Краткие сведения по физической акустике

ГЛАВА 3

ФИЗИОЛОГИЯ СЛУХОВОЙ СИСТЕМЫ.

Краткие сведения по физической акустике.

Источником звука являются колебания упругих тел, в природе это звуки дождя, грома, в быту струны музыкальных инструментов, голосовые складки гортани у человека, колебания которых вызывают распространение колебания в окружающей среде. Колебательные движения среды распространяются во все стороны от источника в виде ритмического сгущения и разрежения частиц среды, при этом сами частицы среды не перемещаются по направлению звука, а после сгущения, или разрежения возвращаются в обычное состояние среды. Рис. 40 Ритмические сгущения и разрежения внешней среды под действием звука.

Состояния сгущения или разрежения называют фазами, а расстояние между одинаковыми фазами - длиной волны. Рис.41 Звуковая волна. Различают короткие и длинные звуковые волны, короткие звуковые волны имеют небольшие расстояния между фазами, за счет частых колебаний, а звуковые волны с большой длиной волны имеют редкую частоту колебания. Рис. 42 Частота и амплитуда звуковой волны.

Частота колебаний звуковой волны зависит от частоты колебания источника звука и измеряется в Гц, или кГц: 1Гц соответствует одному колебанию в секунду, 1кГц равен 1000 колебаний в секунду. Чем больше частота колебания звуковой волны, тем большим числом Гц она обозначается.

Человек воспринимает звуки с частотой от 16 Гц до 20000Гц. Звуки с частотой колебаний ниже 16 Гц называются инфразвуками, они возникают во время шторма, ухо человека их не воспринимает, но они оказывают отрицательное воздействие на психику человека. Звуки с частотой колебания больше 20000 Гц называются ультразвуками, они также не воспринимаются ухом человека, но, поглощаясь и отражаясь костными и мягкими тканями тела человека, они используются для исследования внутренних органов.

Сила звуковой волны зависит от размаха фазы или амплитуды колебания. Чем шире размах фазы или амплитуды колебания, тем звук сильнее, чем меньше размах колебания, тем звук слабее. Сила звука определяется величиной давления, которое производит звуковая волна на единицу поверхности и измеряется также как атмосферное давление в паскалях (Па). Давление 1Па равняется силе в ньютонах (Н), действующей на площадь в квадратных метрах 1Па= 1Н\м2, давление в одну атмосферу приблизительно составляет 10 5 Па, то есть 100000 Па. Эти величины дают представление силе звука, но при исследовании слуха не используются.

Длинные звуковые волны способны огибать препятствия, что проявляется возможностью восприятия издалека низких звуков барабана, в отличие от высоких звуков, которые издалека слышны хуже. Такая способность низкочастотных звуков называется дифракцией.

Звуковые волны с большой частотой колебания, встречая препятствие на своем пути, ослабляются и частично отражаются, вызывая явления реверберации или эхо. От реверберации в музыкальных залах избавляются с помощью специальных форм архитектуры.

Среди особенностей звуковой волны интересным является улучшение звучания, усиление звука при встрече звуковой волны с предметами, способными звучать в унисон. Это явление резонанса, когда звуки, исходящие от струнных инструментов, усиливаются в воздушной полости инструмента (резонаторе), приобретая более насыщенный, глубокий звук, резонаторы при этом имеют определенной формы полости и размеры отверстия в них. Явления резонанса возникают за счет воздуха, начинающего звучать в унисон струнам инструмента, также способны звучать струны рояля, если над ними пропеть какой - либо тон, либо поднести звучащий камертон.

Звуковая волна отличается постоянной скоростью распространения в определенной среде, переходя в другие среды, скорость распространения изменяется в зависимости от физических особенностей среды. В воздухе при 0° скорость звука 333 м/сек, в воздухе комнатной температуры скорость 340 м/сек, а в воде - 1450 м/сек.

Среди звуков, различаемых органами слуха, выделяют простые тоны, сложных звуки и шумы.

