Taje lidského sluchu Markéta Kubánková, ČVUT v Praze, Fakulta biomedicínského inženýrství Sluch je jedním z pěti základních lidských smyslů. Zvuk je signál zprostředkovávající informace o okolním světě, tento signál je potřeba zachytit a zpracovat. Receptorem zvukového signálu je ucho, což je velmi složitý a citlivý orgán. Stavbu lidského ucha vidíte na Obr. 1. Ucho slouží k zachycení mechanického zvukového signálu a jeho převedení na elektrický signál (nervový vzruch), který je odveden ke zpracování do mozku. Pomocí uší můžeme nejen rozeznávat zvuky, ale i určovat směr a vzdálenost od jejich zdroje. Vnitřní ucho (část ucha za bubínkem) nám také umožňuje detekovat naší polohu a zrychlení. Obr. 1 Schéma lidského ucha Akustika je věda o fyzikálních dějích, které jsou spojeny se vznikem zvukového vlnění, s šířením zvuku a s jeho vnímání sluchem. Co je to vlastně zvuk? Zvuk je podélné mechanické vlnění hmotného prostředí. Je způsoben kmitavým pohybem molekul prostředí. Zdrojem zvuku je chvění pružných těles (např. blána reproduktoru, hlasivky atd.). Toto chvění se přenáší do prostředí a kmitající částice způsobují zvukové vlnění. Prostředí tedy musí obsahovat částice, které zvuk přenášejí od jeho zdroje dál (ve vakuu se tudíž logicky nemůže šířit). Zvuk se šíří prostředím libovolného skupenství. Ve vzduchu dochází při šíření zvuku k periodickému stlačování a rozpínání vzduchu, což se projeví periodickými změnami tlaku vzduchu. Rychlost zvuku ve vzduchu je přibližně 340 m/s.
V kapalinách a pevných látkách je rychlost zvuku větší než ve vzduchu, zvuk se dobře šíří např. ve skle, betonu, oceli. Lidské vnímání zvuku je závislé na jeho intenzitě a frekvenci. Hladina intenzity zvuku vyjadřuje sílu subjektivního vjemu zvuku jeho hlasitosti. Udává se v decibelech (db). Frekvence (nebo také kmitočet) obecně udává počet opakování periodického děje za jednotku času. Jednotkou je Hertz (Hz), což je sekunda na mínus prvou. U zvuku tedy frekvence udává, kolikrát za vteřinu musí zdroj kmitnout, aby vznikl zvuk o dané výšce. Je to počet vln vzniklých za sekundu. Vysoké zvuky mají vysokou frekvenci, nízké zvuky naopak. Zvuky dělíme do dvou skupin: tóny a hluky. Tón je hudební zvuk a jeho grafem závislosti hlasitosti na čase je periodická funkce. Hluk je zvuk, jehož grafem není periodická funkce, je to například šum a praskání. Mezi hluky řadíme i souhlásky lidské řeči. Mezi tóny patří např. samohlásky lidské řeči nebo zvuky hudebních nástrojů. Tóny dále dělíme na jednoduché a složené. Jednoduché tóny mají harmonický průběh (tzn. jejich grafem závislosti intenzity na čase je funkce sinus), zatímco složené tóny obsahují kromě základní frekvence i tzv. vyšší harmonické frekvence, takže jejich grafem není sinusoida. Základní frekvence určuje výšku složeného tónu, vyšší harmonické frekvence určuje jejich specifické zabarvení. Lidské ucho vnímá složený tón jako jeden tón. a b Graf 1 Graf závislosti intenzity na čase pro tón a) jednoduchý b) složený Pozn. Na stránce http://www.falstad.com/mathphysics.html naleznete Java applety, které lze ukázat studentům. Applet Fourier Series Applet znázorňuje, jak se signál (včetně akustického) může skládat z různých funkcí o různých frekvencích. U appletu lze spustit i zvuk. Vowels Applet zase ukazuje, jaké frekvence jsou obsaženy při mluvě u různých samohlásek.
Úkoly 1) Měření minimálních a maximálních slyšených frekvencí a zkoumání závislosti rozsahu slyšených frekvencí na různých faktorech Pomocí přichystaného počítačového generátoru frekvencí (tónů) zjistěte, jaký rozsah frekvencí jste schopni slyšet. Porovnejte s ostatními studenty a navrhněte příčiny rozdílů. Znáte frekvenční rozsahy jiných živočichů? Co to je infrazvuk a ultrazvuk?
2) Měření citlivosti ucha v závislosti na poloze zdroje zvuku Umísťujte zdroj zvuku (např. tikající hodinky) do různých vzdáleností a směrů od ucha a hledejte práh slyšitelnosti. Naměřené hodnoty zpracujte formou diagramu. Měření citlivosti ucha v závislosti na vzdálenosti od ucha probíhá po přímce, která teoreticky spojuje uši zkoumané osoby. Začne se cca 10 cm od ucha a postupuje se směrem dál od ucha, dokud zdroj zvuku nepřestane slyšet, tato vzdálenost se změří. To samé se opakuje pro druhé ucho. Měření citlivosti ucha v závislosti na úhlu od zdroje probíhá na kružnici v jednotné vzdálenosti od měřené osoby (např. 1 metr). Volíme interval, po kolika stupních chceme měřit, vhodné je např. zvolit 30 stupňů. Pozn. Měření můžou studenti udělat i podruhé, s tím že si před druhým měřením žák vyčistí uši čistící tyčinkou. Rozdíl je často výrazný. Experimentovat se může i se zacpáním jednoho ucha pomocí špuntů do uší. Můžete použít zdroje o různých frekvencích a zjišťovat, pro které frekvence je lidské ucho nejcitlivější tzn. zkoumat, které frekvence člověk slyší z největší vzdálenosti. Mělo by to být v pásmu frekvencí řeči. Platí, že vysoké frekvence jsou více tlumeny vzduchem, takže je slyšíme hůře. Zpracování měření citlivosti ucha v závislosti na úhlu od zdroje: formou polárního grafu, středem je měřená osoba a okolo tohoto bodu se do kružnice zanáší vzdálenosti, na kterých měřená osoba začala slyšet zdroj zvuku. Graf lze udělat ručně nebo v programu Microsoft Excel polární graf. 3) Schopnost zpracování akustického signálu (hudební sluch) Zjistěte: - kolik procent spolužáků je schopno stanovit, který ze dvou tónů je vyšší - kolik procent je schopno stanovit interval mezi dvěma tóny - kolik procent je schopno stanovit absolutní výšku tónu - "rozlišení" lidského ucha, tedy minimální rozdíl výšek dvou tónů, který jsou různí lidé ještě schopni rozlišit Pozn. opět využijete program NCH Tone Generator. Testovaná osoba samozřejmě nesmí na program vidět. U stanovování intervalů využíváme např. tóny C4 a E4, F4, G4. U rozlišení lidského ucha je optimální mít dva počítače, na jednom je pevně daný určitý tón a na druhém hýbe experimentátor s frekvencí, dokud mu testovaná osoba neřekne, že jsou tóny stejné. Tóny samozřejmě nesmí znít na obou počítačích najednou, musí se střídat.
4) Zkoumání vlivu akustických signálů na fyziologické funkce těla Prozkoumejte vliv různých typů hudby na tepovou frekvenci a vliv hudby na paměť. a) Tepová frekvence: Nejlepší je provádět měření v klidu vsedě nebo vleže a se sluchátkami. Experimentátor pouští hudbu, nejprve klasickou a posléze něco tvrdšího typu heavy metal. Je velmi důležité nechat pokusnou osobu chvíli (2 minuty) uklidnit již s nasazenými sluchátkami a nerozptylovat ji žádnými zvuky ani jinými podněty, aby se tepová frekvence ustálila. Poté experimentátor změří pokusné osobě tep buď pomocí přístroje, nebo ručním měřením tepu na tepně před zápěstím (počet tepů za 1 minutu). Následuje další měření s jiným žánrem hudby. b) Paměť: Skupině testovaných lidí se předloží sada slov (např. na tabuli), kterou se snaží po dobu jedné nebo dvou minut zapamatovat. Poté se slova zakryjí a po další minutě musí všichni na papíry napsat co nejvíc slov, co si pamatují. To samé se opakuje po nějaké době s druhou sadou slov a s tím, že se během pokusu pouští rozumně hlasitá hudba. Poté se počítají zapamatovaná slova u každé osoby pro první a druhý pokus a zkoumá se, zda testovaní byli více schopni si slova pamatovat s hudbou či bez hudby.