створює і аналізує самостійно або у співпраці з іншими моделі об’єктів і явищ, які необхідно дослідити [12ПРО 1.4.1]
планує, здійснює пошук, опрацьовує, порівнює, аналізує, оцінює самостійно або у співпраці з іншими надійність джерел і достовірність інформації для розв’язання життєвої/навчальної проблеми [12 ПРО 2.1.1]
добирає самостійно або у співпраці з іншими форми подання інформації і її перетворення [12 ПРО 2.2.1]
установлює та обґрунтовує самостійно або у співпраці з іншими взаємозв’язки між природними, техногенними об’єктами, закономірності явищ природи [12 ПРО 3.3.1]
оцінює самостійно або у співпраці з іншими значення природничих наук, техніки і технологій для суспільного прогресу і сталого розвитку [12 ПРО 3.4.1]
ідентифікує, формулює та аналізує самостійно або у співпраці з іншими життєву/навчальну проблему [12 ПРО 4.2.1]
застосовує самостійно або у співпраці з іншими наукове знання і власний досвід для розв’язання життєвої/ навчальної проблеми [12 ПРО 4.3.2]
Мета уроку: сформувати в учнів уявлення про будову та роботу слухової системи людини як механізму сприйняття звуку й перетворення його енергії на нервові сигнали. Пояснити фізичний зміст інтенсивності та рівня гучності звуку, а також показати, як ці величини пов’язані зі сприйняттям звуку людиною та збереженням слуху.
Очікувані результати для вчителя:
учні розрізняють основні частини слухової системи людини та їхні функції
учні розуміють роль слухової системи у сприйнятті звукових хвиль і перетворенні їх на нервові сигнали
учні навчяться обчислювати рівень гучності звуку та інтенсивність за відповідними формулами
учні наводять приклади джерел звуку різної гучності з повсякденного життя
учні аналізують небезпеку шумового навантаження та обґрунтовує необхідність захисту слуху
Очікувані результати для учнівства:
розрізняє основні частини слухової системи людини та їхні функції
розуміє роль слухової системи у сприйнятті звукових хвиль і перетворенні їх на нервові сигнали
навчиться обчислювати рівень гучності звуку та інтенсивність за відповідними формулами
наводить приклади джерел звуку різної гучності з повсякденного життя
аналізує небезпеку шумового навантаження та обґрунтовує необхідність захисту слуху
Ключові слова:
слухова система людини
звук
зовнішнє вухо
середнє вухо
внутрішнє вухо
вушна раковина
слуховий прохід
барабанна перетинка
слухові кісточки
молоточок
коваделко
стремінце
равлик
базилярна мембрана
орган Корті
волоскові клітини
механорецептори
нервові імпульси
слуховий нерв
висота звуку
гучність
амплітуда коливань
інтенсивність звуку
поріг чутності
больовий поріг
децибели
логарифмічна шкала
шумова втрата слуху
тинітус
захист слуху
1. Мотивація
Дружня порада вчителю
Тривалість до 3 хв.
Перед тим, як задати питання, можна учням увімкнути симфонію №9, яку написав Бетховен вже після того, як втратив слух
Людвіг ван Бетховен (рис.1) — видатний німецький композитор, який протягом життя поступово втрачав слух, а в зрілому віці став майже повністю глухим, але навіть після цього продовжував писати музику, створивши свої найвідоміші твори. Як це йому вдавалося?
Після вивчення фізичних характеристик звуку постає логічне запитання: яким чином людський організм сприймає механічні звукові хвилі та забезпечує їх подальшу обробку в мозку? Це відбувається завдяки слуховій системі людини, вона є складним біологічним аналізатором, який забезпечує сприйняття механічних звукових хвиль і перетворення їх на нервові сигнали. Слухова система людини складається з трьох основних частин: зовнішнього, середнього та внутрішнього вуха, які послідовно виконують функції приймання, передавання, підсилення та аналізу звуку (рис. 2). Кожен із цих етапів є необхідним для нормального слуху, а порушення на будь-якому рівні призводить до зниження або втрати здатності чути.
Зовнішнє вухо включає вушну раковину та слуховий прохід. Його основна функція полягає у збиранні звукових хвиль з навколишнього середовища та спрямуванні їх до барабанної перетинки. Вушна раковина, завдяки своїй формі, частково підсилює певні частоти та допомагає людині визначати напрямок, з якого надходить звук. Звукові хвилі, що потрапляють у слуховий прохід, доходять до барабанної перетинки і викликають її коливання. На цьому етапі звук, який був хвилею в повітрі, перетворюється на механічні коливання мембрани.
