Acustica BIOFIZIC MEDICAL

dr. Sonia Herman

Acustica

Oscilaii i undeSemnal.Variaia unui parametru al unei mrimi.Oscilaie.Variaia periodic a unei mrimi fizice.Semnal periodic.Ex.: pendul, resort, coard, orice mediu elastic.Oscilator.Und.Propagarea n spaiu a unui semnal.

Acustica

Oscilaia armonicy = A sin (wt + 0).y elongaia (valoarea instantanee).A amplitudinea.w pulsaia.0 faza iniial (la origine).t = 0; y = A sin 0.

Acustica

Parametrii y = A sin (wt + 0).Perioada.T; [T]SI = s.Frecvena.f = 1/T; [f]SI = s1 = Hz.Pulsaia.w = 2pf; [w]SI = rad/s.Faza. = wt + 0; []SI = rad.

Acustica

ParametriiViteza de propagare.C; [C]SI = m/s.C viteza de oscilaie.Funcie de caracteristicile mediului.Lungimea de und.Spaiul parcurs n intervalul T.l = CT; [l]SI = m.

Acustica

Clasificarea undelorDirecia de oscilaie.Unde longitudinale.Unde elastice.Unde transversale.Unde electromagnetice.Evoluia n spaiu.Und progresiv (cltoare).Und staionar.Noduri.A = 0.Ventre.A = maxim.

Acustica

Clasificarea undelorEvoluia emplitudinii.Oscilaii ntreinute.A = constant. Necesit energie.Oscilaii amortizate.A scade exponenial.Pierderi.

Acustica

Frecvena proprie de oscilaieDepinde de caracteristicile elastice. k constanta de elasticitate.m masa.

Acustica

Rezonana Oscilatoare cuplate.Rezonana.Transfer optim de energie.A maxim.Nu este o amplificare.Amplificare mrirea puterii.Pierderi.Exemple: cldiri, poduri, suspensii elastice.

Acustica

Sunetele Semnale acustice.Variaii ale presiunii n mediul de propagare.Unde elastice.Propagarea unei oscilaii ntr-un mediu elastic.Comprimri i dilatri succesive.Vibraii ale particulelor mediului.C v de vibraie.Unde longitudinale.Viteza de propagare.Depinde de proprietile mediului.Csolid > Clichid > Cgaz.Independent de frecven.

Acustica

Clasificarea sunetelorSunete propriu-zise (sunete).Perceptibile de ctre urechea uman.16 Hz < f < 20.000 Hz (20 kHz).Infrasunete.f < 16 Hz.Ultrasunete.f > 20.000 Hz.Ecografie.f = 2 20 MHz.

Acustica

Impedana acustic.Definiie.Expresie a pierderii de energie.Legea lui Ohm: [Z] = W acustici; 1 W acustic = 1 kg/m2s.Micare oscilatorie. C(Z).

Acustica

Reflexia i refraciaInterfaa dintre medii cu Z diferit.Reflexia (Ir).i = r.Refracia.Unda transmis (It).C2sin i = C1sin rrf.

Acustica

Reflexia i refraciaEnergia undei incidente (Ii) se mparte ntre Ir i It.Depinde de i i de f.Coeficient de reflexie.R = Ir/Ii.Inciden normal (i = 0); i = 12 grade cca 104 ori.Coeficient de transmisie.T = It/Ii. R + T = 1

Acustica

Adaptarea de impedanAdaptarea de impedan.Seciune variabil.Straturi de materiale cu Z diferit.Forma difuzoarelor.Membrana Zm.Aer Z0.Pavilion cu profil exponenial.

Acustica

Analiza FourierOrice semnal periodic poate fi descompus ntr-o sum de sinusoide.S(t) = A0 + A1 sin wt + A2 sin 2wt.w = 2p/T.A1 sin wt fundamentala.Ai sin wt armonice.i = numr ntreg.Spectrul semnalului.Ai(f).Spectru discret.

Acustica

Analiza FourierSemnale aperiodice.Spectru continuu.Zgomote.

Acustica

Tipuri de suneteMuzicale.Spectru discret.O singur frecven tonuri pure.Octav: dublarea frecvenei.Zgomote.Spectru continuu. Zgomot alb.Toate frecvenele, cu aceeai amplitudine.Zgomot de band ngust.Un domeniu restrns de frecvene. Vorbirea articulat.Vocalele spectru discret.Consoanele spectru continuu.

