">
Прикладные науки Биология
Информация о работе

Тема: Слуховые аппараты

Описание: Орган слуха и особенности звуковых волн. Орган слуха и его строение. Механизм восприятия звука. Преобразование акустических волн в электрические колебания. Цифровое кодирование звука. Цифровые и аналоговые аппараты. Аппараты воздушной проводимости.
Предмет: Прикладные науки.
Дисциплина: Биология.
Тип: Курсовая работа
Дата: 14.08.2012 г.
Язык: Русский
Скачиваний: 95
Поднять уникальность

Похожие работы:

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Физический факультет

Кафедра радиофизики и электроники

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине "Биомедицинские преобразователи и сенсорные системы"

Слуховые аппараты

ГОУ ОГУ 010707.65.5012.02 ОО

Оренбург 2012

Оглавление

Введение3

1 Орган слуха и особенности звуковых волн4

1.1 Орган слуха4

1.1.1 Строение уха4

1.1.2 Механизм восприятия звука6

1.1.3 Физиологические особенности звуковосприятия7

1.2 Звуковые волны9

1.2.1 Основные понятия9

1.2.2 Характеристики звука11

1.2.3 Преобразование акустических волн в электрические колебания13

1.2.4 Цифровое кодирование звука15

2 Слуховые аппараты17

2.1 История развития слуховых аппаратов17

2.2 Работа слухового аппарата на примере аппарата SigniaS20

2.3 Разнообразие слуховых аппаратов23

2.3.1 Цифровые и аналоговые аппараты23

2.3.2 Аппараты воздушной проводимости25

2.3.3 Аппараты костной проводимости28

2.3.4 Кохлеарный имплантат29

Заключение32

Список использованных источников33

Введение

Ту информацию, которую человек получает благодаря способности слышать, вряд ли можно сравнить со зрительным восприятием окружающей действительности. И тем не менее не стоит забывать о том, что слух имеет огромное значение для развития и речи, и интеллекта, и психики, особенно в детском возрасте.

Многое в жизни мы воспринимаем как данность, в том числе и слух. И только столкнувшись с проблемой нарушения слухового восприятия, понимаем, что пришла беда. Потерю слуха человек переживает не менее тяжелее, чем, например, потерю зрения.

Прав был Кант, однажды сказавший: "Слепота отделяет нас от вещей. Глухота - от людей". Ведь этот диагноз в большей степени социальный, чем медицинский. Тугоухость практически неизбежно ведет к изоляции человека от общества. Окружающих раздражает беспомощность плохослышащего при общении, ответы невпопад, желание усилить громкость радиоприемника или телевизора.

Слух снижается не только у людей преклонного возраста. В последнее время все чаще это происходит с трудоспособной молодежью. Особого внимания требуют дети, родившиеся с нарушенным слухом или потерявшие его в раннем возрасте. Для них тугоухость несетсерьезные последствия. Если малыш не слышит, он не сможет говорить, а значит, и развиваться вместе со сверстниками, не станет полноценной личностью.

По оценкам специалистов нарушения слуховой функции в той или иной степени отмечаются более чем у 600 миллионов жителей планеты. И тенденция к увеличению числа лиц, страдающих тугоухостью, сохраняется. На состояние слуха человека влияет множество факторов, среди которых: экология, применение ототоксических лекарств, уровень окружающих шумов. Да и люди все еще не уделяют должного внимания своему слуху и не осознают его значение для собственного здоровья, несмотря на то, что специалисты постоянно стараются привлечь внимание общества к этой проблеме.

Слуховой аппарат – один из способов решить проблему тугоухости. Тому, какие механизмы заложены в работу слухового аппарата, какие бывают виды и типы устройств – посвящена данная работа.

1 Орган слуха и особенности звуковых волн

1.1 Орган слуха

1.1.1 Строение уха

Орган слуха - ухо - у человека и млекопитающих состоит из трех частей: наружного уха, среднего уха, внутреннего уха.

Наружное ухо состоит из ушной раковины и наружного слухового прохода, который заходит в глубь височной кости черепа и закрыт барабанной перепонкой. Раковина образована хрящом, покрытым с обеих сторон кожей. С помощью раковины улавливаются звуковые колебания воздуха. Подвижность раковины обеспечивается мышцами. У человека они рудиментарны, у животных их подвижность обеспечивает лучшую ориентировку по отношению к источнику звука.

Наружный слуховой проход имеет вид трубки длиной 30 мм, выстланной кожей, в которой имеются особые железы, выделяющие ушную серу. Слуховой проход направляет улавливаемый звук к среднему уху. Парные слуховые проходы позволяют точнее локализовать источник звука. В глубине слуховой проход затянут тонкой барабанной перепонкой овальной формы. Со стороны среднего уха, в середине барабанной перепонки, укреплена рукоятка молоточка. Перепонка упруга, при ударе звуковых волн она без искажения повторяет эти колебания.

