Тема: Определение частотной характеристики звукового анализатора человека на пороге слышимости

Знания, полученные при выполнении данной работы, потребуются на кафедрах физиологии, оториноларингологии (болезней уха, горла и носа), терапии и др., при изучении физиологии и патологии слуха.

ЦЕЛЬ. Определить зависимость порога слышимости звукового анализатора человека от частоты звука, т.е. снять частотную характеристику (аудиограмму).

Для реализации поставленной цели необходимо:

а) Изучить литературу[1] по теме работы, раздел «Акустика».

б) Ответить на следующие вопросы

1. Что называется звуком, какая принята классификация звуков?

2. Какие физические характеристики имеет звук?

3. Какие характеристики слухового ощущении вы знаете и как они связаны с физическими характеристиками?

4. Как формулируется и что выражает закон Вебера-Фехнера?

5. В каких единицах измеряются уровни интенсивности и громкости звука?

6. Что называется порогом слышимости, болевым порогом?

7. Какой диапазон частот воспринимает ухо человека?

8. Какой диапазон интенсивностей звука воспринимает ухо человека (в ВТ/м² и дБ)?

9. Какие функции выполняют наружный, средний и внутренний отделы уха человека?

10. Что называется частотной характеристикой слухового анализатора на пороге слышимости (аудиограммой)?

11. В чем заключается метод аудиметрии?

12.Какой вид имеют кривые равной громкости и для чего они используются?

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Порогом слышимости называется минимальное значение силы или интенсивности звука, воспринимаемое ухом. Пороги слышимости различны для звуков разных частот.

Для каждой частоты звука существуют свои граничные интенсивности: наименьшая I₀ – порог слышимости и наибольшая I_max – порог болевого ощущения. На частоте 1000 Гц указанные интенсивности составляют:

I₀=10^-12 Вт/м², I_max=10 Вт/м²,

отношение интенсивностей I_max/I₀=10/10^-12=10000000000000=10¹³.

Когда какие-либо величины изменяются в очень широком интервале значений, тогда удобнее сравнивать не абсолютные значения величин, а их логарифмы.

Десятичный логарифм отношения интенсивностей, различающихся в 10 раз, принят за единицу относительной шкалы интенсивностей; эта единица носит название «бел» (Б):

L=lg (10I/I)=lg 10=1Б

Наряду с белами пользуются в 10 раз более мелкой единицей, называемой децибелом (дБ):

1 Б=10 дБ; 1 дБ=0, 1 Б.

Отношение интенсивностей в 100 раз соответствует 20 дБ, в 1000 раз – 30 дБ и т.д., вообще, если L выражено в дБ, то

n=I/I₀=10^{0, 1L} (раз).

За начало относительной шкалы принят уровень интенсивности звука L₀=0 дБ, соответствующий порогу слышимости I₀ на частоте 1000 Гц. Все другие уровни выражаются через десятичный логарифм отношения действующей интенсивности I к I₀:

L=10 lg(I/I₀) (дБ), где

I – действующая интенсивность звука (Вт/м²);

I₀ – порог слышимости (Вт/м²)

Верхняя граница относительной шкалы

L_max=10 lg(I_max/I₀)=10 lg 10¹³=130дБ.

Таким образом, относительная шкала уровней интенсивностей для человеческого уха занимает диапазон от 0 до 130 дБ на частоте 1000 Гц.

Субъективной характеристикой интенсивности или силы звука является громкость. Ощущение громкости обусловлено чувствительностью уха к действию звука. Чувствительность – это физиологическое свойство уха, и зависит она от состояния слухового анализатора и физических характеристик звуковой волны – частоты колебаний, интенсивности и др.

Громкость может быть оценена количественно. В основе шкалы уровней громкости лежит психофизический закон Вебера – Фехнера: при возрастании силы раздражения в одинаковое число раз (в 2, 3, 4 и т.д.) степень ощущения (возбуждения) возрастает на одинаковую величину. Это справедливо для любой физиологической возбудимой системы. Например, для системы слуха:

aI₀, a²I₀, a³I₀ и т.д. – сила раздражения;

E₀, 2E₀, 3E₀ и т.д. – степень ощущения (громкость),

т.е. при увеличении силы раздражения в геометрической прогрессии степень ощущения этого раздражения возрастает в арифметической прогрессии.