Рис. 2
За барабанною перетинкою розташоване середнє вухо — невелика порожнина, заповнена повітрям, у якій містяться три слухові кісточки: молоточок, коваделко і стремінце. Вони утворюють певний ланцюг, який передає коливання від барабанної перетинки до внутрішнього вуха. Молоточок з’єднаний з барабанною перетинкою, коваделко виконує роль проміжної ланки, а стремінце контактує з овальним вікном внутрішнього вуха. Слухові кісточки не лише передають коливання, а й підсилюють їх, що є критично важливим, оскільки внутрішнє вухо заповнене рідиною. Без цього підсилення більша частина енергії звукової хвилі відбивалася б на межі «повітря — рідина», і слух був би значно слабшим. Таким чином, середнє вухо виконує функцію механічного підсилювача та узгоджує передачу енергії між різними середовищами .
Внутрішнє вухо містить основний орган слуху — равлик, який має спіральну форму і заповнений рідиною. Коливання стремінця в овальному вікні створюють хвилі тиску в рідині равлика. Усередині равлика розташована базилярна мембрана, властивості якої змінюються вздовж її довжини: біля основи вона вузька і більш натягнута, а ближче до вершини — ширша і гнучкіша. Саме ця особливість дозволяє різним ділянкам мембрани реагувати на різні частоти звуку. Високочастотні звуки викликають максимальні коливання біля основи равлика, тоді як низькочастотні — ближче до її верхівки. Завдяки цьому равлик працює як просторовий частотний аналізатор, розкладаючи складний звук на окремі частотні компоненти. На базилярній мембрані розташований орган корті — структура, що безпосередньо відповідає за перетворення механічних коливань у нервові сигнали. У його складі є волоскові клітини, які мають спеціальні вирости — стереоцилії. Коли базилярна мембрана коливається разом із рідиною равлика, стереоцилії волоскових клітин згинаються відносно текторіальної мембрани. Це призводить до відкриття іонних каналів у мембранах клітин, їх деполяризації та виникнення електричних сигналів (рис. 3).
Рис. 3
Таким чином, механічна енергія звуку перетворюється на електричну активність нервової системи. Найбільшу роль у передачі інформації відіграють внутрішні волоскові клітини, тоді як зовнішні волоскові клітини виконують функцію тонкого налаштування і підсилення чутливості слуху .
Сформовані нервові імпульси передаються по волокнах слухового нерву до мозку, де відбувається подальша обробка інформації і виникає усвідомлене відчуття звуку. Саме на цьому етапі фізичні параметри звукової хвилі — частота та інтенсивність — перетворюються на суб’єктивні характеристики сприйняття, такі як висота і гучність. Таким чином, слухова система є прикладом складного біофізичного механізму, який поєднує механіку, гідродинаміку та електричну активність нервових клітин в єдиний ланцюг сприйняття звуку.
Робота слухової системи пояснює, як звук сприймається людиною, але не пояснює, чому ми по-різному відчуваємо звуки різної сили. Тому настав час познайомитися ще з декількома величинами, які характеризують звук, а саме гучність та інтенсивністю.
Чим визначається гучність звуку? Чим відрізняється тихий звук від гучного? Змусимо камертон звучати й трохи зачекаємо. Помітимо, що звук камертона стає дедалі тихішим. А що при цьому відбувається з камертоном? Амплітуда коливань його ніжок зменшується . Ці коливання загасають. Отже гучність звуку певним чином пов’язана з амплітудою коливань у звуковій хвилі (рис.4)
Рис. 4
Але правильно сказати, що гучність звуку пов’язана з енергією, яку переносить звукова хвиля. Перенесення енергії звуковою і будь-якою іншою хвилею описується фізичною величенною, яку називають інтенсивністю.
Інтенсивністю хвилі називають фізичну величину, що дорівнює енергії, яку переносить хвиля через одиницю площі поверхні, перпендикулярної до напрямку поширення хвилі за одиницю часу.
(1)
∆W – енергія механічної хвилі (Дж)
∆S – площа поперечного перерізу (м2)
∆t – час (с)
I – інтенсивність хвилі (Вт/м2)
Гучні звуки мають більшу інтенсивність, тихі – меншу.
Існують звуки з настільки малою інтенсивністю, що людське вухо сприймає їх лише на межі можливостей. Найменше значення інтенсивності звуку, яке ще може бути зафіксоване слуховою системою, називають порогом чутності. Експериментальні дослідження показали, що для звуків, які сприймаються людиною найкраще (у діапазоні частот приблизно 1–2 кГц), цьому порогові відповідає інтенсивність І0=10-12 Вт/м2.
