7 Bioacustica MG

5/27/2018 7 Bioacustica MG

1/13

Biofizic. Noiuni de biacustic MG 2008-2009

NOIUNI FUNDAMENTALE DE ACUSTIC

Acustica este tiina care studiazundele mecanice (sunetele mai ales) sub toate

aspectele lor: producere, caracteristici, propagare, fenomene produse, recepie i analiz

de ctre dispozitivele tehnice i de ctre analizorul auditiv (n particular uman). Undele

mecanice reprezint propagarea oscilaiilor particulelor unui mediu, deci, spre deosebire

de undele electromagnetice, ele nu se pot propaga n vid.

Fig. 1 Propagarea undelor sonore, prin comprimri i rarefieri succesive ale particulelor

mediului

Ele vor fi caracterizate de aceleai mrimi fizice ca orice altundrespectiv viteza

de propagare, perioada, frecvena, lungimea de und, amplitudinea, densitatea de energie

etc. De asemenea undele sonore vor suferi, n propagare, toate fenomenele specifice

undelor: reflexie, refracie, difracie, interferen, absorbie, efect Doppler.

Undele sonore sunt unde longitudinale, deci oscilaiile particulelor au loc pe aceea

direcie pe care se propagenergia (unda). n medii omogene unda sonoreste o und

sferic (se propag n toate direciile cu aceeai vitez) i din acest motiv densitatea de

energie (energia n unitatea de volum), chiar neglijnd absorbiile, scade proporional cu

ptratul distanei undele fiind amortizate rapid.

Mrimi specifice undelor sonorePe lng mrimile fizice ce caracterizeaz orice tip de und n caracterizarea

undelor sonore se folosesc i mrimi i uniti specifice acestora.

Intensitatea undei sonorese definete ca energia acusticce strbate unitatea de

suprafa n unitatea de timp. Intensitatea undei sonore este direct proporional cu

ptratul presiunii exercitate de und. Dei nu este specificnumai undelor sonore este de

1


2/13


remarcat c energia acestora este proporional att cu ptratul amplitudinii ct i cu

ptratul frecvenei. Dat fiind faptul csenzaiile apar daceste depit un anumit prag

c ele depind logaritmic de energia stimulului se introduc i alte mrimi i uniti de

msurspecifice cum ar fi nivelul intensitii sonore, atenuarea sau amplificarea.

0

lgI

IN= (n Bell B)

0

lg10I

I= (n decibel dB)

(reamintim c lg semnific logaritmul n baza 10, adic log10). I0 este intensitatea

semnalului de referin. n cazul nivelului intensitii sonore el reprezint intensitatea

minimaudibila sunetului cu frecvena de 1000 Hz care este

I0=10-12

2m

W

n cazul atenurii i amplificrii I0este intensitatea sunetului incident.

Clasificarea undelor sonore

Se poate face n funcie de frecvenastfel:

1. infrasuneteunde cu frecvena mai micde 16 Hz;

2. sunete(percepute de urechea uman) cu frecvene ntre 16 i 20.000 Hz;

3. ultrasunetecu frecvene mai mari de 20.000 Hz.

De fapt, undele sonore conin foarte rar o singur frecven (sunete pure) cel mai

des ele fiind un amestec de mai multe frecvene. Foarte des este ntlnitsituaia n care

pe lng unda de frecvena cea mai mic (fundamental) sunt prezente undele avnd

frecvenele multiplii ntregi ai acesteia (armonice). n general, unda fundamental

transporto energie mult mai mare dect armonicele.

Producerea undelor sonore

Undele din domeniul audibil pot fi obinute prin producerea de oscilaii n coarde,

bare, membrane ntinse etc. n funcie de caracteristicile emitorului (lungime, tensiune)se pot obine sunete cu frecvene diferite dar i avnd compoziii armonice diferite.

Sunetele articulate caracteristice vorbirii au un mecanism foarte complicat de

producere. Astfel vibraia corzilor vocale produce sunetele primare relativ simple.

Frecvena acestora este determinatde lungimea corzilor vocale i de tensiunea din ele.

