Антонов В.Ф. Практикум по биофизике

Подождите немного. Документ загружается.

Работа

эндоскопом.

Задание

4. Изучение структуры световодного

жгута.

Убе-

дитесь, что световодный

жгут

состоит из отдельных тонких

волокон.

Оцените толщину каждого волокна и убедитесь в

его гибкости. Ответьте на вопрос, необходимо ли жесткое за-

крепление

каждого волокна в

жгуте

в его середине и на тор-

цах.

Задание

5. Изучение работы световодного

жгута

без линзы.

Поднесите

жгут

к освещенной поверхности. Определите, на

каком

расстоянии от нее возникает изображение. Проверьте,

возникает ли изображение, если поверхность не освещена.

Задание

6. Изучение работы световодного

жгута

с линзой.

Поднести

жгут

к освещенной поверхности. Убедитесь, что изо-

бражение возникает, когда расстояние от линзы до поверхнос-

ти составляет несколько см. Каким образом можно осветить

внутреннюю поверхность полого органа при эндоскопическом

исследовании?

Задание

7. Решите задачи.

Задача 1. Скорость света в веществе составляет 2 • 10^ м/с.

Чему равен показатель преломления этого вещества?

Указание: воспользоваться формулой (2).

Задача 2. Показатель преломления стекла 1,7, а воды

1,333.

Какова

величина предельного

угла

преломления при прохож-

дении

света из воды в стекло? Существует ли в этом

случае

угол

полного внутреннего отражения?

Задача 3. Как изменится величина предельного

угла

пре-

ломления

при прохождении света из жидкости в стекло при

увеличении показателя преломления этой жидкости? При ка-

ком

максимальном значении коэффициента преломления

жидкости

существует

предельный

угол

преломления?

311

Физические

методы

диагностики

терапии

медицине

7.1.

Физические

основы

аудиометрии

Аудиометрия — широко используемый в медицине метод

определения понижения (потери)

слуха.

В диагностике используются также

другие

звуковые мето-

ды исследования: аускультация (прослушивание звуков, воз-

никающих внутри организма), фонокардиография (запись зву-

ков,

сопровождающих работу сердца), перкуссия (анализ зву-

ков,

возникающих при постукивании специальным молоточ-

ком

тела).

Понимание

сущности указанных методов, а также

других

вопросов,

связанных с работой звуковоспринимающего и голо-

сового аппарата человека,

требует

знания основных понятий

акустики.

Цель

работы:

1. Научиться объяснять зависимость физиологических ха-

рактеристик ощущения звука от физических характеристик

звуковой волны.

2. Построить кривую порога слышимости и аудиограмму.

Литература:

Ремизов А.Н.

Медицинская

биологическая

физика.

— М.: Выс-

шая

школа,

1996.

Ливенцев Н.М.

Курс

физики,

т. 1, 1978, гл.5.

Конспект

лекций.

Подготовка к работе

Изучить следующие вопросы:

1. Физические характеристики звуковой волны (частота,

акустический спектр, интенсивность, звуковое давление).

312

Единицы измерения частоты, интенсивности, звукового дав-

ления

(в СИ).

2. Физиологические характеристики ощущения звука (вы-

сота тона, тембр, громкость), их зависимость от физических

характеристик звуковой волны.

3. Логарифмические шкалы уровней: интенсивности, зву-

кового давления и громкости (бел, децибел, фон).

4. Закон Вебера-Фехнера. Пороги слышимости, дискомфор-

та, боли.

5. Как зависит уровень громкости от частоты при постоян-

ной

интенсивности?

6. Объяснить физический смысл графика кривых равной

громкости.

7. Что называется аудиограммой и как ее построить по за-

данной кривой порога слышимости?

8. Найти понижение (потерю)

слуха

на аудиограмме при за-

данной частоте?

9. Даны аудиограммы

двух

человек А и С. У кого из них

слух

лучше?

