M2.pdf

Uniwersytet Medyczny

Wydział wojskowo – lekarski

Zakład fizjologii człowieka i biofizyki

Laboratorium z biofizyki

Ćwiczenie M2 Audiometryczne badanie słuchu.

Grupa II

Zespół Z7

Michał Głowacki

1 Przygotowanie http://wojsk-lek.org

Część teoretyczna:

1. Obiektywne i subiektywne cechy dźwięku

Dźwięk, fala akustyczna rozchodząca się w ośrodku sprężystym lub wrażenie słuchowe

wywołane tą falą. Przyjmuje się, że człowiek słyszy dźwięki o częstościach od 16 Hz do 20

kHz. Drgania o mniejszej częstości to infradźwięki, a o wyższej ultradźwięki. Najłatwiej

słyszalne są dźwięki o częstości ok. 1000 Hz.

Fizycznymi aspektami dźwięków są: jego widmo, natężenie, długość trwania dźwięku

i zmiany w czasie. Ze względu na rodzaj widma dźwięki klasyfikuje się następująco:

1) ton (dźwięk prosty) - drganie sinusoidalne o jednej częstości.

2) wieloton harmoniczny (dźwięk złożony) - drganie będące sumą drgań

sinusoidalnych o częstościach będących wielokrotnościami (1,2,3,...) częstości

podstawowej.

3) wieloton nieharmoniczny - drganie będące sumą nie uporządkowanych drgań.

4) szum - dźwięk o ciągłym widmie.

Cechy dźwięku:

1. Obiektywne:

· Natężenie (I)

· Poziom natężenia dźwięku (L)

· Częstotliwość

· Struktura widmowa

2. Subiektywne:

 Wysokość dźwięku

 Barwa dźwięku

 Głośność

2. Propagacja fali dźwiękowej w różnych ośrodkach

Rozchodzenie się fal akustycznych

W zależności od kierunku drgania cząstek względem kierunku rozchodzenia się fali

rozróżniamy fale podłużne oraz poprzeczne. W przypadku fal podłużnych cząstki drgają w

kierunku rozchodzenia się fali. Fale podłużne rozchodzić się mogą zarówno w ośrodkach

ciekłych, jak i w ciałach stałych. Dla fal poprzecznych kierunek drgań cząstek jest

prostopadły do kierunku rozchodzenia się fali. Fale poprzeczne mogą rozchodzić się tylko w

ciałach stałych. Wyjątek stanowią tzw. fale powierzchniowe, które mogą rozchodzić się na

powierzchni cieczy (np. fale na wodzie). Najprostszym rodzajem zaburzenia jest zaburzenie o

przebiegu sinusoidalnym

p = p m sin 2pi f

gdzie f jest częstotliwością drgań,

p - amplitudą.

Ciśnienie akustyczne zaburzenia sinusoidalnego w odległości x od źródła fali akustycznej

wynosi

p = p m sin 2pi f(t - t a )

gdzie t a jest czasem przejścia zaburzenia od źródła do punktu a.

t a = a/c

2 Przygotowanie http://wojsk-lek.org

Ze zmianą odległości zmieniać się będzie faza p czoła fali, która wynosi

p = 2 pi f a/c

Prędkość fali dźwiękowej

1. Prędkość w gazach

n =

gdzie:

c - stosunek ciepła właściwego gazu przy stałym ciśnieniu do ciepła właściwego przy

stałej objętości

p – ciśnienie gazu

d – gęstość gazu

2. Prędkość w ciałach stałych i cieczach

gdzie

E – moduł sprężystości ośrodka

Długość fali

Najmniejszą odległość, przy której faza p = 2 pi tzn. przy której cząstki drgają z tą samą

fazą, nazywamy długością fali :

gdzie T jest okresem drgań.

l = c/ f = cT

Jeżeli wymiary geometryczne ośrodka, w którym rozchodzi się fala akustyczna, są znacznie

mniejsze od długości fali, można przyjąć, że wszystkie punkty ośrodka drgają z tą samą

fazą. We wspomnianym ośrodku nie będzie wtedy rozchodzić się fala, co pozwala

traktować drgania ośrodka jako drgania punktu materialnego.