Зі зростанням інтенсивності звуку настає момент, коли звуковий сигнал уже не просто сприймається як гучний, а викликає больові відчуття у вусі. Таке значення інтенсивності називають больовим порогом, і для людини воно становить приблизно 1 Вт/м2.
Таким чином, слухова система людини здатна працювати з надзвичайно широким діапазоном інтенсивностей — від
10-12 Вт/м2 до 1 Вт/м2, тобто в межах 12 порядків величини. Це означає, що ми можемо чути звуки, інтенсивності яких відрізняються в тисячу мільярдів разів.
Постає питання: яким чином слухова система справляється з таким великим діапазоном інтенсивностей? Відповідь пов’язана з особливостями роботи мозку та принципами психофізичного сприйняття звуку. З’ясовано, що відчуття гучності не зростає пропорційно інтенсивності звукової хвилі. Уявімо джерело звуку, інтенсивність якого можна змінювати так, що кожен наступний крок збільшує її у 10 разів. Хоча фізична інтенсивність у такому разі змінюється кратно, суб’єктивне відчуття гучності щоразу зростає на однаковувеличину, а не в однакову кількість разів. Саме така закономірність лежить в основі введення спеціальної логарифмічної шкали.
Для кількісного опису гучності використовують величину, яку називають рівнем гучності (рівнем інтенсивності звуку). Її позначають символом і вимірюють у децибелах (дБ) — безрозмірних одиницях, що застосовуються для порівняння інтенсивностей. За нульовий рівень гучності приймають поріг чутності, тобто інтенсивність 10-12 Вт/м2. Кожне збільшення інтенсивності звуку у 10 разів відповідає зростанню рівня гучності на 10 дБ, що відображає логарифмічний характер слухового сприйняття.
Загалом рівень гучності пов’язаний з інтенсивністю I звукової хвилі співвідношенням:
(2)
З цього рівняння можна отримати формулу для визначення інтенсивності звуку
(3)
Тобто для визначення рівня гучності потрібно поділити інтенсивність звукової хвилі на
10-12 Вт/м2., обчислити десятковий логарифм цього відношення та помножити на 10.
Що таке десятковий логарифм? Десятковий логарифм — це степінь, до якого треба піднести десятку, щоб отримати певне число. Наприклад:
lg100 = 2,
lg1000 = 3,
lg106 = 6
У реальних умовах звук майже завжди створюють не поодинокі, а кілька однакових джерел, що діють разом та мають однаковий рівень гучності. Щоб визначити, як змінюється рівень гучності в такому випадку, можна скористатися наступною формулою:
-рівень гучності від джерела звуку (дБ)
n-кількість джерел звуку
Характерні значення рівня гучності наведено в такій таблиці 1.
Табл.1
Джерело звуку
β, дБ
I, Вт/м²
Поріг чутності
0
10⁻¹²
Шум листя
10
10⁻¹¹
Шепіт
20
10⁻¹⁰
Розмова на відстані 1 м
60
10⁻⁶
Вулиця з інтенсивним рухом
70
10⁻⁵
Симфонічний оркестр
80
10⁻⁴
Больовий поріг
120
1
Реактивний літак на відстані 30 м
140
100
Звук великої інтенсивності є одним із найпоширеніших шкідливих фізичних чинників сучасного середовища. Шумове навантаження на людину визначається не лише рівнем гучності, а й тривалістю та регулярністю його дії. Навіть порівняно не дуже гучні звуки, якщо вони діють довго або повторюються щодня, можуть поступово призводити до погіршення слуху. Основна небезпека полягає в тому, що надмірна звукова енергія перевантажує слухову систему, насамперед внутрішнє вухо, де відбувається перетворення механічних коливань на нервові сигнали. Наслідком такого перевантаження може бути шумова втрата слуху, яка часто розвивається повільно і непомітно для самої людини.
Дуже важливо розуміти, що адаптація або звикання до шуму не означає безпеку. Коли людині здається, що вона «перестала помічати» гучні звуки, це свідчить лише про зниження чутливості сприйняття в мозку, а не про зменшення шкідливого впливу на слуховий апарат. Усередині завитки при цьому можуть продовжувати пошкоджуватися волоскові клітини, які відповідають за сприйняття звуку. На відміну від багатьох інших клітин організму, ці клітини в людини практично не відновлюються, тому ушкодження накопичуються. Саме тому людина може роками перебувати в шумному середовищі без відчутного дискомфорту, а згодом раптово виявити стійке погіршення слуху.
