Portál:Otázky z biofyziky (1. LF UK, VL)/43. Otázka

			43. Otázka
			Sluchové pole, hladina intenzity zvuku a hlasitosti
			Otázky z biofyziky (1. LF UK, VL)
			Předchozí • Další

Práh sluchu a sluchové pole

Sluchové pole - Graf

Křivky hlasitosti

Práh slyšitelnosti na vysokých frekvencích stoupá s věkem

Sluchové pole

Sluchové pole (nebo oblast slyšitelnosti) je rozsah všech zvuků, které dokáže lidské ucho vnímat. Vnímání zvuku je u člověka omezeno slyšitelnými frekvencemi (přibližně 16–20 000 Hz). U každé frekvence je odlišný rozdíl intenzit, jež slyšíme. Lidský sluchový orgán je nejcitlivější v oblasti frekvencí 1–5 kHz.

Tvar sluchového pole

Zdola je sluchové pole vymezeno křivkou sluchového prahu, tedy nejmenší intenzitou tónu, kterou je pozorovatel schopen při dané frekvenci vnímat. Shora je omezeno křivkou prahu bolesti. Zvuky nad tímto prahem vyvolávají bolestivý vjem a mohou vést k poškození samotného sluchového orgánu. Vnímání zvuků je individuální a rozdíly můžeme najít i mezi zdravými jedinci. Tvar sluchového pole se také mění s věkem.

Intenzita zvuku I

Intenzita zvuku je energie zvukového vlnění, která projde za dobu 1 s plochou 1 m² orientovanou kolmo na směr šíření zvuku.

P je výkon zvukového vlnění, S je obsah plochy, kterou vlnění prochází. Jednotkou je tedy W•m⁻².

$I={\frac {P}{S}}$

Hladina intenzity zvuku L

Rozdíl v intenzitě zvuku mezi slabým zvukem, který již můžeme slyšet a silným, který nám působí bolest, při frekvenci 1 kHz je v řádech bilionů (10^–12 W•m⁻² a 1 W•m⁻²). Zavedla se proto hladina intenzity zvuku v relativních jednotkách, v belech (B) nebo decibelech (dB). 1 B odpovídá poměru intenzit zvuku 1:10. Zvýšíme-li tedy hladinu intenzity zvuku o 1 dB, zvýší se intenzita zvuku asi o 26 %, což je nejmenší rozdíl, který je zdravé ucho schopno postřehnout.

Intenzitám zvuku I registrovaným lidským sluchovým orgánem v rozmezí 10^–12 W•m⁻² až 10 W•m⁻² přiřazujeme hladiny intenzity zvuku L v rozmezí 0 dB až 130 dB.

Hladina intenzity v belech je určena dekadickým logaritmem poměru intenzity, jejíž hladinu určujeme, k určité intenzitě I₀, kterou bereme za základ (nulovou hladinu).

Izofóny

Izofóna je křivka stejné hlasitosti. Spojuje zvuky příslušné frekvence a intenzity, které vnímáme jako stejně silné. Nulová izofóna je práh slyšení, izofóna na hladině 120 dB je práh bolesti.

Fón (jednotka) a Hladina hlasitosti

Fón (Ph) je jednotkou hladiny hlasitosti. Hladinou hlasitosti je nazývána subjektivní hlasitost, která je vnímána sluchem.

Hladina hlasitosti je definována tak, že hladina hlasitosti 1 fón je při kmitočtu 1 kHz stejně velká jako jednotka hladiny zvuku 1 dB. Pro zvuky ostatních kmitočtů jsou hladiny hlasitosti definovány subjektivním porovnáváním s hladinou hlasitosti referenčního tónu.

Práh sluchu

Práh sluchu je úroveň hlasitosti, pod kterou není lidské ucho schopno zaznamenat jakýkoli zvuk.

Práh sluchu je závislý na stavu sluchového aparátu daného člověka. Obecně je definován jako smluvní vztažná hodnota hladiny intenzity zvuku (při frekvenci 1 kHz) akustického tlaku vůči tlaku atmosférickému (p₀=2.10⁵ Pa=200 kPa). Pro dospělé má práh sluchu referenční úroveň hlasitosti velikost 0 decibelů (dB).

Závislost prahu sluchu na frekvenci zvuku

Práh sluchu je odlišný pro různé frekvence zvuku. Standardizovaný práh sluchu pro frekvenci 1 000 Hz je 0 dB. U nižších a vyšších frekvencí než 1 000 Hz je pak viditelný posun prahu sluchu. Pro 30 Hz se pohybuje kolem 60 dB. Naopak největší citlivost lidské ucho vykazuje při frekvencích okolo 3 500–4 000 Hz, což odpovídá rezonanční frekvenci zvukovodu. Těmto frekvencím odpovídá práh sluchu −12 dB.

Slyšitelné frekvence - YouTube video

Závislost prahu sluchu na věku

S rostoucím věkem se rozvíjí tzv. sensorineurální (percepční) sluchová vada. Tato porucha je způsobena absencí nebo poškozením drobných vláskových buněk v hlemýždi, které pak již neposílají signály do mozku, což má za následek posunu prahu sluchu. (viz graf "Práh slyšitelnosti na vysokých frekvencích stoupá s věkem").

Hladina intenzity zvuku

Protože intenzita běžných zvuků kolísá v rozsahu několika dekád, zavádí se logaritmická škála, která prahové intenzitě přiřadí nulovou hodnotu:

$L=10\cdot \log {\frac {I}{I_{0}}}$

Hladina intenzity vychází z poměru dvou stejných veličin a proto je v SI bezrozměrná. Pro označení takto definovaných hladin (nejen v akustice, ale i např. v elektrotechnice) se používá jednotka decibel (dB). Jednotka je pojmenovaná po skotském vědci a vynálezci prvního prakticky použitelného telefonu A. G. Bellovi, předpona deci– pak značí desetinu.

Protože je intenzita vlnění přímo úměrná druhé mocnině akustického tlaku, platí současně:

$L=20\cdot \log {\frac {p}{p_{0}}}$

Hlasitost

Protože vztah mezi intenzitou vlnění a intenzitou počitku závisí mimo jiné i na frekvenci, je třeba hodnotit pro každou frekvenci (výšku) tónu vztah individuálně. K porovnání se používají veličiny hlasitost a hladina hlastitosti, které kvantifikují případné rozdíly ve vnímané intenzitě.

Hladina hlasitosti L_N je definována pomocí srovnání s hladinou intenzity při frekvenci 1 kHz. Tón na libovolné frekvenci má právě takovou hladinu hlasitosti, jakou má hladinu intenzity zvuku tón o frekvenci 1 kHz, který vnímáme jako stejně silný. Jednotkou hladiny hlasitosti je fón (Ph).

Hlasitost N byla definována z toho důvodu, že hladina hlasitosti nekvantifikuje příliš dobře rozdíly ve vnímání. Referenčním bodem je tón o hladině intenzity 40 dB při frekvenci 1 kHz, kterému je přiřazena hodnota 1. Jednotkou hlasitosti je son. Hlasitost lze určit z hladiny hlasitosti podle následujícího vztahu:

$N=2^{\frac {L_{N}-40}{10}}$

Ve skutečnosti závisí vnímaná intenzita i na tom, zda je použit skutečně čistý tón. Při měření hlasitosti zvuků, které nemají sinusový průběh (jednobodové spektrum), je třeba dále zohlednit frekvenční závislost jednotlivých složek. Běžným přístupem je zapojení frekvenčního filtru, který v měřeném signálu přesně definovaným způsobem potlačí nevnímané složky a omezí vliv jednotlivých frekvencí.