Теоретические

сведения

Энергетической характеристикой звуковой волны является

интенсивность I. Интенсивность (сила) звука — средняя по

времени энергия, переносимая звуковой волной через единич-

ную площадку, перпендикулярную к направлению распрост-

ранения

волны, в единицу времени; измеряется в Вт/м

(СИ).

Для количественной оценки интенсивности чаще использу-

ется понятие "уровень интенсивности Lj", который равен деся-

тичному логарифму отношения измеренной интенсивности к

эталонной интенсивности 1

= 10~

Вт/м

= lg— (Б). (1)

Значение

приблизительно соответствует среднему порогу

слышимости для людей с нормальным

слухом

для чистого то-

на

с частотой 1000 Гц. Существуют еще две пороговых точки,

порог дискомфорта — 1

и порог боли —

IQ.

При частоте 1000

Гц 1

= 10"

Вт/м

= 10 Вт/м

313

По

формуле (1) уровень интенсивности (УИ) выразится в бе-

лах (Б). 1 Бел УИ соответствует увеличению интенсивности по

сравнению с эталонным в 10 раз. Обычно УИ выражают в деци-

белах

(дБ). 1дБ = 0,1 Б и

тогда

Ц = 10 lg — (дБ). (1а)

Соотношения

(1) и (1а) используются также для сравнения

интенсивности

любых

двух

звуков.

Важной характеристикой звуковой волны является звуко-

вое давление. Для плоской волны интенсивность связана с эф-

фективным

значением звукового давления Р соотношением

р2

= —, (2)

рс

где р — плотность ткани, с — скорость звука в данной среде.

Выразим уровень интенсивности (1а) через звуковое давле-

ние,

на которое непосредственно реагирует ухо. Подставим (2)

(1а), получим:

Р \2 Р

—J = 201g

—(дБ),

(3)

р р

где Р — эффективное значение звукового давления интересую-

щего нас звука,

= 2 • 10~

Па (паскаль) — звуковое давление

на

пороге слышимости для частоты тона с частотой 1000 Гц,

соответствующее эталонной интенсивности 1

. Величину

= 20 lg — (дБ) (4)

называют уровнем звукового давления.

Сравнивая

(3) и (1а) видим, что для одного и того же звука

Ц (дБ) = L

(дБ). (5)

Наконец,

еще одной физической характеристикой звуко-

вой

волны является ее акустический (гармонический)

спектр,

показывающий, какие гармонические тоны содер-

жит данный звук.

Физиологическими

характеристиками ощущения звука яв-

ляются высота тона, тембр и громкость. Высота тона зависит,

главным образом, от частоты звука. Тембр — качественная ха-

314

рактеристика звука, позволяющая на

слух

различать звуки

одинаковой

частоты, испускаемые разными источниками.

Тембр определяется акустическим спектром звука. Гром-

кость — уровень

слухового

ощущения звука над его порогом.

Громкость зависит от интенсивности и частоты звука. Из опре-

деления громкости

следует,

что

существует

минимальная по-

роговая интенсивность звука, при которой звук не вызывает

ощущения.

Эта пороговая интенсивность различна для разных

частот и оказывается наименьшей для частот

2500—3000

Гц.

Количественная

характеристика громкости основана на за-

коне

Вебера-Фехнера, согласно которому для данной частоты

громкость (уровень громкости) звука Lg с интенсивностью I

пропорциональна

логарифму 1/1

, то есть:

klg—,

(6)

*п

где к — безразмерный коэффициент, а 1

— соответствует по-

рогу

слышимости для данной частоты.

Введенная характеристика громкости L

является относи-

тельной, как и уровень интенсивности или уровень звукового

давления. Поэтому L

называют уровнем громкости.

В отличие от уровня интенсивности (1), который определя-

ется по отношению к постоянной величине 1д, одинаковой для

всех

частот, уровень громкости звука (6) определяется по отно-

шению

к пороговой интенсивности, которая различна для раз-

ных частот.

Для частоты 1 кГц пороговая интенсивность 1

IQ.

Полагая

(6) к = 1, считают, что для этой частоты численные значения

уровня громкости и уровня интенсивности данного звука совпа-

дают.

Для определения уровня громкости звука

другой

частоты,

нужно найти равногромкий ему чистый тон с частотой 1кГц.

Уровень интенсивности (звукового давления) найденного звука

дБ

дает

характеристику громкости интересующего нас звука.

Найденный

таким образом дБ громкости называют фонами.

Из

сказанного

следует,

что для частоты 1кГц, уровень гром-

кости

в фонах совпадает с уровнем интенсивности (звукового

давления) того же звука в децибелах, для

других

частот этого

равенства нет.

При

ухудшении

слуха

пороговая интенсивность, а следо-

вательно и уровень пороговой интенсивности L

для данной

315

частоты увеличивается. Величина разности

между

уровнем

пороговой интенсивности в норме L

, (для которой

существу-

ет государственный стандарт) и уровнем пороговой интенсив-

ности

исследуемого

слуха

, называется понижением (поте-

рей)

слуха:

График

зависимости понижения

слуха

(ДЬ) от частоты v —

называется аудиограммой.

Для получения аудиограммы применяют специальные при-

боры — аудиометры. Для построения аудиограммы можно ис-

пользовать также генераторы звуковой частоты (ГЗ). Эти при-

боры позволяют определить уровни интенсивности, а значит, и

уровни звукового давления на пороге слышимости (L

) для

разных частот и построить график зависимости этих уровней

от частоты — кривую порога слышимости. Сопоставляя най-

денные пороги с соответствующими величинами для нормаль-

ного уха (ГОСТ), находят потерю

слуха

на каждой выбранной

частоте и строят аудиограмму (см. рисунок).

Генератор звуковой частоты вырабатывает синусоидальное

напряжение,

частоту которого можно изменять от 0 до 20 кГц.

Если

подключить это напряжение к громкоговорителю или те-

лефону слышны чистые тоны соответствующей частоты. В ге-

нераторе имеется аттенюатор — устройство, позволяющее

уменьшать мощность на

выходе

генератора, а, следовательно,

интенсивность

звука (звуковое давление) на необходимое чис-

ло децибел по сравнению с максимальным значением, которое

может дать генератор.

В генераторе ГЗ-18 имеется аттенюатор со ступенчатой

регу-

лировкой

по 10 дБ и плавная регулировка интенсивности от 0

до 12 дБ с помощью ручки регулировки выхода.

Выполнение

работы

Оборудование: звуковой генератор (ГЗ-18), наушники.

Задание

1. Построить график частотной зависимости уров-

ня

звукового давления (интенсивности) на пороге слышимости

для одного уха.

316

кривые порога слышимости

пациент

эталон

(ГОСТ)

v, Гц

Рис. 1. Построение аудиограммы

317

выходу

ГЗ включить наушник. Установить на генераторе

частоту v = 125 Гц. Ручкой аттенюатора установить макси-

мальное ослабление (100 дБ), ручкой регулировки выхода по

шкале стрелочного прибора установить 0 дБ. Одеть наушник.

Включить ГЗ в сеть. Найти два положения ручки аттенюатора

со ступенчатой регулировкой: звук не слышен, звук едва слы-

шен.

В последнем положении медленно вращать ручки

регу-

лятора выхода ГЗ до исчезновения звука. Так мы получим ос-

лабление, соответствующее порогу слышимости при данной

частоте. Для проверки правильности найденного порога слы-

шимости необходимо ручкой регулятора выхода ГЗ получить

звук малой громкости и вновь довести его до исчезновения.

Запишите

найденные значения дБ на аттенюаторе и дБ на

стрелочном приборе. Складывая эти значения, получим ослаб-

ление интенсивности на пороге слышимости. Аналогично оп-

ределите ослабление интенсивности на частотах 250, 500,

1000,

2000, 3000, 4000,

6000,

8000

Гц. После каждого опыта

не

забывайте аттенюатор установить на 100 дБ, а стрелку при-

бора на 0 дБ.

Данные эксперимента запишите в таблицу:

Гц,

125

250

500

1000

2000

3000

4000

6000

8000

Ослабление

интенсивности

Аттенюа-

тор

(через

ЮдБ)

Стрелоч-

ный

при-

бор,

дБ

Сумма,

ДБ

Пороговый

уровень

зву-

кового

дав-

ления

(по экс-

перименту)

(ДБ)

Пороговый

уро-

вень

звукового

давления

(по

ГОСТу)

(ДБ)

55,0

33,0

14,5

8,5

9,0

10,5

11,5

18,5

19,5

Для определения пороговых уровней интенсивностей иссле-

дуемого уха нужно из максимально возможного ослабления

(для ГЗ-18 оно равно 112 дБ) вычесть ослабление, найденное на

каждой частоте.

318

Например:

= 112 - 82 = 30 дБ, где 82 дБ — ослабление на

некоторой

частоте.

Полученные таким образом пороговые уровни интенсивнос-

ти,

согласно соотношению (5),

дают

также пороговые уровни

звукового давления.

Постройте кривую порога слышимости, откладывая по оси

абсцисс значения частот в логарифмическом масштабе

(рисунок),

по оси ординат — уровень звукового давления в обыч-

ном

масштабе. На этом же графике постройте кривую порога

слышимости по ГОСТу.

Задание

2. Построить аудиограмму.

Для построения аудиограммы, найти потерю

слуха

на вы-

бранных частотах и отложить полученные значения в системе

координат, расположенной, как указано на рисунке. Соединив

соседние точки отрезками прямых, получим аудиограмму.

Примечание.

Поправки на частотную характеристику теле-

фона

(зависимость его чувствительности от частоты) не учиты-

вать.

Задание

3. Решить задачи.

Пример

1. Уровень громкости звука равен 120 фон, а тихого

разговора — на том же расстоянии — 40 фон. Определить отно-

шение

интенсивностей.

Решение.

= k lg — ;

to 7 -to f Г

klg

ТГ

klg

откуда — = 10

Если

в фонах, то к = 10; если в

белах,

то к = 1

Ответ: 10

ii=

= ю

319

Пример

Определить амплитудное значение звукового давления для

чистого тона частотой 1000 Гц, при котором может наступить

разрыв барабанной перепонки, если разрыв наступает при

уровне громкости L

=160 фон. (Ответ выразить в паскалях и

в атм.)

Решение.

Используем закон Вебера-Фехнера при v = 1 кГц.

101g^—

(1)

или L

= 20 lg (2)

Из

(2) найдем эффективное давления Р

ф.

эф

= Р

•

10 25 (где Р

= 2

•

Ю-

Па)

эф

= 2

•

10"

•

= 2

•

Па.

Па

Пример

3. Максимальный уровень интенсивности звука ра-

диоприемника 80 дБ. Каким

будет

максимальный уровень ин-

тенсивности звука 2-х одинаковых одновременно работающих

радиоприемников?

Решение.

Пусть интенсивность звука 1-го радиоприемника I,

тогда

уровень интенсивности Lj = 10 lg —.Если

работают

два радио-

приемника,

то интенсивность удваивается (21), а уровень ин-

Ах

тенсивности L

j = lg . Перепишем иначе:

10(lg2

+ lg —-) = 10 lg 2 + 10 lg — = 10

•

0,3 + 10

•

8 = 83 дБ.

Ответ:

83 дБ.

320

Т.к. Р

эф

т0

тах

Ответ:

эф

•10

max

Па;

•103.1,4

,028 атм.