Захист від звуку високої гучності та інтенсивності ґрунтується передусім на зменшенні так званої «дози» шуму. Найпростіші й водночас ефективні принципи — зробити звук тихішим, збільшити відстань до джерела та скоротити час впливу. Корисним практичним правилом є таке: якщо в шумному середовищі доводиться підвищувати голос, щоб співрозмовник почув вас на відстані витягнутої руки, рівень звуку вже може бути небезпечним. У повсякденному житті доцільно контролювати гучність навушників і робити регулярні «тихі паузи», даючи слуху час на відновлення. У шумному оточенні ефективним захистом є беруші або протишумні навушники, а за дуже гучних або імпульсних звуків — їх поєднання. Ці прості засоби фактично зменшують інтенсивність звуку ще до того, як він досягне внутрішнього вуха.
Надмірний шум може призводити до різних травм і порушень слуху. Найпоширенішою є шумова втрата слуху, що розвивається поступово, а також тинітус — постійне або періодичне відчуття дзвону чи шуму у вухах. Окрему небезпеку становлять короткі, але надзвичайно гучні звуки, наприклад вибухи або постріли, які можуть спричинити акустичну травму. У таких випадках можливе різке зниження слуху, біль, а іноді й механічні ушкодження барабанної перетинки або структур середнього вуха.
Коли йдеться про відновлення слуху, вирішальним є те, на якому етапі виникло ушкодження. Якщо порушення пов’язані з передаванням звукових коливань — наприклад, через розрив барабанної перетинки або ушкодження слухових кісточок середнього вуха, — у багатьох випадках слух можна частково або повністю відновити хірургічним шляхом. Натомість при ураженні внутрішнього вуха основна проблема полягає в загибелі волоскових клітин, які є ключовими перетворювачами механічних коливань у нервові сигнали і практично не відновлюються впродовж життя людини. У таких ситуаціях медицина не «лікує» зруйновані клітини, а компенсує втрату функції: слухові апарати підсилюють звукові сигнали для збережених структур, а кохлеарні імпланти обходять ушкоджені рецептори та безпосередньо стимулюють слуховий нерв електричними імпульсами (рис.5).
Саме ця принципова відмінність між відновленням і компенсацією пояснює, чому захист від надмірної інтенсивності звуку є значно ефективнішим за будь-які медичні втручання після ушкодження слуху.
3. Практичний блок
Дружня порада вчителю
Тривалість до 10 хв.
Завдання №1
Барабанна перетинка в нормі має неправильну форму і нерівномірний натяг на різних ділянках. Як це впливає на сприйняття звукових хвиль?
Відповідь:
Барабанна перетинка має нерівномірний натяг і неправильну форму, завдяки чому різні її ділянки по-різному реагують на звукові частоти. Це дозволяє краще сприймати складні звуки, зокрема мовлення й музику. Така будова зменшує резонанс і захищає вухо від надмірних коливань. У результаті слух стає точнішим і безпечнішим.
Завдання №2
Якщо раковину морського молюска наблизити до вуха, то чути звук, який нагадує далекий шум моря (рис.6). Чим пояснюється походження цього звуку?
Цей звук виникає не від «моря», а через підсилення навколишніх шумів. Порожнина раковини працює як акустичний резонатор, у якому відбиваються й підсилюються слабкі звуки довкілля (шум повітря, рух крові, далекі фонові шуми). Форма раковини підсилює переважно низькі частоти, тому звук нагадує далекий прибій.
Завдання №3
Коли прислухаються до віддаленого шуму, то мимоволі відкривають рот. Чому?
Відповідь:
Коли людина відкриває рот, змінюється тиск і натяг у середньому вусі, зокрема в барабанній перетинці. Через слухову (євстахієву) трубу тиск у середньому вусі вирівнюється з атмосферним, і барабанна перетинка коливається вільніше. Це підвищує чутливість слуху до дуже слабких, віддалених звуків.
Завдання №4
Шість членів команди з синхронного плавання носять беруші, щоб захиститися від тиску води на глибині, але вони все ще чують музику та чудово виконують комбінації у воді (рис.7). Одного разу їх попросили вийти з басейну, щоб команда пірнальників могла потренувати кілька стрибків, і вони спробували потренуватися на килимку, але, схоже, їм було набагато важче. Чому так сталося?
Відповідь:
У воді музика передається не лише через вуха, а й через вібрації всього тіла та кісток черепа (кісткова провідність), тому спортсменки чують її навіть із берушами. Вода добре проводить звук і коливання відчуваються рівномірно. На суші звук поширюється через повітря, а беруші його сильно послаблюють. Тому без «тілесного» відчуття музики синхронізувати рухи стало значно складніше.
