11/19/14
Néhány szó a hangról A nyomás oszcillálása
A hang egy 3D-s longitudinális hullám, amely rugalmas közegben terjed!
Hallás
Bódis Emőke 2014. november 19.
4. Intenzitás (I, W/m2) -‐ hallásküszöb: 10-‐12 W/m2 (mérve 1000 Hz-‐en) 13 nagyságrend -‐ maximális intenzitás (ami még rövid ideig, fájdalom nélkül kibírható): 10 W/m2 5. Rela7v intenzitás (n, dB) -‐ az intenzitásszint (n ), mely a relaPv intenzitások logaritmusának 10-‐szerese
n = 10⋅ lg
I I0
1. Időbeli periodicitás: Periódusidő (T, s) Frekvencia (f, Hz) 2. Térbeli periodicitás: Hullámhossz (λ, m)
Frekvenvia tartomány: 0-20 Hz: Infrahang 20 Hz -20 kHz: Hallható tartomány 20 kHz- : Ultrahang
3. Amplitudó
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:
(dB)
I 10-‐12 10-‐11 10-‐10 10-‐9 10-‐8 10-‐7 10-‐6 10-‐5 (W/m2) n (dB)
€
0
10
20
30
40
50
60
70
Alexander Graham Bell (1874-‐1922)
Egyenlő hangosságú görbék
A hang jellemzői
I. Hangosság II. A hang színezete III. A hang magassága
I. Hangosság -‐ Nem csak a hang intezitása! -‐ Magába foglalja a hang érzékelésének erősségét. -‐ A hang intenzitását módosítani kell a fül érzélkenységével az ado\ frekvenciára.
1
11/19/14
A hang jellemzői
A hang jellemzői
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 pszichoakkuszdkai tulajdonsága A hang azon tulajdonságait írja le, amelyek azonos hangosság és hangmagasság melle\ is különböző (hegedű, zongora, fuvola) 1. Színuszos hang a legegyszerűbb dszta hang
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 frekvenciakomponensek színuszos komponenseiből szintetizálható bármilyen időbeli függvény.
p(t) = pmax ⋅ sin(ωt + ϕ)
€
A hang jellemzői 3. Zaj: több eltérő frekvenciájú és intenzitású jel zavaró összessége.
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 megrezegted, 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.
Középfül
1. Malleus (kalapács) 2. Incus (üllő) 3. Stapes (kengyel)
A középfül fő feladata: Hangerősítés!
Ennél jobb fülünk nem is lehetne!
2
11/19/14
Középfül
Belső fül Egyensúlyszerv
Számoljuk ki a középfül-‐belsőfül határáról visszeverődő hang arányát! 2
- spirálisan feltekerede\ cső, 2.5 fordulat, 35 mm hossz - vízszerű anyaggal töltve - ovális ablak, kerek ablak
#Z − Z air & R = % water ( = 0.9989 = 99.89% $ Z water + Z air '
A hang 0.11%-‐a lépne be a belső fülbe.
Reflexiós koefficiens LEVEGŐ € Külső fül
LEVEGŐ Középfül 1.3x
VÍZ Belső fül x
pwater
pair ossicles Oval Window
Atymp = 55 mm2
Csiga
Az erősítés : 1. A kisebb területre koncentrálódó regés miatt: 17x ( Atymp tól Aoval-ig) 2. Emelőkar funkció miatt: 1.3x
Aoval = 3.2 mm2
Tympanic Membrane
Össz: 22x nyomás növekedés A hang 13.7% -a intenzitásnak képes a belső fülbe jutni.
Békésy-‐féle Hely Teória
Alaphártya (membrana basilaris) - laza, gel-‐szerű hártya - mechanikai stressz-‐ mentes - változó szélesség, magasság - fölö\e Cord szerv
A Cor^-‐szerv keresztmetszete
1. A hang stimulus felületi hullámot kelt, amely az ovális ablaktól a csiga tetejéig terjed. 2. A terjedési sebesség csökken (45 m/s2 m/s) a hártya növekvő szélességével és lazaságával. 3. A fázis-késéssel érkező hullámok utolérik az előzőt, az amplitudó megnő, majd hirtelen lecsökken.
Békésy György, Nobel Díj, 1961
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.
Cor^-‐ szerv
Szőrsejtek 12 000-20 000 sejt
Kb. 3500 sejt
Színezett pásztászó elektronmikroszpópos felvétel a külső szőrsejtek sztereociliumairól.
A belső szőrsejtek sztereociliumainak kötege látható.
3
11/19/14
Szőrsejtek
• Tip link: sztereociliumok vékony, rugalmas rostjai • Külső szőrsejtek: MT-‐val érintkeznek! • Belső szőrsejtek: nincs érintkezés a MT-‐hoz • Endolymha: K+-‐ban gazdag környezet
Szőrsejtek
Külső szőrsejtek A BM elmozdul a Békésy hullámok által. A szőrsejtek elmozdulnak. A TM elmozdul (elcsúszik), mechanikai nyíró erőt gyakorol a szőrsejtek sztereociliumain.
A BM elmozdulását érzékelik, K-csatornák kinyílnak, depolarizáció… Feszültségérzékeny motor fehérje: konformáció-változás
prestin,
A hosszváltozás okozta folyadékáramlás segít a belső szőrsejtek érzékelésében.
Longitudinalis hosszváltozás a hang rezgése alapján A külső szőrsejtek kapcsolódnak a TM-hoz, a nyíró erő következtéban megdőlnek.
A belső szőrsejtek sztereociliumai elhajlanak az endolympha folyadékáramlása következtéban. Mechanoelektromos Transzducer
A BM eredeti rezgését felerősíti: a sejt presztin-kontrakció által okozott saját rezgése REZONANCIÁT kelt, az erősítés több nagyságrendű
Külső szőrsejtek
Prestin: transzmembrán motorfehérje
Speciális motorfehérje: nem használ közvetlenül ATP-‐t a mozgatáshoz , hanem a membránpotenciál a tápellátás Konformáció-‐változás μs-‐os nagységrendű!!
4
11/19/14
Külső szőrsejtek
Belső szőrsejtek Mechanoelektromos Transzducer Rezonancia
A külső szőrsejtek által felerősíte\ rezgéseket az endolympha közvePtésével a belső szőrsejtek érzékelik és az afferens idegek továbbítják az infót az agy felé. Jell: -‐ éles frekvenciaszelektálás -‐ nagy érzékenység -‐ nem-‐lineáriserősítés: a kis intenzitású hangokat jobban erősíd, nagyokat kevésbé
See what happens to your stereocilia while you happily dance in a party!
5
