Разрешающая способность

Нелинейность слуха

Для нормального среднестатистического органа слуха человека существуют некоторые предельные (пороговые) минимальные значения физических параметров звукового поля, при которых еще существует слуховое ощущение. Таким порогом слышимости являются стандартизованная интенсивность звука I₀=10...12 Вт/м² (близкая к порогу слышимости при f=1000 Гц в тишине), а также соответствующие ей звуковое давление p₀=2*10^-5 Па и плотность звуковой энергии e₀3*10^-15 Дж/м³. Порог слышимости является частнозависимым. Выше порога слышимости расположена область слышимости. На рис. 4 показана кривая порога слышимости. Там же показан и верхний порог слышимости, выше которого может наступить разрушение органа слуха - болевой порог, которому соответствует давление p_max=150...200 Па, что превосходит величину p₀=2*10^-5 Па в 107 раз.

Рис. 4. Кривые, ограничивающие область слышимости

Чтобы снизить субъективные нелинейные искажения, следует не увлекаться чрезмерно громким звучанием, применять все компоненты аудиосистемы с достаточно линейными амплитудными характеристиками, применять компоненты как можно более широкополосные, особенно в сторону низких частот.

Хорошо известно, что частотный диапазон слуха простирается от 16 до 20000 Гц. Слуховая память позволяет удерживать до нескольких сотен градаций частоты. Их число уменьшается с понижением интенсивности звука. Поэтому среднее число градаций не более 150. Устройство органа слуха часто уподобляют цепочке резонаторов, настроенных на определенные полосы частот. Такая модель показывает хорошее приближение к устройству и результатам действия реальной слуховой улитки, в которой расположена базилярная мембрана, содержащая свыше 20000 осязающих волокон, которые передают возбуждающее воздействие через нервные окончания в слуховой центр мозга, где и происходит обработка полученных сигналов, вследствие чего слушатель воспринимает (субъективно) образовавшийся слуховой образ. Если слуховая память уже содержит предваряющую эмпирическую информацию о подобном или близком слуховом образе, то мозг идентифицирует ее как знакомую, идентичную или тождественную.

Частотную разрешающую способность слуха обеспечивают полосы пропускания, образованные специфическим устройством органа слуха. Их называют критическими полосками, иногда - частотными группами. Всего таких полосок 24. Поэтому считается, что слух как бы превращает широкополосный звук со сплошным спектром частот в дискретный, т.е. состоящий из конечного числа составляющих, соответствующих включенным в работу числу критических полосок. Ранее было отмечено, что разрешающая способность слуха по амплитуде составляет несколько сот ступеней ощущения.

Таким образом, совокупная разрешающая способность слуха по амплитуде и частоте в пределах области слышимости, ограниченной снизу порогом слышимости, а сверху - болевым порогом, составляет около 22000 элементарных градаций звуковых ощущений. Своего рода четкость звукового изображения. Заметим для справки, что число градаций зрительных ощущений составляет около 600000.

Как было отмечено, орган слуха имеет 24 критические полоски, определяющие дискретную избирательность слуха и его разрешающую способность по частоте. если среднее число ощущаемых градаций по частоте около 150, то максимальное может доходить до 620 при высокой интенсивности звука.

При уровне звукового давления L_P=70дБ на частотах менее 500 Гц слышны отклонения частоты тона на 1,8 Гц; выше же 500 Гц слышны отклонения порядка 0,35% от частоты тона. Частота тона является параметром раздражения органа слуха. Субъективным параметром ощущения частоты тона является высота тона. До частот 500 - 1000 Гц изменения частоты тона (раздражение) и высоты тона (ощущение) описывается логарифмическим законом, выше частоты 500 - 1000 Гц связь раздражения и ощущения все более отличается от логарифмической зависимости

Различия в тембрах определяются преимущественно низко- и среднечастотными составляющими звучаний инструментов. Большое разнообразие и богатство тембров связано с сигналами, лежащими в нижней части частотного диапазона, тем более, что в музыке основные тоны выше 1 кГц используются редко.

Устройство и назначение медицинской аппаратуры, использующей звуковые методы диагностики

Распространенный звуковой метод диагностики заболеваний – аускультация. Для этого метода используют стетоскоп или фонендоскоп. Фонендоскоп состоит из полой капсулы с передающей звуковой мембраной, прикладываемой к телу больного, от неё идут резиновые трубки к уху врача.