Завдання №5
Шість членів команди з синхронного плавання носять беруші, щоб захиститися від тиску води на глибині, але вони все ще чують музику та чудово виконують комбінації у воді (рис.7). Одного разу їх попросили вийти з басейну, щоб команда пірнальників могла потренувати кілька стрибків, і вони спробували потренуватися на килимку, але, схоже, їм було набагато важче. Чому так сталося?
Коли ми говоримо, ми сприймаємо свій голос не лише вухами, а й через коливання власного тіла, тому він здається гучнішим і «повнішим». У записі ці внутрішні відчуття відсутні — ми чуємо тільки звук, що доходить ззовні. Через це записаний голос здається вищим, тихішим і менш «приємним», ніж під час живого спілкування.
Завдання №6
Чому так жахливо скрипить крейда, коли ми нею пишемо на дошці? Чому скриплять двері, дерева? Чому цей звук такий неприємний для людини?
Який рівень інтенсивності звуку в дБ видають навушники, що створюють інтенсивність 4∙10-2 Вт/м2(рис.10)? Чи безпечно їх використовувати на повну гучність?
При проходженні звуку крізь середовище, яке поглинає звук, інтенсивність звуку частотою 70 Гц впала від 10-4до 10-7Вт/м2. На скільки зменшився при цьому рівень гучності?
Барабанна перетинка діаметром 0,85 см за 3 год отримала енергію 6∙10-4Дж. Який рівень інтенсивності звуку (у дБ) діяв на перетинку?
Протягом 8 годин рівень звуку інтенсивністю 90,0 дБ може спричинити пошкодження слуху. Яка енергія в джоулях потрапляє на барабанну перетинку діаметром 0,8 см, що піддається впливу цього звуку?
Учень слухав музику в навушниках 30 хв при рівні 96 дБ. Скільки хвилин потрібно слухати музику при рівні 86 дБ, щоб на барабанну перетинку надійшла така сама енергія?
Мета уроку: сформувати в учнів уявлення про будову та роботу слухової системи людини як механізму сприйняття звуку й перетворення його енергії на нервові сигнали. Пояснити фізичний зміст інтенсивності та рівня гучності звуку, а також показати, як ці величини пов’язані зі сприйняттям звуку людиною та збереженням слуху.
Очікувані результати для учнівства:
розрізняє основні частини слухової системи людини та їхні функції
розуміє роль слухової системи у сприйнятті звукових хвиль і перетворенні їх на нервові сигнали
навчиться обчислювати рівень гучності звуку та інтенсивність за відповідними формулами
наводить приклади джерел звуку різної гучності з повсякденного життя
аналізує небезпеку шумового навантаження та обґрунтовує необхідність захисту слуху
Ключові слова:
слухова система людини
звук
зовнішнє вухо
середнє вухо
внутрішнє вухо
вушна раковина
слуховий прохід
барабанна перетинка
слухові кісточки
молоточок
коваделко
стремінце
равлик
базилярна мембрана
орган Корті
волоскові клітини
механорецептори
нервові імпульси
слуховий нерв
висота звуку
гучність
амплітуда коливань
інтенсивність звуку
поріг чутності
больовий поріг
децибели
логарифмічна шкала
шумова втрата слуху
тинітус
захист слуху
1. Мотивація
Проблемне питання
Людвіг ван Бетховен (рис.1) — видатний німецький композитор, який протягом життя поступово втрачав слух, а в зрілому віці став майже повністю глухим, але навіть після цього продовжував писати музику, створивши свої найвідоміші твори. Як це йому вдавалося?
Після вивчення фізичних характеристик звуку постає логічне запитання: яким чином людський організм сприймає механічні звукові хвилі та забезпечує їх подальшу обробку в мозку? Це відбувається завдяки слуховій системі людини, вона є складним біологічним аналізатором, який забезпечує сприйняття механічних звукових хвиль і перетворення їх на нервові сигнали. Слухова система людини складається з трьох основних частин: зовнішнього, середнього та внутрішнього вуха, які послідовно виконують функції приймання, передавання, підсилення та аналізу звуку (рис. 2). Кожен із цих етапів є необхідним для нормального слуху, а порушення на будь-якому рівні призводить до зниження або втрати здатності чути.
