Основы акустики, речи и слуха
Звук распространяется в виде переменного возмущения упругой среды, т.е. в виде звуковых волн.
Звуковые колебания — колебательные движения частиц среды под действием этого возмущения. Пространство, в котором происходит распространение этих волн, называется звуковым полем.
Человеческое ухо воспринимает звуки различной высоты, то есть различной частоты колебаний. Звуки с частотой колебаний до 16 Гц, так называемые инфразвуки, ухом не воспринимаются; также не воспринимаются и звуки с частотой выше 20 000 Гц — ультразвуки. Порогом слышимости называют скачкообразный переход из слышимого состояния в неслышимое и наоборот. Порог слышимости зависит от частоты звука.
В условиях шума и помех порог слышимости для приема слабого звука возрастает. Это повышение порога слышимости называют маскировкой. Величина маскировки определяется величиной повышения порога слышимости для принимаемого звукового сигнала.
Чувствительность уха к звукам различной частоты не одинакова и не линейна. Она является максимальной по отношению к звукам с частотой колебаний от 1000 до 5000 Гц.
Ухо представляет собой звукоприемный аппарат, работающий в чрезвычайно широком диапазоне частот и амплитуд. Большая широта области слышимости связана с довольно сложным устройством слухового аппарата
Наиболее важным органом человеческого слуха является улитка, где происходит преобразование аналоговых звуковых сигналов в последовательность электрических импульсов двоичного типа.
Различают моноуральное и бинауральное слушание. При моноуральном — звуковая волна оказывает воздействие лишь на одно ухо человека, при бинауральном — на оба уха. При бинауральном слушании мозг обладает функцией определения положения источника звука в пространстве.
Речь с физической точки зрения состоит из последовательностей звуков с паузами между ними или их группами.
Периферический речевой аппарат человека состоит из следующих органов: зубов, мышц языка, губ, гортани, дыхательной мускулатуры. Органы, осуществляющие функцию речи, обеспечивают произнесение членораздельных звуков — артикуляцию.
Речь человека лежит в диапазоне частот от 70 до 7000 Гц. Звонкие звуки речи, особенно гласные, имеют высокий уровень интенсивности. Глухие согласные — самый низкий уровень интенсивности.
Для передачи смысла речи достаточно передавать следующие сведения: о форме огибающей спектра речи, о ее временном изменении в темпе изменения звуков речи, а также изменение основного тона речи и переходов тон-шум.
22…….. Аудиометрия
I Аудиометри́я (лат. audire слышать + греч. metreō мерить, измерять)
измерение и оценка различных показателей слуха человека. Наиболее важным показателем является острота слуха — минимальная интенсивность звука, которую способно воспринимать человеческое ухо; ее принято обозначать термином «порог слышимости».
Современную А. проводят с помощью электронно-ламповых или транзисторных приборов — аудиометров. Для массовых амбулаторных обследований используют портативный переносной аудиометр с неполным диапазоном частот. На специальном бланке отмечается потеря слуха у обследуемого на каждой из переданных частот. В результате получают аудиограмму — аудиометрические кривые, отражающие воздушное (через наружный слуховой проход) и костное (непосредственно через плотные ткани черепа) проведение звуков. При нейросенсорной тугоухости, обусловленной поражением звуковоспринимающих образований внутреннего уха, эти аудиометрические кривые располагаются без интервала параллельно друг другу и имеют, как правило, нисходящую конфигурацию (рис., а). Если же в основе тугоухости лежит нарушение подвижности звукопроводящих структур среднего уха (например, при отосклерозе или среднем отите), аудиометрические кривые параллельны или почти параллельны друг другу, но всегда есть интервал между ними и отсутствует заметное снижение в области высоких частот (рис., б).
Наряду с определением остроты слуха в клинических аудиометрах предусмотрены специальные устройства для оценки способности человека различать громкость звукового сигнала (надпороговая А.). Нарушение этой способности свидетельствует о патологии в чувствительных волосковых клетках спирального (кортиева) органа и является важным дополнительным методом аудиологической диагностики. Еще большее значение имеет речевая А., при которой больному предъявляют ряд специально отобранных слов, и он должен правильно повторить их. По результатам речевой А. судят о способности различать и понимать речь.