Acustica

Ultrasunete Oscilaii elastice.f > 20 kHz.Percepute de unele animale.Delfin, liliac etc.Folosite pentru orientare.Producerea ultrasunetelor.Efectul piezoelectric.

Acustica

Efectul piezoelectricPierre i Jacques Curie, 1880.gr. piezin = a apsa.Principiul. Presiune polarizarea cristalului.Diferen de potenial ntre feele cristalului deformarea elastic.Semnal alternativ vibraii.Frecvena proprie de rezonan a cristalului.Stabilitate 107 108.Monopuls.Semnal sinusoidal amortizat.Oscilaii de relaxare frecvena de rezonan.t durata pulsului.

Acustica

Efectul piezoelectricMateriale.Cuar (SiO2), sarea Seignette (tartrat dublu de sodiu i potasiu), fosfat de amoniu, titanat de bariu, zirconat-titanat de plumb. Materiale ceramice feroelectrice cu piezoelectricitate indus.Propagarea n spaiu ultrasunete.Lungimea pulsului (L). L = Ct.

Acustica

Efectul DopplerDefiniie.Viteza relativ (detector/surs). Proiecia vitezei pe direcia de propagare.Msurarea vitezei sngelui.

Acustica

Efectele ultrasunetelorEfecte termice.nclzire global a mediului disiparea energiei.nclzire local fluctuaii de presiune i cavitaie. Medii solide: propagarea cldurii de la zonele comprimate spre cele destinse.

Acustica

Cavitaia.Rupere local a lichidului i formarea de goluri gaz.n faza de decompresie.Favorizat de existena unor gaze dizolvate. Centre de cavitaie.Volumul bulelor crete. Difuzia gazelor i evaporarea lichidului.Frecvena proprie de rezonan a bulei (r).> f implozie; < f relativ stabil.Implozia t = 0,01 0,1 ms; adiabatic.Local: 10.000 oC; p zeci de mii de atmosfere.Efectele ultrasunetelor

Acustica

Efecte electrice.Efecte optice. Efecte chimice.Deplaseaz echilibrul reaciilor.Efectele ultrasunetelor

Acustica

Efecte biologice.Intensiti mari.Cavitaia, necroze locale, moartea celulei.Celulele tinere mai sensibile.Intensiti mici.Efecte, n general, benefice. 102 W/cm2, efectele se consider neglijabile.Personalul n vecintatea unor instalaii de ultrasunete.16 25 kHz, > 100 dB.Manifestri neurovegetative, perturbarea proceselor de termoreglare, tulburri psihice (halucinaii), tulburri de echilibru.< 1000 kHz. Puin absorbite de aer propagare la distane mari. Efectele ultrasunetelor

Acustica

Utilizarea ultrasunetelorEcografie.Angiografie Doppler.Terapia cu ultrasunete.Chirurgie distrugerea unor structuri.Fizioterapie.Afeciuni inflamatorii i degenerative ale articulaiilor i ale coloanei vertebrale, ale musculaturii.Laborator.Formarea i stabilizarea sistemelor coloidale.

Acustica

Analzorul auditivSistem senzorial.Transform (traduce) un semnal natural (stimul) n semnale relevante (adecvate) pentru sistemul nervos. Energiile fizice din lumea nconjurtoare devin perceptibile.

Acustica

Principii generaleSenzaia.Reflectarea psihic a unor nsuiri izolate ale obiectelor i fenomenelor din realitatea ambiant.Acioneaz nemijlocit asupra organelor de sim.Percepia.Procesul psihic de cunoatere senzorial.Fenomenele din lumea obiectiv sunt reflectate n totalitatea nsuirilor lor.Reflectri subiective ale lumii obiective. Organe senzoriale specializate pentru receptarea stimulilor de o anumit natur.Coresponden excitant senzaie.Frecvena sunetului nlimea tonal.

Acustica

Structura analizoruluiSegment periferic.Mediile fizice de transmitere a excitantului (MTr).Celulele receptoare (senzoriale CS).Traducere.Structurile de codificare a informaiei. Segment central.Cile de transmisie.Aferente (CAf) i eferente (CEf).Zona de proiecie cortical (PC).Elaborarea senzaiilor i percepiilor (SP). Mecanisme psihice.

Acustica

Caracteristicile percepiei sonoreReflectare subiectiv.Elementele percepiei sonore.nlimea tonal.Tria sonor.Timbrul.

Acustica

nlimea tonalCorespondentul fizic frecvena fundamental.f mari sunete nalte (acute).f mici sunete joase (grave).