Простой, чистый тон в природе практически не встречается, чистый тон производит камертон, электроакустическая аппаратура (аудиометр) с помощью которого исследуется слух. Как всякое колебательное движение, чистый, гармонический тон графически изображается волнообразно, в виде периодически возникающих синусоид.

Сложные звуки объединяют простые тоны, но по частоте, амплитуде соответствуют одному самому низкому, простому тону, который называется основным. Остальные тоны, составляющие звук, могут иметь тоны в 2,.3, 4 раза выше основного тона, но быть кратными по отношению к основному тону. Это обертоны - гармоники, придающие звуку тембровую окраску.

Помимо тонов и сложных звуков различают шумы, они характеризуются беспорядочными колебаниями, в которых отсутствует четкая периодичность, а соотношение между тонами и обертонам выражается дробными числами. С помощью шума образуется большинство согласных. Шум негативно действует на слуховую систему, длительное его воздействие может привести к снижению слуха, функциональным изменениям в нервной системе. Шум нашел применение при исследовании слуха в качестве маскирующего шума, в состав которого входят все частоты, воспринимаемые человеческим ухом. С помощью маскирующего шума заглушают лучше слышащее ухо, для исследования слуха в плохо слышащем ухе.

3. 2. Психофизические показатели звука.

В жизни человека постоянно окружают сложные звуки и шумы, которые формируют в его сознании определенные образы, развивающие его представления об окружающем мире, формируют звуки речи, восприятие которых позволяет ребенку формировать речевую функцию, что отличает человека от всех живых существ на земле.

Субъективно или психофизически человек воспринимает частоту колебания звуковой волны за секунду в виде высоты звука. Так низкочастотные звуки от 16 до 500 Гц, человек воспринимает как басовые звуки, среднечастотные от 500 до 1000 Гц являются универсальными звуками для восприятия речи, музыки, которые человек воспринимает в течение всей жизни, и в старости, когда нарушается восприятие высоких частот. Высокочастотные звуки от 2000 Гц до 8000 Гц образуют свистящие и шипящие звуки, частоты более 8600 Гц не входят в структуру речевых частот, но имеют значение при восприятии пения птиц, музыки.

Низкочастотные звуки, имея большую длину волны и возможности реверберации, обеспечивают колебание перилимфы от основного завитка до верхушки улитки, огибая при этом стержень улитки, и воспринимаются основной мембраной в области ее верхних завитков. Высокочастотные звуки, как коротковолновые, и с большей частотой колебания, обеспечивают колебание перилимфы и основной мембраны непосредственно у овального окна, в основном завитке улитки, где и воспринимаются.

Сила звука субъективно воспринимается как громкость звука, за единицу измерения громкости принят Бел в честь Александра Грэхема Белла - открывателя телефона. Поскольку единица Бел в 10 раз больше порога слышимости, то измеряют громкость в дБ, что составляет 0,1 Бела. Громкость, как всякое субъективное ощущение, нарастает и падает в слуховой системе слабее, чем сила звука, так увеличение силы звука на 10 дБ, или в 10 раз, увеличивает громкость только в два раза. С помощью децибела оказалось возможным отличить громкость одного звука от другого. Шкала децибел составляет диапазон от 0 до 140 децибел (дБ). Звуки интенсивнее 140 дБ вызывают ощущения непереносимости у человека с нормальным слухом и рассматриваются как состояние дискомфорта. Используя шкалу децибел, можно силу звуков окружающей среды представить в децибелах. Рис.42 Показатели интенсивности звуков. В опытах со звуками других частот установлено, что одинаковая громкость звуков разных частот возможна только при увеличении силы звука. Если возникнет необходимость знать истинный, абсолютный показатель силы звука, то его можно перевести в (Па).

Громкость звука зависит не только от силы, но и от высоты звука. Высокие звуки воспринимаются как более громкие по сравнению с низкими звуками при одинаковой их силе. Так восприятие слов со звуками низкой частоты с помощью шепотной речи происходит с расстояния 6 метров, а слов с высокими частотами с расстояния 20 метров.