Interferencja

Przy rozchodzeniu się w ośrodku kilku fal o tej samej częstotliwości, cząstki w

poszczególnych punktach ośrodka drgają z amplitudami wypadkowymi powstałymi z

sumowania się ciśnień akustycznych wywołanych działaniem wszystkich źródeł zaburzeń, z

uwzględnieniem odpowiednich przesunięć fazowych wynikających z różnicy dróg. Jest to

zjawisko nakładania się fal, czyli interferencji fal.

Fale stojące

W wyniku interferencji fal otrzymuje się różne wypadkowe amplitudy drgań cząstek ośrodka

w różnych punktach. W najprostszym przypadku dwóch fal o jednakowych amplitudach

rozchodzących się w przeciwnych kierunkach fale mogą mieć w określonych punktach fazy

zgodne powodujące wzrost amplitudy drgań cząstek, w innych punktach zaś mogą mieć fazy

przeciwne, powodując wygaszanie drgań cząstek. Powstaje wówczas fala stojąca.

3 Przygotowanie http://wojsk-lek.org

Odbicie i pochłanianie fal akustycznych

W przypadku gdy fala akustyczna pada na drugi ośrodek o innej akustycznej oporności

właściwej

Z = qc

gdzie q jest gęstością, część energii akustycznej zostaje odbita, a tylko część przeniesiona do

drugiego ośrodka.

Wielkością charakteryzującą ilość energii odbitej Er i przeniesionej Ep w stosunku do ilości

energii padającej Ei są odpowiednio: współczynnik odbicia

B = Er/Ei

oraz współczynnik przeniesienia zwany również współczynnikiem pochłaniania

a = Ep/Ei

W przypadku padania fali pod kątem m na powierzchnię graniczną ośrodków, kąt padania

jest równy kątowi odbicia. Fala przechodząca do drugiego ośrodka ulega załamaniu, tzn.

podobnie jak fala świetlna zmienia kierunek.

Ugięcie fali

Jeżeli fala trafia na przeszkodę o wymiarach geometrycznych znacznie mniejszych od

długości fali. następuje zjawisko ugięcia polegające na omijaniu przeszkody przez falę.

Uzależnienie zjawiska ugięcia od długości fali wskazuje, że łatwiej uginają się fale o

większych długościach, czyli o mniejszych częstotliwościach.

Rezonans falowy

Fala padająca prostopadle na granicę ośrodków oraz fala odbita tworzą wskutek interferencji

falę stojącą. Jeżeli ośrodek, w którym rozchodzi się fala akustyczna, ograniczony jest z obu

stron (np. ograniczona z obu stron rura),, wówczas wskutek wielokrotnych odbić od granicy

ośrodków nastąpi wielokrotne nakładanie się fal. W przypadku zgodności faz wszystkich fal

odbitych otrzymuje się maksymalne wzmocnienie ciśnienia akustycznego, nazywane

rezonansem falowym. Częstotliwością dla których wystąpi rezonans falowy, otrzymamy z

Warunku zgodności faz wszystkich fal odbitych.

Zjawisko rezonansu falowego wykorzystywane jest przy drganiach piszczałek, strun, płyt

oraz zamkniętych przestrzeni powietrznych, co pozwala na uzyskanie wzmocnienia fal

akustycznych dla określonych częstotliwości. Znajduje ono zastosowanie przy budowie

instrumentów muzycznych, wyposażonych na ogół w rezonansowe układy wzmacniające.