De exemplu n cazul brbailor sunetele sunt n general mai grave (au frecvene mai mici)

dect n cazul femeilor sau al copiilor deoarece lungimea corzilor vocale i a cavitilor

2


3/13


rezonante este mai mare. Sunetele simple emise de corzile vocale sunt apoi transformate

n sunete articulate, mult mai complexe, cu ajutorul cavitilor rezonante (toracele,

cavitatea bucal, laringele, faringele, cavitatea nazali chiar cutia cranian- ce joac

un rol de element de legturinvers).

La rndul lor aceste caviti i modificproprietile prin intermediul limbii, buzelor,

palatului moale etc. acionate de sute de muchi. ntregul proces este coordonat dintr-o

zonsituatntr-una din emisferele cerebrale (de regulstngpentru dreptaci i dreapt

pentru stngaci).

Infrasunetele sunt generate att n cazul unor fenomene naturale cum ar fi vntul,

valurile erupiile vulcanice, cutremurele, avalanele ct i n cazul funcionrii unor aparate

construite de om cum ar fi mainile compresoarele ventilatoarele etc. La intensiti mar

(peste 140db) infrasunetele pot produce anxietate, grea, perturbaii ale echilibrului simului de orientare.

Ultrasunetele sunt produse de ctre unele animale cum ar fi liliecii sau delfinii

utilizate fie pentru orientare fie pentru comunicare. n practicultrasunetele au numeroase

utilizri cum ar fi evidenierea unor defecte n materiale (defectoscopia ultrasonic),

cartografierea fundului mrilor sau detectarea unor obiecte n imersie (sonarul), sablarea

(curirea) pieselor i altele. n medicinultrasunetele sunt utilizate n scop de diagnostic

(ecografie, ecografie Doppler) sau tratament prin nclzirea unor esuturi, masaje n

profunzime sau distrugerea calculilor.

Pentru producerea ultrasunetelor se utilizeaz cel mai des efectul piezoelectric

invers dar poate fi folosit i fenomenul magnetostrictiv. Efectul piezoelectric apare n cazu

unor cristale cum ar fi cuarul i constn dilatarea sau contracia cristalului sub aciunea

unei tensiuni electrice. Dacunui astfel de cristal i aplicm o tensiune alternativcristalu

se va dilata sau contracta cu aceeai frecvenca i a tensiunii genernd unde mecanice

n mediul nconjurtor. Dac frecvena tensiunii depete 20 kHz se vor genera

ultrasunete. Acelai cristal poate fi utilizat i pentru detecia ultrasunetelor prin efectupiezoelectric direct (generarea de tensiuni electrice n urma contraciilor i dilatrilor

produse de ultrasunete). Efectul magnetostrictiv este asemntor cu cel piezoelectric doar

c dilatrile i contraciile cristalelor se produc sub aciunea unui cmp magnetic

alternativ.

3


4/13


Fenomene ce apar la propagarea undelor sonore

1. Viteza cu care se propag undele sonore este diferit n diferite medii depinznd de

proprieti cum ar fi elasticitatea i densitatea mediului dar i de temperatur. De exemplu

vitezele sunt de circa 340s

m n aer, 1500

s

m n apa de mare i 5000

s

m n oel. n aer

viteza crete uor cu creterea temperaturii. Pe msura propagrii undelor ntr-un mediu

ele sunt progresiv absorbite.

2. Absorbiadepinde att de natura i proprietile mediului ct i de frecvena undelor

energia undei scade exponenial cu distana parcursde und n mediu. Astfel sunetele

sunt relativ puin absorbite de aer dar puternic absorbite n ap n timp ce ultrasunetele

sunt mai puternic absorbite n aer dect n ap. Existmateriale, cum ar fi vata de sticl,

care absorb foarte puternic undele sonore i care sunt folosite pentru izolri fonice sau

pentru mpiedicarea apariiei reflexiilor de exemplu n slile de concert. Densitatea de

energie a undelor scade pe msura propagrii lor att datorit absorbiei ct i datorit

mprtierii. Este de remarcat cultrasunetele avnd lungimi de undmai mici permit o

focalizare mai bun(o mprtiere mai mic).

3. Reflexia undelor reprezintschimbarea direciei de propagare a undelor la ntlnirea

suprafeei de separaie dintre doumedii cu ntoarcerea undei n mediul din care a venit.

