Praktikumsinhalte aus dem Kurs \"Physiologie für Mediziner\" - Akustik PDF

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Praktikumsinhalte aus dem Kurs "Physiologie für Mediziner"...

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Akustik Physik der Schallwelle Schall Druckwellen, die sich in elastischem Medium (z.B) Luft ausbreiten  Druckwellen entstehen, wenn Luftmoleküle von einem vibrierendem Körper in Schwingungen gebracht werden  Moleküle schwingen in Ausbreitungsrichtung der Schallwelle (ohne sich selbst fortzubewegen)  Schallwellen = Longitudinalwellen

Amplitude und Frequenz Zwei variable Charakteristika der Schallwelle 1. Frequenz f = 1/T [Hz] o Schwingungen pro Sekunde [s-1 = Hz) o Subjektiver Sinneseindruck: „Tonhöhe“  Niedrige Frequenz = niedriger Ton  Hohe Frequenz = hoher Ton 2. Schallamplitude o Schalldruck in Pascal [Pa = N * m-2] oder Schalldruckpegel in Dezibel [dB] o Subjektives Korrelat: „Lautstärke“

Schallgeschwindigkeit (c) Abhängig vom Medium und beträgt in Luft bei 20°C etwa 340 m * s-1  Formen des Schalls o Töne  Sinusschwingungen  Selten in der Natur  In Signaltönen von teschnischen Geräten („Piepsen“)

o

o

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Klänge    

Aus mehreren Sinusschwingungen zusammengesetzt Bestehend aus einem Grundton und mehreren Obertönen Klangfarbe: Verhältnis der relativen Amplituden verschiedener Obertöne Vokale

Geräusch  Zahlreiche Frequenzen ohne regelhaften Bezug zueinander  Konsonanten

Fourier-Analyse o Zerlegung einer komplexen Wellenform in einzelne Sinuskomponenten

Wellenlänge (λ) Abstand zwischen zwei benachbarten Druckmaxima  Ergibt sich aus Frequenz und Schallgeschwindigkeit λ = c * f-1

Sinnesleistungen des Ohrs Hörbereich Frequenzbereich  Für menschliches Ohr wahrnehmbar: 16 – 20 kHz  10 Oktaven  1 Oktave = Verdopplung der Frequenz  Infraschall < 16 -20 > Ultraschall Hörschwelle und Dynamikbereich Niedrigster Schalldruck, der zu einer Schallempfindung führt    

Schall durch Anatomie des Ohres erst ab Mindestschalldruck wahrnehmbar Absolute Hörschwelle: niedrigste wahrnehmbarer Schalldruck: 4 kHz Dynamikbereich: Lautstärke-Abstand zwischen leisestem und lautestem Ton Oberhalb Hörschwelle Bereich von mehr als 6 Größenordnungen als zunehmend lauter empfunden

Schalldruckpegel (SPL) Logarithmische Maß für den Schalldruck [dB] SPL = 20 * log 

𝑆𝑐ℎ𝑎𝑙𝑙𝑑𝑟𝑢𝑐𝑘 𝑅𝑒𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑧𝑠𝑐ℎ𝑎𝑙𝑙𝑑𝑟𝑢𝑐𝑘

= 20 * log

𝑃 𝑃𝑟𝑒𝑓

Pref: Refenzschalldruck: willkürlich festgelegter Bezugswert  2* 10-5 Pa

Jede Verzehnfachung des Schalldrucks bewirkt Zunahme des SPL um 20 dB Verdopplung des Schalldrucks bewirkt Zunahme des SPL um 6 dB   

Schalldruck = Referenzschalldruck  SPL = 0 dB Ton mit dem Schalldruck p0 = 2 * 10-5 Pa hat einen Schalldruckpegel von 0dBSPL (Referenzwert) Schalldrücke > Pref = SPL negativ

Charkateristikum Schalldruck Physikalische Größe Lautstärke Frequenzabhängige Empfindung

Maß

Einheit

Schalldruckpegel Lautsärkepegel

dB phon

Lautstärke Lautstärkepegel in phon = SPL bei 1 kHz    

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Subjektiv empfundene Lautstärke: frequenzabhängige Empfindlichkeit des Gehörs Einheit des Lautsärkepegel: phon Lautstärkepegel: Vergleich der empfunden Lautstärke bei unterschiedlichen Frequenzen Lautstärkepegel eines Tons beliebiger Lautstärke = Schalldruckpegel eines gleich laut empfundenen Tons von 1 kHz  Alle Töne der Hörschwellenkurve haben Lautstärkepegel 4 phon Isophone: verbinden Töne mit gleichem Lautstärkepegel Schmerzschwelle: 130 phon Menschliches Gehör: 4 – 130 phon Sprache: 250 – 4000Hz bzw. 40 – 75dB

Unterschiedsschwellen 

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Intensitätsunterschiedsschwelle: Lautstärke, ab dem man Ton als unterschiedlich laut empfindet o Im Bereich der Hörschwelle: 3 – 5dB o 40dB über der Hörschwelle: ~1dB Frequenzuntersschiedsschwelle: Tonhöhe, bei dem man eine Veränderung wahrnimmt o Allgemein unter 1%: bei 1kHz 0,3% (3Hz) Richtungsunterschiedsschwelle: Winkel, bei dem Richtung des Schalls unterschieden werden kann o Beim binauralen Hören 3° o Durch Auswertung der Unterschiede im linken und rechten Ohr lässt sich Ort der Schallquelle lokalisieren

Parameter der Akustik 

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Sone: Lautheit, psychoakustische Maßeinheit für subjektiv empfundene Lautstärke eines Schallereignisses Bei 1kHz: 1 sone = 40 Phon = 40dB ½ Sone (=halb so laut wie eine Sone): 30 Phon 2 Sone (=doppelt so laut wie eine Sone): 50 Phon 4 Sone (=viermal so laut wie eine Sone): 60 Phon  Erhöhung der Lautstärke um 10 Phon führt zu einer Verdopplung der Lautstärkempfindung

1 kHz entspricht 4dB Isophonlinien verbinden gleichlaut empfundene Töne Bei 1kHz entspricht die Lautsräke in Phon SPL in dB Schalldruckamplitude (p): N/m2 oder Pa o Hörschwelle: ab 2 * 10-5 N/m2 o Schmerzgrenze: 20N/m2 Schallintensität (I): W/m2; proportional dem Quadrat des Schalldrucks o Hörschwelle: 10-11 W/m2 o Schmerzgrenze: 1 W/m2

Normalhörigkeit Geringe Schwerhörigkeit (SH) Abweichungen >20 dB: Hörvermögen ~20 db (HV) ab 25 – 40 dB

Mittlere SH

Hochgradige SH

Gehörlosigkeit

>40dB: HV ab 40 – 60dB

>60dB: normale >80dB: maximake Gesprächslautstärke Wahrnehmung lauter nicht verständlich Musik/Geräusche  Taubheit

Aufbau des Ohrs 

4 anatomische Abschnitte 1. Äußeres Ohr Reizleitende Strukturen: Schallauffang (inkl. Ohrmuschel: Schalllokalisation) 2. Mittelohr 3. Innenohr 4. Hörnerv

Mittelohr Aufbau   

Luftgefüllter Hohlraum Malleus, Incus, Steigbügel Ohrtrompete sorgt für Druckausgleich zwischen Mittelohr und Außenluft

Funktion Schallweiterleitung  Trommelfell wird in Vibration versetzt  Gehörknöchelchenkette schwingt  Schallübertragung an ovales Fenster in Innenohr  Von gasförmiger Luft (Mittelohr) in flüssigkeitsgefülltes Innenohr Impendanzanpassung Transformation des Schalls    

Vermeidung von Reflexionsverlusten durch starke Erhöhungen des Drucks der Schwingung Beruht auf Flächenunterschied: Trommelfell 90mm2; ovales Fenster 3mm2 Hebelwirkung der Gehörknöchelchen: erhöhte Kraft  größerer Druck am ovalen Fenster Schallreflexion kann von 99% auf 35% gesenkt werden  65% vom äußeren Ohr aufgefangene Schallenergie wird in Cochlea eingespeist

Luft- und Knochenleitung  

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Luftleitung: Schalleinkopplung über Mittelohr Knochenleitung Schall kann unter Umgehung des Mittelohrs direkt über Schwingungen des Schädelknochens ins Innenohr eingekoppelt werden o Viel ineffektiver o Gibt klinisch über differentielle Diagnose Auskunft über Schwerhörigkeit (Weber/Rinne) Sprechen: tiefere Frequenzen erreichen eigene Cochlea per Knochenleitung  In akustischen Aufnahmen fehlt dieser Anteil  eigene Stimme klingt höher

Innenohr   

Tief im Felsenbein Von knöchernem Labyrinth umgeben Besteht aus 2 Teilen o Vestibulärem Teil  Gleichgewichtsorgan o Auditorischer Teil  Cochlea, Gehörschnecke

Hörsinnesorgan, Cochlea Wanderwelle Der Druck des Stapes auf die Perilymphe des Innenohres ruft eine Flüssigkeitswelle hervor, die sich auf ihrem Weg zur Schneckenspitze nicht als Sinuswelle ausbreitet, sondern in ihrer Amplitude laufend verstärkt und in der Periode verkürzt

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Mechanischen Eigenschaften von Basis der Cochlea bis zum Apex ändert sich systematisch Breite der Basilarmembran nimmt um Faktor 5 zum Apex zu Basilarmembran wird gleichzeitig dünner  erhöhte Flexibilität Masse der schwingenden Struktur nimmt von basal nach apikal zu  Mechanischer Gradient Kochleäre Trennwand schwingt in Form einer Wanderwelle Steifigkeitsgradient der Trennwand führt zu erhöhter Amplitude der Wanderwelle Richtung Apex

Frequenzdispersion Frequenzen werden entlang der Cochlea aufgeteilt; Grundprinzip der kochleären Schallanalyse 

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Ort des Amplitudenmaximums ist frequenzspezifisch o Hochfrequente Schwingungen haben Maximum nahe kochleären Basis o Tieffrequente Schwingungen haben Maximum nach Apex Funktion: jeder Ort entlang der Basilarmembran wird von spezifischen Frequenzen mechanisch stimuliert  jedem Ort ist charakteristische Frequenz zugeordnet = Tonotopie (Ortsprinzip)

Kochleärer Vibrationsverstärker     

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Optimierung des Schwingungsverhalten der Basilarmembran Erhöhung der Schwingungsamplitude der Basilarmembran bei niedrigen Schalldruckpegeln  Ermöglich hohe Sensitivität (=niedrige Hörschwelle) Schärferer Amplitudenverlauf der kochleären Wanderwelle Schwingungsmechanismen benachbarter Frequenzen überlappen minimal Jede Haarzelle und nachgeschaltete Hörnervenfaser wird selektiv von charakteristischer Frequenz stimuliert  Unterscheidungsmöglichkeit feinster Frequenzunterschiede Verstärkung findet statt bei etwa...