, потенциалы действия будут попадать в ЦНС по волокнам, отходящим от одного определённого участка базальной мембраны, что и вызывает ощущение звука определённой частоты.   Если звук сложный,  то в соответствии с наличием в его спектре тех или иных гармоник потенциалы будут поступать от разных участков базальной мембраны по волокнам, направляющимся к разным клеткам слухового центра коры головного мозга, что создаст ощущение определённого тембра звука. Можно сказать, что слуховой анализатор выполняет разложение сложного звукового колебания в гармонический спектр (производит спектральный анализ). 

Основы  звуковых измерений   (аудиометрия)

 

      По определению звуком называются  упругие колебания, воспринимаемые ухом. Отсюда ясно, что и принципиально, и практически никакие измерения звука невозможны без учёта особенностей органа слуха. Самый простой пример: колебания с частотой 30 кГц могут быть очень громкими для летучей мыши, в то время как для человека их громкость равна нулю. Поэтому,  говоря о параметрах звука, приходится различать два ряда величин:

      А. Физические характеристики звука, не зависящие от органа слуха

      Б. Психофизические  (субъективные) характеристики, учитывающие свойства органа слуха.

      Набор этих величин и связь  между ними удобно представить  в виде такой таблицы:

.                          ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ  ЗВУКА                                       .

.         Физические характеристики             Психофизические             .                                                                     характеристики 

     1. Частота колебаний [Гц]                  1. Высота тона 

     2. Гармонический спектр                   2. Тембр звука 

     3. Интенсивность звука I [Вт.м^-2] 3 Громкость звука [сон] 

                           ↓                                                               ↑ 

                           ↓                                                               ↑

Уровень интенсивности  L[дБ]        Уровеньгромкости [фон] 

                            ↓                                                                ↑                                                                

                             ↓                                                              ↑

                                →→→→→→→→→→→→→→→

.                                                                                                                                        .

     Первые две позиции не нуждаются  в особых пояснениях. Надо только заметить, что высота тона связана с частотой тоже логарифмическим соотношением; по-другому можно выразиться так: при росте частоты в геометрической прогрессии высота тона увеличивается в арифметической прогрессии.

      Для сложных звуков высота звука определяется, в основном, частотой первой гармоники. В этом случае субъективное ощущениек высоты звука может зависеть и от его интенсивности.

     По  спектру все звуки разделяются  на тоны и шумы. Тонами называют  звуки, имеющие линейчатый спектр, то есть достаточно строго периодические. Звуки со сплошным спектром, не имеющие определённого периода, называют шумами. К тонам, в частности, относятся гласные звуки речи и звуки музыкальных инструментов; к шумам –  согласные и звуки ударных инструментов.

        Интенсивности звука в субъективном  восприятии соответствует громкость. Однако, непосредственно установить соотношение между интенсивностью и громкостью не удаётся; приходится вводить вспомогательные величины –уровень

интенсивности и уровень громкости, как показано в таблице.

       Понятие уровня интенсивности учитывает сформулированный выше закон

Вебера-Фехнера  о логарифмической зависимости  между частотой нервной

импульсации и интенсивностью звука. Уровнем  интенсивности называется величина L, определяемая по формуле                                                                         

                                    

где I – интенсивность данного звука,  I_о – пороговая интенсивность. На самом деле I₀ у разных людей имеет различное значение, но при вычислениях по этой формуле пользуются так называемым абсолютным или средним порогом I₀ = 10^-12 Вт.м^-2. Единицей уровня интенсивности является децибел [дБ]; приставка “деци” напоминает о значении коэффициента, то есть 10.

       Например, интенсивность шума на  улице с оживлённым движением  составляет примерно 10^-5Вт.м^-2. Этому соответствует уровень интенсивности:

                                                                          

Уровень интенсивности можно выразить и через звуковое давление,учитывая, что интенсивность пропорциональна квадрату давления:

                         

где Δр₀ – пороговое звуковое давление, равное (в среднем) 2.10^-5 Па. Например, если звуковое давление для какого-то звука равно 1 Па, то

                    L = 20.lg = 20.lg5.10⁴ = 20.4,7 = 94 дБ

Это очень  громкий звук!

       В определении понятия уровня  интенсивности в какой-то мере  отражены биофизические закономерности. Однако, сам по себе уровень интенсивности ещё не соответствует тому субъективному ощущению, которое вызывает тот или иной звук, так как это ощущение в значительной мере зависит и от частоты звука. Например, для большинства людей одинаково громкими будут ощущаться тоны с частотой 30 Гц и интенсивностью 65 дБ и 1000 Гц, 10 дБ, несмотря на то, что уровни интенсивности у них резко различны. Поэтому было введено второе понятие -  уровень громкости, единицей которого является фон (фоны иногда называют децибелами громкости). При определении этого понятия исходят именно из субъективного восприятия звука. При этом измеряемый звук сравнивают со звуком с частотой 1000 Гц (её называют «стандартной частотой»).

