9. OSNOVNI PRINCIPI RADA ČULA SLUHA - …telekomunikacije.etf.rs/predmeti/te4e/...principi_rada_cula_sluha.pdf · AKUSTIKA TEMA 9 – Osnovni principi rada čula sluha 138 Slušni

AKUSTIKA TEMA 9 Osnovni principi rada ula sluha

136

9. OSNOVNI PRINCIPI RADA ULA SLUHA 9.1 Uvod ulo sluha oveka predstavlja prirodni sistem senzora koji omoguava percepciju zvunih pojava iz okoline. Taj sistem se sastoji od dva uva koji su prostorno razdvojeni glavom kao fizikom preprekom. Pod uticajem fizikih nadraaja iz okruenja u svesti sluaoca stvaraju se odgovarajue zvune senzacije, odnosno zvune slike o izvorima zvuka i njihovom poloaju u prostoru. U inenjerskom smislu ulo sluha predstavlja krajnju taku, odnosno izlaz svakog telekomunikacionog sistema kada se kroz njega prenosi zvuni signal. Zajedno sa vokalnim traktom, ulo sluha ini sistem za komunikaciju ljudi pomou zvuka kao nosioca informacija. Po svojim akustikim osobinama ulo sluha je prilagoeno prijemu zvuka u vazduhu, jer je vazduh ovekovo prirodno okruenje. Tokom evolucije uvo je svojom graom prilagoeno akustikoj impedansi vazduha ime je omoguen maksimalni odziv na zvunu pobudu. Iako je ulo sluha jedan senzorski sistem, postoje bitne razlike koje ga razdvajaju od senzora koji se koriste u tehnici, kao to su to na primer mikrofoni. Prvo, ulo sluha registruje zvuk, ali ga i procesira, to znai analizira i na osnovu toga u svesti stvara sloene zvune slike. to je zvuk koji se prima po svom fizikom sadraju sloeniji, to je kompleksinija zvuna slika koja nastaje u svesti sluaoca. Drugo, u grai ula sluha i njegovim funkcijama postoje neminovne individualne razlike meu ljudima. Svi numeriki ili grafiki pokazatelji kojim se ilustruju pojedine osobine i rad ovog ula dobijeni su usrednjavanjem na osnovu osobina velikog broja osoba. Zbog toga se podaci o ulu sluha moraju shvatati kao statistiki pokazatelj, a ne kao precizni tehniki podaci. ulo sluha kod oveka moe se podeliti na dve funkcionalne celine: na fiziki i na psiholoki deo. Fiziki deo ini sve ono to se anatomski svrstava u ulo sluha. To su dva uva, nervni putevi i centri u kori velikog mozga. Psiholoki deo ini nematerijalna sfera psiholokog reagovanja na fiziku pobudu koja kao rezultat daje zvunu sliku u svesti sluaoca. U funkcionalnom smislu fiziki deo ula sluha posreduje izmeu zvunog polja i svesti. Ovakva podela ula sluha vremenom je uinila da se u akustici razviju dve relativno nezavisne podoblasti koje se bave ulom sluha i sluanjem. To su fizioloka akustika, koja se bavi fizikim delom ula, i psiholoka akustika koja se bavi nematerijalnim delom rada ula, odnosno formiranjem zvune slike. Opis rada ula sluha podeljen je na dva poglavlja, ovo i naredno. U ovom poglavlju prikazana je fizika struktura ula sluha i osnovne funkcije uva kao njegovog senzorskog dela, to jest ono to predstavlja predmet izuavanja fizioloke akustike. Oblast psihoakustike ovde nije ire obraivana.


137

9.2 Fiziki deo ula sluha U svakodnevnom ivotu pojam ula sluha najee se vezuje uz pojam uva kao delimimo vidljivog dela ovog senzorskog sistema. Struktura grae uva prikazana je na slici 9.1. Prikazan je presek kroz centralnu ravan desnog uva. Vidi se da je graa ovog organa relativno sloena. Ona se u anatomskom, ali i u funkcionalnom smislu, deli na tri celine: spoljanje, srednje i unutranje uvo. Ova podela ide anatomski jasnim granicama i oznaena je na slici. Spolja posmatrano, na glavi je vidlivo samo spoljanje uvo. Srednje i unutranje uvo nalaze se u upljinama kosti glave, ime su u znatnoj meri zatieni od eventualnih mehanikih oteenja, od promene temperature, vlanosti sredine itd.

Slika 9.1 Izgled uva u preseku kroz njegovu centralnu ravan. Delovi i funkcija spoljanjeg uva Spoljanje uvo ine una koljka i sluni kanal. Una koljka je hrskaviava tvorevina pokrivena koom, formirana asimetrino oko otvora slunog kanala. Grubo posmatrano, una koljka ima levkast oblik. Povrina okrenuta spoljanjoj sredini ima na sebi grebenaste reljefne forme koje se oblikom i veliinom u izvesnoj meri razlikuju od osobe do osobe. Dimenzije une koljke su reda cantimetara (duina oko 7 cm), pa ona u oblasti veoma malih talasnih duina utie kao fizika prepreka na prijem zvuka. Na niskim frekvencijama ona nema uticaja na percepciju zvuka. Individualne razlike u veliini i grai une koljke utiu na izvesne individualne razlike koje postoje u procesu percepcije zvuka.