Зовнішнє вухо включає вушну раковину та слуховий прохід. Його основна функція полягає у збиранні звукових хвиль з навколишнього середовища та спрямуванні їх до барабанної перетинки. Вушна раковина, завдяки своїй формі, частково підсилює певні частоти та допомагає людині визначати напрямок, з якого надходить звук. Звукові хвилі, що потрапляють у слуховий прохід, доходять до барабанної перетинки і викликають її коливання. На цьому етапі звук, який був хвилею в повітрі, перетворюється на механічні коливання мембрани.
Рис. 2
За барабанною перетинкою розташоване середнє вухо — невелика порожнина, заповнена повітрям, у якій містяться три слухові кісточки: молоточок, коваделко і стремінце. Вони утворюють певний ланцюг, який передає коливання від барабанної перетинки до внутрішнього вуха. Молоточок з’єднаний з барабанною перетинкою, коваделко виконує роль проміжної ланки, а стремінце контактує з овальним вікном внутрішнього вуха. Слухові кісточки не лише передають коливання, а й підсилюють їх, що є критично важливим, оскільки внутрішнє вухо заповнене рідиною. Без цього підсилення більша частина енергії звукової хвилі відбивалася б на межі «повітря — рідина», і слух був би значно слабшим. Таким чином, середнє вухо виконує функцію механічного підсилювача та узгоджує передачу енергії між різними середовищами .
Внутрішнє вухо містить основний орган слуху — равлик, який має спіральну форму і заповнений рідиною. Коливання стремінця в овальному вікні створюють хвилі тиску в рідині равлика. Усередині равлика розташована базилярна мембрана, властивості якої змінюються вздовж її довжини: біля основи вона вузька і більш натягнута, а ближче до вершини — ширша і гнучкіша. Саме ця особливість дозволяє різним ділянкам мембрани реагувати на різні частоти звуку. Високочастотні звуки викликають максимальні коливання біля основи равлика, тоді як низькочастотні — ближче до її верхівки. Завдяки цьому равлик працює як просторовий частотний аналізатор, розкладаючи складний звук на окремі частотні компоненти. На базилярній мембрані розташований орган корті — структура, що безпосередньо відповідає за перетворення механічних коливань у нервові сигнали. У його складі є волоскові клітини, які мають спеціальні вирости — стереоцилії. Коли базилярна мембрана коливається разом із рідиною равлика, стереоцилії волоскових клітин згинаються відносно текторіальної мембрани. Це призводить до відкриття іонних каналів у мембранах клітин, їх деполяризації та виникнення електричних сигналів (рис. 3).
Рис. 3
Таким чином, механічна енергія звуку перетворюється на електричну активність нервової системи. Найбільшу роль у передачі інформації відіграють внутрішні волоскові клітини, тоді як зовнішні волоскові клітини виконують функцію тонкого налаштування і підсилення чутливості слуху .
Сформовані нервові імпульси передаються по волокнах слухового нерву до мозку, де відбувається подальша обробка інформації і виникає усвідомлене відчуття звуку. Саме на цьому етапі фізичні параметри звукової хвилі — частота та інтенсивність — перетворюються на суб’єктивні характеристики сприйняття, такі як висота і гучність. Таким чином, слухова система є прикладом складного біофізичного механізму, який поєднує механіку, гідродинаміку та електричну активність нервових клітин в єдиний ланцюг сприйняття звуку.
Робота слухової системи пояснює, як звук сприймається людиною, але не пояснює, чому ми по-різному відчуваємо звуки різної сили. Тому настав час познайомитися ще з декількома величинами, які характеризують звук, а саме гучність та інтенсивністю.
Чим визначається гучність звуку? Чим відрізняється тихий звук від гучного? Змусимо камертон звучати й трохи зачекаємо. Помітимо, що звук камертона стає дедалі тихішим. А що при цьому відбувається з камертоном? Амплітуда коливань його ніжок зменшується . Ці коливання загасають. Отже гучність звуку певним чином пов’язана з амплітудою коливань у звуковій хвилі (рис.4)
Рис. 4
Але правильно сказати, що гучність звуку пов’язана з енергією, яку переносить звукова хвиля. Перенесення енергії звуковою і будь-якою іншою хвилею описується фізичною величенною, яку називають інтенсивністю.
Інтенсивністю хвилі називають фізичну величину, що дорівнює енергії, яку переносить хвиля через одиницю площі поверхні, перпендикулярної до напрямку поширення хвилі за одиницю часу.
(4)
∆W – енергія механічної хвилі (Дж)
∆S – площа поперечного перерізу (м2)
∆t – час (с)
I – інтенсивність хвилі (Вт/м2)
Гучні звуки мають більшу інтенсивність, тихі – меншу.