Среднее ухо - начинается за барабанной перепонкой и представляет собой камеру, заполненную воздухом. Среднее ухо соединено с помощью слуховой (евстахиевой) трубы с носоглоткой (поэтому давление по обе стороны барабанной перепонки одинаково). В нем находятся три слуховые косточки, связанные между собой: молоточек, наковальня, стремечко.

Своей рукояткой молоточек соединен с барабанной перепонкой, воспринимает ее колебания и через две другие косточки передает эти колебания к овальному окну внутреннего уха в котором колебания воздуха преобразуются в колебания жидкости. При этом амплитуда колебаний уменьшается, а их сила увеличивается примерно в 20 раз.

В стенке, отделяющей среднее ухо от внутреннего, кроме овального окна находится еще круглое окно, затянутое перепонкой. Мембрана круглого окна дает возможность полностью передавать энергию колебаний молоточка жидкости и позволяет жидкости колебаться как единому целому.

Внутреннее ухо - расположено в толще височной кости и состоит из сложной системы сообщающихся между собой каналов и полостей, называемой лабиринтом. В нем различают две части:

костный лабиринт - заполнен жидкостью (перилимфой). Костный лабиринт делят на три части:

преддверие

костная улитка

три полукружных костных канала

перепончатый лабиринт - заполнен жидкостью (эндолимфой). Имеет те же части, что и костный:

перепончатое преддверие представленное двумя мешочками - эллиптическим (овальным) мешочком и сферическим (круглым) мешочком

перепончатая улитка

три перепончатых полукружных канала

Перепончатый лабиринт располагается внутри костного, все части перепончатого лабиринта по размерам меньше соответствующих размеров костного, поэтому между их стенками имеется полость, называемая перилимфотическим пространством, выполненная лимфоподобной жидкостью - перилимфой.

Органом слуха является улитка, остальные части лабиринта составляют орган равновесия, удерживающий тело в определенном положении.

Улитка - орган, который воспринимает звуковые колебания и превращает их в нервное возбуждение. Канал улитки образует у человека 2,5 витка. По всей длине костный канал улитки разделен двумя перегородками: более тонкой - вестибулярной мембраной (или мембраной Рейснера) и более плотной - основной мембраной.

Основная мембрана состоит из фиброзной ткани, включающей около 24 тыс. особых волокон (слуховые струны) разной длины и натянутых поперек хода мембраны - от оси улитки к ее наружной стенке (наподобие лестницы). Самые длинные струны располагаются у вершины, у основания - наиболее укороченные. На вершине улитки мембраны соединяются и в них имеется отверстие улитки (хеликотрема) для сообщения верхнего и нижнего хода улитки.

С полостью среднего уха улитка сообщается через круглое окно, затянутое перепонкой, с полостью преддверия - через овальное окно.

Вестибулярная мембрана и основная мембрана разделяют костный канал улитки на три хода:

верхний (от овального окна до вершины улитки) - вестибулярная лестница; сообщается с нижним каналом улитки через улитковое отверстие

нижний (от круглого окна до вершины улитки) - барабанная лестница; сообщается с верхним каналом улитки.

Верхний и нижний ходы улитки заполнены перилимфой, которая отделена от полости среднего уха мембраной овального и круглого окон.

средний - перепончатый канал; его полость не сообщается с полостью других каналов и заполнена эндолимфой. Внутри среднего канала на основной мембране расположен звуковоспринимающий аппарат - кортиев орган, состоящий из рецепторных клеток с выступающими волосками (волосковые клетки) с нависающей над ними покровной мембраной. С волосковыми клетками контактируют чувствительные окончания нервных волокон.

1.1.2 Механизм восприятия звука

Звуковые колебания воздуха, проходя через наружный слуховой проход, вызывают колебания барабанной перепонки и через слуховые косточки в усиленном виде передаются на перепонку овального окна, ведущего в преддверие улитки. Возникшее колебание приводит в движение перилимфу и эндолимфу внутреннего уха и воспринимается волокнами основной мембраны, несущей на себе клетки кортиева органа. Колебание волосковых клеток кортиевого органа вызывает соприкосновение волосков с покровной мембраной. Волоски сгибаются, что приводит к изменению мембранного потенциала этих клеток и возникновению возбуждения в нервных волокнах, оплетающих волосковые клетки. По нервным волокнам слухового нерва возбуждение передается в слуховой анализатор коры головного мозга.

Человеческое ухо способно воспринимать звуки частотой от 20 до 20 000 Гц. Физически звуки характеризуются частотой (числом периодических колебаний в секунду) и силой (амплитудой колебаний). Физиологически этому соответствуют высота звука и его громкость. Третья важная характеристика - звуковой спектр, т.е. состав дополнительных периодических колебаний (обертонов), возникающих наряду с основной частотой и превышающих его. Звуковой спектр выражается тембром звука. Именно так различают звуки разных музыкальных инструментов и человеческого голоса.