Dacsunetul reflectat este perceput distinct de sunetul direct fenomenul se numete ecou

(fenomen folosit n ecografie) iar dac sunetul reflectat pare s prelungeasc sunetu

direct fenomenul se numete reverberaie. Pentru percepia distincta sunetului reflectat

trebuie ca ntre emisia sunetului i recepia sunetului reflectat streaccel puin 0,1 s. Dat

fiind faptul cviteza sunetului n aer este de circa 340s

mecoul nu va apare dect dac

obstacolul pe care are loc reflexia se gsete la o distande minim 17m de sursa care

emite sunetul. n practic reflexia poate fi folosit pentru msurarea distanelor iar n

medicinpentru obinerea imaginilor organelor interne n ecografie.4. Efectul Doppler apare atunci cnd sursa de unde se deplaseaz fade observator

sau observatorul fade surs. Efectul apare i n cazul reflexiei undelor pe un obiect n

micare. Efectul Doppler se manifestprin modificarea frecvenei undei conform relaiei:

=c

v10

4


5/13


unde reprezintfrecvena undei percepute (respectiv reflectate) 0este frecvena unde

emise de surs, veste viteza de deplasare a sursei, observatorului sau obiectului pe care

are loc reflexia, iar c reprezintviteza undei. Semnul + reflectsituaia n care sursa se

deplaseaz spre observator iar semnul - cea n care sursa se ndeprteaz (respectiv

apropierea sau ndeprtarea obiectului pe care are loc reflexia).

Fig. 3 Datoritefectului Doppler, frecvena sunetului provenit de la sursa sonorcare se

apropie pare mai mare dect frecvena real, iar frecvena sunetului provenit de la sursa

care se ndeprteazpare mai micdect frecvena real

Fenomenul este folosit n determinarea vitezei de deplasare a autovehiculelor

(radar) iar n medicinn ecografia Doppler.

5. Difracia undelor sonore const n ocolirea obstacolelor atunci cnd dimensiunea

acestora este comparabil cu lungimea de und a undei sonore. Ultrasunetele avnd

lungimi de undmai mici dect sunetele nu vor putea ocoli dect obstacole de dimensiuni

mici n timp ce sunetele au lungimi de undmari ocolind astfel obstacole de dimensiuni

mari (ele nu vor fi reflectate dect de obiecte de dimensiuni foarte mari). Difracia face

posibil recepionarea undelor chiar i atunci cnd ntre sursa sunetelor i receptor se

gsesc obstacole.

6. Interferena reprezint fenomenul de suprapunere i compunere a undelor. n urma

interferenei se obine o und mai complex sau, n cazul n care undele au aceea

frecven, o und cu amplitudinea cuprins ntre suma i diferena amplitudinilor celor

douunde. n acest ultim caz, dacundele au aceeai amplitudine, acestea se pot anihila

reciproc (amplitudinea undei rezultante este 0) sau se pot ntri reciproc (poate rezulta o

5


6/13


undcu o amplitudine egalcu dublul amplitudinii fiecreia din undele care interfer). Un

caz particular l reprezintinterferena dintre unda incidenti unda reflectatcaz n care

unda rezultat se numete und staionar. De exemplu, n cutia de rezonan a

instrumentelor muzicale sunetele sunt ntrite prin formarea undelor staionare.

7. Rezonana reprezint fenomenul de transfer al energiei ntre doi oscilatori care au

aceeai frecvende oscilaie. Absorbia undelor poate fi explicatprintr-un fenomen de

rezonanprin care energia undei este preluatde particulele din mediul strbtut.

8. Cavitaia este un fenomen ce poate apare la propagarea ultrasunetelor n lichide

const n apariia n lichide, sub aciunea ultrasunetelor, a unor bule de gaz n interiorul

acestora putndu-se produce ionizri. Acest fenomen se explic prin dilatrile

comprimrile succesive rapide ce au loc n interiorul lichidului ceea ce duce la apariia

bulelor de gaz, iar n interiorul bulelor ultrasunetele formeaz unde staionare ce duc laacumularea de energie i apariia ionizrilor (dei ultrasunetele nu au energie suficient

pentru a produce ionizri directe).

Caracteristicile sunetului

Sunetul reprezint senzaia produsde undele sonore asupra analizorului auditiv.