Існують звуки з настільки малою інтенсивністю, що людське вухо сприймає їх лише на межі можливостей. Найменше значення інтенсивності звуку, яке ще може бути зафіксоване слуховою системою, називають порогом чутності. Експериментальні дослідження показали, що для звуків, які сприймаються людиною найкраще (у діапазоні частот приблизно 1–2 кГц), цьому порогові відповідає інтенсивність І0=10-12 Вт/м2.
Зі зростанням інтенсивності звуку настає момент, коли звуковий сигнал уже не просто сприймається як гучний, а викликає больові відчуття у вусі. Таке значення інтенсивності називають больовим порогом, і для людини воно становить приблизно 1 Вт/м2.
Таким чином, слухова система людини здатна працювати з надзвичайно широким діапазоном інтенсивностей — від
10-12 Вт/м2 до 1 Вт/м2, тобто в межах 12 порядків величини. Це означає, що ми можемо чути звуки, інтенсивності яких відрізняються в тисячу мільярдів разів.
Постає питання: яким чином слухова система справляється з таким великим діапазоном інтенсивностей? Відповідь пов’язана з особливостями роботи мозку та принципами психофізичного сприйняття звуку. З’ясовано, що відчуття гучності не зростає пропорційно інтенсивності звукової хвилі. Уявімо джерело звуку, інтенсивність якого можна змінювати так, що кожен наступний крок збільшує її у 10 разів. Хоча фізична інтенсивність у такому разі змінюється кратно, суб’єктивне відчуття гучності щоразу зростає на однаковувеличину, а не в однакову кількість разів. Саме така закономірність лежить в основі введення спеціальної логарифмічної шкали.
Для кількісного опису гучності використовують величину, яку називають рівнем гучності (рівнем інтенсивності звуку). Її позначають символом і вимірюють у децибелах (дБ) — безрозмірних одиницях, що застосовуються для порівняння інтенсивностей. За нульовий рівень гучності приймають поріг чутності, тобто інтенсивність 10-12 Вт/м2. Кожне збільшення інтенсивності звуку у 10 разів відповідає зростанню рівня гучності на 10 дБ, що відображає логарифмічний характер слухового сприйняття.
Загалом рівень гучності пов’язаний з інтенсивністю I звукової хвилі співвідношенням:
(5)
З цього рівняння можна отримати формулу для визначення інтенсивності звуку
(6)
Тобто для визначення рівня гучності потрібно поділити інтенсивність звукової хвилі на
10-12 Вт/м2., обчислити десятковий логарифм цього відношення та помножити на 10.
Що таке десятковий логарифм? Десятковий логарифм — це степінь, до якого треба піднести десятку, щоб отримати певне число. Наприклад:
lg100 = 2,
lg1000 = 3,
lg106 = 6
У реальних умовах звук майже завжди створюють не поодинокі, а кілька однакових джерел, що діють разом та мають однаковий рівень гучності. Щоб визначити, як змінюється рівень гучності в такому випадку, можна скористатися наступною формулою:
-рівень гучності від джерела звуку (дБ)
n-кількість джерел звуку
Характерні значення рівня гучності наведено в такій таблиці 1.
Табл.1
Джерело звуку
β, дБ
I, Вт/м²
Поріг чутності
0
10⁻¹²
Шум листя
10
10⁻¹¹
Шепіт
20
10⁻¹⁰
Розмова на відстані 1 м
60
10⁻⁶
Вулиця з інтенсивним рухом
70
10⁻⁵
Симфонічний оркестр
80
10⁻⁴
Больовий поріг
120
1
Реактивний літак на відстані 30 м
140
100
Звук великої інтенсивності є одним із найпоширеніших шкідливих фізичних чинників сучасного середовища. Шумове навантаження на людину визначається не лише рівнем гучності, а й тривалістю та регулярністю його дії. Навіть порівняно не дуже гучні звуки, якщо вони діють довго або повторюються щодня, можуть поступово призводити до погіршення слуху. Основна небезпека полягає в тому, що надмірна звукова енергія перевантажує слухову систему, насамперед внутрішнє вухо, де відбувається перетворення механічних коливань на нервові сигнали. Наслідком такого перевантаження може бути шумова втрата слуху, яка часто розвивається повільно і непомітно для самої людини.
Дуже важливо розуміти, що адаптація або звикання до шуму не означає безпеку. Коли людині здається, що вона «перестала помічати» гучні звуки, це свідчить лише про зниження чутливості сприйняття в мозку, а не про зменшення шкідливого впливу на слуховий апарат. Усередині завитки при цьому можуть продовжувати пошкоджуватися волоскові клітини, які відповідають за сприйняття звуку. На відміну від багатьох інших клітин організму, ці клітини в людини практично не відновлюються, тому ушкодження накопичуються. Саме тому людина може роками перебувати в шумному середовищі без відчутного дискомфорту, а згодом раптово виявити стійке погіршення слуху.
