20
NOŢIUNI DE ACUSTICĂ FIZIOLOGICĂ

Curs despre acustica (fizica) - autor necunoscut

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Curs despre sunet din punct de vedere al fizicii.Curs despre sunet din punct de vedere al fizicii.Curs despre sunet din punct de vedere al fizicii.

Citation preview

Page 1: Curs despre acustica (fizica) -  autor necunoscut

NOŢIUNI DE ACUSTICĂ

FIZIOLOGICĂ

Page 2: Curs despre acustica (fizica) -  autor necunoscut

1. Emisia sonoră

Emisia sunetelor în lumea vie este un important mijloc de comunicare între

diferiţi indivizi ai aceleiaşi specii. La speciile inferioare, sunetele sunt produse prin

metode diferite, cum ar fi frecarea diferitelor părţi ale corpului la insecte, frecări ale

părţilor osoase sau variaţii de presiune în vezici specializate la peşti.

La organismele superioare, organele specializate în producerea sunetelor se

găsesc în gât, în partea superioară a aparatului respirator, datorită faptului că folosesc

aerul. La păsări de exemplu, aparatul vocal se găseşte la partea superioară a traheii.

Aceasta are capacitatea de a se lungi au a se scurta, acţionând pe principiul tubului de

orgă, ceea ce explică şi deosebita frumuseţe a cântecului unor specii de păsări.

La om, responsabile de producerea sunetelor sunt coardele vocale, însă la

producerea sunetelor îşi aduce contribuţia întregul sistem al căilor respiratorii

superioare, acestea acţionând pe post de tuburi sonore. Coardele vocale nu sunt nişte

simple coarde oscilante, vorbirea articulată presupunând o mişcare activă, controlată de

sistemul nervos.

Page 3: Curs despre acustica (fizica) -  autor necunoscut

2.Recepţia sonoră

Sistemul auditiv are rolul de a prelua din aer variaţiile de presiune (undele

sonore) şi de a le transmite sistemului nervos central. În continuare, vom prezenta

structura tipică, deosebit de complexă, a urechii umane, formate din trei părţi

principale (Fig.1):

Urechea externă. Este alcătuită din pavilion, canal auditiv (duct auditiv) şi

timpan. Rolul principal al acestei părţi din sistemul auditiv este de a recepţiona

sunetele. Prin forma sa deosebită, pavilionul are un rol important în localizarea

spaţială a sursei sunetului, pentru aceasta, la multe specii animale pavilionul fiind

mobil. La om de exemplu, eroarea de localizare spaţială a sursei sunetului este de 3 –

4º, sau exprimat în procente, în jur de 1 %.

Fig.1 Schema urechii umane.

1 – timpan, 2 – ciocan, 3 –

nicovală, 4 – scăriţă, 5 – fereastră

ovală, 6 – rampă vestibulară, 7 –

membrană bazilară, 8 – rampă

timpanică, 9 – fereastră rotundă, 10

– trompa lui Eustache, 11 – cohlee

(forma din desen nu coincide cu

forma reală)

Page 4: Curs despre acustica (fizica) -  autor necunoscut

Canalul auditiv are rolul unui tub sonor, având rolul de a transforma undele

sferice în unde plane, având frecvenţa de rezonanţă de aproximativ 3300 Hz, aceasta fiind

şi frecvenţa la care sensibilitatea urechii umane este maximă. Canalul auditiv este închis la

interior de către timpan (1) care este o membrană elastică ce intră în vibraţie sub acţiunea

undelor staţionare ce iau naştere în canalul auditiv, vibraţie transmisă în continuare

elementelor ce formează urechea medie. Având o grosime de 0.1 mm şi o suprafaţă de 65

mm2, timpanul are o formă aproximativ conică, ceea ce îi permite să fie eficient pe aproape

întreaga sa suprafaţă, spre deosebire de o membrană elastică plană, eficace doar pe o treime

din suprafaţă. Forma timpanului a fost copiată de către om la realizarea membranelor

difuzoarelor diferitelor sisteme acustice.

Amplitudinea de vibraţie a timpanului variază în funcţie de frecvenţă, între 0.1 Ǻ

pentru o frecvenţă de 1000 Hz, până la 1 m la o frecvenţă de 100 Hz. Timpanul este un

rezonator puternic amortizat; la frecvenţa proprie de rezonanţă, care este de 1400 Hz,

mişcarea sa încetează la 4x10-3 s după dispariţia sunetului.