Для диагностики состояния сердечной деятельности применяется фонокардиография, которая заключается в графической регистрации тонов и шумов сердца и их диагностической интерпретации. Запись фонокардиограммы производят с помощью фонокардиографа, состоящего из микрофона, усилителя, системы частотных фильтров и регистрирующего устройства

Факторы, определяющие реабилитационную профилактику шума. Для реабилитационной профилактики шума необходимо знать основные факторы, определяющие его воздействие на организм человека: близость источника шума, интенсивность шума, длительность воздействия, ограниченность пространства, в котором действует шум.
Длительное воздействие шума вызывает сложный симптоматический комплекс функциональных и органических изменений в организме (и не только органа слуха).
Воздействие длительного шума на ЦНС проявляется в замедлении всех нервных реакций, сокращении времени активного внимания, снижении работоспособности.

После длительного действия шума изменяется ритм дыхания, ритм сердечных сокращений, возникает усиление тонуса сосудистой системы, что приводит к повышению систолического и диастолического уровня кровяного давления. Изменяется двигательная и секреторная деятельность желудочно-кишечного тракта, гиперсекреция отдельных желез внутренней секреции. Имеет место повышение потливости. Отмечается подавление психических функций, особенно памяти.
Специфическое действие оказывает шум на функции органа слуха. Ухо, как и все органы чувств, способно адаптироваться к шуму. При этом под действием шума порог слышимости повышается на 10-15 дБ. После прекращения шумового воздействия нормальное значение порога слышимости восстанавливается только через 3–5 минут. При высоком уровне интенсивности шума (80-90 дБ) его утомляющее действие резко возрастает. Одной из форм расстройства функции органа слуха, связанной с длительным воздействием шума, является тугоухость.
Сильное воздействие как на физическое, так и на психологическое состояние человека оказывает рок-музыка. Современная рок-музыка создает шум в диапазонах от 10 Гц до 80 кГц.
Экспериментально установлено, что если основной ритм, задаваемый ударными инструментами, имеет частоту 1,5 Гц и имеет мощное музыкальное сопровождением на частотах 15-30 Гц, то у человека наступает сильное возбуждение. При ритме 2 Гц при таком же сопровождении человек впадает в состояние, близкое наркотическому. На рок-концертах интенсивность звука может превышать 120 дБ, хотя человеческое ухо настроено наиболее благоприятно на среднюю интенсивность 55 дБ. При этом могут возникать контузии звуком, звуковые «ожоги», потеря слуха и памяти.
Шум оказывает вредное воздействие и на орган зрения. Так, длительное воздействие производственного шума на человека, находящегося в затемненном помещении, приводит к заметному снижению активности сетчатки глаза, от которой зависит работа глазного нерва, а, следовательно, и острота зрения.
Защита от шума достаточно сложна. Это связано с тем, что вследствие сравнительно большой длины волны звук огибает препятствия (дифракция) и звуковая тень не образуется.
Для борьбы с шумами, проникающими в жилые помещения, большое значение имеют правильное планирование расположения зданий, учет розы ветров, создание защитных зон, в том числе и растительных. Растения – хороший гаситель шума. Деревья и кустарники могут снижать уровень интенсивности на 5-20 дБ. Эффективны зеленые полосы между тротуаром и мостовой. Лучше всего шум гасят липы и ели. Дома, находящиеся позади высокого хвойного заслона, могут быть избавлены от шумов улицы почти полностью.
Борьба с шумом не предполагает создание абсолютной тишины, так как при длительном отсутствии слуховых ощущений у человека могут возникнуть расстройства психики. Абсолютная тишина и длительный повышенный шум одинаково противоестественны для человека.

Слуховая система получает, перерабатывает и передает информацию. Из всей слуховой системы для рассмотрения физики слуха выделяют наружное, среднее и внутреннее ухо.

Наружное ухо состоит из ушной раковины и наружного слухового прохода. Ушная раковина у человека не играет существенной роли для слуха. Она способствует определению локализации источника звука при его расположении – звук от источника попадает в ушную раковину. В зависимости от положения источника в вертикальной плоскости звуковые волны будут по разному дифрагировать на ушной раковине из-за ее специфической формы. Это приводит и к разному изменению спектрального состава звуковой волны, попадающей в слуховой проход. Человек научился ассоциировать изменение спектра звуковой волны с направлением на источник звука.