      Практически это делается таким образом. Надо иметь генератор звука с частотой 1000 Гц; уровень интенсивности этого звука можно менять. Чтобы определить уровень громкости измеряемого звука, сравнивают этот звук со звуком генератора. Изменяя уровень интенсивности «стандартного» звука, добиваются, чтобы оба звука «на слух» ощущались одинаково громкими. Пусть, например, это имеет место при уровне интенсивности «стандартного» звука 55 дБ. Тогда можно сказать, что уровень громкости измеряемого звука равен  55 фон.

         Исходя из описанной процедуры, можно дать такое определение: уровнем громкости некоторого звука (в фонах) называется величина, равная уровню интенсивности тона с частотой 1000 Гц, который воспринимается одинаково громким с данным звуком.  

      Из этого определения видно, что уровень громкости – субъективная величина, то есть одному и тому же звуку разные люди могут приписать разные значения уровня громкости, поскольку нет двух людей с абсолютно одинаковым слухом. Чтобы уменьшить степень субъективности и облегчить расчёты, были определены так называемые кривые равной громкости (изофоны). Для этого большой группе людей предъявляли звуки разной частоты и интенсивности, и полученные значения уровня громкости усреднялись по всем испытуемым. В результате был построен график, пользуясь которым по заданной интенсивности (или уровню интенсивности в дБ) можно определить уровень громкости звука. Кривые равной громкости приведены на рис. 5 и в Практикуме (стр. 191).  Обязательно внимательно рассмотрите эти графики. Решите такие примеры:

1. Уровень интенсивности звука с частотой 100 Гц равен 60 дБ. Чему равен уровень громкости?
2. Уровень громкости звука с частотой 10 000 Гц равен 10 фон. Чему равен уровень интенсивности?
3. Уровень интенсивности звука с частотой 25 Гц равен 60 дБ. Чему равен уровень громкости?
4. При какой частоте тон с интенсивностью 10^-8 Вт.м ^–2

Будет иметь уровень громкости  30 фон? (Возможны два ответа). 
 
 
 

     В значительном числе случаев  для оценки звука  пользуются  именно понятием уровня громкости. Однако, иногда предпочитают использовать другую величину – громкость, измеренную в единицах, называемых “сон”. Принято, что

уровню  громкости 40 фон соответствует громкость 1 сон. При изменении уровня громкости  на 10 фон громкость изменяется в 2 раза: 

  Уровень      10    20    30    40    50    60    70    80    90    100

громкости,

         фон

   Громкость, 1/8   ¼     ½     1     2       4      8    16     32     64

          сон

 

      Приведём для примера значения  громкости и уровня громкости  некоторых звуков:

 

                                               Уровень                 Громкость,

               Вид звука        громкости,  фон                  сон

         Тихий шепот                   10                                   1/8

 

         Обычная речь                 40                                     1              

 

          Громкая речь                  60                                     4      

 

          Уличный шум             70 – 80                              8-16 

 

 Шум в танке, в моторном

      отсеке  подлодки             90 – 100                          30 – 60

 

 Шум  поблизости от ре-

 активного  самолёта                  120                                 250

 

  Шум  при запуске бал-

  листической  ракеты              > 130                              > 600

 

      Разумеется, все эти числа имеют  грубо ориентировочный характер.

      Длительное воздействие шума  с уровнем громкости выше 70 фон  может вызвать нарушения как  в органе слуха, так и во  всём организме (в первую очередь – в нервной системе).  При уровнях громкости выше 120 фон вредным оказывается даже кратковременное воздействие.

 

Понятие об аудиометрии

 

      Для диагностики состояния органа слуха используют специальный прибор -  аудиометр. С помощью этого прибора определяют для данного человека порог слышимости на разных частотах (нулевой изофон). Однако, большинство аудиометров устроены таким образом, что они показывают не саму величину уровня громкости подаваемого звука у данного пациента, а отклонение этой величины от «стандартного» значения (то есть от соответствующего значения по кривым равной громкости для здоровых людей). Поэтому для человека с «абсолютно нормальным» слухом кривая, полученная на аудиометре, (аудиограмма) будет прямой линией. Практически абсолютно нормального слуха не бывает; у всех людей наблюдаются те или иные отклонения. Если эти отклонения не превышают 10-15 фон (децибел громкости), их обычно считают несущественными. Более значительные отклонения могут указывать на заболевание органа слуха. Важно выявить, на каких частотах наблюдаются эти отклонения. При одних заболеваниях понижается слух (повышается порог) на всех частотах, при других – преимущественно на низких, при третьих – преимущественно на высоких. Эти данные имеют большое диагностическое значение.