Page 5: Curs despre acustica (fizica) -  autor necunoscut

Urechea mediană Urechea mediană este formată din trei sisteme osoase de

mici dimensiuni (ciocanul, nicovala şi scăriţa – 2, 3, 4), aflate într-o incintă cu volumul

de aproximativ 150 mm3, plină cu aer. Cele trei osişoare se comportă ca nişte pârghii,

având un rol foarte important, acela de a maximiza transferul de energie de la unda

venită din aer, la urechea internă, în care propagarea se face în mediu lichid, fenomen

cunoscut sub numele de adaptare a impedanţelor. Dată fiind diferenţa mare a

proprietăţilor elastice ale aerului şi lichidelor, din energia totală a unui sunet care vine

din aer, într-un lichid pătrunde doar aproximativ a mia parte, restul reflectându-se înapoi

în aer. Pentru a mări valoarea energiei undei preluată de mediul lichid, sistemul osos din

urechea mediană preia vibraţiile timpanului, micşorând amplitudinea oscilaţiilor,

crescând însă foarte mult presiunea sonoră la nivelul ferestrei ovale (5). Pentru ca

transferul de energie să fie total, raportul între presiunea sonoră la nivelul ferestrei ovale

şi presiunea la nivelul timpanului trebuie să fie de aproximativ 61.

611

2

1

2

2

2

2

1

2

121

S

S

S

S

S

S

S

SSS

R

R

p

p

R

p

R

pII (1)

Page 6: Curs despre acustica (fizica) -  autor necunoscut

La pisici, valoarea raportului presiunilor este de aproximativ 60, ceea ce

explică auzul deosebit de fin al acestora, în timp ce la om, raportul este de

aproximativ 29, creşterea presiunii la nivelul urechii interne realizându-se în special

prin micşorarea suprafeţei pe care acţionează oasele urechii mijlocii: 55 mm2 la

nivelul timpanului, faţă de 2.5 mm2, aria ferestrei ovale.

Pentru ca timpanul să vibreze corect, trebuie ca presiunea aerului de o parte

şi de alta a sa să aibă aceeaşi valoare. Cum la exterior, timpanul se găseşte la

presiunea atmosferică, înseamnă că şi incinta timpanică trebuie să se găsească la

aceeaşi presiune. Comunicarea între incintă şi exterior se face prin intermediul

trompei lui Eustache (10) care se deschide în faringe. Trompa nu este deschisă decât

la înghiţire sau în timpul căscatului, în restul timpului fiind închisă, împiedicând

astfel transmiterea către ureche a sunetelor respiraţiei sau a propriei voci. Când

presiunea variază rapid (în avion, când se urcă sau se coboară o diferenţă de nivel

importantă) presiunea internă nu are timp să se echilibreze. Diferenţa de presiune care

ia naştere între cele două feţe ale timpanului împiedică funcţionarea corectă a

acestuia, ceea ce se traduce printr-o senzaţie de surditate. Un lucru similar se întâmplă

în cazul unor inflamaţii, când trompa este obturată. Intr-o astfel de situaţie aerul este

absorbit de ţesuturi, creându-se o vidare a incintei timpanice.

Page 7: Curs despre acustica (fizica) -  autor necunoscut

Urechea internă (Fig. 2) Urechea internă are două părţi cu funcţii diferite.

Partea vestibulară, are rolul unui traductor de poziţie şi mişcare pentru corpul uman,

asigurând echilibrul. Vestibulul membranos este format din două cavităţi rotunjite,

utricula şi sacula, şi din trei canale semicirculare situate în trei plane perpendiculare.

Canalele semicirculare ocupă cea mai mare parte a urechii interne. Fiecare

canal conţine un lichid şi cili sensibili legaţi la celule receptoare care transmit informaţiile

la creier. Receptorii vestibulari sunt sensibili la forţa de gravitaţie, iar dispunerea celor

trei canale în plane perpendiculare permite orientarea în spaţiul tridimensional. Dacă la

un moment dat capul se găseşte într-o poziţie neobişnuită, influxurile vestibulare tind să

corecteze această poziţie pe cale reflexă. Fără această porţiune a urechii interne, omul nu

este capabil să îşi păstreze echilibrul.

Receptorii vestibulari sunt în egală măsură sensibili la acceleraţii, adică la

variaţiile vitezei. Aceasta este cauza problemelor de echilibru după o mişcare de rotaţie

(copiii se joacă rotindu-se unul în jurul celuilalt sau în jurul unui ax, după care încearcă să

îşi menţină echilibrul), sau chiar la pornirea sau oprirea unui ascensor. Problemele apar

datorită compunerii forţelor de inerţie care apar în aceste mişcări cu forţa de greutate,

rezultând o „înşelare” a centrului echilibrului, ale cărui decizii sunt eronate.