Различение звуков основано на явлении резонанса, возникающего в волокнах основной мембраны.

Ширина основной мембраны, т.е. длина ее волокон, неодинакова: волокна длиннее у вершины улитки и короче у ее основания, хотя ширина канала улитки здесь больше. От длины волокон зависит их собственная частота колебаний: чем короче волокно, тем на звук большей частоты оно резонирует. Когда в ухо поступает звук высокой частоты, то на него резонируют короткие волокна основной мембраны, расположенными у основания улитки, и возбуждаются расположенные на них чувствительные клетки. При этом возбуждаются не все клетки, а только те, которые находятся на волокнах определенной длины. Низкие звуки воспринимаются чувствительными клетками кортиева органа, расположенными на длинных волокнах основной мембраны у вершины улитки.

При этом скорость прохождения сигнала по структурам органа слуха и поступления его в кору требует некоторых оговорок. Потому известно, что изначально орган слуха попросту оценивает поступление сигнала, а после настраивается на уровень наилучшей слышимости. Это значит, что на первый этап тратится 35-175 миллисекунд, а на второй – 180- 500. При этом максимальное число различимых звуков зависит от частоты колебания и от функционального состояния органа, и установилось на уровне 3-4 тысячи тонов.

Таким образом, первичный анализ звуковых сигналов начинается уже в кортиевом органе, с которого возбуждение по волокнам слухового нерва передается в слуховой центр коры головного мозга в височной доле, где происходит их качественная оценка.

Преимущества двустороннего слуха:

улучшенная способность слышать и распознавать звуки в шумных обстановках.

насыщенное, мягкое качество звука и более легкое, расслабленное восприятие.

естественного восприятие возможно, поскольку наш слух предполагает наличие двух ушей.

способность определить местонахождение источника звука.

1.1.3 Физиологические особенности звуковосприятия

Одинаковые состояния звуковой волны — участки сгущения или разрежения — называются фазами. Расстояние между одинаковыми фазами называют длиной волны. Низкие звуки, при которых фазы отстоят далеко друг от друга, характеризуются большой длиной волны, высокие звуки с близким расположением фаз — небольшой (короткой).

Фаза и длина волны имеют важное значение в физиологии слуха. Так, одним из условий оптимального слуха является приход звуковой волны к окнам преддверия и улитки в разных фазах (анатомически это обеспечивается звукопроводящей системой среднего уха). Высокие звуки с небольшой длиной волны вызывают колебания невысокого столба лабиринтной жидкости (перилимфы) в основании улитки, низкие, с большей длиной волны, распространяются до ее верхушки. Это обстоятельство важно для уяснения современных теорий слуха.

К физическим характеристикам звука относятся также частота и амплитуда звуковых колебаний. Единицей измерения частоты колебаний является 1 герц (Гц), обозначающий число колебаний в секунду. Амплитуда колебаний — расстояние между средним и крайним положениями колеблющегося тела. Амплитуда колебаний (интенсивность) звучащего тела в значительной степени определяет восприятие звука.По характеру колебательных движений звуки делятся на три группы: чистые тоны, сложные тоны и шумы. Гармонические (ритмичные) синусоидальные колебания создают чистый, простой звуковой тон (т.е. звучит тон одной частоты), например звук камертона. Негармонический звук, отличающийся от простых тональных звуков сложной структурой, называется шумом. Шумовой спектр состоит из разнообразных колебаний, частоты которых относятся к частоте основного тона хаотично, как различные дробные числа. Восприятие шума часто сопровождается неприятными субъективными ощущениями. Сложные тоны характеризуются упорядоченным отношением их частот к частоте основного тона, а ухо имеет способность анализировать сложный звук. Вообще каждый сложный звук разлагается ухом на простые синусоидальные составляющие (закон Ома), т.е. происходит то, что в физике обозначают термином «теорема (ряд) Фурье».

Способность звуковой волны огибать препятствия называется дифракцией. Низкие звуки с большой длиной волны обладают лучшей дифракцией, чем высокие с короткой волной. Явление отражения звуковой волны от встречающихся на ее пути препятствий называется эхом. Многократное отражение звука в закрытых помещениях от различных предметов носит название «реверберация». При хорошей звукоизоляции помещений реверберация слабая, например в театре, кинозале и т.д., при плохой — сильная. Явление наложения отраженной звуковой волны на первичную звуковую волну получило название «интерференция». При этом явлении может наблюдаться усиление или ослабление звуковых волн. При прохождении звука через наружный слуховой проход осуществляется его интерференция и звуковая волна усиливается.

