听觉物理学.

第三章声波与听觉(Soundwave)第一节:声波的物理特性和量度第二节:听觉的一般特性第三节：声波传导的物理过程第三节:多普勒效应第四节:超声波及其医学上的应用第一节:声波的物理特性和量度1.波与声波:物体振动后引起空气分子疏(部)密(部)相间地向四周特播的过程称为波．能产生听觉的振动波称声波．])uxt(cos[Ay一、声音的发生、频率、波长和声速yxAu2.频率、波长和声速：频率ν----声源在一秒钟内振动的次数。单位为Hz。周期T----振动一次所经历的时间，单位为s。波长λ----沿声波传播方向，振动一个周期所传播的距离，或在波形上相位相同的相邻两点间的距离，单位为m。Tu上述各量间的关系:yxAu次声波(Infrasonicwave)：频率低于20Ｈz超声波(Ultrasonicwave)：频率高于20000Ｈz声波：频率在20Ｈz—20000Ｈz之间3.人耳听觉与声波频率1声压声压：在某一时刻，介质中某一点的压强与无声波通过时的压强之差:]2)(cos[uxtAuP声压幅值：PxAuPm单位：N·m-20pppi有效声压：2mepP(实际中测量值)简谐声波的声压表达式:二、声压、声强和声阻抗2.声特性阻抗是表征介质声学特性的一个物理量m介质质点振动速度幅值：AmmmPZuAAuuZ声特性阻抗：声压幅值Pm与速度幅值之比。单位：或12smkg1msPa或1瑞利1210smkg几种介质的声速和声阻抗介质声速u(m/s)密度ρ(kg/m3)声阻抗ρu(kg/m2s)空气(0℃)3.32×1021.294.28×102空气(20℃)3.44×1021.214.16×102水(20℃)14.8×102988.21.48×106脂肪14.0×1029701.36×106肌肉15.7×10210401.63×106密质骨36.0×10217006.12×106钢50.5×102780039.4×106人体组织可分为：低声阻抗、中等声阻抗、高声阻抗几种介质的声速和声阻抗介质声速u(m/s)密度ρ(kg/m3)声阻抗ρu(kg/m2s)空气(0℃)3.32×1021.294.28×102空气(20℃)3.44×1021.214.16×102水(20℃)14.8×102988.21.48×106脂肪14.0×1029701.36×106肌肉15.7×10210401.63×106密质骨36.0×10217006.12×106钢50.5×102780039.4×106人体组织可分为：低声阻抗、中等声阻抗、高声阻抗3.声强和声波级AuPm声强：单位时间内通过垂直于声波传播方向的单位面积的声波能量.2221AuIZPZmm22122单位：J﹒s-1﹒m-2=W﹒m-2uZ2221AuI描写声场的物理量解：①∵I1=I=10-7W/m2，I0=10-12W/m2②∵I2=2I501010lg10lg1012701IIL503lg102lg102lg10002IIIIL∴∴（dB）（dB）声强具有可加性，而声强级不能直接相加例题1、某马达开动时产生的噪声声强为10-7W/m2，求①开动一台马达，其噪声声强级为多少dB？②同时开动两台马达，其噪声声强级为多少dB？强度反射系数：Z1Z2IiIrIt设入射波强度：Ii反射波强度：Ir212212)()(ZZZZIIairir21221)(4ZZZZIIaitit透射波强度：It强度透射系数：声波传播过程中，遇到声阻抗不同的介质界面会发生反射与折射:讨论：（1）当Z1≈Z2时，Ir→0;It→Ii.超声临床诊断：石腊油。(2)当Z1Z2或Z1Z2时,Ir→Ii;It→0。例、如果超声波经由空气传入人体，问进入人体的声波强度是入射前强度的百分之几？如果经由蓖麻油（Z=1.36×106kg/m2s）传入，则进入声波的强度又是入射前强度的百分之几？