Page 8: Curs despre acustica (fizica) -  autor necunoscut

Fig. 2 Imaginea simplificată a urechii interne

Page 9: Curs despre acustica (fizica) -  autor necunoscut

Porţiunea auditivă (Fig.3) se găseşte într-un sistem de cavităţi şi tuneluri

cunoscut sub numele de labirintul osos, în osul temporal cranian. Porţiunea cohleară

constă dintr-un tub umplut cu lichid, lung de aproximativ 3 cm, care se subţiază pe

măsură ce se răsuceşte în spirală, efectuând între 2.75 şi 3.5 ture în jurul unei coloane

centrale.

Tubul este împărţit pe aproape întreaga sa lungime în două canale printr-o

membrană (membrana bazilară) şi o lamă osoasă spirală. Undele sonore pătrund în

urechea internă sub acţiunea scăriţei prin fereastra ovală în canalul cohleei aflat

deasupra membranei bazilare, numit rampă vestibulară.

Unda de presiune este transmisă prin lichidul perilimfatic către cel de-al

doilea canal, care poartă numele de rampă timpanică şi de aici la fereastra rotundă care

joacă rolul unei supape. Pe toată lungimea membranei bazilare se află organul spiral al

lui Corti, la nivelul căruia are loc traducerea energiei mecanice a undelor sonore în

impulsuri nervoase.

Membrana bazilară ocupă toată lungimea cohleei şi este formată dintr-o parte

osoasă, în interiorul căreia se găseşte ganglionul spiral al lui Corti, şi o parte elastică,

formată din aproximativ 24.000 de fibre elastice transversale. Lăţimea membranei

elastice creşte progresiv, de la 0.01 mm la nivelul ferestrei ovale, până la 0.065 mm la

capătul superior al cohleei.

Page 10: Curs despre acustica (fizica) -  autor necunoscut

Fig.3 Schema părţii auditive a urechii interne

Fig.4. Punctele de vibraţie ale membranei bazilare

pentru diferite frecvenţe

Page 11: Curs despre acustica (fizica) -  autor necunoscut

Din punct de vedere istoric, primele studii asupra modului de funcţionare al

membranei bazilare au fost făcute de Helmholtz, care a presupus că aceasta se comportă

ca o coardă elastică. Von Békesy (care a câştigat premiul Nobel în 1961) a arătat că

membrana nu este tensionată şi de aceea modelul corzilor vibrante nu poate fi folosit.

Mişcarea membranei nu poate fi decât pasivă şi determinată de mişcarea

lichidelor cohleare. Datorită faptului că prin structura sa membrana bazilară este mai

rigidă la bază decât a vârf, pentru o presiune continuă, deformarea acesteia la vârf este de

105 ori mai mare decât la bază. Aceasta face ca oscilaţiile de presiune de la nivelul rampei

vestibulare să se traducă la nivelul membranei bazilare printr-o undă care se propagă

progresiv de la bază către vârf, cu amplitudine din ce în ce mai mare. In funcţie de

frecvenţa undei, amplitudinea acesteia atinge o valoare maximă într-un anumit punct al

membranei, după care scade rapid la zero (Fig.4.).

Vibraţiile fibrelor elastice ale membranei bazilare excită acea parte a organelor

Corti cu care este în contact, rezultând un influx nervos. Frecvenţa semnalului este

„determinată” de către sistemul nervos, în funcţie de punctul de pe membrană în care

amplitudinea semnalului este maximă. După cum se poate vedea din Fig.4.16, frecvenţele

înalte sunt „traduse” în partea inferioară a membranei, în timp ce frecvenţele joase sunt

percepute în partea superioară. Amplitudinea minimă de vibraţie a membranei bazilare la

care apare răspunsul nervos (potenţialul de acţiune) este mai mică de 0.35 nm.

Page 12: Curs despre acustica (fizica) -  autor necunoscut

Transformarea undelor din membrana bazilară în influxuri nervoase se face

cu ajutorul celulelor ciliate din organul lui Corti. Acestea sunt de două feluri, celule

ciliate interne şi celule ciliate externe. Aceste celule se numesc ciliate, deoarece

capătul superior, aflat în contact cu endolimfa este prevăzut cu sute de cili, aşezaţi pe

trei rânduri şi având dimensiuni diferite (Fig.5).