Aceast senzaie este caracterizat de trei caracteristici: nlimea, intensitatea

timbrul. Fiecare din aceste caracteristici este determinatde ctre o anumitproprietate

fizica undei sonore.

nlimea sonor.Sunetele sunt percepute ca fiind nalte (acute, ascuite) sau joase

(grave). nlimea este legatde frecvena undei sonore. n mod normal analizorul auditiv

uman percepe undele sonore cu frecvene cuprinse ntre 16 i 20.000 Hz dar intervalu

variazde la persoanla persoan. Acest interval se micoreazo datcu vrsta dar

n cazul expunerii prelungite la sunete de intensiti mari. n general frecvenele foarte mic

sau foarte mari nu pot fi percepute dect de persoanele antrenate (de exemplu muzicieni).

Undele sonore cu frecvene mici sunt percepute ca sunete joase iar cele cu frecvene marca sunete nalte. Noiunea de nlime poate fi folositi n compararea a dou sunete

devenind relativ. Astfel un sunet care are o frecvenmai mare dect altul va fi mai nalt

dect aceasta. Intervalul de frecvene n care frecvena se dubleaz (de exemplu de la

1.000 la 2.000 Hz) se numete octav. n muzic o octav conine 7 note. Notele

succesive au frecvene ce sunt n raport de numere ntregi.

6


7/13


Intensitatea (tria) sonorindicpercepia mai puternicsau mai slaba sunetului.

Ea este legat de energia ce trece n unitatea de timp prin unitatea de suprafa

(intensitatea undei sonore) dar i de sensibilitatea analizorului auditiv pentru diferite

frecvene. Pentru fiecare frecven analizorul auditiv prezint dou praguri: pragul de

audibilitatei pragul de durere (Fig. 4).

Pragul de audibilitate reprezint intensitatea minim a undei sonore care ma

permite percepia acesteia. Acesta variaz cu frecvena avnd un minim n regiunea

1.000- 2.000 Hz i crescnd mult spre limitele spectrului audibil.

Pragul de durere reprezint intensitatea undei sonore minime la care apare

senzaia de durere i de presiune n ureche. El prezintun maxim n aceeai regiune de

1.000- 2.000 Hz scznd spre limitele spectrului audibil unde devine aproape egal cu

pragul de audibilitate (deci atunci cnd apare senzaia sonoraproape apare i senzaiade durere). n figursunt reprezentate grafic presiunea sonorrespectiv intensitatea unde

sonore att pentru pragul de audibilitate ct i pentru cel de durere ca funcie de frecven.

Cele doupraguri pot fi determinate n clinicfolosind audiometrul.Subiectului i se

pun pe urechi cti care l izoleazfonic de mediul exterior. Pe rnd, n fiecare cascse

trimit unde sonore pure (ce conin o singurfrecven) crescnd intensitatea pncnd se

obine senzaia de audibilitate. Rezultatul este marcat pe grafic obinndu-se audiograma.

Se traseaz separat audiograme pentru fiecare ureche n parte. n practic se traseaz

doar pragul de audibilitate.

Fig.4 Pragul de audibilitate i cel de durere pentru urechea normal

7


8/13


Pe lngintensitate unda sonortrebuie saibi o duratminimde circa 0,06 s

(60 ms) pentru a putea fi perceput. De asemenea dou sunete pentru a fi percepute

independent trebuie sfie separate de minim 10 ms.

Timbrul (calitatea) sunetelorpermite deosebirea sunetelor produse de instrumente

diferite chiar dacunda fundamentalare aceeai frecveni aceeai amplitudine. Acest

lucru este posibil deoarece sunetul complex poate avea o compoziie diferitn armonice

att n ce privete numrul acestora ct i n ce privete amplitudinea fiecrei armonice n

parte. Sunetul complex poate fi analizat prin descompunerea lui n armonicele

componente (analiza Fourier).