138

Sluni kanal je cev duine 25-30 mm i prenika oko 7 mm. Na kraju kanala nalazi se bubna opna, tako da je to u akustikom smislu cev otvorena na jednom svom kraju i zatvorena na drugom. Sluni kanal ima funkciju zvukovoda koji vezuje srednje uvo sa spoljanom sredinom. Kroz njega se iz spoljanje sredine prostire zvuni talas na putu ka bubnoj opni. Ovaj kanal ima i zatitnu ulogu jer oblikom i duinom mehaniki titi bubnu opnu od eventualnih spoljanjih uticaja. Na slici 9.2 prikazan je izgled slunog kanala u preseku. Za sluaj dimenzija oznaenih na slici je prikazana njegova prenosna karakteristika. Ona je definisana kao odnos odziva i pobude, to jest kao razlika nivoa zvuka na povrini bubne opne (taka B) i ulaza u kanal (taka A). Sa dijagrama se vidi da sluni kanal unosi izvesno selektivno pojaanje u nekim oblastima frekvencija. Ono je posledica pojave rezonanci u cevi koje utiu na poveanje nivoa zvuka na bubnoj opni. Poto sluni kanal predstavlja cev zatvorenu s jedne strane, u njemu se javljaju rezonance ilustrovane tipa kao na slici 8.15. S duinom koju proseno ima, prva rezonanca kanala je u oblasti 3 4 kHz. Individualne varijacije dimenzija slunog kanala od osobe do osobe ine da i frekvencije njegovih rezonanci variraju u nekom malom intervalu. Pojaanje koje prva rezonanca slunog kanala unosi u njegovu funkciji prenosa reda je veliine 10 dB. Kasnije e biti pokazano da je upravo u toj oblasti frekvencija ljudsko uvo najosetljivije, to je oigledan doprinos slunog kanala. Druga rezonanca kanala javlja se u oblasti iznad 10 kHz, i njen uticaj je takoe vidljiv u karakteristici uva.

A B

y25 mm

200 1000 100000

2

4

6

8

10

12

poja

canj

e (d

B)

frekvencija (Hz)

Slika 9.2 Izgled slunog kanala i prenosna karakteristika za sluaj kanala sa dimenzijama oznaenim na slici.

Delovi i funkcija srednjeg uva Srednje uvo ima posrediku ulogu izmeu vazdune sredine, koja se zavrava bubnom opnom, i unutranjeg uva u kome se nalaze senzori. To je jedna vazduna upljina u kojoj se nalaze: bubna opna, tri slune koice sa prateim ligamentima i miiima, i membrana prema unutranjem uvu koja se naziva ovalni prozor. uljina srednjeg uva je povezana sa usnom dupljom jednom kapilarnom cevicom koja se naziva eustahijeva tuba. Svi ovi delovi vidljivi su na slici 9.1. Bubna opna ima funkciju akustiko-mehanikog pretvaraa jer transformie zvune vibracije iz vazduha u mehanike vibracije slunih koica koje se nalaze iza


139

nje. To je vrlo tanka membrana, debljine oko 0,1 mm. Fotografija njenog spoljanjeg izgleda prikazana je na slici 9.3. Vidi se da je zbog male debljine ona skoro providna, pa se kroz nju nazire privezana prva sluna koica (eki). Zbog tako male debljine bubna opna je lako podlona cepanjima pod dejstvom veoma jakih zvunih pobuda. Na slici 9.2 vidi se da je bubna opna postavljena pod izvesnim uglom u odnosu na osu slunog kanala. U realnosti ona nije ravna, kao to su ravne membrane raznih mikrofona, ve ima izraen konusni oblik.

Slika 9.3 Fotografija bubne opne (levo) i skica njenog izgleda u preseku (desno).