Fig.5.Celule ciliate (a) externe şi (b) interne. La celulele ciliate externe

cilii sunt aşezaţi în linie, în timp ce la celulele interne cilii sunt aşezaţi în

„V”

Page 13: Curs despre acustica (fizica) -  autor necunoscut

La om se întâlnesc circa 3.500 de celule ciliate interne şi 12.500 externe,

număr foarte mic în comparaţie cu milioanele de fotoreceptori de exemplu. In plus,

aceste celule îşi termină foarte devreme formarea (înainte de a 10 săptămână de

sarcină la om) şi nu au capacitatea de regenerare, astfel încât celulele distruse în

timpul vieţii nu mai sunt înlocuite. Acesta este motivul pentru care organul auditiv

este foarte sensibil şi trebuie protejat, deoarece orice leziune a urechii interne poate

avea drept rezultat o hipoacuzie al cărui remediu nu mai poate fi altul decât

implantarea unei proteze auditive.

O grijă deosebită trebuie acordată protecţiei împotriva zgomotului. Efectele

acestui asupra auzului pot fi imediate (perturbare a localizării spaţiale, senzaţii

dureroase, rupturi de timpan) sau prelungite (oboseală şi traumatism auditiv, surditate

profesională). Mai sunt de asemenea posibile efecte generale de ordin fiziologic

(oboseală, perturbări ale EEG, tulburări de vedere) sau psihologic şi psihiatric

(tulburări psihomotorii şi de atenţie, tulburări de personalitate, senzaţii de la neplăcere

până la frică, tulburări ale somnului).

Page 14: Curs despre acustica (fizica) -  autor necunoscut

ULTRASUNETELE ŞI

ECOGRAFIA

Page 15: Curs despre acustica (fizica) -  autor necunoscut

Ultrasunetele sunt unde acustice longitudinale cu frecvenţe cuprinse între

20 kHz şi 100 MHz. Ca şi undele acustice, ultrasunetele se propagă prin medii

materiale. Unele animale (delfinii, liliecii) produc şi recepţionează ultrasunete,

folosindu-le în orientarea spaţială. Altele (câinele) au o sensibilitate mai mare a

analizorului acustic decât omul, percepând şi sunete din domeniul ultrasunetelor.

Principiul de bază al ecografiei este analiza ultrasunetelor care se reflectă

la suprafaţa de separaţie a două medii cu proprietăţi diferite. De aici şi numele

metodei (ecou – ecografie). Dispozitivele tehnice folosite pentru producerea sau

recepţia ultrasunetelor au la bază fenomenul de piezoelectricitate. Fenomenul constă

în apariţia sarcinilor electrice la suprafaţa unor cristale când acestea sunt supuse unor

tensiuni mecanice. Invers, aceste materiale polarizate electric dau naştere la

deformări mecanice.

Fenomenul a fost descoperit în anul 1880 de Pierre şi Jacques Curie. Cele

mai cunoscute cristale cu proprietăţi piezoelectrice sunt cuarţul, titanatul de bariu,

sarea Seignette.

Page 16: Curs despre acustica (fizica) -  autor necunoscut

Dacă pe feţele cristalului se aplică un câmp electric variabil, în cristal iau

naştere vibraţii mecanice cu o frecvenţă egală cu cea a câmpului aplicat. Pentru un

randament maxim, frecvenţa semnalului aplicat trebuie să fie egală cu frecvenţa de

rezonanţă a cristalului, care depinde de dimensiunile acestuia şi de orientarea faţă de

axele cristaline.

Vibraţiile cristalului se transmit mediului înconjurător sub forma unor unde

elastice având aceeaşi frecvenţă, astfel luând naştere ultrasunetele. Pentru detecţia

ultrasunetelor se poate folosi acelaşi dispozitiv, funcţionarea sa fiind inversă:

dispozitivul supus ultrasunetelor se polarizează, câmpul electric rezultant fiind variabil

şi având aceeaşi frecvenţă cu unda detectată.

In practica medicală se folosesc în general ultrasunete cu frecvenţele

cuprinse între 2 şi 20 MHz. Viteza acestora depinde mult de mediul străbătut, în

tabelul 4.2 fiind prezentate valorile prin câteva medii de interes.

Mediul Viteza (m/s)

Aer 330

Apă 1480

Grăsimi 1450

Ţesuturi moi 1540

Oase 3000 – 4100

Tabelul 1. Valoarea vitezei de propagare a ultrasunetelor în diferite medii

Page 17: Curs despre acustica (fizica) -  autor necunoscut

Rezoluţia spaţială a determinărilor pe bază de ultrasunete este limitată de

difuzie atunci când dimensiunea obiectului este comparabilă cu lungimea de undă.

