.
Профессионализм специалистов является одной из составляющих успеха помощи людям с нарушенным слухом.
Взаимодействие с сурдологами, лор-врачами, сурдопедагогами - важнейшее направление нашей деятельности.
Это позволяет быть «на острие» проблем и своевременно предлагать специалистам необходимые решения.
Акустические свойства слуховых аппаратов: стоячие волны, демпфирование и раструбы

Акустические свойства слуховых аппаратов: стоячие волны, демпфирование и раструбы

Вы уже, наверное, не помните все акустические требования, которые предъявлялись к работе со слуховыми аппаратами в 1980-е годы. Однако некоторые вещи из тех, что вышли из употребления в нашей отрасли, постепенно возвращаются в виде достаточно серьезного круга вопросов, связанных с открытым и закрытым протезированием. Например, можете ли вы объяснить разницу между реальным ухом и камерой связи, когда речь идет о протезировании слуховым аппаратом CIC «глубокого залегания»? А как насчет преимуществ расширяющейся тонкой трубочки звуковода для заушного слухового аппарата, не закупоривающего ухо? Отличается ли акустическое решение от простого электрического увеличения высокочастотного усиления? И почему мы больше не используем акустическое сопротивление для современных слуховых аппаратов с тонкой трубочкой? Есть ли на это конкретная причина, или нам проще вырезать нежелательный резонансный пик с помощью программы настройки слухового аппарата?

Первоначально эта статья называлась «Забытые акустические свойства», потому что она посвящена акустическим законам физики, которые в 1980-е годы и ранее был обязан знать каждый слухопротезист. С появлением в последнем десятилетии прошлого века цифровых слуховых аппаратов многие из этих знаний были сданы в архив за ненадобностью. Одни могут воспринять эту статью как исторический обзор о том, как работало предыдущее поколение слухопротезистов. Другим же может показаться весьма интересным объяснение некоторых эффектов, наблюдаемых при слухопротезировании. Законы акустики, рассмотренные в данной статье, являются теми же, что применялись к акустическим свойствам речи для лучшего понимания голосового механизма. И эти же законы помогают нам решить, как сконструировать и собрать домашнюю стереосистему, или как лучше понять акустическое устройство многих музыкальных инструментов.

Стоячие волны – они повсюду… Ну, почти!

Всякий раз, когда возникают волновые отражения, мы имеем дело со звуковой энергией, текущей в двух (или более) разных направлениях: падающая волна и отраженная волна. Проходя по трубке, эти волны могут как усиливаться, так и ослабляться.

В помещении существуют точки, в которых отраженная волна может нейтрализовать падающую, и если вам не повезло (вы угодили в  такое место), то звук затихает. Эти нулевые точки или узлы возникают в залах музыкальных театров, и чем их больше, тем худшим по акустическим свойствам считается зал. Представьте себе скрипача, который слегка наклоняется во время игры и слышит совсем другой звук, а не тот, который он слышал бы, сидя вертикально. А это вполне может произойти. Добро пожаловать в мир архитектурной акустики!

Те же самые стоячие волны, порожденные взаимодействием между усиливающей и ослабляющей интерференцией, могут возникать и в трубках. Фактически, единственное место, где они отсутствуют – свободное пространство, например когда вы прыгаете с парашютом или сидите в безэховой камере. И, подобно стоячим волнам, повсюду существуют трубки: в нашем голосовом тракте, когда мы произносим гласные и носовые звуки, в музыкальных инструментах, таких как труба, и даже в заушных слуховых аппаратах. Во внутриушных аппаратах стоячих волн нет только потому, что их трубочка очень короткая. (На самом деле они есть, но первый резонансный пик, связанный со стоячими волнами во внутриканальном слуховом аппарате или CIC, возникает на частоте выше 8000 Гц, т.е. выше того диапазона, в котором обычно усиливаются частоты).

Итак, теперь вы можете ответить на вопрос: «Что общего имеют прыжки с парашютом и слуховые аппараты CIC?». Ответ – отсутствие стоячих волн. 

Четвертьволновой резонатор. Самой важной трубкой в слуховой отрасли считается та, которая открыта с одного конца и закрыта с другого – трубка, которая еще называется «четвертьволновой резонатор». Заушные слуховые аппараты закрыты у телефона и открыты на конце ушного вкладыша. Это относится и к нашему голосовому тракту, который закрыт у голосовых связок и открыт на губах во время артикуляции звука /а/. Это относится и к трубе (музыкальный инструмент), которая закрыта у рта и открыта на конце раструба.

Четвертьволновые резонаторы имеют нечетные кратные первой моды резонанса. Это может звучать не слишком увлекательно, пока вы не поймете, что этот закон объясняет резонансный узор гласного /а/, спектра трубы и амплитудно-частотную характеристику заушного слухового аппарата (далее – АХЧ). В случае заушного аппарата длина трубки от телефона через рожок и звукопроводящую трубочку имеет примерно 75 мм (для взрослых).

С помощью уравнения 1, показанного ниже (F=v/4L), предположив, что скорость звука V=340 000 мм/с, и подставив L=75 мм, получим, что F=1000 Гц. То есть первая мода резонанса находится на частоте 1000 Гц, и тогда нечетные кратные от 1000 Гц составляют 3000 Гц, 5000 Гц и 7000 Гц.

Уравнение 1: F=v/4L, где F – частота в Гц; V – скорость звука (34 000 см/с или 340 000 мм/с); L – длина трубки (соответственно в сантиметрах или миллиметрах).

Переходя к внутриушным слуховым аппаратам, таким как CIC, давайте предположим, что длина трубки теперь составляет всего 10 мм от телефона до конца корпуса. Снова воспользовавшись формулой четвертьволнового резонатора и подставив в нее L=10 мм, мы найдем, что F=8500 Гц. Поскольку это выше частотного диапазона большинства современных слуховых аппаратов, мы можем смело утверждать, что резонанса стоячих волн во внутриушном аппарате не существует. Любые резонансы, найденные в частотном ответе CIC (или любого другого внутриушного слухового аппарата), связаны с механическими свойствами телефона, а не с акустическими свойствами прохождения звуковых волн.

Другое проявление четвертьволнового резонатора наблюдается у нас в слуховом проходе, который закрыт у барабанной перепонки и открыт со стороны ушной раковины. На Рис. 1 показан незакупоренный слуховой проход с первой модой стоячей волны, которая ассоциируется с ответом реального незакупоренного уха (REUR) величиной 2700 Гц. Закупорка внешней части слухового прохода (серая область на Рис. 2) либо ушной серой, либо из-за патологического стягивания хряща (например, при полихондрите) значительно снизит уровень связанного резонанса на частоте 2700 Гц.

Незакупоренный слуховой проход

Рис. 1. Незакупоренный слуховой проход показывает стоячую волну, которая соответствует резонансу 2700 Гц. В положении А наблюдается большая объемная скорость, а в положении В – минимальная (см. также подпись к Рис. 2).

В отличие от этого, если закупорка располагается у барабанной перепонки, где частицы стоячей волны практически не движутся (т.е. вблизи узла в положении В), то амплитуда резонанса слухового прохода существенно не изменится. Вот почему закупорка слухового прохода ушной серой (которая располагается вблизи точки А) может привести к сильной высокочастотной кондуктивной потере слуха (с максимальным эффектом на частоте 2700 Гц).

Закупорка наружной части слухового прохода

Рис. 2. Закупорка наружной части слухового прохода (в положении А) из-за ушной серы или патологического стягивания хряща (например, при полихондрите) значительно снижает уровень связанного резонанса на частоте 2700 Гц. Если же закупорка находится в положении В, то эффект будет минимальным.

Этот последний пример демонстрирует другое свойство волнового резонанса: в зависимости от места нахождения преграды она будет оказывать разное действие на амплитуду резонансного пика. Это хорошо известное явление, когда в трубочке слухового аппарата используются акустические демпферы для сглаживания АХЧ. Если демпфер находится у максимума стоячей волны (положение А), то он будет сильнее снижать резонанс, чем если бы он находился в узловом положении (В) стоячей волны.

Вернувшись к Рис. 1, предположим, что длина среднего слухового прохода взрослого человека составляет 28 мм. Используя четвертьволновую формулу из уравнения 1, получим:
F = 340 000 мм/с / 4х28 мм = 3035 Гц.

Эффективная длина. Почему эта формула предполагает, что резонанс должен быть равен 3035 Гц, но при измерении в реальном ухе резонанс обычно составляет 2700 Гц? Это приводит нас к обсуждению длины, или эффективной длины.  

Оказывается, что измеренная длина трубки – лишь первое приближение к пониманию того, как звук передается через воздух. Существуют два дополнительных фактора, которые влияют на реальную или эффективную длину: природа закрытого конца и природа открытого конца. В случае слухового прохода человека закрытым концом является барабанная перепонка, что добавляет несколько миллиметров акустической длины из-за ее податливости.

В этом нет ничего удивительного. Если измерить длину камеры связи Звислоцкого, используя манекен KEMAR, то измеренная длина составит 21,5 мм, но акустически она функционирует так, как будто бы была гораздо длиннее. Резонанс открытого уха (REUR), измеренный с помощью KEMAR, составляет 2700 Гц. Это объясняется тем, что микрофон, который заменяет барабанную перепонку в KEMAR, добавляет большую часть недостающей акустической длины; диафрагма микрофона весьма податлива, что добавляет 7-8 мм длины.

Взглянув на конец слухового прохода, мы увидим, что его отверстие содержит массу воздуха, обладающую инерционностью. Он колеблется как единое целое и предоставляет еще несколько миллиметров акустической длины. Воздух также может создавать свой собственный низкочастотный резонанс, что и происходит в вентах ушных вкладышей (этот резонанс также называется «резонанс вента»).