Zbog konusnog oblika bubne opne, vidljivog na slici 9.3 i zbog injenice da je jedan mali mii stalno dri u zategnutom stanju, bubna opna ne radi kao jednostavna pasivna membrana. Struktura njenog oscilovanja relativno je sloena, jer na razliitim frekvencijama razliiti delovi opne uestvuju u oscilovanju. Tako se s porastom frekvencije smanjuje efektivna povrina opne koja uestvuje u oscilovanju. Eustahijena tuba je tanka cevica, vidljiva na slici 9.1. Ona je sastavni deo srednjeg uva i spaja centralnu upljinu srednjeg uva sa usnom dupljom. Na najuem delu njen prenik je oko 1 mm. Preko eustahijeve tube se, po potrebi, ostvaruje vazduna veza izmeu spoljanje sredine i komore srednjeg uva, to znai izmeu spoljanje i unutranje strane bubne opne. To omoguava izjednaavanje pritisaka sa dve strane opne, ime se spreava njena reakcija na promene statikog, odnosno atmosferskog pritiska. Ovakva kompenzacija je veoma vana pri letenju avionom a posebno pri ronjenju, kada spoljanji pritisak na bubnu opnu moe viestruko da premai vrednost normalnog atmosferskog pritiska. Ova cev je u normalnim okolnostima zatvorena, ali se pri gutanju ili zevanju otvara. Zbog toga je pri naglim promenama spoljanjeg pritiska potrebno ponavljati gutanje da bi se otvaranjem eustahijeve tube izjednaavao pritisak sa spoljanje i unutranje strane bubne opne. Kada je cev otvorena, sopstveni glas uje se jae i sa promenjenom bojom, jer zvuk iz usne duplje dospeva kroz tubu direktno u srednje uvo. Upalni procesi mogu uiniti da se zbog oticanja sluzokoe eustahijeva tuba ne moe otvoriti. Tada ne postoji mogunost kompenzacije pritisaka, to prouzrokuje bol u uima pri promenama statikog pritiska. U takvim okolnostima nije mogue ronjenje, jer se ve na vrlo malim dubinama javjla jak bol u uima.


140

Slune koice sainjavaju mehaniki sistem prenosa vibracija sa bubne opne na ovalni prozor koji se nalazi na suprotnoj strani unutranjeg uva. Zvuk se kroz taj sistem prenosi u obliku vibracija koica. Unutranje uvo je ispunjeno tenou. Kada srednje uvo ne bi postojalo i kada bi zvuk iz vazduha direktno pobuivao membranu iza koje je tenost unutranjeg uva, razlika u impedansama vazduha i tenosti uinila bi prenos zvune energije iz spoljanje sredine do senzora veome neefikasnim. Sistem koica srednjeg uva ima funkciju transformatora akustike impedanse prilagoavajui u izvesnoj meri impedansu vazdune sredine na impedansu tenosti. ematski prikaz rada srednjeg uva sa koga je jasnija njegova uloga transformatora prikazan je na slici 9.4. Osnova funkcije slunih koica je nain na koji su one meusobno povezane. Vidi se da koice deluju kao sistem poluge. Relativno veliki hod bubne opne koja na koice deluje malom silom transformie se u veu silu koja malim hodom deluje na ovalni prozor koji predstavlja ulaz unutranjeg uva.

Slika 9.4 - ematski prikazi rada srednjeg uva

Zatitni efekat srednjeg uva ivot na zemlji evoluirao je u relativnoj tiini koja je vladala u prirodi, sve do industrijske revolucije. Tada su se u ovekovom okruenju pojavile okolnosti u kojima je ulo sluha izloeno jakim zvunim pobudama. Vremenski period koji je protekao od tada suvie je kratak da bi doneo bitne promene u evoluciji oveijeg organizma. Zbog toga uvo tokom evolucije nije dobilo neku prirodnu zatitu protiv prekomernog zvunog nadraaja, kao to to na primer ima ulo vida (oni kapci). ivot na kopnu evoluirao je u prisustvu jake svetlosi od sunca, pa su sve ivotinjske vrste dobile one kapke kao zatitu. U nedostatku adekvatne bioloke zatite, zatita ula sluha od prekomernih zvukova postala je ekoloka tema, pa se Mmogunost zatite trae u sferi zakonodavstva, koje propisima regulie postavljanje i korienje izvora zvuka (pravila ponaanja) i u sferi fizikih sredstava za zvunu zatitu, a to su pregradne konstrukcije kojima se ovek okruuje. Jedini zatitni mehanizam koji oveiji organizam ipak poseduje za borbu protiv prekomernih zvukova nalazi se u prenosnom sistemu srednjeg uva. Postoje dva efekta koja deluju u tom smislu: inercija slunih koica i razdeavanje njihovog prenosnog