Одним из субъективных особенностей звука является тембр. Тембр придает каждому звуку своеобразный оттенок, характерную окраску, независимо от частоты и интенсивности, что связано с количеством обертонов у каждого тона. Количество обертонов зависит от формы и величины усилителей звука - резонаторов. У каждого человека индивидуальное строение его резонаторов - полости носа, рта, глотки, костных, заполненных воздухом синусов

в полости черепа, и, как результат, свой неповторимый тембр голоса, что позволяет нам различать голоса людей по телефону. У каждого музыкального инструмента имеется свой усилитель звука, выполненный в виде полости с отверстием, который называется резонатором, и придает инструменту своеобразное звучание, по которому мы различаем звуки инструментов.

3.3. Функциональные показатели слуховой системы.

При исследовании слуха человека важны не абсолютные показатели звукового давления в (Па), а относительные, которые получаются путем сравнения со слухом здорового человека, когда исследование проводят речью, камертонами, или с помощью электроакустической аппаратуры. Человеку подают звуки различной громкости, которые сравнивают по интенсивности звука с нулевым уровнем. За нулевой уровень, или 0 дБ при исследовании слуха с помощью электроакустической аппаратуры принимают наименьшую силу звука, которую воспринимает ухо нормально слышащего человека. Поэтому 0 дБ это условная единица, которую называют порогом слухового ощущения. Чем ниже порог слухового ощущения, то есть чем ближе он к 0 дБ, тем меньшая сила звука требуется для получения слухового ощущения. В жизни такой порог слышимости можно сопоставить с ощущением шелеста листьев. Все более громкие звуки имеют логарифмическую зависимость от наименьшей силы звука и обозначаются в дБ.

Слуховая система слышащего человека имеет возможность воспринимать слуховые ощущения от 0 дБ до 140 дБ, последняя сила соответствует звуку двигателя в самолете. Возможность восприятия очень тихих звуков и чрезмерно сильных определяет динамический диапазон слуха, именно таким он бывает у хорошо слышащего человека. Возможность воспринимать столь разнообразные по громкости звуки, формируют слуховые образы, которые у глухих детей надо формировать сознательно.

У слабослышащих, чей динамический диапазон намного меньше и составляет от 30 до 50 дБ, и глухих, чей динамический диапазон зачастую составляет от 10 до 15 дБ, даже незначительное увеличение силы звука может вызвать дискомфорт. При наличии слухового аппарата, когда динамический диапазон невелик, всякий резкий звук может вызвать не желание ребенка пользоваться слуховым аппаратом. Это надо помнить при работе со слабослышащими детьми.

Резкое усиление интенсивности звука, при котором появляется ощущение давления или боли называется порогом дискомфорта. У хорошо слышащих людей, с большим динамическим диапазоном от 0 дБ до 90 и более дБ, пороги дискомфорта возникают только при чрезвычайных ситуациях, например при взрыве.

Частотный диапазон слуха молодого человека в возрасте 25 лет располагается между частотами инфразвука и ультразвука, от 16 Гц до 20000 Гц, после 40 лет восприятие высоких частот уменьшается. Частотный диапазон человека уступает частотному диапазону летучей мыши, собаки, насекомых, так летучие мыши издают и воспринимают звуки высотой до 60000 Гц.

Область слухового восприятия человека, позволяет нервным клеткам мозга, учитывая звуковые характеристики, формировать слуховые образы окружающей среды, развивающие мышление. Для развития глухого ребенка важно сформировать понятия окружающей среды, обозначающие звуковые явления, такие как звук грома, дождя, ветра, треск веток, звуки музыки, голоса.

Наиболее чувствительна слуховая система к звукам с частотой колебания от 1000 Гц до 4000 Гц, которые называются речевыми частотами. При удалении в обе стороны от этих частот, чувствительность быстро падает и требуется значительное увеличение силы звука, в 1000 раз большее, чем для восприятия звуков от 1000 Гц до 4000 Гц. У глухих людей частотный диапазон значительно сужен, иногда это восприятие только низких частот от 120 до 250 Гц, что не позволяет сформировать словесную речь, поскольку эти частоты воспринимают только низкий звук «У». Восприятие звуков от 500 до 1000 Гц позволяет слышать все гласные звуки и многие согласные, что позитивно сказывается на возможностях словесной речи.

Слуховая система дает возможность различать абсолютную высоту звука, что является показателем абсолютного слуха, определять интервалы между звуками, интервалами называются расстояния между двумя степенями звукоряда. Слуховая система чувствительна к консонансам (слитно звучащий тон) и диссонансам (раздельно звучащий тон), но эти особенности встречаются у людей, обладающих абсолютным слухом.

Временное снижение чувствительности слуховой системы в виде снижения ощущения громкости в результате воздействия интенсивного звукового раздражителя и обострение слуха в тишине получило название адаптации. Адаптация означает максимальное приспособление слуховой системы к восприятию звука определенной силы и частоты. Непрерывное воздействие на орган слуха в течение 2 минут звуком в 1000 Гц с интенсивностью 50 дБ над порогом слышимости вызывает у здоровых людей временную реакцию снижения слуха до 5 - 10 дБ в зоне частоты раздражения.

Восстановление исходной слуховой чувствительности после указанной звуковой нагрузки происходит у здоровых людей в течение 5-8 секунд. Для временной защиты начинают действовать компенсаторные механизмы нервной системы в виде резкого сокращения обеих мышц барабанной полости: мышцы, напрягающей барабанную перепонку и стремянной мышцы. Такое резкое сокращение мышц барабанной полости прекращает проведение звуковой волны по слуховым косточкам к овальному окну и предотвращает воздействие интенсивного звука на внутреннее ухо.

После прекращения звукового раздражения, чувствительность органа слуха восстанавливается по-разному, в зависимости от особенности слуховой системы и возможных нарушений в ней. Участие нервных механизмов в процессе адаптации подтверждает тот факт, что при воздействии звука на одно ухо чувствительность изменяется в обоих ушах.

Слуховым утомлением объясняется значительное снижение слуховой чувствительности, которая восстанавливается только после продолжительного отдыха. Обычно слуховое утомление сопровождается снижением общей работоспособности. У слабослышащих и глухих детей интенсивное раздражение органа слуха во время занятия с использованием звукоусиливающей аппаратуры может вызвать снижение внимания, нежелание продолжать работу. Эти признаки слухового утомления надо учитывать во время занятий и индивидуально подходить к каждому ребенку в зависимости от исходных показателей нарушения слуха и интенсивности звукоусиливающей аппаратуры.

Регулярное, продолжительное пребывание в шумной обстановке в течение нескольких месяцев или лет может вызвать изменения волосковых клеток в спиральном органе и, как следствие, стойкое нарушение слуха. Такие нарушения слуха часто встречаются у работников шумных производств и проявляются преимущественным поражением высоких частот, как наиболее чувствительных, расположенных в основном завитке улитки.

Кратковременное воздействие на орган слуха очень мощного звукового раздражителя в состоянии вызвать звуковую травму в виде разрыва барабанной перепонки и нарушения функции волосковых клеток спирального органа, что проявляется устойчивым снижением слуха. Такие травмы чаще встречаются во время военных действий.

Ослабление восприятия или отсутствие восприятия одного звука при действии другого звука называется маскировкой звука.

Маскирующий звук часто используют при исследовании слуха, особенно при одностороннем снижении слуха, когда маскирующий звук подают в лучше слышащее ухо, чтобы выяснить слуховые пороги хуже слышащего уха. В тоже время человек в состоянии «настроиться» на определенный звук и выделять его среди других звуков.