Математически это выражается логарифмической зависимостью: громкость Е пропорциональна логарифму отношения интенсивностей раздражителей:

Е=k10 lg (I/I₀)=kL

Таким образом, громкость звука прямо пропорциональна относительному уровню интенсивности.

Коэффициент k сильно зависит от частоты, поэтому шкалы силы звука и громкости не совпадают. Громкость измеряют в фонах. Условно считают, что на частоте 1000Гц k = 1, следовательно, для тона 1000Гц численные значения уровня интенсивности в децибелах и уровня громкости в фонах равны.

Исследование остроты слуха называется аудиометрией. График зависимости порога слышимости от частоты называется частотной характеристикой уха или аудиограммой (рис. 2.1.).

ЗАДАНИЕ, ВЫПОЛНЯЕМОЕ В ЛАБОРАТОРИИ

Определить пороги слышимости уха человека на разных частотах и по этим данным построить кривую зависимости порога слышимости от частоты – аудиограмму.

I₀ (дБ)

I₀=φ (f)

f (Гц)

Рис. 1. Типичный вид кривой зависимости порога слышимости от частоты для человеческого уха (частотная характеристика, аудиограмма).

ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Экспериментальная установка для исследования частотной характеристики уха на пороге слышимости состоит из генератора (ЗГ) электрических колебаний и наушников (рис. 2.), в которых электрические колебания преобразуются в механические, звуковые. В генераторе имеются приспособления для изменения амплитуды и частоты колебаний в широком диапазоне.

Наушники

Рис. 2. Схема установки

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследования проводятся вдвоем. Один студент играет роль «врача», другой – «пациента». «Врач» манипулирует ручками генератора и задает «пациенту» вопросы, «слышен или не слышен звук?». «Пациент» отвечает: «да, слышу» или: «нет, не слышу».

Последовательность проведения исследования.

1.Ручки ЗГ установить в следующие положения:

а) тумблер «внутренняя нагрузка» выключить;

б) переключатель аттенюатора («ослабление») – на «0» дБ;

в) переключатель «выходн. сопротивление» - 50 Ом;

г) шкала прибора вольтметра – положение «х2»

д) ручку потенциометра выходного напряжения – против часовой стрелки до упора.

2. Включить генератор – тумблер «сеть» перевести в положение «вкл.». Подождать 8 – 10 мин для установления режима ЗГ.

3. Вращая ручку регулировки выходного напряжения по часовой стрелке, установить стрелку вольтметра на «0» по нижней шкале (дБ).

ВНИМАНИЕ! При выполнении этого пункта следите за тем, чтобы стрелка вольтметра генератора не уходила за правую границу шкалы, а находилась на нулевой отметке в начале исследования.

4. Установить частоту 100 Гц; «пациент» надевает наушники и слушает звук.

5. «Врач» ручкой декадного аттенюатора ослабляет звук. Как только ощущение звука исчезнет, и «пациент» скажет «нет, не слышу», ослабление прекратить. Затем вернуть положение аттенюатора на один «щелчок» (при этом появится слабое ощущение звука, «пациент» говорит: «слышу») и ручкой регулирования выходного напряжения плавно ослабить звук до полного исчезновения.

6. Ослабление аттенюатора (число в окошке) и показание стрелочного прибора (по нижней шкале) сложить. Например, в окошке видно число: -30, стрелочный прибор показывает: -6, 5, значит суммарное ослабление равно: (-30) + (-6, 5) = -36, 5 дБ. Измеренное ослабление занести в таблицу 2.1.

Таблица 2.1.

7. Пункты 3, 4, 5 и 6 повторить для частот 400, 1000, 2000, 4000, 8000 и 10000 Гц.

8. Вычислить разности между измеренными ослаблениями L_n и ослаблением L₁₀₀₀ на частоте 1000 Гц по формуле: L_p=L_n – L₁₀₀₀, результаты вычислений занести в таблицу 2.1.

9. Измерения произвести у 3 – 4 человек.

10. Построить график зависимости L_p=φ (f) по расчетным данным, используя логарифмический масштаб по оси частот, для каждого «пациента» в отдельности.

11. Сделать вывод о том, как зависит порог слышимости звукового анализатора человека от частоты звука. На каких частотах человек лучше воспринимает звуки? На каких хухе?

Закончив исследование, представить преподавателю отчет по проведенной работе, включающий таблицы измерений и график с обоснованием их в виде вывода.