BIOFIZICA RECEPIEI AUDITIVE

Dupreceptorul vizual receptorul auditiv este al doilea sistem, din punct de vedereal cantitii de informaie, ce asigur informaia din mediul exterior. Ca orice sistem de

recepie el are trei funcii majore: recepia propriu-zis, transmiterea spre sistemul central,

stocarea i analiza n acesta n vederea elaborrii reaciilor. Recepia i multe din etapele

complexe de prelucrare a informaiei au loc n ureche, transmisia spre sistemul central se

face prin intermediul nervului auditiv iar stocarea i prelucrarea informaiei se face pe

cortex ntr-unul din lobi. Tot aici se stabilesc reaciile care sunt transmise prin intermediul

fibrelor nervoase eferente. Dac fibrele eferente determin modificri (adaptri) ale

receptorului extern are loc o reacie invers (feed-back). Receptorii externi, sensibili la

stimulii specifici, decodificinformaiile coninute de stimul i le recodific(traducere). Prin

fibrele nervoase informaia circulsub forma potenialelor de aciune de tipul tot sau nimic

(deci de amplitudine constant independent de caracteristicile stimulului). Stocarea

informaiilor n cortex se poate face temporar (prin modificri electrice sau prin modificr

chimice temporare) sau permanent (prin modificri chimice definitive).

Structura urechii

Structura general este prezentat n figura 5. Urechea extern este format din

pavilion i conductul auditiv extern i are rolul de a capta undele sonore i de a le

direciona spre membrana timpanic. Aceasta este o membrande formelipsoidal iar

n seciune are form conic cu vrful spre interior i vibreaz sub aciunea sunetelor.

Membrana timpanicare o inerie micastfel nct vibraiile ei nceteazaproape imediat

8


9/13


(410-3s) ce nceteaz sunetul permind distingerea separat a sunetelor succesive.

Pavilionul, prin forma sa, permite determinarea cu mare precizie a direciei din care vin

sunetele (eroarea este de 3-4").

Fig. 5 Structura urechii

Urechea medieeste o cavitate n osul temporal aflatntre membrana timpanic

peretele intern. n peretele intern, ce asigurcomunicarea cu urechea intern, se gsesc

douorificii fereastra oval n partea superioari fereastra rotund n partea inferioar.

n partea inferioara urechii medii se gsete un canal, trompa lui Eustache ce asigur

comunicarea cu cavitatea nazofaringean permind egalizarea presiunilor intern

extern ce se exercit asupra timpanului. Trompa lui Eustache este, n mod obinuit,

nchisnedeschizndu-se dect cnd nghiim sau cscm. De aceea n cazul variaiilor

rapide de presiune (urcarea cu telefericul, zborul cu avionul) trebuie snghiim n sec. n

interiorul urechii medii se gsete un sistem de oscioare: ciocanul, sprijinit pe timpan,

nicovala i scria sprijinit de fereastra oval. Oscioarele sunt articulate ntre ele

acionate de muchi proprii. Ele au att rolul de a transmite undele sonore dinspre

urechea extern spre cea intern ct i acela de a atenua sau amplifica vibraiile. Prin

contracia muchiului ciocanului diminueaz amplitudinea vibraiilor n timp ce contraciamuchiului scriei duce la amplificarea oscilaiilor. Acest mecanism intervine n adaptarea

urechii la intensiti diferite ale sunetelor.

Urechea internconine labirintul ososi labirintul membranos.n labirintul osos

se gsete perilimfa iar n cel membranos endolimfa. Ambele lichide au rolul de a

transmite undele sonore.

9


10/13


Labirintul osos conine: vestibulul osos, 3 canale semicirculare orientate n trei

planuri perpendiculare ntre ele unul fiind orizontal i melcul osos (cohleea). Vestibulul

osos este situat central i comunic prin intermediul ferestrelor oval i rotund cu

urechea medie. El comunic de asemenea cu melcul osos i cu cele 3 canale

semicirculare. Canalele semicirculare prezinto extremitate mai dilatat(ampula). Melcu

osos este situat anterior fade vestibul i este format dintr-un canal osos de aproximativ

3 cm spiralat avnd 2,75- 3,5 spire n jurul unei coloane cilindrice conice. Grosimea

lumenului se micoreazpe msura spiralrii.

Fig. 6 Schema urechii interne

Canalul este mprit de ctre lama osoasi membrana bazilar n dou rampe:

vestibularspre fereastra ovali timpanicspre fereastra rotund. Cele doucomunicntre ele la vrful melcului osos printr-un orificiu helicotrema.

Fig. 7 Schema seciunii prin cohlee

10


11/13


Labirintul membranos este alctuit din: utricula i sacula, 3 canale membranoase

melcul membranos. Utricula i sacula sunt vezicule situate n vestibulul osos i care

comunicntre ele. La rndul ei sacula este n legturcu melcul membranos iar utricula

cu cele 3 canale semicirculare membranoase. Melcul membranos este de fapt canalul

cohlear i conine endolimf. El conine organul Corti fixat pe toat lungimea membrane

bazilare. Organul Corti conine celule ciliate i celule de susinere.

