6. Контрольні питання

1. Що називається в'язкістю рідини? Який механізм внутрішнього тертя в рідинах з погляду молекулярно-кінетичної теорії?

2. Який фізичний зміст коефіцієнта внутрішнього тертя? Що називається коефіцієнтом кінематичної і динамічної в'язкості? Як динамічна в'язкість пов'язана з кінематичною?

3. Яка залежність в'язкості рідини від температури? Чим пояснюється ця залежність?

4. Чому дорівнює сила в'язкого тертя між двома шарами рідини?

5. Чому швидкість течії в'язкої рідини різна в різних точках перетину потоку? Що таке градієнт швидкості?

6. Яка течія рідини називається ламінарною? Турбулентною? Приведіть приклади турбулентної течії.

7. Запишіть формулу Стокса. За яких умов вона виконується?

8. Які сили діють на кульку, що падає в рідині? Запишіть вираз для цих сил. Чому вимір часу падіння кульки починають не від поверхні рідини, а від мітки на циліндрі, яка достатньо віддалена від поверхні рідини?

9. Як змінюється швидкість падаючої кульки в рідині з часом? Як будуть відрізнятися швидкості, що установилося, для руху кульок різного радіусу? Чому?

7.Література

1. Б.Т.Агапов, Г.В.Максютин, П.И.Островерхов. Лабораторный практикум по физике. – М: Высшая школа, 1982.

2. Л.Ємчик, Я.Кміт. Медична біофізика. – Львів: Місіонер, 1998.

3. Медична і біологічна фізика./ За ред. О.В.Чалого. Підручник для студентів вищих медичних закладів освіти ІІІ-ІV рівнів акредитації.- К.: ВІПОЛ, 2005.

4. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая фізика: Учеб. для мед.вузов.- М.: Высшая школа, 1996.

5. Федишин Я.І. Фізика з основами біофізики. Львів: Світ, 2005.

Лабораторна робота №6 Зняття спектральної характеристики вуха на порозі чутності

Прилади і матеріали: навушники, генератор сигналів низькочастотний ГС-109.

Мета роботи: Вивчення фізіологічних характеристик звукових коливань та дослідження спектральної чутливості вуха.

1.Короткі теоретичні відомості

Звук – це коливання з частотою від 16 Гц до 20 кГц, що розповсюджуються в пружному середовищі. Джерелом звуку може бути тіло, що коливається, частота коливань якого заходиться в діапазоні звукових частот (камертон, дзвінок, струна тощо).

Розрізняють об'єктивні та суб'єктивні характеристики звуку. Об'єктивними характеристиками звуку, як механічної хвилі, є інтенсивність або сила звуку, частота та частотний спектр. Об'єктивні характеристики звуку можуть бути виміряні відповідними приладами незалежно від людини. Зважаючи на те, що звук є об'єктом слухового сприйняття, він оцінюється людиною суб'єктивно. Суб'єктивними характеристиками звуку є: гучність звуку, висота, тембр.

Енергетичною характеристикою звуку є інтенсивність (І) – кількість енергії (W) яка переноситься звуковою хвилею за одиницю часу (t) через одиницю площі поверхні (S), розміщеної перпендикулярно до напряму розповсюдження хвилі:

Звуки діляться на тони, шуми і звукові удари. Розрізняють прості і складні тони. Простий тон – це звукове коливання, що відбувається згідно гармонічного закону. Основною його фізичною характеристикою є частота. Якщо тон не є гармонічним коливанням, він називається складним. –Простий тон дає камертон, складний – музичні інструменти або голосовий апарат. Складний тон можна розкласти на прості, при цьому тон найменшої частоти називається основним, а інші – обертонами. Залежність інтенсивності звуку від їх частоти називають акустичним спектром. Спектр складного тону – лінійчатий (рис.1а).

Рис.1. Спектри звукових коливань.

Шумом називають звук, що відрізняється складною часовою залежністю. Шум можна розглядати як поєднання безладно змінних складних тонів. Спектр шуму суцільний (рис.1б). Звуковий удар – це короткочасна звукова дія: хлопок, вибух тощо.

Нормальне людське вухо сприймає досить широкий діапазон інтенсивності звуку. Так, наприклад, на частоті 1 кГц воно здатне сприймати від 10^-12 Вт/м² (поріг чутності) до =10 Вт/м² (поріг больового відчуття).

Таблиця 1. Шкала механічних хвиль.

Частота, Гц	Найменування	Засоби збудження	Застосування
0,5-20	Інфразвуки	Коливання води в великих водоймищах, биття серця	Передбачення погоди, діагностика захворювань серця
20-2 104	Чутні звуки	Голос людини та тварин, музикальні інструменти, свистки, сирени, гучномовці, тощо	Для зв’язку та сигналізації, а також виміру відстаней
2 104-2 1010	Ультразвуки	Магнітострикційні та п'єзоелектричні випромінювачі, свисток, збуджуються також деякими тваринами та комахами (летючі миші, цвіркуни, сарана тощо	Гідролокація, очищення деталей, дефектоскопія деталей, прискорення хімічних реакцій, медичні та біологічні дослідження, молекулярна фізика
1011 та вище	Гіперзвуки	Теплові коливання молекул	В наукових дослідженнях

Для вимірювання інтенсивності звуку застосовують логарифмічну шкалу рівня інтенсивності. Рівень інтенсивності визначається із співвідношення:

(1)

де  – інтенсивність даного звуку,  – інтенсивність звуку, що приймається за початковий рівень шкали (поріг чутності). Рівень інтенсивності виражають в белах (Б) або децибелах (дБ). За 1 Б приймають рівень інтенсивності звуку, інтенсивність якого в 10 разів більша за .