Acustica

Tria sonorCorespondentul fizic nivelul acustic.Intensitatea acustic e/tS.[I]SI = W/m2.I = Kp2.Nivelul acustic (N).N = 10 log I/I0; [N]SI = dB. I0 pragul de audibilitate /1000 Hz.I0 = 1012 W/m2 / p0 = 2105 N/m2.N = 10 log (p2/p02) = 20 log (p/p0).

Acustica

Tria sonorCmpul auditiv.Pragul de audibilitate.Sensibilitate maxim: 2000 3000 Hz. Pragul dureros /1000 Hz. 120 dB / 1 W/m2.

Acustica

Tria sonorSensibilitatea variaz cu frecvena.Relaie neliniar ntre tria sonor i N.Fonul.Referin I(f) minim audibil.1000 Hz 1 fon = 1 dB.

Acustica

TimbrulCompoziia spectral.Ordinul i amplitudinea armonicilor.Evoluia intensitii la debut i la stingere.Pianul ncepe brusc i sfrete lent.Orga evolueaz progresiv.Variaia frecvenei fundamentale i a compoziiei spectrale.Sunetele naturale.Identificarea naturii sursei.

Acustica

Structura receptorului auditivUrechea extern.Pavilion.Focalizare.Protecie.Conductul auditiv extern (CAE).Tub acustic. f0 3000 Hz.Urechea medie.Urechea intern.Cohlea.

Acustica

Urechea medieStructura.Cavitate aerian. 15 5 2 mm3.Timpanul.Elasticitate uniform.Sistemul osicular.Ciocan, nicoval, scri.Trompa lui Eustache.H 105 Pa.Dp 20 mPa.Fereastra oval / fereastra rotund.

Acustica

Urechea medieCaracteristici acustice.Transmisia sunetului la UI.Adaptarea de impdedan. Mediu aerian.Z1 400 W acustici.Urechea intern lichidian.Z2 1,6106 W acustici.T = 4Z1Z2/(Z1 + Z2)2 103.Mrirea presiunii.Prghie cl. I. Raportul ariilor timpan/f.o. S1 = 55 mm2 / S2 = 2 3 mm2. Reflexul stapedian.Declanare 70 dB / atenuare 10 dB. UM

Acustica

Urechea internStructura general.Cohlea (melcul).Canalele semicirculare.

Acustica

Urechea internStructura.Spiral 2 ture.Ferestre.Oval.Rotund.Compartimente.Rampa vestibular.Membrana Reissner.Rampa timpanic.Membrana bazilar.Canalul cohlear.Organul lui Corti.

Acustica

Membrana bazilarCaracteristici.Forma.Elasticitatea.Deformarea.f > 20 Hz.Tonotopie.

Acustica

Propagarea undeiDeformarea MB.Teorii.Ohm (1843); Helmholtz (1863).Set de rezonatoare independente (harp).Bksy (1928).Und cltoare (progresiv).Continuum cu frecvena variabil progresiv.Oscilatoare cuplate.Analiz Fourier.Separarea spaial a frecvenelor.Amortizare critic 100 dB/octav.

Acustica

Propagarea pasiv a undeiEARUnda

Acustica

Organul lui CortiStructura.Membrana bazilar.Membrana tectoria.Tunelul lui Corti.Celule ciliate (CC).Interne (CCI).Externe (CCE).

Acustica

Celulele ciliateAezare.CCI.1 rnd 3500.Uniform.CCE.3 5 (apex) rnduri 12.500.

Cili.Legturi ntre cili.Legturi sinaptice.Fibre aferente i eferente.

Acustica

Celulele ciliateDeplasarea membranelor.Deformarea cililor.

Corti

Acustica

Celulele ciliate externe (CCE)Deformarea cililor.Modificarea polarizrii electrice a membranei.Contracie.Contracia CCE antreneaz membranele.Deformare puternic a MB.Zona de deformare se ngusteaz.Analiz Fourier mult mai precis.Amplificare. 60 dB.Neliniar.

Acustica

Celulele ciliate interne (CCI)Celulele senzoriale ale analizorului auditiv.Deformarea cililor.Modificarea polarizrii electrice a membranei.Semnale spre cortex pe fibrele nervoase.Caracteristicile stimulului sonor.

Acustica

Etapele prelucrrii cohlearePropagarea undei progresive MB.Glisarea MB/MT.Forfecarea cililor CCE.Contracia CCE.Amplificarea deformrii MB.Excitarea CCI.Transmisia semnalelor spre cortex pe fibrele aferente ale CCI.

Acustica