Важное значение в звукопроведении играет явление резонанса, при котором звуковая волна одного колеблющегося предмета вызывает соколебательные движения другого (резонатор). Резонанс может быть острым, если собственный период колебаний резонатора совпадает с периодом воздействующей силы, и тупым, если периоды колебаний не совпадают. При остром резонансе колебания затухают медленно, при тупом — быстро. Важно отметить, что колебания структур уха, проводящих звуки, затухают быстро; это устраняет искажение внешнего звука, поэтому человек может быстро и последовательно принимать все новые и новые звуковые сигналы. Некоторые структуры улитки обладают острым резонансом, что способствует различению двух близкорасположенных частот.Основные свойства слухового анализатора. К основным свойствам слухового анализатора относится его способность различать высоту (понятие частоты) звука, его громкость (понятие интенсивности) и тембр, включающий основной тон и обертоны.
Как принято в классической физиологической акустике, ухо человека воспринимает полосу звуковых частот от 16 до 20 000 Гц (от 12—24 до 18 000—24 000 Гц). Чем выше амплитуда звука, тем лучше слышимость. Однако до известного предела, за которым начинается звуковая перегрузка. Колебания с частотой менее 16 Гц называются инфразвуком, а выше верхней границы слухового восприятия (т.е. более 20 000 Гц) — ультразвуком. В обычных условиях ухо человека не улавливает инфра- и ультразвук, но при специальном исследовании эти частоты также воспринимаются.С возрастом слух постепенно ухудшается, смещается в сторону восприятия низких частот и зону наибольшей чувствительности. Так, если в возрасте 20—40 лет она находится в области 3000 Гц, то в возрасте 60 лет и более смещается в область 1000 Гц. Верхняя и нижняя границы слуха могут изменяться при заболеваниях органа слуха, в результате чего суживается область слухового восприятия. У детей верхняя граница звуковосприятия достигает 22 000 Гц, у пожилых людей она ниже и обычно не превышает 10 000—15 000 Гц. У всех млекопитающих верхняя граница выше, чем у человека: например, у собак она достигает 38 000 Гц, у кошек — 70 000 Гц, у летучих мышей — 200 000 Гц и более. Как показали исследования, проведённые в нашей стране, человек способен воспринимать ультразвуки частотой до 200—225 кГц, но только при его костном проведении. В аналогичных условиях расширяется диапазон воспринимаемых частот и у млекопитающих.

Весь диапазон воспринимаемых ухом человека частот делят на несколько частей: тоны до 500 Гц называются низкочастотными, от 500 до 3000 Гц — среднечастотными, от 3000 до 8000 Гц — высокочастотными. Различные части диапазона воспринимаются ухом неодинаково. Оно наиболее чувствительно к звукам, находящимся в зоне 1000—4000 Гц, имеющей значение для восприятия человеческого голоса. Чувствительность (возбудимость) уха к частотам ниже 1000 и выше 4000 Гц значительно понижается. Так, для частоты 10 000 Гц интенсивность порогового звука в 1000 раз больше, чем для оптимальной зоны чувствительности в 1000—4000 Гц. Различная чувствительность к звукам низкой и высокой частоты во многом объясняется резонансными свойствами наружного слухового прохода. Определенную роль играют также соответствующие свойства чувствительных клеток отдельных завитков улитки.

1.2 Звуковые волны

1.2.1 Основные понятия

Звук — это колебания, т.е. периодическое механическое возмущение в упругих средах — газообразных, жидких и твердых. Такое возмущение, представляющее собой некоторое физическое изменение в среде (например, изменение плотности или давления, смещение частиц), распространяется в ней в виде звуковой волны. Область физики, рассматривающая вопросы возникновения, распространения приема и обработки звуковых волн, называется акустикой. Звук может быть неслышимым, если его частота лежит за пределами чувствительности человеческого уха, или он распространяется в такой среде, как твердое тело, которая не может иметь прямого контакта с ухом, или же его энергия быстро рассеивается в среде. Таким образом, обычный для нас процесс восприятия звука — лишь одна сторона акустики.

Акустика – одна из самых древних областей знания. Она возникла за несколько веков до н. э. как учение о звуке, т. е. об упругих волнах, воспринимаемых человеческим ухом (отсюда и происхождение названия). Начало становления акустики как физ. науки (XVII в.) связано с исследованиями системы, музыкальных тонов, их источников (струны, трубы), с измерениями скорости распространения звука. До начала ХХ в. акустика развивалась как раздел механики. Создание методов разложения сложного колебательного процесса на простые составляющие (метод Фурье) заложило основы анализа звука н синтеза сложного звука из простых составляющих. Весь этот классич. этап развития акустики подытожен к нач. 20 в. Рэлеем (Дж. У. Стретт, J. W. Strutt).

Новый этап развития акустики начался в 20-е гг. ХХ в. в связи с развитием радиотехники и радиовещания, которые вызвали необходимость разработки методов и средств преобразования электрической энергии в акустическую, и обратно.

