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