141

sistema. Iako su slune koice veoma lagane (eki i nakovan oko 20 mg, uzengija 2-4 mg) njihova inercija predstavlja izvesnu zatitu od naglog dejstva zvunih vibracija (pucnjevi i sline pojave). Razdeavanje prenosnog sistema koica nastaje pod dejstvom povratne sprege iz modanih centara i naziva se akustiki refleks. Ralizuje se odgovarajuim reakcijama miia koji kontrolie pomeranje koica. Akustiki refleks ima konanu brzinu reagovanja koja zavisi od nivoa zvune pobude. Vreme tog reagovanja je u intervalu 01,0,3 s. Ovaj mehanizam deluje pri zvunim pobudama koje su svojim nivoom iznad 65-70 dB i njegov efekat priblino linearno raste sa porastom pobude. Maksimalno slabljenje zvuka delovanjem akustikog refleksa je oko 20 dB. Delovi i funkcija unutranjeg uva Unutranje uvo je smeteno u kotanim kanalima i ispunjeno tenou. Sastoji se od jednog spiralno smotanog kanala koji se naziva kohlea, i u kome se nalaze sluni receptori. Kohlea ima ukupnu duinu oko 35 mm, i smotana je u obliku pua sa neto vie od 2,5 navoja. U svojoj unutranjost kohlea je jednom pregradom uzduno podeljena na dva dela. Pregrada se naziva bazilarna membana i ona odvaja prostor kohlee na gornji i donji deo. U samom vrhu izmeu gornjeg i donjeg dela nalazi se otvor, tako da tenost moe slobodno da cirkulie izmeu dva dela prostora kohlee. Na poetku kohlee, u njenoj bazi, nalaze se dve male membrane oznaene na slici 9.4. Na gornjoj, koja se naziva ovalni prozor, pripojena je jedna od slunih koica (uzengija) i preko nje se vri zvuna pobuda unutranjosti kohlee. Donja, koja se naziva okrugli prozor, ima pasivnu funkciju. Poto je tenost u unutranjosti kohlee nestiljiva, svako pomeranje ovalnog prozora prema unutranjosti kohlee mora da prati odgovarajue kretanje okruglog prozora prema spoljanosti, i obrnuto. Ovakav rad dve membrane (takozvani pu-pul) omoguava zvunu pobudu unutranjosti kohlee. Sa donje strane bazilarne membrane, itavom njenom duinom, nalaze se receptorske elije koje reaguju na svaki njen pokret, kao to je prikazano na slici 9.4. Mehanika pomeranja pri oscilovanju membrane izazivaju pobudu senzorskih elija, to kao rezultat daje odgovarajuu nervnu aktivnost kojom se nadraaj prenosi do centara u mozgu. Procesi na bazilarnoj membrani Za razumevanje procesa koji se deavaju pri formiranju zvune slike veoma je znaajno sagledavanje prirode fizikog procesa na bazilarnoj membrani. irina bazilarne membrane nije konstantna. U zoni baze, to jest pri ulazu ua, a iri se ka njenom vrhu. Kao takva, ona predstavlja mehaniki sistem koji ima svoje rezonance. One se javljaju popreno u odnosu na duinu membrane. Frekvencija rezonance kontinualno se menja du njenih 35 mm duine, a odreena je zategnutou u poprenom pravcu i drugim mehanikim svojstvima. Najvia frekvencija mehanike rezonance bazilarne membrane je oko 20 kHz i javlja se na samom njenom poetku, neposredno pored ovalnog prozora. Najnia frekvencija rezonance je oko 20 Hz i javlja se na kraju bazilarne membrane, u zoni najudaljenijoj od ovalnog prozora.Pri zvunoj pobudi preko ovalnog prozora zvuna pobuda dospeva u unutranje uvo. Kao odziv na tu pobudu pojavljuju se oscilacije bazilarne membrane. Nain na koji se javljaju zvune oscilacije bazilarne membrane prikazan je principijelno na slici 9.5. Oscilacije koje nastanu na njenom poetku prenose se u vidu progresivnog talasa koji se kree du


142

membrane. Odziv na oscilatornu pobudu funkcija je njene fizike strukture i ivinih efekata. Ovde se pod ivinim efektima podrazumeva zategnutost membrane.

ovalniprozor

okrugliprozor

Slika 9.5 - Principijelna skica oscilovanja bazilarne membrane pri zvunoj pobudi.

Vibracije koje dospevaju iz srednjeg uva prostiru se du bazilarne membrane sve do mesta gde se pobudna frekvencija poklapa sa frekvencijom sopstvene mehanike rezonance membrane. Tu energija talasa pobuuje njenu sopstvenu rezonancu, to rezultuje maksimalnom amplitudom vibracija. U toj zoni membrane kretanje talasa se zaustavlja, jer sva njegova energija biva apsorbovana od strane rezonantnog procesa membrane. Pri pobudi samo jednom frekvencijom iza tog mesta membrana ostaje u stanju mirovanja, kao to je predstavljeno na slici 9.5. Prema tome, maksimum vibracija pri nekoj zvunoj pobudi jedne frekvencije javlja se na mestu membrane gde se njena sopstvena poprena rezonanca poklapa sa pobudnom frekvencijom. Vibraciono kretanje bazilarne membrane itavom njenom duinom registruju receptorske elije. Na osnovu toga centri u mozgu kontinualno dobijaju sliku stanja vibracija cele bazilarne membrane, bez obzira na vrstu pobude, a zvuna slika se formira na osnovu takvog kompleta informacija koje dospevaju iz unutranjeg uva. Na mestu rezonance reakcija senzora je samo najintenzivnija, ali informacije mozgu alju sve pobuene elije srazmerno lokalnom intenzitetu pobude. Cetri u mozgu u svakom trenutku imaju sliku oscilatorne pobuenosti bazilarne membrane, i na osnovu takve kompleksne informacije formiraju svest o frekvenciji i drugim atributima primljenog zvuka. Prema tome, fizika zbivanja na bazilarnoj membrani kljuna su za ukupni procesu sluanja. Frekvencijska raspodela odziva du bazilarne membrane teorija poloaja Raspodela rezonantnih frekvencija du bazilarne membrane nije linearna. Na slici 9.6 prikazana je jedna ilustracija relativne vibracione pobude na membrani pri zvunoj pobudi tonovima etiri razliite frekvencije: 25 Hz, 50 Hz, 200 Hz i 1600 Hz. Vidi se da se maksimum odziva na frekvenciji 1600 Hz nalazi priblino u zoni sredine bazilarne membrane. Sa slike se takoe vidi da pomak od samo 25 Hz na najniim frekvencijama (od 25 Hz do 50 Hz) znai pomeranje maksimuma pobude za priblino 10% ukupne duine bazilarne membrane. Raspored senzorskih elija koje registruju kretanje du bazilarne membrane priblino je linearan, pa je njihova gustina jednaka po jedinici duine membrane. U toj injenici krije se objanjenje logaritamske zavisnosti ula sluha po frekvencijama. Sa