Особое внимание уделяется исследованию слуха у детей раннего возраста, когда невозможно использовать обычную А. В таких случаях применяют так называемую объективную А., основанную на различных рефлекторных реакциях (например, сосательные движения, поворот головы или глаз в сторону источника звука и т.п.). Однако эти реакции быстро угасают, поэтому такая А. может использоваться лишь для массового ориентировочного обследования. У детей старше 2 лет возможна игровая А., основанная на наблюдении за поведением ребенка в процессе участия его в игре с озвученными игрушками.
Более детальное объективное исследование слуха основано на регистрации электрических слуховых вызванных потенциалов с использованием сложной аппаратуры, оснащенной вычислительной техникой. Для широкой практики доступнее метод регистрации внутриушного акустического рефлекса с помощью импеданс-метра.
Фонокардиография
Фонокардиография — неинвазивный безопасный и не имеющий никаких противопоказаний метод графической регистрации тонов и шумов сердца, наиболее часто применяемый для диагностики врожденных и приобретенных пороков сердца.
Фонокардиограф состоит из микрофона, усилителя, системы частотных фильтров и регистрирующего устройства. Микрофон устанавливают на грудной стенке в общепринятых точках аускультации сердца. Звуковые колебания, преобразованные микрофоном в электрические, усиливаются и передаются в систему частотных фильтров, которые выделяют из всех звуков ту или иную группу частот и пропускают их на различные каналы регистрации. Это позволяет избирательно записывать низкие, средние и высокие частоты звуков. Для четкой передачи всех колебаний сердечных звуков, достигающих по своей частоте 800—1200 Гц, регистрирующее устройство должно иметь малую инерционность. Поэтому механическая запись чернильным или тепловым пером недостаточно удовлетворительна.
Инфразвук (от лат. infra – ниже, под) – упругие волны, аналогичные звуковым, но имеющие частоты ниже слышимых человеком частот. Обычно за верхнюю границу инфразвукового (ИЗ) диапазона принимают 16–25 Гц, нижняя граница не определена. Практический интерес могут представлять колебания частотой от десятых и даже сотых долей герца, т.е. периодами в десяток секунд. Инфразвук содержится в шуме атмосферы, леса, моря. Источниками ИЗ-колебаний являются грозовые разряды (гром), взрывы, орудийные выстрелы. В земной коре наблюдаются ИЗ-колебания, возбуждаемые самыми разнообразными источниками, в том числе землетрясениями, взрывами, обвалами и даже транспортными средствами.
Поскольку инфразвук слабо поглощается в различных средах, он может распространяться на очень большие расстояния в воздухе, воде и земной коре. Это находит практическое применение при определении местоположения эпицентра землетрясения, сильного взрыва или стреляющего орудия. Распространение инфразвука на большие расстояния в море даёт возможность предсказывать стихийные бедствия, например, цунами. Взрывы, порождающие большой спектр ИЗ-частот, применяются для исследования верхних слоёв атмосферы, свойств водной среды.
Развитие промышленного производства и транспорта привело к значительному увеличению источников инфразвука в окружающей среде и возрастанию его уровня. Основные техногенные источники инфразвука в городе приведены в таблице.
Ультразвук – упругие волны высокой (более 20 кГц) частоты. Хотя о существовании ультразвука учёным было известно давно, практическое использование его в науке, технике и промышленности началось сравнительно недавно. Сейчас ультразвук широко применяется в различных физических и технологических методах.
Сейсмология.
Эксперименты с закачиванием флюидов в скважину являются обычными для стимуляции и расширения углеводородных и геотермальных резервуаров. Новую важную область здесь представляют удаление СО2. Тот факт, что закачивание флюида является причиной сейсмичности, хорошо известен несколько десятилетий. В настоящее время исследование направлено на представление в количественной форме и контроле этого процесса. Анализ и мониторинг сейсмичности, вызванной флюидами, может помочь нам охарактеризовать породы и провести оценку результатов их стимуляций (напряженного состояния).
