1. Id Hallásbiofizika2.aok.pte.hu/tantargyak/files/biofizika1/... · 10/9/12 1 Hallás&...

4
10/9/12 1 Hallás BÓDIS Emőke 2012. október 3. Néhány szó a hangról A hang egy 3D-s longitudinális hullám, amely rugalmas közegben terjed! 1. Időbeni periodicitás: Periódusidő (T, s) Frekvencia (f, Hz) 2. Térbeli periodicitás: Hullámhossz (λ, m) 3. Amplitudó Frekvenvia tartomány: 0-20 Hz: Infrahang 20 Hz -20 kHz: Hallható tartomány 20 kHz- : Ultrahang A nyomás oszcillálása 4. Intenzitás (I, W/m 2 ) hallásküszöb: 10 12 W/m 2 (mérve 1000 Hzen) maximális intenzitás (ami még rövid ideig, fájdalom nélkül kibírható): 10 W/m 2 5. Rela7v intenzitás (n, dB) az intenzitásszint (n ), mely a relaTv intenzitások logaritmusának 10szerese 13 nagyságrend n = 10lg I I 0 Alexander Graham Bell (18741922) (dB) 10 12 10 11 10 10 10 9 10 8 10 7 10 6 10 5 0 10 20 30 40 50 60 70 n (dB) I (W/m 2 ) Példa: Ha van egy I= 10,000-szer erősebb hang, mint a hallásküszöb, akkor az intenzitások aránya 10 4 , a kitevő 4, és az intenzitásszint 40 dB: Egyenlő hangosságú görbék I. Hangosság Nem csak a hang intezitása! Magába foglalja a hang érzékelésének erősségét. A hang intenzitását módosítani kell a fül érzélkenységével az ado_ frekvenciára. A hang jellemzői I. Hangosság II. A hang színezete III. A hang magassága

Transcript of 1. Id Hallásbiofizika2.aok.pte.hu/tantargyak/files/biofizika1/... · 10/9/12 1 Hallás&...

Page 1: 1. Id Hallásbiofizika2.aok.pte.hu/tantargyak/files/biofizika1/... · 10/9/12 1 Hallás& BÓDIS&Emőke& 2012.&október3.& Néhány szó a hangról A hang egy 3D-s longitudinális

10/9/12  

1  

Hallás  BÓDIS  Emőke  

2012.  október  3.  

Néhány szó a hangról

A hang egy 3D-s longitudinális hullám, amely rugalmas közegben terjed!

1. Időbeni periodicitás: Periódusidő (T, s) Frekvencia (f, Hz)

2. Térbeli periodicitás: Hullámhossz (λ, m)

3. Amplitudó

Frekvenvia tartomány:

0-20 Hz: Infrahang 20 Hz -20 kHz: Hallható tartomány 20 kHz- : Ultrahang

A  nyomás  oszcillálása  

4.  Intenzitás  (I,  W/m2)  

   -­‐  hallásküszöb:  10-­‐12  W/m2  (mérve  1000  Hz-­‐en)            -­‐  maximális  intenzitás  (ami  még  rövid  ideig,          fájdalom  nélkül  kibírható):  10  W/m2    

5.  Rela7v  intenzitás  (n,  dB)            -­‐  az  intenzitásszint  (n  ),  mely  a  relaTv  intenzitások  logaritmusának  10-­‐szerese      

13  nagyságrend  

n =10⋅ lg II0

Alexander  Graham  Bell  (1874-­‐1922)  

(dB)  

10-­‐12   10-­‐11   10-­‐10   10-­‐9   10-­‐8   10-­‐7   10-­‐6   10-­‐5  

0   10   20   30   40   50   60   70  n  

(dB)  

I  (W/m2)  

Példa: Ha van egy I= 10,000-szer erősebb hang, mint a hallásküszöb, akkor az intenzitások aránya 104, a kitevő 4, és az intenzitásszint 40 dB:

Egyenlő  hangosságú  görbék  

I.  Hangosság  

-­‐  Nem  csak  a  hang  intezitása!    -­‐  Magába  foglalja  a  hang  érzékelésének  erősségét.  -­‐  A  hang  intenzitását  módosítani  kell  a  fül  érzélkenységével  az  ado_  frekvenciára.    