Рассмотрим длинную трубу, наполненную воздухом. С левого конца в нее вставлен плотно прилегающий к стенкам поршень (рис. 1). Если поршень резко двинуть вправо и остановить, то воздух, находящийся в непосредственной близости от него, на мгновение сожмется (рис. 1,а). Затем сжатый воздух расширится, толкнув воздух, прилегающий к нему справа, и область сжатия, первоначально возникшая вблизи поршня, будет перемещаться по трубе с постоянной скоростью (рис. 1,б). Эта волна сжатия и есть звуковая волна в газе.



Рисунок 1. Возникновение звуковой волны в трубе

Звуковая волна в газе характеризуется избыточным давлением, избыточной плотностью, смещением частиц и их скоростью. Для звуковых волн эти отклонения от равновесных значений всегда малы. Так, избыточное давление, связанное с волной, намного меньше статического давления газа. В противном случае мы имеем дело с другим явлением — ударной волной. В звуковой волне, соответствующей обычной речи, избыточное давление составляет лишь около одной миллионной атмосферного давления.

Важно то обстоятельство, что вещество не уносится звуковой волной. Волна представляет собой лишь проходящее по воздуху временное возмущение, по прохождении которого воздух возвращается в равновесное состояние. Волновое движение, конечно, не является характерным только для звука: в форме волн распространяются свет и радиосигналы, и каждому знакомы волны на поверхности воды. Все типы волн математически описываются так называемым волновым уравнением.

Волна в трубе на рис. 1 называется звуковым импульсом. Очень важный тип волны возбуждается, когда поршень колеблется туда-сюда подобно грузу, подвешенному на пружине. Такие колебания называются простыми гармоническими или синусоидальными, а возбуждаемая в этом случае волна — гармонической.Звуковые волны в газах и жидкостях могут быть только продольными, так как эти среды обладают упругостью лишь по отношению к деформациям сжатия (растяжения). В твердых телах звуковые волны могут быть как продольными, так и поперечными, так как твердые тела обладают упругостью по отношению к деформациям сжатия (растяжения) и сдвига.

1.2.2 Характеристики звука

Интенсивностью звука (или силой звука) называется величина, определяемая средней по времени энергией, переносимой звуковой волной в единицу времени сквозь единичную площадку, перпендикулярную направлению распространения волны:



Единица интенсивности звука в СИ — ватт на метр в квадрате (Вт/м2).

Чувствительность человеческого уха различна для разных частот. Для того чтобы вызвать звуковое ощущение, волна должна обладать некоторой минимальной интенсивностью, но если эта интенсивность превышает определенный предел, то звук не слышен и вызывает только болевое ощущение. Таким образом, для каждой частоты колебаний существуют наименьшая (порог слышимости) и наибольшая (порог болевого ощущения) интенсивности звука, которые способны вызвать звуковое восприятие. На рис. 223 представлены зависимости порогов слышимости и болевого ощущения от частоты звука. Область, расположенная между этими двумя кривыми, является областью слышимости.



Рисунок 2. Область слышимости человеческого уха.

Если интенсивность звука является величиной, объективно характеризующей волновой процесс, то субъективной характеристикой звука, связанной с его интенсивностью, является громкость звука, зависящая от частоты. Согласно физиологическому закону Вебера — Фехнера, с ростом интенсивности звука громкость возрастает по логарифмическому закону. На этом основании вводят объективную оценку громкости звука по измеренному значению его интенсивности:



где I0 — интенсивность звука на пороге слышимости, принимаемая для всех звуков равной 10–12 Вт/м2. Величина L называется уровнем интенсивности звукаи выражается в белах (в честь изобретателя телефона Белла). Обычно пользуются единицами, в 10 раз меньшими, — децибелами (дБ).

Физиологической характеристикой звука является уровень громкости, который выражается в фонах (фон). Громкость для звука в 1000 Гц (частота стандартного чистого тона) равна 1 фон, если его уровень интенсивности равен 1 дБ. Например, шум в вагоне метро при большой скорости соответствует 90 фон, а шепот на расстоянии 1м — 20 фон.

Реальный звук является наложением гармонических колебаний с большим набором частот, т. е. звук обладает акустическим спектром, который может быть сплошным (в некотором интервале присутствуют колебания всех частот) и линейчатым (присутствуют колебания отделенных друг от друга определенных частот).

Звук характеризуетсяпомимо громкости еще высотой и тембром. Высота звука — качество звука, определяемое человеком субъективно на слух и зависящее от частоты звука. С ростом частоты высота звука увеличивается, т. е. звук становится «выше». Характер акустического спектра и распределения энергии между определенными частотами определяет своеобразие звукового ощущения, называемое тембром звука. Так, различные певцы, берущие одну и ту же ноту, имеют различный акустический спектр, т. е. их голоса имеют различный тембр.

