Biofizyka Procesów Słyszenia i Widzenia
description
Transcript of Biofizyka Procesów Słyszenia i Widzenia
Biofizyka Procesów Słyszenia i Widzenia
Warszawa, 17 grudnia 2009
Przekazywanie informacji dźwiękowych
Źródło
dźwięku
Fala dźwiękowa
Informacja
Fala dźwiękowaUcho
Przetwornik
sygnału
Przetwornik
informacji
Ciąg potencjałów
OUN
Nośnik informacji
Ruch drgający
•y = Asin(ωt+φ)
• y – wychylenie• A – amplituda• ω– częstość kołowa• φ – stała fazowa
Drgania tłumione
•A(t) = A0e-δt
• A(t) – amplituda
• A0 – amplituda początkowa
• δ – współczynnik tłumienia
Fala głosowa (akustyczna)• Ruch falowy polega na
przekazywaniu ruchu drgającego źródła fali kolejno na coraz bardziej oddalone części ośrodka stanowiącego nośnik fali. Wraz z przekazywaniem ruchu drgającego odbywa się przekazywanie energii. Przemieszcza się deformacja ośrodka nie materia.
Fala głosowa
• Fala głosowa jest falą podłużną: każdy punkt ośrodka wykonuje drgania harmoniczne proste równoległe do kierunku rozchodzenia się fal, im dalej od źródła tym bardziej opóźnione.
Fala głosowa
• x = tc• x – droga przebyta przez czoło fali,
• t – czas,
• c – prędkość rozchodzenia się fali,
• λ =cT = c/γ,• λ – długość fali [m],
• T – okres [s],
• γ – częstotliwość [Hz].
Równanie fali
• y = Asinωt,
• y = Asinω(t – x/y) = Asin2π(t/T – x/λ)
• y – wychylenie punktu odległego o x od źródła
Prędkość rozchodzenia się fal dźwiękowych
• Powietrze 20o C – 340 m/s
• Woda 25o C – 1500 m/s
• Miedź 20o C – 3700 m/s
• Krew 37o C – 1570 m/s
• Tkanki ciała – 1579 m/s
Fala dźwiękowa
• Fala dźwiękowa to przemieszczające się ciśnienia i zagęszczenia oraz rozrzedzenia przemieszczające się z prędkością c.
• Należy rozróżnić v jako prędkość cząstki drgającej zwaną prędkością akustyczną oraz c jako prędkość rozchodzenia się prędkość fazową.
Wrażenia słuchowe• Tony – odpowiadają drganiom harmonicznym
źródeł o jednej, ściśle określonej częstotliwości.• Dźwięki – powstają wtedy, gdy źródło prócz fali
podstawowej, o częstotliwości najmniejszej, wysyła fale harmoniczne o częstotliwościach będących całkowitymi wielokrotnościami częstotliwości fali podstawowej.
• Szmery są to wrażenia słuchowe powstające wtedy, gdy do ucha dochodzą fale o różnych, dowolnych częstotliwości.
• Tony proste występują niesłychanie rzadko. Dźwięk wydawany przez kamerton jest zbliżony do tonu prostego.
Dźwięki
• Dźwięki mogą się różnić wysokością, natężeniem i barwą.
• Wysokość dźwięku jest związana z częstotliwością drgań źródła; częstotliwościom małym odpowiadają dźwięki niskie i odwrotnie.
• Natężenie dźwięku mierzy się ilością energii przenoszonej w jednostce czasu przez jednostkę powierzchni ustawionej prostopadle do promienia fali. I = E/S [W/m2].
• Barwa dźwięku zależy od liczby składowych tonów harmonicznych i stosunków ich natężeń.
Dźwięki
• Dźwięki podlegają zasadzie superpozycji można je rozłożyć na szereg drgań składowych o stałych częstotliwościach będących kolejnymi wielokrotnościami pewnej najmniejszej (podstawowej) częstotliwości (zasada Fouriera).
Czułość ucha ludzkiego
• Większość ludzi słyszy:
od fmin = 16 Hz do fmax = 20 kHz gdy natężenie wynosi I = 10-3 W/m2 dźwięki o częstotliwości od 103 do 5·103 Hz są słyszalne gdy ich natężenie nie przekracza I = 10-12 W/m2
I0 = 10-12 W/m2 – natężenie poziomu zerowego
Krzywa czułości ucha
I/I0
100
1012 (120 dB)
20 103 2·104 γ [Hz]
Próg bólu
ZakresSłyszalności
PrógSłyszalności
Skala subiektywnego natężenia dźwięku
• Λ = ηlogI/I0 η = 1[bel]; η = 10[decybel]
• Subiektywne odczuwalne natężenie dźwięku (poziom natężenia) można ocenić na podstawie prawa Webera i Fechnera: zmiana intensywności subiektywnego wrażenia dźwiękowego wywołanego przez dwa dźwięki jest proporcjonalne do logarytmu stosunku natężeń porównywanych dźwięków.
Natężenia różnych dźwięków [dB]
• Szept – 0
• Zwykła rozmowa - 40 dB
• Ulica wielkiego miasta – 80 do 90 dB
• Fortissimo orkiestry – 90 do 100 dB• Płetwal błękitny – 188 dB
( dźwięki rejestrowane do 850 km)
Wady słuchu i ich przyczyny• Wady słuchu występują u co najmniej 10 %
populacji krajów uprzemysłowionych. Przyczyny:
• Zapalenie ucha środkowego• Przebywanie w hałasie• Dziedziczność• Choroby około porodowe• Starzenie się• Stosowanie leków ototoksycznych• Nowotwory
Audiometria progowa tonalna
• Audiometria progowa pozwala na ocenę stanu słuchu za pomocą dźwięków leżących na granicy słyszenia, najsłabszych jakie jeszcze percepuje ucho
• Audiometria pozwala na ilościowe określenie ubytków słuchu
• Podstawą badania audiometrycznego jest częstotliwość i natężenie dźwięku
Zmysł wzroku
Prawa optyki geometrycznej:
• W ośrodku jednorodnym światło rozchodzi się wzdłuż linii prostych
• Kąt odbicia równa się katowi padania
• Na granicy ośrodków światło ulega załamaniu
Równanie soczewki
fyx
111
x – odległość przedmiotu od środka soczewki
y – odległość obrazu od środka soczewki
f – ogniskowa
p = y/x - powiększenie
Zdolność skupiająca soczewki
• Zdolność skupiająca soczewki to odwrotność ogniskowej wyrażonej w metrach
• [1 dioptria] = [m-1]
• 1 dioptria – to zdolność skupiająca soczewki o długość ogniskowej równej 1m.
Oko
• Oko dostarcza najwięcej informacji • Nośnikiem informacji jest fala
elektromagnetyczna o długości fali 380 – 700 nm
• Oko jest odbiornikiem receptorem złożonym z dwóch układów:
• optycznego i receptorowego• Prawie połowa kory mózgowej przetwarza
informacje wzrokowe.
Powstanie obrazu na siatkówce
• Po załamaniu promienie świetlne wytwarzają na siatkówce obraz rzeczywisty, pomniejszony i odwrócony.
• Krzywizny soczewki są zmieniane za pomocą mięśni.
• Na siatkówce znajdują się zakończenia nerwu wzrokowego w postaci czopków i pręcików
Czułość oka
• Oko reaguje na szeroki zakres natężeń 1:105, najmniejsza dawka wywołująca wrażenie świetlne wynosi 2·10-7 J.
• Na silne światło oko reaguje automatycznie skurczem mięśni zmniejszających rozmiary źrenicy.
• Adaptacja – przystosowanie do silniejszych i słabszych wiązek światła.
Przystosowanie oka do różnej odległości przedmiotów
• Akomodacja – zdolność dostosowania się oka do odległości oglądanych przedmiotów zmiana promienia soczewki za pomocą mięśni.
• Promień zmienia się od 5,7 do 10,7 mm.• Punkt najdalszy oglądany bez akomodacji – punkt
daleki. Dla oka normalnego w nieskończoności. Przedmioty bliższe lekka akomodacja.
• 25 cm średnie dobre widzenie.• 15 cm wymaga napięcia mięśni.
Wady wzroku
• Dalekowzroczność – występuje, gdy obraz punktu leżącego w nieskończoności powstaje za siatkówką oka. Korekcja polega na dobraniu takiej soczewki skupiającej, aby układ soczewka – oko dawał na siatkówce ostry obraz punktu dalekiego.
• Krótkowzroczność – występuje gdy obraz punktu leżącego w nieskończoności powstaje przed siatkówką. Korekcja polega na dobraniu soczewki rozpraszającej aby soczewka i oko dawały obraz na siatkówce
Akomodacja a wiek
• Zdolności akomodacyjne oka istotnie maleją wraz z wiekiem:
• od 14 dioptrii w wieku10 lat
• do 1 dioptrii w wieku 70 lat
Analiza sygnałów
• Analiza sygnału (na przykład dźwięku) polega na przedstawieniu badanego sygnału za pomocą funkcji elementarnych, tzn. rozłożeniu go na składowe elementarne, jakimi są sinusoidy.
• Celem analizy sygnału jest przedstawienie go za pomocą widma, czyli wykresu ilustrującego zależność amplitudy sinusoid składających się na analizowany sygnał w zależności od ich częstotliwości.
Metoda Fouriera • Analizy widmowej zdeterminowanych sygnałów
okresowych dokonuje się wykorzystując szereg Fouriera
• Według twierdzenia Fouriera funkcję okresową f(t) można rozłożyć na szereg trygonometryczny:
1
00 cosn
nn tnhAtf
Metoda Fouriera
• Funkcję f(t) przedstawiono jako sumę cosinusoid oraz stałej
• Częstotliwości przyjmują wartości harmoniczne to znaczy są wielokrotnościami częstotliwości podstawowej ω0:
• Częstotliwość podstawowa ω0 jest najmniejszą częstotliwością, występującą w szeregu Fouriera, jej okres T0=2π/ω0 i jest równy okresowi funkcji f(t)
T
nnn
20