143

slike 9.6 vidi se da to ima fizioloko opravdanje, jer je pri pobudi frekvencijom oko 1000 Hz maksimum vibracione pobude blisko sredini bazilarne membrane. Iz prikaza reakcije bazilarne membrane na zvunu pobudu sledi da i pri pobudi istim sinusnim tonom postoji reakcija svih senzorskih elija od poetka membrane do zone u kojoj se javlja rezonanca, s tim to je na mestu rezonance reakcija senzora najintenzivnija. Ovakav fiziki odziv uveo je u objanjenje percepcije visine zvuka takozvanu teoriju poloaja. Pod poloajem se podrazumeva mesto maksimuma na bazilarnoj membrani. Za svaku pobudnu frekvenciju postoji jedan lokalizovani maksimum vibracija, pa je doivljaj visine tona odreen njegovim poloajem tog maksimuma.

0 10 20 30

25 Hz

mm 0 10 20 30

50 Hz

mm

0 10 20 30

200 Hz

mm 0 10 20 30

1600 Hz

mm

Slika 9.6 ematska ilustracija relativne promene amplitude vibracija du bazilarne membrane

za etiri razliite pobudne frekvencije.

0

+max

rezonanca

rela

tivna

am

plitu

da o

scila

cija

duina bazilarne membrane 200

+max

20 k

rela

tivna

am

plitu

da o

scila

cija

frekvencija (Hz)

Slika 9.7 - ematski prikaz obvojnice amplituda vibracija bazilarne membrane kada je pobuena zvukom jedne frekvencije kao funkcija duine membrane (levo) i kao funkcija frekvencije

(desno). Na slici 9.7 ematski je prikazan dijagram oblika obvojnice amplitude vibracija bazilarne membrane nacrtan na dva naina: kao funkcija duine membrane i kao funkcija frekvencije (frekvencijska osa je nacrtana u logaritamskoj razmeri). Poetak membrane, odmah uz ovalni prozor, ima rezonance na najviim ujnim frekvencijama, a najnie frekvencije su na njenom kraju. Zbog toga su krive pobude na dva prikazana dijagrama meusobno simetrine.


144

Kotana provodnost Put zvune energije kroz spoljanje i srednje uvo anatomskim i funkcionalnim osobinama maksimalno je prilagoen efikasnom prenosu energije. injenica je da zvuno polje deluje na itavu povrinu glave sluaoca, ali zbog razlike u impedansi kosti i vazduha efikasnost zvune pobude kosti glave je mala. Meutim, povrina kostiju znatno je vea od povrine slunog kanala, pa zbog toga koliina energije koja preko kosti stie do unutranjeg uva ipak u ukupnoj sumi nije sasvim zanemarljiva. Pojava da zvuk iz spoljanje sredine dospeva do tenosti unutranjeg uva preko kostiju glave, paralelno putanji kroz srednje uvo, naziva se kotana provodnost. Ukupna pobuda unutranjeg uva zvunom energijom koja stie preko kosti glave za nekoliko redova veliine je manja od energije koja stie regularnim vazdunim putem. Ipak, njen doprinos u nekim okolnostima moe se primetiti. Na primer, kotana provodnost odreuje maksimalne domete zatite uva sa zatitnim epiima koji se stavljaju direktno u sluni kanal. ak i kada bi oni unosili beskonano slabljenje, ukupni rezultat zatite sveo bi se na ono to se uje preko kotane provodnosti. Zbog toga samo sa zatitnom kacigom koja titi itavu povrinu glave mogue je ostvariti vie nivoe zatite. 9.3 Oblast ujnosti zvuka Percepcija zvuka je funkcija dve dimenzije: frekvencije i nivoa zvune pobude. Sa jedne strane, postoje perceptivna ogranienja po frekvencijama jer uvo reaguje na zvune nadraje samo u jednom intervalu frekvencija koje se nazivaju ujne frekvencije. Nominalne granice ujnog opsega frekvencija utvrene su na 20 Hz (donja) i 20.000 Hz (gornja). S druge strane, postoji granica intenziteta nadraaja ispod koje mehanizam ula sluha ne reaguje. Ona se naziva granica ujnosti. Potrebno je na uvo dovesti nadraaje koji su iznad te granice da bi se stvorila zvuna senzacija. Zbog toga je jasno da postoje iroke oblasti zvunih pojava koje ulo sluha ne moe registrovati. Dijagram oblasti ujnosti Fizike granice mogunosti percepcije ula sluha prikazuju se dvodimenzionalnim dijagramom koji je prikazan na slici 9.8. Oznaena povrina se naziva oblast ujnosti. Neki autori je nazivaju i sluno polje. Prikazana oblast ujnosti karakterie zdravo ljudsko uvo. Pojam zdravog ula sluha se u literaturi obino oznaava izrazom otoloki normalni subjekt (otologija je deo otorinolaringologije koja se bavi ulom sluha). Postoji niz faktora koji tokom ivota mogu da promene granice oblasti ujnosti. To su preleane bolesti, prekomerni uticaj visokih nivoa zvuka, upotreba nekih lekova, proces starenja, itd. Oblast ujnosti kao povrina u ravni frekvencija - nivo zvuka jasno je ograniena sa svoje desne, donje i leve strane. S donje strane oblast ujnosti je ograniena takozvanom granicom ujnosti, a sa leve i desne strane najniom, odnosno najviom ujnom frekvencijom. Granica ujnosti definie najnii nivo zvuka po frekvencijama koji ulo sluha moe da percepira. Sa slike 9.8 vidi se da je granica ujnosti veoma nelinearna. Razlika u nivou zvuka koji odgovara granicama ujnosti na 20 Hz i 1 kHz je oko 70 dB. To znai da je nivo najtieg zvuka na najniim ujnim frekvencijama oko