解：①Z1=0.0004×106kg/m2,Z2=1.63×106kg/m2999.0)1063.1100004.0()1063.1100004.0(266266irirIIa∵∴%1.0001.0999.011irititIIa(反射)(透射)解：②Z1=1.36×106kg/m2,Z2=1.63×106kg/m2008.0)1063.11036.1()1063.11036.1(266266irirIIa%2.99992.0008.011irititIIa∵∴(反射)(透射)人体人体油空气一、引起人耳听觉的声波（频率与声强）:与频率有关（声调）（20--20000Hz）与声强有关（响度）（10-12--1W/m2）第二节听觉的一般特性纯音：仅含一个频率的音叉振动后所发的声音。复音：由一个较强的基音(频率量低而振幅最大者)和数个较弱的泛音(其它的频率成分)组合面成．物体振动所发出的声音，除极少数为单(纯)音外，绝大部分为复音．二、听觉区域1听阈、听阈（力）曲线听觉是声音作用于听觉系统引起的感觉，声音必须达到一定强度才能产生听觉，刚能引起听觉的最小声强称听阈(hearingthreshold)。人耳的听阈随着频率的不同而各异。将各个不同频率的听阈连接成一曲线称听力图(audiogram)或听力曲线。听力零级(audiometriczero)：为健康青年人正常耳听阈之声压级(SPL)的统计数值，它代表某个国家或地区的听力标准。临床上应用的听力计是将正常人各频率的平均听阈设定为零分贝。耳聋病人如对某一频率的声音在30分贝才能听见，表示他在该频率的听阈提高了30分贝，亦即该频率的听力损失为30分贝。2痛阈痛阈曲线在听阈以上，声音的响度随着刺激的增强而增大。当声压强度增加超过一定程度时，入耳会发生触觉、压觉及痛觉。这一刚能引起人耳感觉或痛觉的声音强度称感觉阈或痛阈(thresholdoffeelingorpain)。随着声音频率的不同，感觉阈亦因之而变化。3听觉区域在听阈曲线与感觉阈曲线之间的区域属听觉感受区，在这个区域内，存在着可使听觉器官产生听觉的各种频率和不同强度的全部声音。听阈曲线和痛阈曲线痛阈听阈听觉域1000HZ的听觉域：I=10-12~100W/m2（W/m2）（dB）频率（HZ）听阈：能引起听觉的最低声强（最低可闻声强）.如：1000Hz的听阈为10-12W/m2痛阈：人耳能忍受的最高声强.如：1000Hz的痛阈为1W/m2人耳能感觉到的最重要的范围在500～2000Hz之间，称人的语音范围（speechtonerange）以l000～3000Hz的声波最敏感．三、声的物理量和主观听觉的关系它包括客观的物理现象（声波）和主观感觉两个方面。但最后判别声的是人耳。所以确定声的物理量和主观听觉的关系十分重要。不过这种关系相当复杂，因为主观感觉牵涉到复杂的生理机构和心理因素。这类工作是用统计方法在实验基础上进行研究的。标准参考声强：I0=10-12W/m2声强级：0lgIIL0lg10IIL单位：贝尔（B）单位：分贝（dB）1B=10dB1000HZ的听觉区域：L=0-12BL=0-120dB1声强级（客观物理量）：(采用对数来表示声强的等级)声强每增加10倍，人耳听觉才改变1倍左右。定义P670lg10IIL听域：(dB)12010lg10101lg10W/m112122LI痛域:(dB)01lg101010lg10lg10;W/m1012120212IILI声源种类声强（W/m2）声强（dB）几乎不能察觉的声音10-120树叶的沙沙声10-1110耳语10-1020医院10-830闹市10-6~10-560~70地铁或汽车10-390喷气飞机103140火箭发射场106170几种声音的声强和声强级声的叠加----两个以上独立声源作用于某一点，产生声音的叠加声能量是可以代数相加的，设两个声源的声功率分别为W1和W2，那么总声功率W总=W1+W2。而两个声源在某点的声强为I1和I2时，叠加后的总声强I总=I1+I2。但声强级不能直接相加。2响度级：人耳主观感觉到的声音的响亮程度。等响曲线：响度级(单位：方）①1000HZ纯音响度级与声强级(dB)数值相同②同一等响曲线具有相同的响度级在听觉域中把不同频率、不同声强，但响度相同的点连成一条曲线.响度相同的声音具有相同的响度级。201001K2K5K10K110-210-410-610-810-1010-12声强级(dB)020406080100120听阈痛阈0方20方40方60方80方100方120方例题面积为1平方米的窗户开向街道，街中有频率为1000Hz的声源在窗口的声强级为80dB，则每秒钟传入窗口声波的能量为（）J，若街中有两个频率为1000Hz的声源在窗口的声强级各为80dB，则这两个声源同时传到窗口的响度级为（）方。80lg100IILI0=10-12w/m2I=10-4w/m2E=I.t.sdBIIL832lg100空气传导：声波自外界经空气传入内耳，主要途径：第三节：声波传导的物理过程途径声音传入内耳的径路有二：一是空气传导；另一是骨传导。声波经颅骨传入内耳，有移动式和挤压式二种方式，二者协同可刺激螺旋器引起听觉。但其传音效能与正常的空气传导相比则微不足道。临床工作中用骨传导途径测量可鉴别传音性耳聋和神经性耳聋。声波→颅骨→骨迷路→内耳淋巴液→螺旋器→听神经→大脑皮层听觉中枢。（2）骨传导一、外耳耳廓：可以帮助收集外来的声波，人的耳廓较小，其集音功能不如其他动物，但对声源方向的判定有一定作用。外耳道：为一盲管，有共振功能，根据物理现象，当波长为其长度的四倍时能发生最好的共鸣。外耳道平均长度为2.5cm，则发生最好共鸣的波长应为10cm，根据实验结果，波长10cm时的频率为3000～4000Hz，使外耳道共振效应得到的增益约为10dB。(Hz)cmm/s3400340010340s/v二、中耳1.鼓室传声装置---声波从空气中传入内耳淋巴液，仅有约0.1%的声能传入，其余99.9%的声能由于空气和水介质密度不同而被反射。相当丧失约30dB。因此，必须有一种特殊的传声变压装置，方能使声波有效地传入内耳淋巴液内。中耳的解剖结构就是这样一种传声的变压装置。%.)ZZ(ZZIIaitit10421221621063110164.Z.Z肌肉空气（1）鼓膜本身面积为85mm2，其有效面积为55mm2，而镫骨底板面积则为3.2mm2，故鼓膜的有效振动面积为镫骨底板面积的17倍。由此，声波从鼓膜传到镫骨底板时，其声压将被提高17倍。（2）锤骨柄长度比砧骨长突长1.3倍，听骨链的杠杆作用也随之可使振动力加强约1.3倍。因此。声波经过鼓膜、听骨链到达底板时其声压将提高1.3×17=22.1倍，相当于声强级27dB。（3）前庭窗与蜗窗不在一平面，在鼓膜、听骨链正常情况下，声波压缩期的高峰先到达前庭窗，后至蜗窗，蜗窗起缓冲作用，此为位相差，位相差可减少声波同时到达两窗的抵消作用，使内淋巴液发生波动，引起螺旋器上基底膜的振动，刺激毛细胞而感音。如鼓膜大穿孔，声波到达两窗的时间与位相基本一致，此抵消作用可使听力损失20dB。（4）鼓膜张肌收缩可使鼓膜向内拉紧，稍可增加鼓室内压力，镫骨肌收缩可将镫骨向外拉，这两肌肉的反射性收缩均可减少声波的振幅，以保护内耳免遭损伤。2.咽鼓管主要功能为调节鼓室内气压与外界平衡，此为声波正常传导的重要条件。因此咽鼓管功能是否正常是决定鼓室成形术的条件之一。咽鼓管的鼻咽端开口平时呈闭合状态，当吞咽、张口或呵欠等动作时，咽鼓管咽口开放，以维持鼓室内外气压的平衡人耳不仅是要听取那些单调的声音，更重要的是听取并识别语言，而语言信息包含着极其复杂的内容，它的各种频率成分和强度，都随着时间而瞬息万