Источником звука может быть всякое тело, колеблющееся в упругой среде со звуковой частотой (например, в струнных инструментах источником звука является струна, соединенная с корпусом инструмента).

Совершая колебания, тело вызывает колебания прилегающих к нему частиц среды с такой же частотой. Состояние колебательного движения последовательно передается к все более удаленным от тела частицам среды, т. е. в среде распространяется волна с частотой колебаний, равной частоте ее источника, и с определенной скоростью, зависящей от плотности и упругих свойств среды. Скорость распространения звуковых волн в газах вычисляется по формуле

,

где R — молярная газовая постоянная, М — молярная масса, ?=Ср/СV — отношение молярных теплоемкостей газа при постоянных давлении и объеме, Т — термодинамическая температура. Из формулы вытекает, что скорость звука в газе не зависит от давления р газа, но возрастает с повышением температуры. Чем больше молярная масса газа, тем меньше в нем скорость звука. Эта формула была выведена в предположении, что распространение звука - адиабатический процесс. Из этой формулы следует в частности, что скорость звука в воздухе при температуре T=273 K равняется 330 м/с, что находится в хорошем соответствии с экспериментальными результатами.

Если размер источника звука много меньше длины волны, то будет возбуждаться сферическая волна, а источник звука может быть рассмотрен как точечный источник. В ином случае, когда размер источника много больше, чем длина волны, будет возбуждаться плоская звуковая волна. Скорость акустической волны зависит от свойств среды, в которой она распространяется.

1.2.3 Преобразование акустических волн в электрические колебания

Самый простой и известный способ осуществить преобразование состоит в использовании микрофона. Поскольку более подробный разговор о микрофонах и о принципах их действия пойдет в следующей главе, сейчас мы ограничимся только самой общей информацией о них.

Если на микрофон действует звуковая волна определенной частоты и интенсивности, то на выходе микрофона появляется переменное электрическое напряжение с характеристиками, идентичными звуковой волне. Посмотрим на рис. 3. Звуковую волну вполне можно представить в графическом виде, если горизонтальную ось мы примем за время, а вертикальную - за силу звука. Более плотным массам воздуха (а соответственно, и более высокой силе звука) в точности соответствуют "горбы" на графике, а менее плотные участки представлены в виде "провалов". Точно так же выглядит и электрический сигнал, преобразованный микрофоном, только он симметричен относительно нулевого напряжения. Это происходит потому, что в пассивном состоянии на выходе микрофона никакого напряжения не присутствует, а при действии на него более или менее плотных относительно окружающей нас атмосферы воздушных масс возникающее напряжение имеет, соответственно, положительную или отрицательную полярность. Изображенная на этом рисунке зависимость называется амплитудной характеристикой и показывает, как меняется амплитуда (величина напряжении) электрического сигнала с течением времени.

Самые простые микрофоны имеют мембрану, которая колеблется под воздействием звуковых волн. К мембране присоединена катушка, перемещающаяся синхронно с мембраной в магнитном поле. А из школьных уроков физики вы, вероятно, помните, что в такой ситуации в катушке возникает переменный электрический ток. Изменения напряжения тока точно отражают изменения плотности воздуха в звуковых волнах.

Переменный электрический ток, который появляется на выходе микрофона, называется аналоговым сигналом. Слово "аналоговый", применительно к электрическому сигналу, обозначает, что этот сигнал непрерывен по времени и амплитуде. Он точно отражает форму звуковой волны, которая распространяется в воздухе.



Рисунок 3. Преобразование акустического сигнала микрофоном

Кривая на рис. 3, известная под названием синусоида, соответствует звуковой волне определенной частоты без всяких гармоник. Как мы выяснили, такая звуковая волна в реальной жизни практически не встречается; а значит, и электрический сигнал в форме синусоиды вряд ли можно увидеть. Для того чтобы было понятно, что же собой представляет реальная звуковая волна, возникающая, скажем, от колеблющейся гитарной струны, специально приведен рис. 4. Как видно, форма волны далека отсинусоидальной и является сложным нестационарным сигналом, затухающим с течением времени. Однако при нашем дальнейшем разговоре в качестве примера такую волну рассматривать неудобно, так как она ненаглядна и те или иные изменения сигнала вследствие внешнего воздействия на эту волну неочевидны. Поэтому мы всегда будем использовать для иллюстраций и пояснений именно синусоиду, помня, что она лишь упрощенный, доходчивый вариант изображения реальной звуковой волны.



Рисунок 4. Форма реального затухающего сигнала

Итак, мы с помощью микрофона преобразовали звуковую волну в переменный электрический сигнал. Такой сигнал называется аналоговым потому, что он полностью копирует форму звуковой волны (аналогичен ей) и непрерывен по времени и амплитуде. В отличие от цифрового представления звуковых сигналов, которое мы разберем чуть ниже, аналоговый сигнал всегда первичен.