A hang jellemzői

I.   Hangosság  II.   A  hang  színezete  III.    A  hang  magassága    

Page 2: 1. Id Hallásbiofizika2.aok.pte.hu/tantargyak/files/biofizika1/... · 10/9/12 1 Hallás& BÓDIS&Emőke& 2012.&október3.& Néhány szó a hangról A hang egy 3D-s longitudinális

10/9/12  

2  

II.  Hangmagasság  “A  hangmagasság  a  rezgés  frekvenciájától  függ  úgy,  hogy  a  magasabb  hangnak  a  

magasabb  frekvenvia  felel  meg  “  (Galilei)  Hangmagasság  =  a  hang  frekvenciája  Példa,  a  közép  C    =  261.6  Hz  "Perfekt  hangmagasság”  vagy  "abszolút  hangmagasság”  

III.  A  hang  színezete  A  hang  pszichoakkuszgkai  tulajdonsága  A  hang  azon  tulajdonságait  írja  le,  amelyek  azonos  hangosság  és  hangmagasság  melle_  is  

különböző  (hegedű,  zongora,  fuvola)  

1.   Színuszos  hang    a  legegyszerűbb  gszta  hang  

p(t) = pmax ⋅ sin ωt +ϕ( )

A hang jellemzői

2.  Zenei  hangok  

p(t) = p1⋅ sin ωt( ) + p2 sin(2ωt) + p3 sin(3ωt) + ...

Fourier analízis: felbontja a jelet frekvencia komponensekre

Inverz Fourier transzformáció: A különböző frekvencia-komponensek színuszos komponenseiből szintetizálható bármilyen időbeli függvény.

A hang jellemzői

3.  Zaj:  több  eltérő  frekvenciájú  és  intenzitású  jel  zavaró  összessége.    

A hang jellemzői

A zaj leírására nem alkalmas egyetlen szám (például a hang intenzitása), ezért azt többnyire egy színképpel írjuk le.

Fehér zaj: a teljes vizsgált frekvenciatartományban (emberi érzékelő esetén 20 Hz – 20 kHz) a hangnyomásszintje állandó. Szürke zaj: egy jól meghatározott, szűk frekvenciatartományban folytonos hangnyomásszint van, míg az összes többi frekvencián nem mérhető hangnyomásszint. Színes zajok: olyan zajokat, melyek frekvenciája határozottan nem állandó értékű, de gyakorlatilag jól meghatározható frekvenciasávba esik

Külső  fül  

Fülkagyló    feladata:  térbeli  információk  gyűjtése  

Külső  hallójárat    25  mm  hosszú,  7  mm  széles    dobhártya    egyik  végén  zárt  cső,  állóhullámok  (orgonasíp)  

Dobhártya    a  hang  okozta  nyomásváltozás  megrezegteg,  mint  egy  dob  felületét    épp  hallható  hang:  10-­‐11  m  a  rezgési  amplitúdója  

     

 Ez  az  elmozdulás  csupán  30  %-­‐kal  nagyobb  ,  mint  a  levegő  termikus  rezgéséből    származó  random  fluktuáció.    

Ennél  jobb  fülünk  nem  is  lehetne!  

Középfül  

1.  Malleus  (kalapács)  2.  Incus  (üllő)  3.  Stapes  (kengyel)    

A  középfül  fő  feladata:  Hangerősítés!  

Page 3: 1. Id Hallásbiofizika2.aok.pte.hu/tantargyak/files/biofizika1/... · 10/9/12 1 Hallás& BÓDIS&Emőke& 2012.&október3.& Néhány szó a hangról A hang egy 3D-s longitudinális

10/9/12  

3  

Középfül  

Számoljuk  ki  a  középfül-­‐belsőfül  határáról  visszeverődő  hang  arányát!    

R =Zwater − Zair

Zwater + Zair

⎝ ⎜

⎠ ⎟

2

= 0.9989 = 99.89%

Reflexiós  koefficiens  A  hang  0.11%-­‐a  lépne  be  a  belső  fülbe.    

