Fundamentele acustice ale examinarilor functiei auditive

Obiective

Cunoasterea naturii fizice a stimulilor auditivi;

Precizarea tipurilor de senzatii auditive;

Descrierea unitatilor de masura utilizate in audiologia educationala.

Cuvinte cheie:

Unda sonora, frecventa, lungime de unda, formanta, spectru acustic, armonice, tonuri, zgomote.

Intrucat examinarile functiei auditive, in special cele obiective, dar si unele dintre cele care fac parte din categoria examinarilor subiective cum este cazul celor audiometrice, necesita utilizarea unei aparaturi adecvate. De asemenea, este absolut necesar apelul la o serie de concepte de fizica acustica pentru exprimarea si interpretarea rezultatelor. De la un tip de examinare la altul se pune problema parametrilor acustici care sunt investigati precum si a modalitatilor de relationare a marimilor fizice propriu-zise cu marimile perceptiilor acustice. Aceasta necesitate nu decurge doar din necesitatile evaluarii ci se regaseste in demersul protezarii precum si in planificarea si desfasurarea antrenamentelor auditive unde sunt necesare datele de fizica si fonetica acustica. In cele ce urmeaza vom incerca sa relationam cele doua categorii de date la care ne‑am referit (cele obiective si cele subiective), aratand care sunt principalele concepte cu care se opereaza si, in concluzie, care este fundamentul acustic al acestui domeniu de granita al surdologiei, evaluarea functiei auditive.

Sunetul - stimul auditiv

1.1. Undele sonore

Sunetul se transmite sub forma de unde sonore prin mediul inconjurator. Energia initiala a sursei sonore determina moleculele din aer din preajma sursei sonore sa se miste impreuna si sa se comprime, aceasta compresiune este transmisa moleculelor vecine si tot asa, mai departe. Benzile de molecule comprimate se alterneaza cu benzile de rarefiere a moleculelor, rezultand un pattern in care comprimarea alterneaza cu rarefierea.

Exista mai multe tipuri de unde. In cazul undelor transversale, miscarea moleculara este perpendiculara pe directia de deplasare a undei, directia de propagare a undei este perpendiculara pe directia de vibratie a particulelor. Undele longitudinale reprezinta un tip de unda, mai important in intelegerea sunetului, in care moleculele de aer se deplaseaza de-a lungul aceleiasi axe ca si unda sonora ce rezulta in urma aplicarii unei forte (B. Fraser, 1995), directia de propagare a undei coincide deci cu distanta de oscilatie.

Oscilatia reprezinta deplasarea unui corp inainte si inapoi. Un ciclu al vibratiei sau o oscilatie incepe in orice punct al undei si se incheie in punctul identic pe urmatoarea unda. Aceste unde sunt denumite sinusoidale. Cand un corp oscileaza pe o anumita frecventa, sunetul produs se numeste ton pur.

Numarul complet de sinusoide ce apar intr-o secunda constituie frecventa undei. Compresia unei unde sinusoidale este reprezentata de extensia curbei in sus, iar rarefierea, de extensia curbei in jos (B. Tillery, 1993).

1.2. Frecventa

Daca sursa sonora vibreaza rapid sau cu o frecventa mare, undele sonore transmise prin aer vor fi mai apropiate decat daca sursa sonora vibreaza lent sau cu o frecventa joasa. Daca rata vibratiilor este rapida, sunetul va fi perceput ca avand o inaltime mai mare decat in cazul in care rata vibratiilor este lenta. Totusi inaltimea este o senzatie subiectiva, dependenta de frecventa (Sound and Hearing, 1995).

In momentul in care este lovit diapazonul, acesta se misca din pozitia de repaus pana intr‑un punct maxim. Anumite forte determina diapazonul sa revina la pozitia initiala, dar energia primului contact este atat de puternica incat, datorita inertiei, el depaseste punctul de repaus dar in directia opusa, dupa care incearca sa revina la pozitia de echilibru, continuand astfel pana cand energia initiala este consumata (B. Fraser, 1995).

Miscarile diapazonului pot fi dispuse pe un grafic cu doua axe, axa verticala reprezentand miscarea, iar cea orizontala, timpul. Se obtine o unda de forma regulata.