1.2.4 Цифровое кодирование звука

В основе кодирования звука с использованием ПК лежит процесс преобразования колебаний воздуха в колебания электрического тока и последующая дискретизация аналогового электрического сигнала. Кодирование и воспроизведение звуковой информации осуществляется с помощью специальных программ. Качество воспроизведения закодированного звука зависит от частоты дискретизации и её разрешения (глубины кодирования звука - количество уровней).

Цифровой звук – это аналоговый звуковой сигнал, представленный посредством дискретных численных значений его амплитуды.

Оцифровка звука — технология поделенным временным шагом и последующей записи полученных значений в численном виде.
Другое название оцифровки звука — аналогово-цифровое преобразование звука.Это преобразование включает в себя следующие операции:

Ограничение полосы частот производится при помощи фильтра низких частот для подавления спектральных компонент, частота которых превышает половину частоты дискретизации.

Дискретизацию во времени, то есть замену непрерывного аналогового сигнала последовательностью его значений в дискретные моменты времени — отсчетов.

Квантование по уровню представляет собой замену величины отсчета сигнала ближайшим значением из набора фиксированных величин — уровней квантования.

Кодирование или оцифровку, в результате которого значение каждого квантованного отсчета представляется в виде числа, соответствующего порядковому номеру уровня квантования.

Делается это следующим образом: непрерывный аналоговый сигнал «режется» на участки, с частотой дискретизации, получается цифровой дискретный сигнал, который проходит процесс квантования с определенной разрядностью, а затем кодируется, то есть заменяется последовательностью кодовых символов. Для записи звука в полосе частот 20-20 000 Гц, требуется частота дискретизации от 44,1 и выше (в настоящее время появились АЦП и ЦАП c частотой дискретизации 192 и даже 384 кГц). Дляполучение качественной записи достаточно разрядности 16 бит, однако для расширения динамического диапазона и повышения качества звукозаписи используется разрядность 24 (реже 32) бита.

Методы кодирования звука (конечно имеется в виду электрический сигнал, поступающий с микрофона) основаны на том, что теоретически любой сложный звук можно разложить на последовательность простейших гармонических сигналов разных частот, каждый из которых представляет собой синусоиду, называемых спектром исходного сигнала. Задачей кодирования звука, как и другого аналогового сигнала является представление его в форме другого аналогового или цифрового сигнала, более удобного для передачи или хранения в каждом конкретном случае. Реальные источники звука имеют ограниченную ширину спектра, поэтому для кодирования применяют такие методы преобразования, которые преобразуют исходный сигнал в такой, спектр которого наиболее подходит для передачи по выбранному каналу. Представление аналогового сигнала в виде другого аналогового сигнала обычно называется модуляцией, а представление в цифровом виде - кодировкой. Это разделение очень условно. Аналоговый сигнал может быть представлен в виде гармонического сигнала (т.е. синусоиды), параметры которого изменяются в зависимости от значения первоначального сигнала. В том случае, когда с изменением первоначального сигнала изменяется амплитуда синусоиды - мы имеем дело с амплитудной модуляцией (AM). Если в зависимости от значения исходного сигнала изменяются частота или фаза синусоиды - мы имеем дело с частотной модуляцией (FM) или фазовой модуляцией (PM). Амплитудная и частотная модуляция, например, широко используются для передачи звука по радио.Эти виды модуляции, конечно, не являюся разложением исходного сигнала по гармоникам. Развитие цифровой техники и применение компьютерной обработки и хранения информации привело к широкому применению импульсных методов модуляции или кодирования. Такими видами модуляции являются, например, импульсно-кодовая модуляция, при которой значение исходного сигнала через определенные промежутки времени представляется в виде кода. Подавляющее большинство "компьютерного звука" является именно записью двоичного кода сигнала, полученнного через небольшие равные промежутки времени, определяемые частотой дискретизации. Для хранения и передачи по каналам связи такой сигнал обычно подвергается сжатию (уменьшениеюобъемапутем отбрасывания ненужной или малозначимой информации). Кроме импульсно-кодовой модуляции для кодирования звука применяют и другие виды цифровой модуляции (широтно-импульсную, частотно импульсную и пр.). Эти виды модуляции иногда применяют для передачи звука по цифровым каналам, но в компьютерной технике их используют редко и в основном как промежуточные для некоторых видов цифровой фильтрации и создания звуковых эффектов.