145

70 dB iznad nivoa najtieg zvuka u centralnom delu ujnog frekvencijskog opsega. Takav podatak iliustruje injenicu da je uvo veoma nelinearan senzor zvuka.

20 100 1000 10000-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

granica cujnosti

OBLAST CUJNOSTI)

nivo

zvu

ka (d

B)

frekvencija (Hz)

Slika 9.8 - Oblast ujnosti zdravog ljudskog uva

Gornja granica oblasti ujnosti u geometrijskom smislu ne postoji. Zato je u toj zoni nacrtan pojas oznaen rafurom. Amplitude oscilovanja pokretnih delova pri velikim pobudama mogu premaiti granice anatomskih mogunosti. Kao rezultat, s poveanjem nivoa pobude nastaje prvo nelagodnost, a zatim i bol. U tom delu razlikuju se granica neprijatnosti (koja se u literaturi uobijaeno definie na oko 120 dB) i granica bola (oko 140 dB). To je zona veoma jake zvune pobude pri kojoj se javljaju velike amplitude oscilovanja svih pominih delova (bubna opna, slune koice, ovalni prozor, bazilarna membrana, okrugli prozor). Prekoraenjem granice bola nastaje rizik mehanikih oteenja na pominim delovima i njihovim spojevima. U literaturi se navodi da je nivo zvuka oko 150 dB granica kada dolazi do mehanikih oteenja bubne opne i drugih nenijih delova slunog mehanizma koji uestvuju u oscilovanju.

Granine frekvencije ujnog opsega Kao i sve drugo to se odnosi na ulo sluha, i nominalne granice ujnog opsega nisu konstante na nain kako se u tehnici shvata pojam konstante. Usvojene nominalne vrednosti graninih frekvencija 20 Hz - 20.000 Hz treba razumeti kao statistike


146

pokazatelje koji su dobijeni ispitivanjem na dovoljno velikom uzorku zdrave populacije. Podrazumeva se da kod raznih ljudi postoje individualne razlike, odnosno da su sasvim prirodna manja odstupanja tih vrednosti od osobe do osobe. Donja granina frekvencija, nominalno usvojena na 20 Hz, specifina je zbog toga to pri sniavanju frekvencija funkcija uha postepeno prestaje, a postaje sve izraenija vibraciona reakcija glave, ali i ostalih delova tela. Vrlo precizna granica tog prelaza ne postoji, tako da usvojenu graninu vrednost 20 Hz treba prihvatati sa izvesnom tolerancijom. U starijoj literaturi kao donja granica rada ula sluha redovno je navoena frekvencija 16 Hz, to na izvestan nain pokazuje relativnost ovog podatka.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 220.0

0.1

0.2

0.3

vero

vatn

oca

gorn

je g

rani

cne

frekv

enci

je

fre kvencija (kHz)

Slika 9.9 - Raspodela verovatnoe vrednosti gornje granine frekvencije ula sluha kod zdrave populacije