Rezonator Hclmholtza

Jest to układ o wymiarach geometrycznych znacznie mniejszych od długości fali, złożony z

małej komory z przewężeniem (np. butelka). Drgania rezonansowe polegają na periodycznym

sprężaniu i rozprężaniu cząstek w przewężeniu. Częstotliwość rezonansowa, przy której

otrzymuje się maksymalne wzmocnienie amplitudy drgań cząstek w rezonatorze.

Rezonatory Helmholtza wykorzystywane są do wzmacniania dźwięku, jeśli oddziaływają na

źródło dźwięku, lub do pochłaniania dźwięku, gdy współdziałają z ośrodkiem o własnościach

odbijających.

4 Przygotowanie http://wojsk-lek.org

Zjawisko Dopplera

Zjawisko Dopplera polega na zmianie częstotliwości fal akustycznych, jeśli między źródłem

fali a odbiornikiem fali istnieje względny ruch. Tak np. wskutek ruchu pociągu względem

nieruchomego obserwatora zmienia się częstotliwość sygnałów ostrzegawczych

wytworzonych W pociągu (np. gwizdu),

Zmieniona częstotliwość fz wywołana zbliżaniem się źródła dźwięku z prędkością v wynosi

fz = f ∗ c  v 

 c − v 

W przypadku oddalania się źródła dźwięku prędkość v należy traktować jako ujemną.

Widmo fal akustycznych

Przy rozpatrywaniu zjawisk związanych z powstawaniem i rozchodzeniem się fal

akustycznych zakłada się na ogół, że zaburzenie w ośrodku ma przebieg sinusoidalny o

określonej częstotliwości drgań. Występujące w rzeczywistości fale akustyczne, np. dźwięki

mowy, muzyki, hałasy, są przebiegami złożonymi, nie przypominają przebiegów

sinusoidalnych. Posługując się analizą Fouriera można dowolny przebieg przedstawić w

postaci sumy przebiegów sinusoidalnych o określonych amplitudach i fazach. Otrzymaną

zależność amplitud poszczególnych składowych analizy Fouriera w funkcji częstotliwości

nazywa się widmem częstotliwości danego przebiegu. Dla przebiegów periodycznych, tzn.

takich, których przebieg fal akustycznych w określonym punkcie pola akustycznego

powtarza się wielokrotnie, otrzymuje się skończoną ilość częstotliwości składowych, które

tworzą widmo prążkowe. Dla przebiegów nieperiodycznych otrzymuje się widmo ciągłe.

3. Podstawowe zjawiska falowe: interferencja, dyfrakcja

Interferencja fal, zjawisko wzajemnego nakładania się fal (elektromagnetycznych,

mechanicznych, de Broglie itd.). Zgodnie z tzw. zasadą superpozycji fal , amplituda fali

wypadkowej w każdym punkcie dana jest wzorem:

gdzie: A 1 , A 2 - amplitudy fal cząstkowych, φ - różnica faz obu fal.

Maksymalnie A = A 1 +A 2 dla φ =2k (fazy zgodne), minimalnie A=A 1 -A 2 dla φ =(2k+1) (fazy

przeciwne). Warunkiem zaistnienia stałego w czasie rozkładu przestrzennego amplitudy

interferujących fal jest ich spójność (koherentność).

4. Poziom natężenia i poziom głośności dźwięku

Głośność i natężenie dźwięku, czyli od ciszy do hałasu

Ponieważ ucho zbiera tę energię tylko z obszaru jaki samo zajmuje, więc dla wrażenia

głośności istotna jest energia padająca w jednostce czasu na jednostkę powierzchni (Co z

tego, że dźwięk ma wielką energię, jeżeli wydziela się ona przez rok rozkładając się na obszar

boiska sportowego).

Wielkość wyznaczana jako energia fali dźwiękowej dzielona

przez czas i powierzchnię, przez którą ta energia przenika?

nazywana jest natężeniem fali dźwiękowej:

Tutaj:

I - natężenie dźwięku - jednostką jest [W/m 2 ].

t - czas w sekundach [s]

5 Przygotowanie http://wojsk-lek.org

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: