Dźwięki

Fale dźwiękowe rozchodzą się w ośrodkach materialnych. Są rodzajem fal mechanicznych , podłużnych. Klasyfikacji na fale poprzeczne i podłużne dokonuje się na podstawie kierunku drgań cząstek ośrodka materialnego. W przypadku fal dźwiękowych cząstki te drgają wzdłuż kierunku rozchodzenia się fali. Maksymalne wychylenie z położenia równowagi nosi nazwę amplitudy. Propagacja fal polega na przemieszczaniu się w ośrodku lokalnych zagęszczeń i rozrzedzeń. Ważne jest , że ośrodek jako całość nie wykonuje żadnego ruchu.

Z tego względu fala taka nie może rozchodzić się w próżni. Takie miejscowe zagęszczenia i rozrzedzenia ośrodka materialnego jest równoznaczne ze zmianą ciśnienia atmosferycznego w tym lokalnym obszarze. Taka zmiana nosi nazwę ciśnienia akustycznego.

Fala dźwiękowa opisywana jest przez wielkość zwaną częstotliwością. Jest to właśnie ilość pełnych drgnięć cząstek ośrodka materialnego przypadająca na jeden okres. Wyrażana jest w hercach. W środowisku człowieka pojawiają się dźwięki o różnych częstotliwościach. Badania wykazały, że dźwiękiem o najniższej częstotliwości jaki może być jeszcze słyszalny przez człowieka jest dźwięk o f= 1000 herców. Odpowiada mu wartość ciśnienia akustycznego równa p=Pa.

Natomiast dla tej samej częstotliwości ale już powyżej wartości ciśnienia równej 20 Pa dźwięk nie jest słyszalny , ale wywołuje wrażenia bólowe.

Ze względu na dużą rozpiętość ciśnienia akustycznego wprowadzono inną, bardziej użyteczną wielkość zwaną poziomem ciśnienia akustycznego. Wyrażany jest on w decybelach i opiera się na skali logarytmicznej.

Rozchodząca się w ośrodku materialnym fala dźwiękowa niesie ze sobą energię, która np. wprawia w ruch błonę bębenkową. Energia przenoszona przez falę w jednostce czasu przez jednostkową powierzchnię nosi nazwę natężenia dźwięku I.

I - natężenie dźwięku

E - energia [ J ]

t - czas [ s ]

S - powierzchnia [ ]

Inaczej można powiedzieć, że jest to stosunek mocy dźwięku, który przechodzi przez jednostkową powierzchnię.

Okazuje się, że natężenie dźwięku jest proporcjonalne do kwadratu amplitudy ciśnienia akustycznego.

Wyznaczono najmniejszą wartość natężenia, które jeszcze jest zdolne do wywołania wrażenia słuchowego. Dla częstotliwości 1000 Hz wynosi około W / m. Natomiast największa wartość natężenia dźwięku, który nie wywołuje jeszcze wrażenia bólowego wynosi 1 W. Iloraz tych dwóch wartości nosi nazwę zakresu dynamicznego ucha.

Ponieważ rozpiętość natężenia dźwięku również jest dosyć duża, dlatego również wprowadzono inne, wygodniejsze pojęcie zwane poziomem natężenia dźwięku L. Również opiera się ono na skali logarytmicznej i wyrażane jest w decybelach.

Gdzie Ito natężenie odniesienia.

Tak więc jeśli jeden dźwięk na natężenie I i ciśnienie p, a drugi dźwięk charakteryzuje się natężeniem I i ciśnieniem p to różnicę między ich poziomami można przedstawić jako:

Wyrażanie zarówno stosunków ciśnień akustycznych jak i natężeń dźwięków za pomocą skali decybelowej jest możliwe ponieważ natężenie danego dźwięku jest proporcjonalne do kwadratu ciśnienia akustycznego.

Należy tutaj przytoczyć prawo Webera - Fechnera , które dla wrażeń słuchowych mówi, że próg detekcji zmian np. natężenia dźwięku jest proporcjonalny do wartości tego natężenia.

A oto przykładowe poziomy natężenia dźwięków występujących w środowisku człowieka:

• 0 dB - próg słyszalności
• 10 dB - szept
• 35 dB - cicha muzyka
• 45 dB -spokojna rozmowa
• 65 dB - dźwięk przeciętnego odkurzacza
• 90 dB - dźwięk budzika
• 110 dB - hałas jaki panuje na ruchliwej ulicy w godzinach szczytu
• 120 dB - poziom natężenia dźwięku w dyskotece, dźwięk młota pneumatycznego
• 130 dB - granica bólu
• 160 dB - dźwięk wytwarzany podczas wybuchu petardy.

Warto zastanowić się jak dochodzi do powstawania wrażenia słuchowego. Zanim dojdzie do wytworzenia wrażenia słuchowego w mózgu to fala dźwiękowa musi przebyć drogę od ucha zewnętrznego poprzez ucho środkowe aż do ucha wewnętrznego. W skład ucha zewnętrznego wchodzi małżowina uszna i przewód słuchowy. Od ucha środkowego oddziela go błona bębenkowa. W kanale słuchowym zachodzi zjawisko wzmacniania dźwięku z przedziału 2-4 Hz. Poziom wzmocnienia to około 10 dB. Jeśli jeszcze uwzględni się wzmocnienie generowane przez małżowiną uszną to całkowite wzmocnienie przypadające na ucho zewnętrzne to nawet 20 dB. Następnie fala dźwiękowa dostaje się do ucha środkowego. Jest to wypełniona powietrzem jama bębenkowa zawierająca kosteczki słuchowe.: młoteczek , kowadełko i strzemiączko. Dzięki takiej konstrukcji dochodzi do przetworzenia dźwięku na drgania, które pobudzają kolejny ośrodek czyli ciecz wypełniającą ślimaka. Mówi się, że dochodzi do tzw. wyrównywania impedancji. Dzięki temu procesowi dochodzi do zwiększenia ciśnienia, jakie jest wywierane na ciecz ślimaka w stosunku do ciśnienia wywieranego przez falę na błonę bębenkową. Gdyby takie zjawisko nie zachodziło, to tylko 1 % energii fali akustycznej dostawałby się do ślimaka. Zadaniem układu kosteczek słuchowych jest także zabezpieczanie przed dźwiękami o zbyt dużym natężeniu i niskich częstotliwościach.

W skład ucha wewnętrznego wchodzi wcześniej wspomniany ślimak. Posiada on komórki słuchowe. Właśnie w nich zachodzą reakcje biochemiczne powodujące powstawanie impulsów elektrycznych. Następnie impulsy kierowane są do mózgu.

Nie każdy z nas zdaje sobie sprawę jakie negatywne skutki dla organizmu człowieka może nieść hałas. Zadziwiające jest to, niekorzystne objawy pojawiają się już przy długotrwałej ekspozycji na dźwięk już o poziomie 55 dB. Pojawia się wtedy zmęczenie i ogólne rozdrażnienie, a także ból głowy, brzucha i mięśni. Doprowadza to do zaburzeń snu i życia codziennego. Poziom z zakresu 60 - 75 dB wywołuje już zmiany w akcji serca, co prowadzi do skoków ciśnienia i zaburzeń oddychania. Najnowsze badania wskazują , że ekspozycja na taki hałas podwyższa znacznie ryzyko wystąpienia zawału serca.

Ale hałas przede wszystkim powoduje uszkodzenia słuchu. Początkowo niedosłyszenie jest czasowe i mija po jakimś czasie od zakończenia ekspozycji. Jednak może doprowadzić do trwałego ubytku słuchu. Trudno uwierzyć, ale w czasach obecnych głuchota zaliczana jest do chorób zawodowych. W razie jakichkolwiek zaburzeń słyszenia należy udać się do audiologa, który oceni ich przyczynę.

Metody badania słuchu można podzielić na dwie grupy. Pierwsza grupa to badania obiektywne, niezależne od woli pacjenta. W takim badaniu dokonuje się pomiarów potencjałów elektrycznych w układzie nerwowym. Te potencjały generowane są pod wpływem fal akustycznych. Takie badania przeprowadza się od kilku lat u wszystkich noworodków Pozwala to na wczesne wykrycie wad słuchu i podjęcie odpowiedniego leczenia.

Drugi rodzaj badania to badania subiektywne. W trakcie takiego badania pacjent sam stwierdza czy słyszy dany dźwięk czy nie. W metodach subiektywnych można wyróżnić: audiometrię progową tonalną, audiometrię słowną i testy nadprogowe.

Jeśli badania wykażą zmiany to czasem konieczne jest badanie tzw. wideoskopowe oceniające stopień uszkodzenia błony bębenkowej.

Wbrew pozorom bardzo łatwo jest doprowadzić do trwałego ubytku słuchu. Dlatego w miarę możliwości należy unikać ekspozycji na dźwięki o dużym natężeniu.