LEVEGŐ  Külső  fül  

LEVEGŐ  Középfül  

VÍZ  Belső  fül  

pair  

pwater  

Atymp  =  55  mm2  

Aoval  =  3.2  mm2  

x  1.3x  

Az erősítés :

1. A kisebb területre koncentrálódó regés miatt: 17x ( Atymp tól Aoval-ig)

2. Emelőkar funkció miatt: 1.3x

Össz: 22x nyomás növekedés

A hang 13.7% -a intenzitásnak képes a belső fülbe jutni.

ossicles   Oval    Window  

Tympanic    Membrane  

Belső  fül  

Egyensúlyszerv   Csiga  

-   spirálisan  feltekerede_  cső,  2.5  fordulat,  35  mm  hossz  -   vízszerű  anyaggal  töltve  -   ovális  ablak,  kerek  ablak  

Alaphártya  (membrana  basilaris)  

-   laza,  gel-­‐szerű  hártya  -   mechanikai  stressz-­‐mentes  - változó  szélesség,  magasság  -   fölö_e  Corg  szerv  

Békésy-­‐féle  Hely  Teória    

Békésy György, Nobel Díj, 1961

1. A hang stimulus felületi hullámot kelt, amely az ovális ablaktól a csiga tetejéig terjed.

2. A terjedési sebesség csökken (45 m/s- 2 m/s) a hártya növekvő szélességével és lazaságával.

3. A fázis-késéssel érkező hullámok utolérik az előzőt, az amplitudó megnő, majd hirtelen lecsökken.

4. A burkológörbe maximumának helye a BM-on függ a hang frekvenciájától, az amplitudója pedig az intenzitásától.

5. A BM rezgése elmozdítja a Corti szerv szőrsejtjeit, elektromos potenciálváltozás indul.

A  Cor^-­‐szerv  keresztmetszete  

Cor^-­‐  szerv  

about 3500 sejt

12 000-20 000 sejt

Szőrsejtek  

A  belső  szőrsejtek  sztereociliumainak  kötege  látható.    

Színezett pásztászó elektronmikroszpópos felvétel a külső szőrsejtek sztereociliumairól.

Page 4: 1. Id Hallásbiofizika2.aok.pte.hu/tantargyak/files/biofizika1/... · 10/9/12 1 Hallás& BÓDIS&Emőke& 2012.&október3.& Néhány szó a hangról A hang egy 3D-s longitudinális

10/9/12  

4  

• Tip  link:  sztereociliumok  vékony,  rugalmas  rostjai  • Külső  szőrsejtek:  MT-­‐val  érintkeznek!  • Belső  szőrsejtek:  nincs  érintkezés  a  MT-­‐hoz  • Endolymha:  K+-­‐ban  gazdag  környezet  

Szőrsejtek   Szőrsejtek  

A BM elmozdul a Békésy hullámok által.

A szőrsejtek elmozdulnak.

A TM elmozdul (elcsúszik), mechanikai nyíró erőt gyakorol a szőrsejtek sztereociliumain.

A külső szőrsejtek kapcsolódnak a TM-hoz, a nyíró erő következtéban megdőlnek.

A belső szőrsejtek sztereociliumai elhajlanak az endolympha folyadékáramlása következtéban.

Mechanoelektromos Transzducer

Külső  szőrsejtek  

A BM elmozdulását érzékelik, K-csatornák kinyílnak, depolarizáció…

Feszültségérzékeny motor fehérje: prestin, konformáció-változás

A hosszváltozás okozta folyadékáramlás segít a belső szőrsejtek érzékelésében.

Longitudinalis hosszváltozás a hang rezgése alapján

A BM eredeti rezgését felerősíti

Külső  szőrsejtek  

prestin

Külső  szőrsejtek  

A  külső  szőrsejtek  legfőbb  feladata    az  ak7v  mechanikai  erősítés!    

Rezonancia  

-­‐  Éles  frekvencia-­‐szelekció  -­‐   Nagy  érzékenység  -­‐   Non-­‐lineáris  erősítés  

See  what  happens  to  your  stereocilia  while  you  happily  dance  in  a  discotheque!