Gornja granina frekvencija, za koju se uobiajeno navodi vrednost 20.000 Hz, takoe je dobijena kao statistiki pokazatelj. Istraivanja radi pouzdanog utvrivanja ovog podatka posebno su intenzivno raena krajem sedamdesetih godina zbog definisanja parametara digitalnih sistema koji su tada uvoeni u upotrebu. Merenja na zdravoj populaciji uzrasta od 15 do 50 godine i statistika obrada rezultata pokazala su da se ova granica moe iskazati samo primenom verovatnoe. Rezultat takvog merenja pokazan je na slici 9.9. Dijagram pokazuje verovatnou sa kojom se moe oekivati da neka zdrava osoba ima vrednost gornje granine frekvencije ujnog opsega. Sa dijagrama se vidi da najvie ljudi uje zvuk do 17-18 kHz (odnosno najvea je verovatnoa da ovek ima tu vrednost gornje granice). Isti dijagram pokazuje da oko 99% osoba ima gornju graninu frekvenciju do 20 kHz. Zbog toga je ta vrednost frekvencije usvojena kao nominalna gornja granica ujnog opsega, smatrajui da je 99% slualaca dovoljno velika ciljna grupa. Oblik krive sa slike takoe pokazuje da postoje malobrojne osobe koje mogu uti zvukove ije su frekvencije iznad 20 kHz. Ovi podaci se odnose na ispitivanu grupu opsega starosti 15-50 godina. Novija istraivanja pokazala su da meu veoma mladim osobama oko 1% moe registrovati frekvencije do granice od oko 25 kHz. Jedna od bitnih odlika ula sluha je da njegov rad zavisi od nivoa zvuka pri kome se vri sluanje. Taj uticaj postoji i kada je re o graninim frekvencijama. Sa slike 9.8 moze se zakljuiti da se teorijski optimalne vrednosti nivoa, kada se dostiu maksimalne


147

sposobnosti uha, nalaze u intervalu nivoa zvuka 80-90 dB, i tada se moe govoriti o nominalnom intervalu opsega ujnih frekvencija 20-20.000 Hz. Pri niim nivoima irina frekvencijskog opsega ujnosti se zbog oblika krive granice ujnosti suava, pre svega sa donje strane.

Promene granice ujnosti Granica ujnosti prikazana na slici 9.8 predstavlja prosenu vrednost odreenu na uzorku zdrave populacije. Dva su mogua sluaja kada se granica ujnosti pomera ka viim nivoima. To su:

- privremeni pomak nakon kraeg dejstva visokih nivoa zvuka i - trajni pomak usled starenja organizma, preleane bolesti ili zbog dugotrajne

izloenosti visokim nivoima zvuka. U okolnostima kada se zdravo ulo sluha izloi dejstvu visokih nivoa zvuka, bez obzira na njegov sadraj (muzika ili um), dolazi do zatitnog delovanja srednjeg uva. Usled poveanog slabljenja na putu prenosa zvuka kao reakcija postie se privremeno pomeranje granice ujnosti navie. Na slici 9.10 prikazan je rezultat merenja ovakvog pomeranja nakon dvadesetominutnog boravka u ambijentu gde je reprodukovan beli um ukupnog nivoa 115 dB. Merenje je izvreno 30 sekundi nakon prestanka zvune pobude.

20 100 1000 10000-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

privremeno pomerena granica cujnosti

nivo

zvu

ka (d

B)

frekvencija (Hz)

Slika 9.10 - Porast granice ujnosti izmeren 30 sekundi nakon to je ulo sluha bilo izloeno dejstvu

belog uma nivoa 115 dB u trajanju od 20 minuta


148

Ovakva deformacija u osetljivosti ula sluha se po prestanku pobude smanjuje. Proces relaksacije uva i vraanja u normalu odvija se veoma lagano i asimptotski tei poetnom stanju. Pri dovoljno snanoj zvunoj pobudi, kao to je primenjena u sluaju iji je rezultat prikazan na slici, izvesno odstupanje od normale osetljivosti moe se registrovati ak i 24 sata nakon prestanka pobude. Pomeranja granice ujnosti moe biti trajno. Ono nastaje na razliite naine: prirodnim procesom koji se odvija starenjem organizma, izlaganjem prekomernoj buci due od biolokih granica izdrljivosti bez dovoljno dugih perioda relaksacije, kao i usled nekih oboljenja unutranjeg uva. Na slici 9.11 prikazan je jedan rezultat ispitivanja prosene, dakle prirodne promene granice ujnosti sa godinama starosti. Krive pokazuju prosean poloaj granice ujnosti kod ljudi starosti od 40 do 70 godina Prikazane su prosene krive dobijene kao rezultat statistike obrade rezultata snimljenih na velikom broju subjekata. Sa slike se vidi da pojava trajnog pomeranja granice ujnosti praktino znai suavanje ujnog opsega u oblasti niih nivoa zvuka. Percepcija najviih frekvencija tada je mogua tek pri visokim nivoima zvune pobude. Dijagram sa slike 9.11 pokazuje da gubitak osetljivosti ula sluha ne ugroava percepciju jaih zvukova. Promene se najlake detektuju smanjenjem razumljivosti govora. Naime, u govoru konsonanti imaju relativno malu energiju, pa se promene granice ujnosti prvo manifestuju teim prijemom takvih glasova. U strukturi govora konsonanti nose razumljivost izgovorene rei, pa pomeranje granice ujnosti navie donosi ugroavanje njihovog prijema. Istovremeno vokali u govoru nose relativno veliku energiju, pa govor ostaje i dalje glasan, samo sa poremeajem percepiranog smisla.

20 100 1000 10000-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

40

50

60

70

nivo

zvu

ka (d

B)

frekvencija (Hz)

Slika 9.11 - Prosene promene granice ujnosti sa godinama.