Метод таблично-волнового (Wave-Table) синтеза лучше соответствует современному уровню развития техники. Если говорить упрощенно, то можно сказать, что где-то в заранее подготовленных таблицах хранятся образцы звуков для множества различных музыкальных инструментов (хотя не только для них). В технике такие образцы называют семплами. Числовые коды выражают тип инструмента, номер его модели, высоту тона, продолжительность и интенсивность звука, динамику его изменения, некоторые параметры среды, в которой происходит звучание, а также прочие параметры, характеризующие особенности звука. Поскольку в качестве образцов используются «реальные» звуки, то качество звука, полученного в результате синтеза, получается очень высоким и приближается к качеству звучания реальных музыкальных инструментов.

2 Слуховые аппараты

Лишь небольшой процент стойких нарушений слуха может быть улучшен с помощью лекарств или операции. Подавляющее большинство нарушений слуха вызвано повреждением механизма звуковосприятия, то есть поражением внутреннего уха, слухового нерва или слуховых центров мозга. Такое снижение слуха может быть компенсировано слухопротезированием, то есть с помощью правильно подобранного и индивидуально настроенного специалистом-слухопротезистом слухового аппарата. Современный уровень технологий слухопротезирования позволяет значительно улучшить жизнь примерно 90% людей с нарушением слуха.

Слуховой аппарат должен соответствовать потребностям человека со сниженным слухом с точки зрения его эффективности, привлекательного внешнего вида (миниатюрности), удобства в пользовании и стоимости.

Современные слуховые аппараты могут:

компенсировать нарушение восприятия громкости и частоты звуков

обеспечивать высокую разборчивость речи (в тишине, в шумной обстановке, при групповой беседе)

обеспечивать естественность восприятия (речи, собственного голоса, музыки, звуков окружающей среды)

автоматически поддерживать комфортный уровень громкости

автоматически адаптироваться к различным акустическим ситуациям

надежно воспроизводить сигналы опасности

обеспечивать разговор по телефону без проблем

обеспечивать отсутствие обратной акустической связи ("свиста")

надежно работать и потреблять минимум энергии

Однако необходимо понимать, что даже самый лучший слуховой аппарат не может вылечить тугоухость и глухоту, не может совершить чуда, но может значительно улучшить возможности общения и социальной адаптации.

2.1 История развития слуховых аппаратов

Слуховые  аппараты  – это сложный микроэлектронный прибор, дающий возможность тем, кто страдает нарушением слуха распознавать звуки окружающего мира, слышать несмотря ни на что.

Сегодня слухопротезированием уже никого не удивишь, оно позволяет людям вести нормальную жизнь, несмотря на тугоухость и глухоту, а детям нормально развиваться и не отставать от своих сверстников.

Современные слуховые аппараты миниатюрны, при хорошем подборе они практически незаметны для окружения. Сложные микросхемы обеспечивают высокое качество передачи звука, а используемые цифровые технологии позволяют сделать аппараты еще и «умными». Они могут не только отлично передавать звуки, но и выбирать среди них человеческую речь, усиливая ее звучание, то есть пользователь слухового аппарата не пропустит ничего из сказанного собеседником,  что даст ему возможность нормально общаться с окружающими. Все это существует благодаря постоянному прогрессу и достижениям медицины и науки. Но так было не всегда…

Несколько веков назад люди о таком не могли и мечтать, тогда глухота и тугоухость являлись «карой», вылечить эти болезни практически не было никакой возможности. Однако люди не сдавались и пытались бороться. Первые слуховые аппараты (если, конечно, их таковыми можно назвать!) появились в Древнем Египте. Разумеется, вряд ли их имеет смысл сравнивать с современными, поскольку изделия древнеегипетских врачей были совсем не похожи на современные слуховые аппараты. Примерно в третьем тысячелетии до нашей эры ученые Древнего Египта сделали поразительное открытие: они обнаружили, что если у уху приставить рупор узким концом, а широким концом к источнику звука, то восприятие звука улучшается и звук как бы усиливается. Поэтому самыми первыми слуховыми аппаратами в Древнем Египте стали обычные рога быков, у которых мастера спиливали кончик, в результате чего рог становился подобием рупора.

Во времена фараона Рамзеса II Египет достиг своего наивысшего расцвета – в том числе и в области медицины. Тогда наиболее богатые приближенные фараона стали заказывать себе «слуховые аппараты», выполненные не из бычьих рогов, а из металлов. Стоили такие слуховые аппараты по тем временам баснословно дорого. В гробнице Тутанхамона был даже найден подобный «слуховой аппарат» сделанный из чистого золота.

Кстати, несмотря на свои глубокие познания в медицине, египетские врачи считали, что чем больше рупор – тем лучше усиливается звук. В результате, богатые египтяне старались заказать себе «слуховой аппарат» как можно большего размера. Это заблуждение просуществовало очень долго, поэтому на протяжении многих столетий обладание слуховыми аппаратами в виде большого рупора были исключительно привилегией знатных и богатых людей. Носить их с собой было крайне неудобно – прежде всего, из-за веса и размеров.

1 2