Физические и физиологические характеристики звука

Размещено на http://www.allbest.ru/

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

ФИЗИЧЕСКИЕ И ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗВУКА

Физические и физиологические характеристики звука. Диаграмма слышимости. Уровень интенсивности и уровень громкости звука, единицы их измерения.

Физические характеристики акустических и, в частности, звуковых волн имеют объективный характер и могут быть измерены соответствующими приборами в стандартных единицах. Возникающее под действием звуковых волн слуховое ощущение субъективно, однако, его особенности во многом определяются параметрами физического воздействия.

Интенсивность звука I. как уже отмечалось ранее, представляет собой энергию звуковой волны, попадающей на площадку единичной площади за единицу времени, и измеряется в Вт/м2. Эта физическая характеристика определяет уровень слухового ощущения. который называется громкостью, являющейся субъективным физиологическим параметром. Связь между интенсивностью и громкостью не является прямо пропорциональной. Пока отметим только, что с увеличением интенсивности возрастает и ощущение громкости. Количественную оценку громкости можно выполнить, сравнивая слуховые ощущения, обусловленные звуковыми волнами от источников с различной интенсивностью.

При распространении звука в среде возникает некоторое добавочное давление, перемещающееся от источника звука к приемнику. Величина этого звукового давления Р также представляет физическую характеристику звука и среды его распространения. Она связана с интенсивностью соотношением

Частота звуковых гармонических колебаний определяет ту сторону звукового ощущения, которую называют высотой звука. Если звуковые колебания периодичны, но не подчиняются гармоническому закону, то высота звука оценивается ухом по частоте основного тона (первая гармоническая составляющая в ряду Фурье), период которого совпадает с периодом сложного звукового воздействия.

Слуховые ощущения формируются лишь в том случае, когда интенсивность звуковых волн превышает некоторое минимальное значение, называемое порогом слышимости. Для различных частот звукового диапазона этот порог имеет различные значения, т.е. слуховой аппарат обладает спектральной чувствительностью.

Спектральный состав звуковых колебаний определяется числом гармонических составляющих и соотношением их амплитуд, и характеризует тембр звука. Тембр, как физиологическая характеристика слухового ощущения, в некоторой степени зависит также от скорости нарастания и изменчивости звука.

С увеличением интенсивности звука, естественно, возрастает и ощущение громкости. Однако, звуковые волны с интенсивностью порядка 1-10 Вт/м2 вызывают ощущение боли. Значение интенсивности, при превышении которого возникает боль, называется порогом болевого ощущения. Как и порог слышимости, он тоже зависит от частоты звука, хотя и в меньшей степени. Область интенсивностей звука, заключенная между болевым порогом и порогом слышимости соответствующая частотному диапазону 16-20000 Гц. называется областью слышимости.

Количественная связь между ними устанавливается на основе закона Вебера-Фехнера. связывающего степень ощущения и интенсивность вызвавшего его раздражителя: ощущение растет в арифметической прогрессии, если интенсивность раздражителя увеличивается в геометрической прогрессии Другими словами: физиологическая реакция (в рассматриваемом случае громкость) на раздражитель (интенсивность звука) не прямо пропорциональна интенсивности раздражителя, а возрастает с ее увеличением существенно слабее -- пропорционально логарифму интенсивности раздражителя.

Для установления количественной связи между интенсивностью и громкостью звука введем уровень интенсивности звука (L) - величину, пропорциональную десятичному логарифму отношения интенсивности звука

Коэффициент п в формуле определяет единицу измерения уровня интенсивности звука. Обычно принимают п=10, тогда величина L измеряется в децибелах (дБ). На пороге слышимости (/ = 1о) уровень интенсивности звука I=0, а на пороге болевого ощущения (I = 10 Вт/м2) -- L = 130 дБ. Если, например, интенсивность звука составляет 10^-7 Вт/м2 (что соответствует нормальному разговору), то из формулы следует, что уровень его интенсивности составляет 50 дБ.

Уровень громкости звука (часто его называют просто громкостью) Е связан с уровнем интенсивности Ј соотношением:

Е = kL,

где к - некоторый коэффициент пропорциональности, зависящий от частоты и интенсивности звука.

Однако, из-за зависимости порога слышимости от частоты уровень громкости также изменяется с частотой. Например, звук с уровнем интенсивности 20 дБ и частотой 1000 Гц будет восприниматься существенно более громким, чем звук с тем же уровнем интенсивности, но частотой 100 Гц. Одинаковый уровень громкости на этих частотах будет достигнут, если для 1000 Гц уровень интенсивности составляет 20 дБ. а для 100 Гц --50 дБ. По этим причинам для измерения уровня громкости вводится особая единица, называемая фоном.