Miscarea de la pozitia de repaus spre punctul maxim atins in ambele directii si inapoi la pozitia initiala reprezinta un ciclu. Numarul de ciclii ce apar intr-o unitate anumita de timp (de obicei secunda) reprezinta unitatea de masura a frecventei unui sunet. Daca in trecut frecventa era exprimata in ciclii/secunda (cps) azi ea se exprima in Hertzi (Hz); 100cps=100Hz (B. Fraser, 1995).

Cu cat numarul ciclilor pe secunda este mai mare, cu atat mai inalta este frecventa. Cu alte cuvinte rata vibratiilor este cea care determina frecventa si in consecinta se numeste perioada. Relatia dintre ele poate fi exprimata prin formula: perioada=1/frecventa.

Urechea umana poate percepe sunete cu frecventa intre 20Hz‑20kHz. Mai bine percepute sunt sunetele ce se afla intre 100 Hz si 8 kHz, sunetele vorbirii incadrandu-se in acest interval. Intervalele de frecventa sunt denumite octave sau decade. Ambele exprima relatia intre doua frecvente. Daca una dintre frecvente este dublul celeilalte atunci intervalul dintre ele este denumit octava (100-200Hz). O decada reprezinta un interval in care frecventa cea mai inalta este de 10 ori mai mare decat frecventa cea mai joasa (200-2000Hz) (B. Fraser, 1995).

1.3. Viteza sunetului

Viteza sunetului este data de rapiditatea cu care acesta se deplaseaza de la sursa sonora la un alt punct. In cele mai multe cazuri viteza sunetului fluctueaza, astfel incat se calculeaza viteza medie, folosindu-se formula clasica: v = d/t.

Cand sunetul se propaga de la sursa, energia sonora se va imprastia pe o suprafata tot mai mare, astfel incat presiunea sunetului va descreste. In camp liber, unde nu exista obiecte care sa se interpuna in calea sunetului, presiunea sunetului scade cu 6 dB la fiecare dublare a distantei fata de sursa. Aceasta relatie poarta numele de legea distantei. Daca sursa sonora se afla intr-o camera, presiunea sunetului va respecta aceasta lege numai daca este foarte aproape de sursa; la o distanta intre 0,4 si 2 m, influenta sunetului reflectat de pereti, podea sau tavan devine importanta. Cu alte cuvinte, presiunea sunetului, masurata intr‑o camera la o anumita distanta fata de sursa, tinde sa atinga un nivel constant, indiferent de distanta fata de sursa. Langa pereti, nivelul sunetului poate sa fie chiar mai puternic decat intr-un alt punct considerat a fi mult mai aproape de sursa (Sound and Hearing, 1995).

Undele sonore calatoresc prin aer cu o viteza de aproximativ 340 m/sec. Aceasta viteza este relativ mica daca este comparata cu viteza altor unde. Aceste diferente au implicatii asupra perceptiei si producerii vorbirii cat si asupra design-ului protezelor auditive.

1.4. Lungimea de unda

Lungimea de unda poate fi definita ca distanta dintre doua compresii sau rarefieri succesive ale aerului; sau distanta dintre doua puncte succesive care oscileaza in faza; sau ca distanta de propagare a vibratiilor in cursul unei perioade. Ea se masoara din orice punct al sinusoidei pana in acelasi punct al ciclului urmator. Formula de calcul este urmatoarea:

λ = lungimea de unda

λ=v/g v = viteza sunetului

g = frecventa

Lungimea de unda a sunetului (μ), se exprima in m, cm, mm. Viteza sunetului difera in functie de mediul in care se propaga si in functie de caracteristicile acestuia. Exemplu: in aer, la 16°C valoarea acestui parametru este V = 340 m/s la 100°C V = 386,5 m/s viteza creste aproximativ cu temperatura.

Viteza creste cu umiditatea, nu depinde de presiunea atmosferica sau de calitatile sunetului: inaltime, intensitate, frecventa.

Pe masura ce frecventa creste, lungimea de unda scade (Tillery, 1993).

1.5. Intensitatea

Distanta la care corpul se deplaseaza fata de punctul de repaus este denumita amplitudine. Daca se aplica o forta mai mare particulelor de aer ele se vor deplasa la o distanta mai mare fata de punctul de repaus, determinand marirea compresiilor si rarefierilor, si in consecinta va rezulta si o crestere a amplitudinii (B. Fraser. 1995).

O unda sonora transporta in directia propagarii sale o anumita cantitate de energie, care este proportionala cu patratul vibratiei amplificarii sau a presiunii undei. Dupa Garbea si Cotul (1967), exprimarea intensitatii se poate face in modurile prezentate mai jos:

I_sunet= cantitatea de energie transportata intr-o secunda printr-o suprafata de 1 cm².

Unitatea de masura este ergul sau mW (microvatul).

1 erg = L mecanic efectuat de o forta F = 1 dina, care-si deplaseaza punctul de aplicatie cu 1 cm

deci unitatea de putere este 1 erg/sec = 10^-7W.

Sunetul produce in directia propagarii o presiune care poate fi aspirata

	1 dina 1 cm2

1 bar = = 10^-6 atm

Intensitatea sunetului se poate masura cu metode diferite: masurarea presiunii, masurarea electrica, masurarea vitezei maxime de vibratie cu discul lui Rayleigh.

Cu un analizator cu filtre fixe sau cu un amplificator diferential de frecvente, un sunet armonic este analizat pe benzi de frecvente, cu ajutorul unui voltmetru se poate citi pe cadranul sau intensitatea (I) in decibeli.

1.6. Forta

Cu cat forta va fi mai mare cu atat mai mare va fi si amplitudinea undei sonore. Datorita sensibilitatii urechii umane, este necesara o forta foarte mica pentru ca auzul sa fie stimulat (Tillery, 1993).

1.7. Puterea

Puterea reprezinta capacitatea de a exercita o forta fizica. In acustica se folosesc cantitati foarte mici de putere. Puterea masoara magnitudinea sunetului. Pe masura ce distanta fata de sursa creste, energia sunetului scade dupa ce atinge un anumit punct maxim, deoarece puterea este raspandita pe o suprafata mai mare (Tillery, 1993).

1.8. Presiunea

Presiunea este generata atunci cand o forta este distribuita pe o suprafata. Daca suprafata ramane constanta, presiunea creste pe masura ce forta creste.

Unitatea folosita in masurarea presiunii este Pascalul (Pa). Aceasta unitate de masura este prea mare pentru presiunile folosite in audiometrie si este divizata in unitati mai mici; o milionime dintr-un Pascal este denumita micropascal sau μPa (Tillery, 1993).

1.9. Decibelul

Daca s-ar masura sunetele in Pascali ar trebui sa se opereze cu numere foarte mari. Pentru aceasta se foloseste o alta unitate de masura, Bell-ul. Chiar si aceasta prezinta o serie de inconveniente si de aceea se foloseste decibelul (a zecea parte) prescurtat dB. Decibelul reprezinta o fractie intre o anumita cantitate masurata si un nivel de referinta. Scara decibelilor este o scara logaritmica. Ea compara doua valori si exprima diferenta dintre ele. De aceea 0 dB nu inseamna ca nu exista nici un sunet ci faptul ca nu exista nici o diferenta intre doua sunete cu presiuni diferite. Scala decibelilor are ca nivel de referinta 20 μPa si exprima presiunea unui sunet (vezi tabelul 1) (Fraser, 1995).

Nivele de intensitate in decibeli

Tabelul1

a) Nivelul intensitatii (Intensity Level sau IL)

Uneori poate fi utila exprimarea dB in relatie cu o anumita intensitate de referinta. Intensitatea de referinta intr-un anumit sistem poate fi exprimata ca I_R. Produsul (output-ul) sistemului respectiv poate fi exprimat prin I_O. Numarul de dB este dat de formula:

dB=10 x lg (I_O/I_R)

Intensitatea de referinta este in mod normal 10^-12 wati/m². In acest caz se poate folosi termenul de nivel de intensitate, care se refera la intensitatea de referinta.

Daca I_O=I_R raportul va fi de 1:1, logaritm zecimal de 1 este 0 si deci numarul de dB va fi egal cu 0. In concluzie, 0 dB nu presupune absenta sunetului ci faptul ca intensitatea produsa de sistemul respectiv are aceeasi valoare cu intensitatea de referinta

Decibelii reprezinta o expresie logaritmica si deci daca dublam intensitatea undei sonore, numarul de decibeli nu se va dubla ci va creste cu 10 dB (Martin, 1997).

b) Nivelul presiunii sunetului (Sound Pressure Level sau SPL)

Audiologii sunt mai obisnuiti sa realizeze masuratori ale sunetului in termeni de presiune mai degraba decat in termeni de intensitate. Datorita relatiei existente intre presiune si intensitate: intensitatea este aproximativ egala cu presiunea la patrat, transformarea intensitatii in presiune se face dupa urmatoarea formula:

Intensitatea de referinta dB (IL) = 10 x log (I_O/I_R)

Presiunea de referinta dB (SPL = 10 x log (P_O²/P_R²), unde P_O reprezinta presiunea produsa de sistemul respectiv, iar P_R reprezinta presiunea de referinta. Ultima relatie poate fi scrisa si altfel:

dB (SPL) = 20 x log (P_O/P_R),

aplicandu-se regula matematica conform careia atunci cand un numar este ridicat la puterea a doua, logaritmul lui se dubleaza.

Presiunea de referinta este 20μPa. Cu alte cuvinte 0 db este echivalentul a 20μPa (se aplica aceeasi regula ca si la intensitate; daca (P_O/P_R)).

c) Nivelul auditiei (Hearing Level sau HL)

Audiometrele moderne au fost concepute pentru a testa sensibilitatea auditiva la mai multe frecvente. La inceput audiometrele determinau presiunea necesara unui sunet pentru a stimula auzul.

Cea mai mica intensitate ce stimuleaza auzul a fost denumita "pierdere auditiva de 0 dB" sau "0HL". Datorita faptului ca urechea prezinta sensibilitate diferita, vor fi necesare presiuni diferite pentru a obtine "0HL" la diferite frecvente (F. Martin, 1997).

1.10. Durata sunetului

Durata sunetului este determinata de miscarea vibratorie. Se poate distinge doar o durata foarte scurta a sunetului; numai primele vibratii pentru sunete cu frecvente mici si un numar mai mare de vibratii pentru frecventele mari, caz in care urechea nu are timpul necesar sa parcurga sunetul. Aceste inceputuri de sunete se pot masura precis in numar de vibratii (Garbea, Cotul, 1967).

1.11. Continutul in armonice

Sunetul fundamental este insotit de sunete partiale, armonice si nearmonice care depind de frecventele fundamentale. Cand se produce un sunet, acesta este insotit de un numar de vibratii neregulate, supraadaugate, nearmonice, care sunt mai slabe.

Scara muzicala cuprinde 10‑11 octave. Sunetele din scara muzicala se impart in trei grupe:

a)      registrul grav cuprinde treimea inferioara de scara;

b)      registrul mediu cuprinde treimea intermediara;

c)      registrul inalt cuprinde treimea superioara.

Impartirea aceasta se face dupa frecventa sunetelor sau dupa locul pe care-l ocupa pe portativ.

2. Tipuri de senzatiile auditive

Aparatul auditiv uman poate diferentia urmatoarele senzatii auditive: sunete simple, sunete compuse, zgomote si pocnituri.

Tonuri sau sunete simple sunt vibratiile care inregistrate dau o sinusoida regulata.

Sunete compuse sau complexe: sunt formate dintr-un sunet fundamental si un numar variabil de acompaniamente numite armonice, care se aud deodata constituind sunetul timbrat. Acest sunet se reprezinta printr-o curba modificata, in raport cu curbele constituientilor, dar care isi pastreaza periodicitatea.

Zgomotele sunt vibratii acustice complexe, neregulate. Perceptia lor este neplacuta. Asa numitele "zgomote placute": murmurul paraielor, fosnetul frunzelor, etc. se presupune ca ne par placute din cauza conotatiilor atribuite lor (socializarea senzatiilor).

Pocnituri sau detonatii: aceste senzatii auditive sunt produse de comprimarea subita a aerului, careia ii urmeaza o dilatare.

Spectrul undelor este cuprins de la infrasunete cu lungimi de unda de sute de metri (frecvente foarte, foarte mici) pana la ultrasunete cu lungimi de unda de ordinul undelor luminoase (7x10^-5 m lungimea violeta), sau lungimi de unda si mai mici decat ale luminii: oscilatiile termice ale moleculelor gazelor, lichidelor, solidelor.

2.1. Sunete complexe

Tonurile pure sunt produse electronic si suna artificial; ele sunt folosite in audiometria tonala. Cele mai multe sunete existente nu sunt tonuri pure, ele contin mai multe frecvente. Exista sunete complexe in care pattern-ul de baza se repeta. Acest sunet poate fi o nota cantata de un anumit instrument sau de un cantaret. Aceste sunete sunt denumite periodice (Sound and Hearing, 1995).

J.B.J. Fourier a sugerat faptul ca sunetele periodice pot fi privite ca un grup de tonuri pure, toate auzindu-se in acelasi moment. O asemenea reprezentare a unui sunet complex reprezinta spectrul acelui sunet. Metoda prin care se poate masura acest spectru se numeste analiza Fourier sau analiza spectrala.

Continutul in armonice

Frecventa cea mai joasa este dominanta in tonurile complexe. Ea este frecventa fundamentala. Intr-un sunet periodic complex, toate frecventele reprezinta multipli ai fundamentalei. Aceste tonuri ce apar peste fundamentala sunt denumite armonice sau supratonuri. Spectrul unui sunet ce are fundamentala de 100 Hz va contine doar frecvente mai mari decat 100 Hz (200 Hz, 300Hz, etc.) (Martin, 1997).

Referitor la sunetele periodice, diferenta dintre armonice si supratonuri consta in felul in care sunt numerotate: prima armonica este frecventa fundamentala, a doua armonica este de doua ori fundamentala etc.; primul supraton este egal cu o doua armonica, al doilea supraton este egal cu a treia armonica etc.

Exista si sunete aperiodice, ce pot fi de natura impulsiva, cum ar fi zgomotul produs de o impuscatura, de trantirea unei usi sau zgomote continue, cum sunt cele din vorbire, muzica, zgomotul motorului. Si sunetele aperiodice pot fi analizate prin analiza spectrala.

2.2. Analiza sunetelor

Analiza spectrala descrie nivelul sunetului in cadrul unor benzi de frecventa. Latimea benzilor de frecventa influenteaza rezultatul analizei. In mod normal se realizeaza doua tipuri de analiza:

a)      Analiza cu o banda de o latime constanta de 100, 10 sau 1Hz. Deseori aceasta analiza este realizata de calculator folosindu-se o metoda speciala, denumita "transformarea rapida Fourier" (Fast Fourier Transform sau FFT). Rezultatul analizei cu o banda de 1Hz este cel mai folosit in acustica, fiind numit "nivelul densitatii spectrului".

b)      Analiza cu o banda de latime relativa. Banda are de obicei o latime de o octava sau de o treime dintr-o octava.

Spectrul unui sunet complex

Cand doua sau mai multe tonuri pure de diferite frecvente sunt generate simultan, amplitudinile lor combinate trebuie sumate in fiecare moment. Undele complexe pot fi sintetizate in laborator printr-un proces opus in esenta analizei Fourier.

Desi frecventa fundamentala determina toate armonicele, acestea nu au amplitudini egale. Astfel, chiar daca frecventa fundamentala si armonicele sunt aceleasi la mai multe sunete diferite, amplitudinea diferitelor armonice va varia de la un sunet la altul, spectrele lor fiind diferite.

In timpul vorbirii, datorita modificarii marimii si formei laringelui, vor aparea schimbari de intensitate si frecventa, fapt ce va determina accentuarea unor armonice si suprimarea altora. Unda ce va rezulta va prezenta "vai" si "varfuri". Fiecare "varf" se numeste formanta. Vocalele contin un anumit numar de formante. Cunoscand frecventa acestor formante, putem identifica vocalele. Formantele sunt numerotate consecutiv, cea mai joasa fiind prima formanta, a doua formanta, etc. Consoanele au in general o durata mai scurta fiind puternic influentate de vocalele vecine (B. Fraser, 1995).

Dupa determinarea structurii armonice a sunetului cu ajutorul fundamentalei, aceasta nu mai este importanta in perceperea clara a sunetelor pentru persoanele cu auzul normal.

Teme:

Care sunt relatiile dintre caracteristicile fizice ale sunetelor si calitatile senzatiilor auditive.

realizati o distinctie intre sunete si zgomote din perspectiva audiologica.