Бинауральный эффект (от лат. bini — пара, два и auris — ухо), способность человека и животных определять, в каком направлении от них находится звучащее тело, обусловленная наличием у них 2 звукоприёмников — ушей. Звук проходит до уха, обращенного к источнику, более короткий путь, поэтому звуковые волны в обоих ушных каналах различаются по фазе (времени прихода данной фазы) и амплитуде (силе) звуковых колебаний. Звук разной высоты воспринимается по-разному: для низких звуков (до 1500 колебаний в секунду) направление на звучащее тело определяется наиболее точно и почти целиком по разности времени прихода данной фазы звуковых колебаний; для высоких звуков, при которых существенную роль играет различие в силе звука у правого и левого уха, определение менее точно. Различие фазы и интенсивности воспринимаемых звуков ведёт к различию импульсов, поступающих в центральную нервную систему от правого и левого уха, что и даёт возможность определять направление звука. Человеку с нормальным слухом удаётся определять это направление в горизонтальной плоскости с точностью до 3°. Расположение источника звука по высоте устанавливается менее точно. Более точному определению направления прихода звука способствует изменение положения ушных раковин (у животных) и головы (у животных и человека). Биноуральный эффект можно усилить, увеличив расстояние между приёмниками, что достигается при помощи звукоулавливателей.

Кроме фазового различия, бинауральному эффекту способствует неодинаковость интенсивностей звука у разных ушей, а также и «акустическая тень» от головы до одного уха.

Длина слухового прохода у человека равна приблизительно 2,3 см; следовательно, акустический резонанс возникает при частоте:

Наиболее существенными частями среднего уха являются барабанная перепонка и слуховые косточки: молоточки, наковальня и стремечко с соответствующими мышцами, сухожилиями и связками.

Система косточек на одном конце молоточком связана с барабанной перепонкой, на другом – стремечком с овальным окном внутреннего уха. На барабанную перепонку действует звуковое давление, что обусловливает силу F₁ = P₁ S₁ (P₁ – звуковое давление, S₁ – площадь).

Система косточек работает, как рычаг, с выигрышем в силе со стороны внутреннего уха у человека в 1,3 раза. Еще одна из функций среднего уха – ослабление передачи колебаний в случае звука большой интенсивности.

Улитка человека является костным образованием длиной около 3,5 мм и имеет форму капсулообразной спирали с 2–3/4 завитками. Вдоль улитки проходят три канала. Один из них, который начинается от овального окна, называется вестибулярной лестницей. Другой канал идет от круглого окна, он называется барабанной лестницей. Вестибулярная и барабанная лестницы соединены в области купола улитки посредством маленького отверстия – геликотремы. Между улитковым каналом и барабанной лестницей вдоль улитки проходит основная (базилярная) мембрана. На ней находится кортиев орган, содержащий рецепторные (волосковые) клетки, от улитки идет слуховой нерв.

Слуховые аппараты. Современные слуховые аппараты состоят из микрофона, усилителя-преобразователя и телефона. Звуковые колебания поступают в микрофон, где их энергия преобразуется в электрическую. Усиленная электронными лампами или транзисторами, она поступает в телефон, где электрическая энергия вновь трансформируется в звуковые колебания, воспринимаемые ухом. В зависимости от характера нарушения слуха в С. а. применяют телефоны воздушного (передаёт усиленный звуковой сигнал в наружный слуховой проход) и костного (обеспечивает передачу звука во внутреннее ухо) звукопроведения. Воздушный телефон вставляется в ухо, костный — прижимается к сосцевидному отростку.

Слуховые протезы. В случае полной потери слуха (из-за болезни среднего уха) можно применять протез в виде микрофона электрические сигналы которого непосредственно передаются нервным волокнам. От уха отходит большое число нервов, из которых каждый передает данные о звуках определенной частоты. Поэтому при использовании одного датчика и одного нерва все звуки будут восприниматься в виде меняющейся интенсивности. Сейчас проводятся попытки применения двух датчиков, подключенных к двум разным нервам. В электронном устройстве используется специальный трансформатор НЧ, первичная обмотка которого включена в выходную цепь сверхминиатюрного усилителя, размещаемого в оправе очков или в шляпе. Вторичная обмотка, залитая специальной смолой, вживляется в голову больного и соединяется непосредственно с нервом.
Миниатюрные слуховые аппараты вставляют в ухо.

Тимпа́нометри́я (импеда́нсометри́я) — метод объективного исследования функции среднего уха, степени подвижности барабанной перепонки и проводимости слуховых косточек (молоточек, наковальня, стремечко) путём создания вариаций давления воздуха в слуховом канале. Результаты исследования не могут быть использованы для оценки чувствительности слуха (результаты тимпанометрии всегда следует рассматривать в сочетании с данными аудиометрии).

Исследование позволяет установить:

• давление в среднем ухе,
• состояние функции слуховой трубы,
• степень подвижности барабанной перепонки,
• целостность и степень подвижности слуховых косточек,
• порог акустического рефлекса и некоторые виды нарушения слуха, носящие функциональный характер.