Для частоты 1000 Гц считается, что уровень интенсивности в децибелах и уровень громкости в фонах совпадают . При других частотах из области слышимости для перехода от децибел к фонам необходимо вводить соответствующие поправки. Этот переход можно осуществить с помощью кривых равной громкости.

Активный транспорт ионов через биомембрану. Виды ионных насосов. Принцип работы натрий-калиевого насоса.

Одним из основных свойств нервной клетки является наличие постоянной электрической поляризации ее мембраны - мембранного потенциала. Мембранный потенциал поддерживается на мембране до тех пор, пока клетка жива, и исчезает только с ее гибелью. 

Причина возникновения мембранного потенциала:

1. Потенциал покоя возникает прежде всего в связи с асимметричным распределением калия (ионная асимметрия) по обе стороны мембраны. Так как концентрация его в клетке примерно в 30 раз выше, чем во внеклеточной среде, существует трансмембранный концентрационный градиент, способствующий диффузии калия из клетки. Выход каждого положительного иона калия из клетки приводит к тому, что в ней остается несбалансированный отрицательный заряд (органические анионы). Эти заряды и обуславливают отрицательный потенциал внутри клетки.

2. Ионная асимметрия является нарушением термодинамического равновесия, и ионы калия должны были бы постепенно выходить из клетки, а ионы натрия - входить в нее. Чтобы сохранить такое нарушение, необходима энергия, расходование которой противодействовало бы тепловому выравниванию концентрации.

Т.к. ионная асимметрия связана с живым состояние и исчезает со смертью, это говорить о том, что эта энергия поставляется самим жизненным процессом, т.е. обменом веществ. Значительная часть энергии обмена веществ тратится на то, чтобы поддержать неравномерное распределение ионов между цитоплазмой и средой.

Активный транспорт ионов/ионный насос - механизм, который может переносить ионы из клетки или внутрь клетки против концентрационных градиентов (локализован в поверхностной мембране клетки и представляет собой комплекс ферментов, использующих для переноса энергию, освобождающуюся при гидролизе АТФ).

Асимметрия ионов хлора тоже может поддерживаться процессом активного транспорта.

Неравномерное распределение ионов приводит к появлению концентрационных градиентов между цитоплазмой клетки и наружной средой: калиевый градиент направлен изнутри наружу, а натриевый и хлорный - снаружи внутрь.

Мембрана не является совершенно непроницаемой и способна в определенной степени пропускать через себя ионы. Эта способность неодинакова для различных ионов в покоящемся состоянии клетки - она значительно выше для ионов калия, чем для ионов натрия. Поэтому основным ионом, который в покое может в определенной мере диффундировать через клеточную мембрану, является ион калия.

В такой ситуации наличие калиевого градиента будет приводить к небольшому, но ощутимому потоку ионов калия из клетки наружу.

 В покое постоянная электрическая поляризация клеточной мембраны создается в основном за счет диффузионного тока ионов калия через клеточную мембрану.

Первично-активный транспорт

Действие пассивного транспорта через мембрану, в ходе которого ионы перемещаются по их электрохимическому градиенту, должно быть сбалансировано их активным транспортом против соответствующих градиентов. В противном случае, ионные градиенты исчезли бы полностью, и концентрации ионов по обе стороны мембраны пришли бы в равновесие. Это действительно происходит, когда активный транспорт через мембрану блокируют охлаждением или путём использования некоторых ядов. Существует несколько систем активного транспорта ионов в плазматической мембране (ионные насосы):

1) Натрий-калиевый насос

2) Кальциевый насос

3) Водородный насос.

Натрий-калиевый насос существует в плазматических мембранах всех животных и растительных клеток. Он выкачивает ионы натрия из клеток и загнетает в клетки ионы калия. В результате концентрация калия в клетках существенно превышает концентрацию ионов натрия. Натрий-калиевый насос - один из интегральных белков мембраны. Он обладает энзимными свойствами и способен гидролизовать аденозинтрифосфорную кислоту (АТФ), являющуюся основным источником и хранилищем энергии метаболизма в клетке. Благодаря этому указанный интегральный белок называется натрий-калийиевой АТФазой. Молекула ATФ распадается на молекулу аденозиндифосфорной кислоты (АДФ) и неорганический фосфат.

Таким образом, натрий-калиевый насос выполняет трансмембранный антипорт ионов натрия и калия. Молекула насоса существует в двух основных конформациях, взаимное преобразование которых стимулируется гидролизом ATФ. Эти конформации выполняют функции переносчиков натрия и калия. При расщеплении натрий-калиевой АТФазой молекулы ATФ, неорганический фосфат присоединяется к белку. В этом состоянии натрий-калиевая АТФаза связывает три иона натрия, которые выкачиваются из клетки. Затем молекула неорганического фосфата отсоединяется от насоса-белка, и насос превращается в переносчик калия. В результате два иона калия попадают в клетку. Таким образом, при расщеплении каждой молекулы ATФ, выкачиваются три иона натрия из клетки и два иона калия закачиваются в клетку. Один натрий-калиевый насос может перенести через мембрану 150- 600 ионов натрия в секунду. Следствием его работы является поддержание трансмембранных градиентов натрия и калия.

Через мембраны некоторых клеток животного (например, мышечных) осуществляется первично-активный транспорт ионов кальция из клетки (кальциевый насос), что приводит к наличию трансмембранного градиента указанных ионов.

Водородный ионный насос действует в мембране бактериальных клеток и в митохондриях, а также в клетках желудка, перемещающего водородные ионы из крови в его полость.

Вторично-активный транспорт

Существуют системы транспорта через мембраны, которые переносят вещества из области их низкой концентрации в область высокой концентрации без непосредственного расхода энергии метаболизма клетки (как в случае первично-активного транспорта). Такой вид транспорта называется вторично- активным транспортом. Вторично-активный транспорт некоторого вещества возможен только тогда, когда он связан с транспортом другого вещества по его концентрационному или электрохимическому градиенту. Это симпортный или антипортный перенос веществ. При симпорте двух веществ ион и другая молекула (или ион) связываются одновременно с одним переносчиком прежде, чем произойдёт конформационное изменение этого переносчика. Так как ведущее вещество перемещается по градиенту концентрации или электрохимическому градиенту, управляемое вещество вынуждено перемещаться против своего градиента. Ионы натрия являются обычно ведущими веществами в системах симпорта клеток животного. Высокий электрохимический градиент этих ионов создаётся натрий-калиевым насосом. Управляемыми веществами являются сахара, аминокислоты и некоторые другие ионы. Например, при всасывании питательных веществ в желудочно-кишечном тракте глюкоза и аминокислоты поступают из клеток тонкой кишки в кровь путём симпорта с ионами натрия. После фильтрации первичной мочи в почечных гломерулах, эти вещества возвращаются в кровь той же системой вторично-активного транспорта.

В чем сущность гамма-хронографии и гамма-топографии? Сопоставьте диагностическую информацию, получаемую этими методами радионуклидной диагностики.

Изучая же характер пространственного распределения, мы приобретаем сведения о стуктурно-топографических особенностях той или иной части тела, органа или системы. Поэтому по своим функциональным свойствам радиофармацевтические приборы могут быть разделены на физиологически тропные и инертные. Из чего следует, что первые являются оптимальным средством для проведения структурно - топографических исследований, каждое из которых проводится, начиная с момента установления более или менее стабильного распределения РФП в исследуемом органе или системе. Вторые, которые часто называют индикаторами ” транзита ”, используются главным образом для исследования методами гамма - хронографии.

Гамма-хронография - в гаммакамере определяется динамика радиоактивности в виде кривых (гепаторадиография, радиоренография).

Термин «визуализация» образован от английского слова vision (зрение). Им обозначают получение изображения. Радионуклидная визуализация -- создание картины пространственного распределения в органах РФП, введенного в организм (гамма-топография). Для визуализации распределенного в организме РФП в современных радиологических центрах и лабораториях применяют 4 радиодиагностических прибора: сканер, гамма-камеру, однофотонный эмиссионный томограф и двухфотонный

Для обнаружения распределения радионуклидов в разных органах тела используют гамма-топограф (сцинтиграф), который автоматически регистрирует распределение интенсивности радиоактивного препарата. Гамма-топограф представляет собой сканирующий счетчик, который постепенно проходит большие участки над телом больного. Регистрация излучения фиксируется, например, штриховой отметкой на бумаге. На рис. 1, а схематически показан путь счетчика, а на рис. 2, б -- регистрационная карта.

Методики, которые позволяют оценить главным образом состояние функции органа или систем относятся к методикам динамического радионуклидного исследования и носят название - радиометрия, радиография или гамма - хронография

Методики, основанные на принципе определения функции отдельных органов и систем путем получения записи кривой получили следующее название

радиокардиография или гамма - хронография сердца

радиоэнцефалография или гамма - хронография черепа

радиоренография или гамма - хронография почек

радиогепатография или гамма - хронография печени

радиопульмонография или гамма - хронография легких

Методики, которые позволяют получить представление об анатомо-топографическом состоянии внутренних органов и систем относятся к статическим радионуклидным исследованиям и носят название - гамма-топография или сканирование, сцинтиграфия Исследования при статических исследованиях выполняют на сканерах (сканирование) или на гамма - камерах (сцинтиграфия), которые имеют примерно равные технические возможности в оценке анатомо-топографического состояния внутренних органов, однако сцинтиграфия имеет определенные преимущества Сцинтиграфия выполняется более быстро. Сцинтиграфия дает возможность совмещать статические и динамические исследования

Дайте определение явлению аккомодации глаза. Укажите механизм реализации этого явления. Проиллюстрируйте необходимость аккомодации построением изображения равноудаленных от глаза предметов.

Аккомодация - это механизм, позволяющий нам фокусироваться на предмете, независимо от его расстояния до нашего глаза

Сначала анатомия. Ресничная мышца залегающая в ресничном теле, состоит из трех самостоятельных групп мышечных волокон (их даже называют отдельными мышцами): радиальные волокна (от хрусталика к наружной оболочке глаза), циркулярные (вот эти - кольцом как удав) и меридиональные (под самой склерой вдоль меридианов глаза, если считать, что полюсы на глазном яблоке - впереди и сзади). Мышечные волокна сами не прикрепляются к хрусталику, они находятся в толще ресничного тела. Но от ресничного тела к центру, к капсуле хрусталика идут так называемые Цинновы связки. Вся картина напоминает колесо велосипеда, где шина - ресничная мышца, обод - ресничное тело, спицы - Цинновы связки, а ось - хрусталик. Теория аккомодации Гельмгольца : двигательную иннервацию ресничная мышца получает от вегетативной нервной системы, поэтому акт аккомодации приказам коры головного мозга не подчиняется. Мы не можем просто напрячь ресничную мышцу, как могли бы просто поднять руку. Для включения механизма аккомодации нужно перевести взгляд на ближе лежащий предмет. От него в глаз идет расходящийся пучок лучей, для преломления которого оптической силы глаза уже мало, фокус изображения получается за сетчаткой, а на сетчатке появляется расфокусировка. Вот эта расфокусировка изображения воспринятая мозгом, является импульсом к включению механизма аккомодации. Нервный импульс (приказ) бежит по глазодвигательному нерву (в его составе есть парасимпатические вегетативные волокна) к ресничной мышце, мышца сокращается (сжимается кольцо удава), натяжение Цинновых связок уменьшается, они перестают растягивать капсулу хрусталика. А хрусталик - это эластичный шарик, который только натяжением капсулы удерживается в сплющенном состоянии. Как только натяжение капсулы уменьшается, хрусталик становится более выпуклым, преломляющая способность его увеличивается, рефракция глаза усиливается, и фокус изображения близлежащего предмета возвращается на сетчатку. Если теперь перевести взгляд опять вдаль, фокус изображения возвращается на сетчатку, информации о расфокусировке нет, нервного импульса нет, ресничная мышца расслабляется, натяжение Цинновых связок усиливается, они растягивают капсулу хрусталика, и хрусталик становится опять плоским. Таким образом, по Гельмгольцу имеют место следующие положения:

1. механизм аккомодации состоит из двух составляющих: напряжения аккомодации (активный процесс) и расслабления аккомодации (пассивный процесс). звук гармонический колебание визуализация

2. напряжение аккомодации может передвигать фокус только вперед, при расслаблении аккомодации он сам перемещается назад.

3. глаз может сам за счет силы ресничной мышцы компенсировать небольшие степени дальнозоркости - ресничная мышца все время в небольшом напряжении, это называется «привычный тонус аккомодации». Именно поэтому в молодом возрасте бывает скрытая дальнозоркость, которая вылезает со временем. Поэтому одни люди до старости видят вдаль хорошо, а другим с возрастом требуются положительные очки для дали - скрытая дальнозоркость проявилась.

4. близорукость глаз скомпенсировать не может, потому что напряжением аккомодации невозможно передвинуть фокус назад. Поэтому даже слабые степени близорукости проявляются снижением зрения вдаль, поэтому скрытой близорукости не бывает.

Объем аккомодации - это величина в диоптриях, на которую хрусталик способен менять свою оптическую силу. Длина аккомодации - это часть пространства (в метрах или сантиметрах), в пределах которой работает аккомодация, то есть в пределах которой мы можем четко видеть предметы. Длина аккомодации характеризуется положением двух точек - ближайшей точки ясного зрения и дальнейшей точки ясного зрения. Расстояние между ними - это и есть длина аккомодации. Соответственно, на ближайшую точку ясного зрения мы смотрим при максимальном напряжении аккомодации, а на дальнейшую точку - при полном покое аккомодации. Мы выделяем аккомодацию каждым глазом отдельно (это абсолютная аккомодация) и двумя глазами вместе (относительная аккомодация). В оптометрии принято абсолютную аккомодацию характеризовать положением дальнейшей и ближайшей точек ясного зрения, а относительную аккомодацию - объемом.

У эмметропов длина аккомодации - это все пространство, кроме нескольких сантиметров перед самым глазом (ближе, чем ближайшая точка ясного зрения). Соответственно высок объем аккомодации. Ресничная мышца у них натренированная.

Если дальнейшая точка ясного зрения ближе 5 метров - это близорукость, степенью которой будет величина, обратная дальнейшей точке ясного зрения. Например, при отодвигании от глаза текст начинает расплываться в 50 см, значит имеет место близорукость в 2 Д (100 см поделим на 50 см в системе СГС и 1 поделим на 0,5 в системе СИ). Если текст расплывается в 25 см от глаз - близорукость в 4 Д. У близоруких длина аккомодации намного меньше, чем у эмметропов - это область между дальнейшей и ближайшей точками ясного зрения. Заметьте, что все-таки есть лучи, которые фокусируются на сетчатке, значит, острота зрения у малышей с близорукостью все равно будет развиваться. Вблизи они видят хорошо сами, а вдаль смогут хорошо видеть с помощью очков. Соответственно, объем аккомодации у близоруких людей снижен относительно эмметропов. И это понятно. Допустим, ближайшая точка ясного зрения 10 см перед глазом. У эмметропа объем аккомодации - это размах взгляда из бесконечности до 10 см перед глазом. А у миопа - всего лишь от расстояния ближе 5 м до этих самых 10 см перед глазом. Чем больше близорукость, тем меньше объем аккомодации. Миопам просто не приходится тренировать свою ресничную мышцу, они и без ее напряжения видят вблизи хорошо. Поэтому при близорукости изначально мы имеем слабость аккомодации.

С дальнозоркостью сложнее всего. Дальнейшая точка ясного зрения у дальнозорких мнимая, она находится за глазом и практически совпадает с фокусом глаза (напомню, у дальнозорких он позади сетчатки). Это означает, что в природе нет таких лучей, которые сами фокусируются на сетчатке глаза, их можно получить только напряжением аккомодации или собирающими линзами. Отсюда важный вывод: если степень дальнозоркости выходит за пределы возможностей аккомодации, острота зрения развиваться у ребенка не сможет, просто не будет опыта четкого видения. После 12 лет у таких детей развить остроту зрения практически невозможно. Значит, на ребенка с высокой дальнозоркостью очки нужно надевать как можно раньше, чтобы дать возможность развивать остроту зрения. Объем аккомодации у дальнозорких обычно намного выше, чем у эмметропов. У них ресничная мышца как следует накачана, потому что даже при зрении вдаль, когда у эмметропов она отдыхает, у дальнозорких эта мышца работает. При перегрузке ресничной мышцы у дальнозорких начинает отдаляться от глаз ближайшая точка ясного зрения. Помочь здесь можно двумя способами: назначить очки для постоянного ношения, чтобы снять с мышцы излишнюю нагрузку (в этих очках ресничная мышца будет напрягаться вблизи в физиологических условиях, как у эмметропов) или дать очки только для чтения, чтобы облегчить чрезмерные нагрузки. Детям больше подходит первый способ, взрослым, у которых уже сформировался привычный тонус аккомодации - больше нравится второй. Относительную аккомодацию принято всегда характеризовать объемом. И измеряют ее в диоптриях - с помощью пробных линз из набора. В относительной аккомодации выделяют две части: положительную и отрицательную. Отрицательная часть - эта та аккомодация, которую мы затратили, чтобы четко увидеть какой-либо предмет, ее мы определяем методом нейтрализации положительными стеклами: смотрим на какой-нибудь предмет и приставляем к глазам положительные стекла, усиливая их до тех пор, пока предмет не начнет расплываться. Сила стекол, при которых предмет еще виден четко, покажет объем затраченной аккомодации. Положительная часть - это запас аккомодации, то есть та величина, на которую ресничная мышца еще способна сократиться, другими словами, резерв. Определяют ее аналогично отрицательной части, только приставляют к глазам отрицательные линзы.

Для четкого получения изображения предмета АВ, хрусталик изменит свое

фокусное расстояние (оптичекую силу)

5. Задача. Оцените гидравлическое сопротивление сосуда, если при расходе крови в 0,2 л/мин разность давлений на его концах составляет 3 мм рт.ст.

Размещено на Allbest.ru