Суб'єктивною фізіологічною характеристикою звуку є гучність , яка характеризує рівень слухового відчуття. Це об’єктивна характеристика і не піддається точному кількісному виміру. В основі вимірювання гучності покладено психофізичний закон Вебера–Фехнера. Згідно цього закону рівень гучності даного звуку пропорційний логарифму відношення його інтенсивності І до значення інтенсивності звуку І₀, який відповідає порогу чутності (при однакових частотах звукових коливань):

,

(2)

де  – деякий коефіцієнт пропорційності, що залежить від частоти й інтенсивності звуку. Гучність виражають у фонах (фон). Прийнято вважати, що на частоті 1 кГц шкала гучності співпадає зі шкалою рівня інтенсивності. В цьому випадку =1, а 1 фон=1 дБ.

Гучність на інших частотах вимірюють порівнянням досліджуваної гучності звуку з гучністю звуку на частоті 1 кГц. Для знаходження відповідності між гучністю й інтенсивністю звуку на різних частотах користуються кривими однакової гучності – залежність інтенсивності звуку (І) від частоти () при сталій гучності (Е=соnst) (рис.2). Їх будують на основі середніх даних, одержаних у людей з нормальним слухом. Нижня крива на рис.2 відповідає інтенсивності найслабших звуків, які можна почути – порогу чутності. Для всіх частот цієї кривої Е=0; для частоти 1 кГц інтенсивність звуку  Вт/м². Верхня крива відповідає порогу больового відчуття.

Рис.2. Аудіограма і криві однакової гучності.

Метод вимірювання гостроти слуху називається аудіометрією (״аудіо״ –звук, ״метрія״ – вимір). При аудіометрії на приладі (аудіометрі) визначають залежність порогу слухового відчуття на різних частотах. Цю криву називають спектральною характеристикою вуха на порозі чутності або аудіограмою.

Загальна схема слухової системи

В слуховій системі людини можна виділити два основні етапи обробки звукових коливань. На першому етапі звукові коливання перетворюються в електричні імпульси (рис.3а), які переносять інформацію про звук в головний мозок по слуховому нерву (рис.3б). Обробка нервових імпульсів в головному мозку, що здійснюється на другому етапі, призводить до появи звукових відчуттів.

Обробка звукових коливань першого етапу виконується за допомогою вуха, в якому прийнято виділяти зовнішнє вухо, середнє вухо та внутрішнє вухо (рис.3а). Зовнішнє вухо включає вушну раковину – видиму частину вуха і слуховий канал. Хвиля звукового тиску прямує вушною раковиною в слуховий канал і діє на барабанну перетинку, яка є межею розділу між зовнішнім і середнім вухом. Середнє вухо починається з барабанної перетинки, яка коливається під дією звукових хвиль тиску, що розповсюджуються в повітряному середовищі слухового каналу.

Барабанна перетинка пов'язана з трьома маленькими кісточками, що знаходяться в повітряній порожнині середнього вуха. Вони називаються молоточок, ковадло і стрім’ячко. Система з трьох кісточок передає механічні коливання барабанної перетинки у внутрішнє вухо.

До слухової системи також відноситься равлик, або вушний лабіринт. Равлик – це трубка, згорнута в спіраль. У жорсткій трубці знаходиться лімфатична рідина. У середині равлика вушний лабіринт поділений на канали за допомогою гнучкої пластини – основною мембраною, яка проходить через вушний лабіринт від основи до вершини (на рис.3б равлик представлено в розгорнутому вигляді). У рідині лабіринту створюється біжуча акустична хвиля. Ця хвиля збуджується у верхньому каналі через мембрану овального вікна, яка коливається під дією стрім’ячка. Хвиля тиску розповсюджується в каналах равлика і, поступово згасаючи у вушному лабіринті, кінцево покидає равлик через кругле вікно, розташоване під овальним вікном в нижньому каналі. Хвиля в рідині лабіринту викликає коливання основної мембрани равлика. Профіль і пружність мембрани значно змінюються по її довжині, тому просторовий розподіл коливань мембрани залежить від частотних властивостей звукової хвилі. Механічні коливання мембрани збуджують чутливі комірки органу Корті, розташованого на мембрані уздовж всієї її довжини. Електрохімічні реакції в комірках органу Корті є джерелами електричних нервових сигналів, що передаються волокнами слухового нерва в головний мозок (рис.3б). Обробка нервових імпульсів у центральній нервовій системі призводить до появи слухових відчуттів.

Таблиця 2. Деякі фізичні характеристики звуку.

Швидкість (при 0 оС та р=101325 Па), м/с2
в азоті	334
у водні	1284
повітрі	331
воді звичайній (при 250С)	1497
воді морській (при 200С)	1399
бетоні	4500
Слуховий апарат людини:
площа зовнішнього слухового каналу, м2	3,3 10-5–5,0 10-5
площа барабанної перепонки, м2	6,5 10-5
Маса, кг:
молоточка
наковальні
стрем΄ячка
Діапазон чутності (частоти), Гц	16–20000
Оптимальна чутливість вуха(частоти), Гц	1000–4000
Ультразвук: діапазон частот, Гц Діапазон частот, що застосовуються в терапії, Гц