(parametar na dijagramu je godina starosti)


149

9.4 Subjektivni doivljaj jaine istih tonova nivo glasnosti Kada na uvo deluje ist sinusni ton, subjektivni doivljaj jaine zvuka nije linearna funkcija nivoa zvuka, odnosno intenziteta zvune pobude. Ta osobina se jasno vidi iz oblika krive granice ujnosti sa slike 9.8, koja pokazuje da je najtii zvuk koji se jo moe uti promenljivog nivoa sa frekvencijama. Takva nelinearnost osetljivosti uslovljena je fizikim i fiziolokim karakteristikama uva u svim njegovim delovima. Doivljaji jaine prostog sinusnog zvuka jedne frekvencije izraava se vrednostima na posebno definisanoj skali. Veliina kojom se izraava subjektivni doivljaj jaine takvog zvuka naziva se nivo subjektivne jaine zvuka ili nivo glasnosti (loudnes level). ee se koristi skraeni naziv jaina zvuka. Za njeno izraavanje u literaturi koriste se oznake ili LN, i uvedena je jedinica koja se naziva fon. Nivo subjektivne jaine zvuka pri sluanju sinusnih tonova utvren je eksperimentalno testiranjem na zdravoj populaciji. Na poetku je konvencijom usvojeno da se skala nivoa subjektivne jaine zvuka u fonima na frekvenciji 1000 Hz poklapa sa skalom objektivno merenog nivoa zvuka u decibelima koji spolja deluje na uvo. Zbog injenice da je izjednaena sa skalom nivoa zvuka, makar to bilo samo na jednoj frekvenciji (1000 Hz), skala u fonima ima odlike logaritamske veliine. Za tonove ije su frekvencije nie ili vie od 1000 Hz podaci o nivou subjektivne jaine zvuka utvreni su metodom slunog poreenja dva zvuka razliitih frekvencija: jednog koji je predmet ocene subjektivne jaine i drugog, referentnog, na 1000 Hz. Sluaocima je u takvom testu omogueno da samostalno podeavaju nivo zvuka koji je predmet ocene i vre poreenje subjektivnog doivljaja njegove jaine sa referentnim zvukom na 1000 Hz. Cilj testa je da slualac podesi nivo tona koji slua tako da on i referentni ton na 1000 Hz, to znai na razliitim frekvencijama, budu subjektivno iste jaine pa tako da odgovaraju istom broju fona. Sukscesivnim ponavljanjem ovakve procedure za razne frekvencije i ucrtavanjem rezultata u dijagram oblasti ujnosti dobija se linija iste subjektivne jaine, takozvana izofonska linija. Svi tonovi koje se u prostoru frekvencija-nivo nalaze na jednoj izofonskoj liniji imaju subjektivno istu jainu zvuka koja je jednaka onoj na 1000 Hz. Ponavljajui merenje pri raznim nivoima referentnog zvuka dobijena je familija izofonskih krivih kakve su prikazane na slici 9.12. Na slici su ucrtane krive u koracima od po 10 fona. Svaka kriva odgovara jednoj vrednosti subjektivne jaine zvuka u fonima. Sa dijagrama izofonskih linija detaljnije se moe sagledati nelinearnost ula sluha. Na primer, sa dijagrama se moe oitati da subjektivnu jainu od 70 fona na frekvenciji 4 kHz, gde je uvo najosetljivije, ima zvuk nivoa oko 60 dB, a na frekvenciji 20 Hz za istu subjektivnu jainu potreban je nivo zvuka od preko 100 dB. Promene zakrivljenosti izofonskih linija pokazuju da se nelinearnost ula sluha u izvesnoj meri smanjuje sa poveanjem nivoa zvuka. To ne znai da njegov rad pri bilo kom nivou postaje linearan po frekvencijama, ve pri viim nivoima zvuka samo dolazi do izvesnog smanjenja te nelinearnosti. Pri dejstvu sloenih zvukova koji se sastoje od vie diskretnih komponenti ili koji imaju kontinualan spektar, subjektivni doivljaj jaine zvuka postaje sloen fenomen. Moe se rei da ne postoji potpuni model za odreivanje subjektivnog doivljaja jaine sloenih zvukova, ali se u praksi koristi nekoliko dovoljno tanih algoritama. Svi oni prvenstveno polaze od spektra zvuka. U sledeem poglavlju su prikazane neke od osobina ula sluha koje utiu pri prijemu kompleksnih zvukova.


150

20 100 1000 10000-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

130

120

110

100

90

80

70

60

50

40

30

10

20

nivo

zvu

ka (d

B)

frekvencija (Hz)

Slika 9.12 - Dijagram izofonskih linija (brojevi na linijama znaavaju fone)

Documents

9. OSNOVNI PRINCIPI RADA ČULA SLUHA - …telekomunikacije.etf.rs/predmeti/te4e/...principi_rada_cula_sluha.pdf · AKUSTIKA TEMA 9 – Osnovni principi rada čula sluha 138 Slušni