Celulele ciliate sunt de dou tipuri: interne i externe. Exist circa 3.500 celule

ciliate interne aezate ntr-un singur ir i circa 12.000 celule ciliate externe dispuse n trei

iruri. Cilii celulelor interne sunt liberi n endolimf n timp ce cei ai celor externe vin n

contact cu membrana tectoria. Principalul rol n transformarea vibra iilor mecanice n

poteniale de aciune revine celulelor ciliate externe. Fiecare celulciliateste conectat

prin intermediul sinapselor chimice cu mai multe fibre nervoase ale nervului auditiv.Membrana bazilarse ntinde pe toatlungimea cohleei i are limea cresctoare de la

bazspre vrf avnd 0,01 mm la nivelul ferestrei ovale i 0,065 mm la nivelul helicotremei.

Aceasta face ca frecvena proprie de vibraie s fie mare la bazi mic la vrf. Astfe

undele sonore de frecvene mari (20 kHz) vor produce vibraii de amplitudine mare la baza

membranei bazilare i pe msura scderii frecvenei maximul amplitudinii de oscilaie se

va apropia de vrf.

Fig. 8 Localizarea maximului amplitudinii oscilaiilor n cohlee. n stnga este

prezentatlocalizarea frecvenelor proprii de vibraie ale membranei bazilare iar n dreapta

vibraiile produse n aceasta de ctre undele sonore prin rezonan.

11


12/13


13/13


ferestrei ovale sunt transmise perilimfei din rampa vestibularapoi prin helicotremajung

n perilimfa din rampa timpanic i n cele din urm ajung la fereastra oval. Vibraiile

ferestrei ovale sunt n antifaz cu cele ale aerului din urechea medie i cu cele ale

ferestrei rotunde (cnd fereastra oval este deformat maxim spre interior fereastra

rotund este deformat maxim spre exterior). Aceasta duce la o deformare mai mare a

membranei bazilare echivalent cu o amplificare suplimentar (de circa 6 dB). Vibraiile

perilimfei se transmit i endolimfei dar determin i vibraii ale membranei bazilare.

Localizarea amplitudinii maxime de vibraie pe membrana bazilarare loc, prin rezonan

acolo unde frecvena undei sonore coincide cu frecvena proprie de vibraie a membrane

(vezi figura). Vibraiile din endolimfi deformarea membranei bazilare determinndoirea

cililor celulelor ciliate interne cu precdere a celor situate n regiunea de deformare

maxima membranei bazilare. Deformarea cililor determindeschiderea unor canale depotasiu i ptrunderea ionilor K+(din endolimfa bogatn potasiu) n celula ciliatal cre

interior este la potenial negativ. Ca urmare are loc depolarizarea membranei celulare

eliberarea neurotransmitorului (glutamat) n captul celulei dinspre membrana bazilar

unde se gsesc sinapsele cu fibrele nervoase asociate celulei respective. Mediatoru

chimic produce stimularea neuronilor i apariia potenialelor de aciune. Se observ c

nlimea undelor sonore (frecvena) este codificat spaial n membrana bazilar i tot

spaial n nervul auditiv i apoi n cortex. Se pare cintensitatea sunetelor este codificat

prin frecvena potenialelor de aciune prin fibrele nervoase iar tonalitatea este obinutdin

ambele codificri pentru fiecare armonic.

Localizarea poziiei sursei de suneteeste apanajul audiiei binauriculare. Am vzut

c, prin intermediul pavilionului urechii putem determina cu precizie direcia din care provin

sunetele. n audiia binauricularse pot determina doudirecii, uor diferite, din care vin

sunetele la cele dou urechi. Aceasta se face determinnd micile decalri temporale cu

care ajung sunetele la cele douurechi. Evident sursa sunetului se va afla la intersecia

celor doudirecii astfel determinate. n practicse simuleazspaialitatea sunetelor prindecalarea lor n cti (audiie stereofonic) sau n 2, 4, 5 +1 difuzoare (sunet spa ial).

13

7 Bioacustica MG

Documents

Transcript of 7 Bioacustica MG