Având în vedere că la o lungime de undă de 100 kHz lungimea de undă este de 15 mm,

iar la 100 MHz ea scade la 0,0015 mm, este preferabil să fie utilizate unde de frecvenţe

cât mai înalte pentru a asigura o bună rezoluţie a imaginii obţinute. In obţinerea unei

imagini de calitate cât mai bună sunt importante însă şi alte fenomene proprii undelor:

absorbţia, reflexia, refracţia, difracţia.

Absorbţia este dată ca şi la sunete de o relaţie de tipul:

0

xW W e (1)

unde W0 este energia emisă iniţial de sursă, W este energia undei după parcurgerea

distanţei x, iar este coeficientul de absorbţie, a cărui valoare este proporţională cu

pătratul frecvenţei.

Cu cât frecvenţa este mai scăzută, cu atât unda este mai puţin absorbită, astfel

încât folosirea frecvenţelor foarte înalte deşi are avantajul unei rezoluţii mai bune, are

dezavantajul unei absorbţii rapide, zonele investigate trebuind să fie situate în imediata

vecinătate a suprafeţei.

Page 18: Curs despre acustica (fizica) -  autor necunoscut

La suprafaţa de separaţie a două medii diferite, undele incidente suferă

simultan un proces de reflexie şi unul de difracţie, astfel încât energia undei se împarte

între unda reflectată şi cea refractată. Corespunzător se definesc două mărimi,

coeficientul de reflexie (R) care este raportul dintre intensitatea undei reflectate şi a

celei incidente şi coeficientul de transmisie (T) care este raportul dintre intensitatea

undei transmise (refractate) şi a celei incidente.

In tabelul 2 sunt prezentate valorile coeficientului de reflexie la incidenţă

normală pentru suprafaţa de separaţie între diferite medii.

Interfaţa R0

Apă/aer 0,9989

Aer/ţesut adipos 0,98

Muşchi/oase 0,38

Apă/oase 0,2899

Ţesut adipos/muşchi 0,0081

Tabelul 2.Coeficientul de reflexie pe diferite suprafeţe de separaţie la incidenţă normală

Page 19: Curs despre acustica (fizica) -  autor necunoscut

Se observă că prezenţa aerului antrenează o reflexie intensă şi o parte

neglijabilă din energia undei incidente pătrunde în sistemul studiat. Trebuie deci asigurat

un contact între piele şi sonda de măsură fără prezenţa aerului, lucru realizat cu ajutorul

unsorilor ecografice. Informaţia asupra structurii sistemului studiat este conţinută în ecoul

provenit de la suprafeţele de separare între ţesuturile diferitelor organe. In funcţie de

modul în care se face analiza informaţiei, ecografia este de două tipuri: de tip A, la care

amplitudinea este funcţie de adâncime, şi de tip B, la care imaginea este formată prin

puncte a căror luminozitate e proporţională cu amplitudinea ecoului, aceasta fiind metoda

cea mai utilizată în practică.

In afara utilizării în ecografie, ultrasunetele mai pot fi folosite şi pentru efectele

lor biologice. Dacă în cazul ecografiei, fenomenele datorate transferului de energie sunt

neglijabile, la energii incidente mari efectele pot fi importante.

Cel mai important dintre acestea este cavitaţia care reprezintă o rupere locală a

lichidului şi formarea unor goluri (cavităţi) umplute cu aer sau gaz. Fenomenul este

favorizat de existenţa gazelor dizolvate în lichide care slăbesc tăria legăturilor

intermoleculare. Dacă frecvenţa ultrasunetelor coincide cu frecvenţa de rezonanţă a

cavităţilor acestea se distrug prin implozie, generând local temperaturi de ordinul miilor

de grade şi presiuni de ordinul miilor de atmosfere, acest lucru putând duce la distrugeri

locale ale ţesuturilor.

Page 20: Curs despre acustica (fizica) -  autor necunoscut

Datorită disipării energiei undelor în ţesuturi, propagarea acestora este

însoţită şi de efecte termice. Acestea sunt cu atât mai mari cu cât absorbţia este mai

puternică.

Efectele biologice sunt date de o suprapunere a efectelor termice, electrice

sau chimice care pot modifica activitatea celulară. La intensităţi mici efectele sunt

de cele mai multe ori benefice, însă la intensităţi mari efectele termice sau cavitaţia

pot duce la distrugerea celulelor.