Флюид, вызвавший сейсмичность, затрагивает широкий ряд процессов между двумя последующими пределами. Если давление закачивания превышает минимум основного тектонического напряжения, будет создано гидравлическое нарушение. В зависимости от роста нарушения возбуждается сейсмичность с характерными свойствами. Рост гидравлического нарушения обычно сопровождается раскрытием нового объема трещин, потерей жидкости для гидроразрыва и ее инфильтрацией в породы коллектора, а также диффузией давления инъекции в поровое пространство окружающих пород и внутрь гидравлического нарушения. Некоторые из этих процессов могут быть рассмотрены по особенностям пространственно-временного распределения вызванной микро сейсмичности. Часто сейсмичность также наблюдается на расстоянии многих сотен метров от источника закачивания и даже по экспериментам, где давление закачивания меньше, чем основное минимальное напряжение (одинаковое во многих геотермических системах). В этих случаях диффузия порового давления, предполагается, является доминантным фактором, контролирующим микро сейсмичность. Флюид, вызвавший сейсмичность, обычно проявляет несколько характерных признаков диффузии, которые непосредственно относятся к степени пространственного роста, геометрии скоплений гипоцентров микро землетрясений и их плотности в пространстве. В некоторых случаях спонтанно вызванная естественная сейсмичность, подобно серии землетрясений, также проявляет такие типично диффузионные признаки. Магнитуды М вызванной флюидами сейсмичности обычно имеют порядок до 2–3.
Тем не менее, особенно при длительном закачивании в течение месяцев или даже лет наблюдаются землетрясения с б.льшими магнитудами (М=4 и более). До настоящего времени для оценки вероятности этих имеющих место событий, были предприняты небольшие усилия. Мы поясняем способ расчета и контроля вероятности землетрясений, вызванных флюидами. Мы демонстрируем много примеров наборов данных сейсмичности по различным экспериментам с закачиванием, включающих Fenton Hill и Paradox Valley (USA), Soultz (France) и Ogachi (Japan).
23…Влияние инфразвука на организм человека. В конце 60-х гг. французский исследователь Гавро обнаружил, что инфразвуки определённых частот могут вызывать у человека тревожность и беспокойство, головную боль, снижать внимание и работоспособность, даже нарушать функцию вестибулярного аппарата и вызывать кровотечение из носа и ушей. Инфразвук частотой 7 Гц смертелен. Свойство инфразвука вызывать страх используется полицией в ряде стран мира: для разгона толпы включаются мощные генераторы, частоты которых отличаются на 5–9 Гц. Биения, возникающие вследствие различия частот этих генераторов, имеют
ИЗ-частоту и вызывают у многих людей неосознанное чувство страха, желание поскорее уйти из этого места.
Профессор Гавро познакомился с инфразвуками почти случайно. В одном из помещений лаборатории, где работали его сотрудники, с некоторых пор стало невозможно находиться. Достаточно было пробыть здесь два часа, чтобы почувствовать себя совсем больным: кружилась голова, наваливалась усталость, мысли путались, а то и вовсе не хотелось думать о чём-либо.
Прошёл не один день, прежде чем исследователи сообразили, где следует искать неизвестного врага. Им оказались инфразвуки большой мощности, создаваемые вентиляционной системой нового завода, построенного близ лаборатории. Частота этих волн равнялась 7 Гц. Профессор Гавро высказал предположение, что биологическое действие инфразвука проявляется, если частота волны совпадает с так называемым альфа-ритмом головного мозга.
Механизм восприятия инфразвука и его физиологического действия на человека пока полностью не установлен. Возможно, что оно связано с возбуждением резонансных колебаний в организме. Так, собственная частота нашего вестибулярного аппарата близка к 6 Гц, и многим знакомы неприятные ощущения при длительной езде в автобусе, поезде, при плавании на корабле или качании на качелях. Говорят: «Меня укачало».
При воздействии инфразвука могут отличаться друг от друга картины, создаваемые левым и правым глазом, начинает «ломаться» горизонт, возникают проблемы с ориентацией в пространстве, приходят необъяснимые тревога и страх. Подобные же ощущения вызывают и пульсации света частотой 4–8 Гц. Ещё египетские жрецы, чтобы добиться признания у пленника, связывали его и с помощью зеркала пускали в глаза пульсирующий солнечный луч. Через некоторое время у пленника появлялись судороги, начинала идти пена изо рта, психика подавлялась, и он начинал отвечать на вопросы.
Сходные воздействия инфразвука и мигающего света, не считая даже повышенную громкость звука, испытывают посетители дискотек. Вполне возможно, что они не проходят бесследно, и в организме могут происходить какие-либо нежелательные и необратимые изменения.