Восприятие звуков зависит так же от состояния нервной системы, утром, после сна, звуки воспринимаются лучше, чем после нагрузки, имеют значение метеорологические факторы. Повышенная возбудимость нервной системы приводит к тому, что звуки кажутся чрезмерно громкими. Таблица 1 Уровни интенсивности разных звуков в дБ.

Наряду с возможностью воспринимать диаметрально противоположные по силе звука слуховые ощущения от 0 дБ до 140 дБ, слуховая система в состоянии различать самое незначительное усиление силы звука в пределах 1 дБ как усиление громкости звука. Такое свойство называется разностным или дифференциальным порогом силы звука.

У некоторых слабослышащих людей, обострена чувствительность к нарастанию громкости звука в плохо слышащем ухе. Страдают от этого слабослышащие дети, пользующиеся слуховым аппаратом. Это часто происходит при усилении интенсивность звука в аппарате, с целью улучшения восприятия звука. Даже незначительное усиление интенсивности звука в плохо слышащем ухе вызывает резко отрицательную реакцию, ребенок отказывается от слухового аппарата и от продолжения занятий. Этот факт может указывать на изменения в нервных воспринимающих клетках спирального органа с превалированием явлений раздражения, по типу гиперакузии (повышенная чувствительность к звукам). Исследование этого феномена используется для различения места повреждения слуха в слуховой системе, обычно, наличие этого феномена, который называется ФУНГ - феномен ускоренного нарастания громкости связывают с повреждением волосковых клеток улитки, а его отсутствие с повреждением нервных проводников слуховой системы.

Разностным порогом частоты звука называют минимальный прирост частоты звука к его первоначальной частоте зафиксированный слуховой системой. На частотах звука от 500 до 5000 Гц изменение частоты звука в пределах 3 Гц воспринимается как другой звук, чем можно объяснить акценты и нарушения произношения у глухих и слабослышащих.

Ототопика, пространственный или бинауральный (двуушный) слух это способность слуховой системы воспринимать направление источника звука одновременно обоими ушами. Это не только улучшает качество звуков, но позволяет определять место расположения источника звука, удаленность его и возможность его перемещения. Такая способность распознавания источника звука возможна только при наличии нормального слуха на оба уха, если слух снижен, то он должен быть симметричным на оба уха. Люди с односторонней глухотой теряют возможность определять локализацию источника звука, поскольку звук поступает только к слышащему уху. Если источник звука располагается по средней линии, то звук приходит одновременно в оба уха. Но если источник звука сдвигается хотя бы на 3 градуса от средней линии, то лучше слышит ухо, расположенное ближе к источнику звука. При одинаковом, нормальном слухе На оба уха, звук воспринимается лучше тем ухом, которое ближе к источнику звука, а до другого уха звук доходит позже из-за экранизирующего влияния головы. Для низких частот при бинауральном восприятии главное значение имеет разница во времени поступления звука к одному уху, а затем к другому, поскольку низкие звуки имеют большую длину волны и, огибая голову, приходят позже к противоположному уху с небольшой разницей во времени, равным десятитысячным секунды.

Для высоких частот бинауральное восприятие ближе и дальше расположенной от источника ушной раковиной, зависит от разницы сила звука, или разница в громкости, которая, для звука в 1000 Гц составляет 1 дБ. Поскольку высокие частоты, имеющие короткую длину волны, не в состоянии огибать голову, они воспринимаются ухом при отражении от головы. Подобные минимальные различия улавливаются проводниковым и корковым отделами слуховой системы благодаря трем пересечениям проводящих путей на уровне моста, среднего мозга и мозговой коры.

Больные с поражением теменно-височных отделов мозга с нормальной остротой слуха на оба уха не могут определять источник звука на больной стороне, или эта способность резко снижена. Этот факт указывает на то, что сравнения звуков по времени поступления, или по интенсивности звуков осуществляется проводниковой и корковой отделами нервной, слуховой системы.

3.4. Особенности функционирования трех отделов слуховой системы.

Поиск по сайту: