BIOPHYSIK 12. Vorlesung

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1 BOPHYSK 1. Vorlesung Schall und Gehör khz KAD Schall mechanische Welle : periodische Auslenkungen von Materieteilchen breiten sich räumlich in einem (elastsichen) Medium aus longitudinale Welle transversale Welle (nur in Festkörper) u(x,t): Auslenkung der Materieteilchen, Dichte-/Druckänderung, (Schall)Druck E t A 1 peff Physikalische usammenhänge 1 ntensität Leistungsdichte Energiestromdichte p max usammenhang zwischen der ntensität und dem Schalldruck Absorption und Reflexion von Schallwellen Absorptionsgesetz: e µx,, µ µ(, f) vgl.: Lichtabsorption, Ultraschallabsorption Reflexion: Snellius-Descartes Gesetz vgl.: Lichtabsorption, Ultraschallabsorption V 1 κ V p 1 c ρκ Kompressibilität: relative Volumenveränderung/Druck Schallgeschwindigkeit determiniert durch die Dichte und Kompressibilität des Mediums 3 Reflexionsvermögen: refl 1 R, c : akustische mpedanz ρ einfall 1 + Wellenwiderstand ρ : Dichte, c : Schallgeschwindigkeit Echoortung von Fledermäusen

2 Charakteristiken des Reizes und der Empfindung Physik (Reiz) ntensität, (W/m ) Grundfrequenz Obertöne (Spektrum) Physiologie (Empfindung) Lautstärke, L (phon, sone) Tonhöhe Klangfarbe 5 6 Frequenz und ntensität System Einteilung nach der Frequenz Delphin Fledermaus Katze Hund k k 5k 1k k 5k 1k Mensch f (Hz) Elefant 7 Thunfisch Grille 8

3 Einteilung nach der ntensität Geräuschquelle (W/m ) n (db) Raketenstart startender Düsenjet 1 1 Schmerzgrenze Maschinenraumlärm laute Radiomusik 1-8 normales Gespräch Flüstern 1-1 Hörschwelle (Mensch) 1-1 n: (Schall)intensitäts-Pegel W n 1 lg db, wo 1 1 m 9 Psychophysikalische Gesetze Wie hängt die Lautstärke (Empfindungsstärke) von der ntensität (Reizstärke) ab? Weber-Fechner Gesetz: L: Lautstärke, Einheit: phon Stevens Gesetz: L*: Lautheit, Einheit: sone L ~ log L * ~ k ( L ~ L L * log ~ L k ) 1 Kurven gleicher Lautstärke des menschlichen Ohres Lautstaerke Wird in decibel gemessen Minimal hörbere Druckunterschied p µpa Hörpegel: db, µpa, eine Mücke von 3m m Luft über 85 db ist schon schaedlich Fensterglas bricht beim 163 db Trubinenflugzeug 133 db, von 33 meter n normal Luft (neben p µpa) maximal 19.9 db messbar sonst Stosswellen Fletcher-Munsen J.Acoust. Soc Am.5, 8-18 (1933). 11 1

4 Phon und Sone Audiometrie Audiogram subjektive Schwellenaudiometrie: die Messung der bei einer gegebenen Frequenz kleinsten ntensität, die zur Auslösung der Tonempfindung nötig ist. Hörschwelle: die Darstellung dieser Kurve Hörschwellenkurve: phon objektive Audiometrie: mit Hilfe von EEG-Signal Audiogram: die Bestimmung der Abweichung der Hörschwellenkurve der Versuchsperson von der normalen Hörschwellenkurve 13 1 Stimmgebung mit einfachen Systemen Saite-Eigenschwingungen Hohlresonator Einfaches Musikinstrument die eitfunktion das Spektrum λ l λ l λ l 3 λ λ l λ l λ l l 3 λ l 5 λ l 7 λ l 15 16

5 Stimmgebung mit den Stimmbändern Stimmritze,die von zwei Membranen, den Stimmbändern begrenzt ist Signalumwandlungen bei Gehör Trommelfell Basilarmembran Haarzelle Hörnerv bei normaler Atmung ist die Stimmritze weit geöffnet bei Stimmgebung rücken die Stimmbänder zusammen, die Atemmuskulatur bewirkt eine Erhöhung des Luftdruckes > leichte Erweiterung der Stimmritze > Druckabfall > Verengerung der Stimmritze... usw. mechanische Umwandlung Reizenergie mechanische Energie mechanoelektrische Umwandlung elektrische - elektrische Umwandlung Rezeptorpotential Aktionspotential elektrische Energie nnenohr Resonatorfunktion Schallempfindung Mittelohr mpedanzanpassung Aussenohr Das menschliche Ohr Das Ohr 19

6 Funktion von Gehörknöchelchen Mittelohr als mpedanzanpasser p Luft Luft Trommelfell A Trommel Medium Gehörknöchelchen F Trommel Wasser ovales Fenster p Wasser Druckvergrösserung: (Hebel + Flächenverkleinerung) p Wasser /p Luft,3 1 R refl Wasser Luft einfall p Wasser Wasser + Luft,9989 wegen der grossen mpedanzdifferenz von Luft und Wasser die ntensität in Wasser wäre,11-mal kleiner als die ntensität in Luft 1 6 1,5 1 (,3),137 1 Wasser Wasser Wasser Luft Luft pluft pluft Wasser Luft p wegen der Druckvergrösserung 13,7% der ntensität geht durch mpedanzanpassung (,137 /,11 15) Das Corti Organ Bewegung der laufenden Wellen auf der basilaren Membran t i > t i+1 ovalisches Fenster Hüllkurve der laufenden Welle Ausbreitungsrichtung apikales Ende Basilarmembrane 3

7 Modell heutzutage: Frequenzanalyse + aktiver nichtlinearer Filtereffekt Modell: (a) Basilarmembrane in der Ruhe Ablenkung 37 Hz, 1.3 khz,.6 khz (b) Basilarmembrane bewegt sich 5 regenerativer Verstärker : Mitkopplung (grosse Verstärkung in einem engen Frequenzbereich) 6 Haarzellen, als Mechanotranszduzern Auslenkung der Cilien Gehörverlust Öffnung der onenkanale AP mpulse in die Richtung des Gehirns 7 Haarzellen von Meerschweinchen normale Bedingungen 8 Bestrahlung (1 db, h)

8 Richtungsbestimmung (zweiohriges Richtungshören) Bestimmung der zeitlichen Verzögerung ( t) des Empfangs ein und derselben Schallwellenkomponente zwischen beiden Ohren l d sinθ t c c Mittellinie Schallquelle θ l Ergänzungsmaterial Lärm,Lärmschutz Algemeine Definition: Lärm, Ein Signal das keine nformation betraegt Akustische Definition: Geraeusch, Unerwünschte Klangeffekte, wird gemessen A für klare Fletcher-Munsen Stimme bis phon EC179 Norm d: Abstand der Ohren l θ d l d sinθ 9 B,C für Lautere Faelle, selten benutzt D, für Flugzeuge 3 Lärm, Lärmschutz- Kommunikation Aktiver Lärmschutz Kreative dee: destruktive nterferenz TU Berlin, Akustisches nnstitut, Aktives Fenster, plus ein Lautsprecher, im gegenphase Strahlt gegen Lärm Wichtig beim Armee, Marine, m Flugzeug im cockpit 88dB ist zuviel 31 3

9 33 Fragen, Bemerkungen, Kommentare?

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