Британские учёные продемонстрировали, что под воздействием инфразвука люди испытывают примерно те же ощущения, что и при «встречах» с призраками. Был поставлен такой эксперимент. С помощью семиметровой трубы учёным удалось подмешать к звучанию обычных музыкальных инструментов на концерте классической музыки сверхнизкие частоты. После концерта слушателей (а их было 750 человек) попросили описать впечатления. «Подопытные» сообщили, что чувствовали внезапный упадок настроения, печаль, у некоторых по коже бежали мурашки, у кого-то возникало тяжёлое чувство страха.
Применение ультразвука
Медицина
Гигиена. То, что ультразвук активно воздействует на биологические объекты (например, убивает бактерии), известно уже более 70 лет, но до сих пор среди медиков нет единого мнения о конкретном механизме его воздействия на больные органы. Одна из гипотез: высокочастотные УЗ-колебания вызывают внутренний разогрев тканей, сопровождаемый микромассажем.
Санитария. Широко применяются в больницах и клиниках УЗ-стерилизаторы хирургических инструментов.
Диагностика. Электронная аппаратура со сканированием УЗ-лучом служит для обнаружения опухолей мозга и постановки диагноза.
Акушерство – область медицины, где эхоимпульсные УЗ-методы наиболее прочно укоренились, как, например, ультразвуковое исследование (УЗИ) движения плода, которое недавно прочно вошло в практику. Сейчас происходит накопление информации по движению конечностей плода, псевдодыханию, по динамике сердца и сосудов. Пока исследуются физиология и развитие плода, а до обнаружения аномалий пока ещё далеко.
Офтальмология. Ультразвук особенно удобен для точного определения размеров глаза, а также для исследования патологий и аномалий его структур в случае непрозрачности и, следовательно, недоступности для обычного оптического исследования. Область позади глаза – орбита – доступна обследованию через глаз, поэтому ультразвук вместе с компьютерной томографией стал одним из основных методов исследования патологий этой области.
Кардиология. Ультразвуковые методы широко применяются при обследовании сердца и прилегающих магистральных сосудов. Это связано с возможностью быстрого получения пространственной информации, а также возможностью её объединения с томографической визуализацией.
Терапия и хирургия. Давно известно, что
УЗ-излучение можно сделать узконаправленным. Французский физик Поль Ланжевен впервые заметил его повреждающее действие на живые организмы. Результаты его наблюдений, а также сведения о том, что УЗ-волны могут проникать сквозь мягкие ткани человеческого организма, привели к тому, что с начала 1930-х гг. возник большой интерес к проблеме применения ультразвука для терапии различных заболеваний. Особенно широко ультразвук стал применяться в физиотерапии. Тем не менее лишь недавно стал намечаться научный подход к анализу явлений, возникающих при взаимодействии УЗ-излучения с биологической средой. Терапевтический ультразвук можно разделить на ультразвук низких и высоких интенсивностей – соответственно неповреждающий нагрев (или какие-либо нетепловые эффекты) и стимуляция и ускорение нормальных физиологических реакций при лечении повреждений (физиотерапия и некоторые виды терапии рака). При более высоких интенсивностях основная цель – вызвать управляемое избирательное разрушение в тканях (хирургия). Электронная аппаратура используется в нейрохирургии для инактивации отдельных участков головного мозга мощным сфокусированным высокочастотным (порядка 1000 кГц) пучком.
Оценка безопасности применения ультразвука в медицине. Пока невозможно выделить один или даже несколько физических параметров, которые служили бы в качестве адекватных количественных характеристик, позволяющих предсказать конечный биологический эффект. И всё же полезно выдвинуть некоторые критерии для правильного применения ультразвука:
1. Оператор должен использовать минимальные интенсивности и экспозиции, позволяющие получить у пациента желаемый клинический эффект.
2. Обслуживающий персонал не должен облучаться без необходимости.
3. Все процедуры должны выполняться хорошо обученным персоналом или под его руководством.
Гидролокация. Давление в УЗ-волне превосходит давление в волне обычного звука в тысячи раз и легко обнаруживается с помощью микрофонов в воздухе и гидрофонов в воде. Это даёт возможность применения ультразвука для обнаружения косяков рыбы или других подводных объектов. Одна из первых практических УЗ-систем обнаружения подводных лодок появилась в конце Первой мировой войны.