Захист від звуку високої гучності та інтенсивності ґрунтується передусім на зменшенні так званої «дози» шуму. Найпростіші й водночас ефективні принципи — зробити звук тихішим, збільшити відстань до джерела та скоротити час впливу. Корисним практичним правилом є таке: якщо в шумному середовищі доводиться підвищувати голос, щоб співрозмовник почув вас на відстані витягнутої руки, рівень звуку вже може бути небезпечним. У повсякденному житті доцільно контролювати гучність навушників і робити регулярні «тихі паузи», даючи слуху час на відновлення. У шумному оточенні ефективним захистом є беруші або протишумні навушники, а за дуже гучних або імпульсних звуків — їх поєднання. Ці прості засоби фактично зменшують інтенсивність звуку ще до того, як він досягне внутрішнього вуха.
Надмірний шум може призводити до різних травм і порушень слуху. Найпоширенішою є шумова втрата слуху, що розвивається поступово, а також тинітус — постійне або періодичне відчуття дзвону чи шуму у вухах. Окрему небезпеку становлять короткі, але надзвичайно гучні звуки, наприклад вибухи або постріли, які можуть спричинити акустичну травму. У таких випадках можливе різке зниження слуху, біль, а іноді й механічні ушкодження барабанної перетинки або структур середнього вуха.
Коли йдеться про відновлення слуху, вирішальним є те, на якому етапі виникло ушкодження. Якщо порушення пов’язані з передаванням звукових коливань — наприклад, через розрив барабанної перетинки або ушкодження слухових кісточок середнього вуха, — у багатьох випадках слух можна частково або повністю відновити хірургічним шляхом. Натомість при ураженні внутрішнього вуха основна проблема полягає в загибелі волоскових клітин, які є ключовими перетворювачами механічних коливань у нервові сигнали і практично не відновлюються впродовж життя людини. У таких ситуаціях медицина не «лікує» зруйновані клітини, а компенсує втрату функції: слухові апарати підсилюють звукові сигнали для збережених структур, а кохлеарні імпланти обходять ушкоджені рецептори та безпосередньо стимулюють слуховий нерв електричними імпульсами (рис.5).
Саме ця принципова відмінність між відновленням і компенсацією пояснює, чому захист від надмірної інтенсивності звуку є значно ефективнішим за будь-які медичні втручання після ушкодження слуху.
3. Практичний блок
Завдання №1
Барабанна перетинка в нормі має неправильну форму і нерівномірний натяг на різних ділянках. Як це впливає на сприйняття звукових хвиль?
Шість членів команди з синхронного плавання носять беруші, щоб захиститися від тиску води на глибині, але вони все ще чують музику та чудово виконують комбінації у воді (рис.7). Одного разу їх попросили вийти з басейну, щоб команда пірнальників могла потренувати кілька стрибків, і вони спробували потренуватися на килимку, але, схоже, їм було набагато важче. Чому так сталося?
Шість членів команди з синхронного плавання носять беруші, щоб захиститися від тиску води на глибині, але вони все ще чують музику та чудово виконують комбінації у воді (рис.7). Одного разу їх попросили вийти з басейну, щоб команда пірнальників могла потренувати кілька стрибків, і вони спробували потренуватися на килимку, але, схоже, їм було набагато важче. Чому так сталося?
Який рівень інтенсивності звуку в дБ видають навушники, що створюють інтенсивність 4∙10-2 Вт/м2(рис.10)? Чи безпечно їх використовувати на повну гучність?
При проходженні звуку крізь середовище, яке поглинає звук, інтенсивність звуку частотою 70 Гц впала від 10-4до 10-7Вт/м2. На скільки зменшився при цьому рівень гучності?
Барабанна перетинка діаметром 0,85 см за 3 год отримала енергію 6∙10-4Дж. Який рівень інтенсивності звуку (у дБ) діяв на перетинку?
Протягом 8 годин рівень звуку інтенсивністю 90,0 дБ може спричинити пошкодження слуху. Яка енергія в джоулях потрапляє на барабанну перетинку діаметром 0,8 см, що піддається впливу цього звуку?
Учень слухав музику в навушниках 30 хв при рівні 96 дБ. Скільки хвилин потрібно слухати музику при рівні 86 дБ, щоб на барабанну перетинку надійшла така сама енергія?
Ділись та обговорюй важливе