Таким образом, частота четвертьволнового резонанса, такого как резонанс трубки в заушных слуховых аппаратах или резонанс открытого уха (REUR), регулируется формулой из уравнения 1. Эти резонансы генерируют нечетные кратные своей моды или самой низкой частоты и подвержены влиянию физических свойств как открытого, так и закрытого конца. Но мы пока еще не обсуждали эффект амплитуды связанных резонансов.

Импеданс и демпфирование

Амплитуда связанных резонансов, имеющаяся в заушном слуховом аппарате или в музыкальном инструменте, хорошо определяется с помощью простых акустических законов. Уравнение 2 отражает физические условия, описывающие акустическую импедансометрию, которую мы обычно проводим в клинических условиях. Уравнение показывает, что импеданс (Z) является функцией как реактивного, так и резистентного компонента. Из этого вытекает интересный акустический результат: при резонансе реактивный компонент равен нулю. На основании этого факта можно сказать, что в резонансном пике импеданс Z представляет собой чистый резистентный компонент.

В отличие от реактивности, которая зависит от частоты, сопротивление (резистентность) от частоты не зависит. Это приводит к тому, что амплитуды низкочастотных и высокочастотных резонансов одинаковы и регулируются общими свойствами трубки. Труба имеет меньшее сопротивление (демпфирование), чем голосовой тракт человека, при этом более высокочастотные резонансы в обоих случаях имеют такую же амплитуду, как соответствующие низкочастотные.
Уравнение 2:
Z = реактивность2 + сопротивление2 ; при резонансе реактивность = 0.
Ранее слуховая индустрия использовала акустические резисторы (они же демпферы), снижающие амплитуду АХЧ аппарата на резонансных частотах. Однако в зависимости от положения акустического резистора – в узле стоячей волны или в пучности стоячей волны – он оказывает разное действие на АХЧ.
Если слуховой проход закупоривает сера, то, когда она находится во внешней части слухового прохода, где располагается резонанс (см. положение А на Рис. 1, 2), она оказывает большой резистивный эффект. Закупорка в противоположном месте (приближающемся к узлу, таком как в положении В) очень мало изменяет амплитуду резонансного пика. Это открывает перед нами удивительный мир удельного импеданса (полного акустического сопротивления). Уравнение 3 показывает удельный импеданс трубки, а также пример того, как определить удельный импеданс звукопроводящей трубочки № 13.

Уравнение 3: Z = pv/площадь (см2), где Z – удельный импеданс; р – плотность воздуха; v – скорость звука; площадь – поперечное сечение трубки (см2).

Например, для трубочки № 13:
Z = 0,0112 г/см3 х 34000 см/с /0,314 см2 = 1212 Ом.

Если мы используем поперечное сечение стандартной звукопроводящей трубочки № 13, которая обычно применяется во многих заушных слуховых аппаратах, то удельный импеданс составит чуть более 1200 Ом. Это значит, что трубочка № 13 требует акустического сопротивления примерно 1200 Ом, чтобы полностью подавить амплитуду резонанса. В прошлом промышленность использовала сопротивление величиной 1500 Ом, что достаточно близко к указанному значению.
Трубочки уменьшенного диаметра, такие как тонкие трубочки для заушных слуховых аппаратов, требуют значительно большего удельного импеданса, чтобы избавить АХЧ от назойливых частотных резонансов. А для человеческого голосового тракта с относительно большим поперечным сечением требуется очень малое акустическое сопротивление, чтобы изменить вид резонанса.

Усиление и раструб

Эффект акустического преобразователя – хороший способ сказать о том, что в зависимости от длины трубки возрастание площади ее поперечного сечения повышает амплитуду более высокочастотных компонентов. Еще нагляднее сказать, что амплитуда всех частот, половина длины волны которых превышает общую длину трубки, повышается с помощью раструба или горна. Вот теперь это точно впечатлит ваших коллег и знакомых.  

Уравнение 4 выглядит похоже на уравнение 1, так как оно содержит скорость звука (v) и длину трубки (L), но на этом сходство и заканчивается.

Уравнение 4: F = v/2L, где F – частота, с которой раструб начинает усиливать амплитуду звука.

Для трубки длиной 75 мм, такой как в заушном слуховом аппарате у взрослых, уравнение 4 предполагает, что все частоты выше 2266 Гц (F = 340000 мм/с / (2х75 мм)) будут усиливаться при наличии раструба. У маленьких детей, у которых полная длина трубки равна всего 60 мм, усиление высоких частот начинается с 2833 Гц. То есть чем короче трубка, тем с более высоких частот будет начинать усиление раструб.

Горн Либби – один из примеров трубки, которая постепенно расширяется. Это также объясняет, почему более широкое открытие рта при произношении некоторых звуков приводит к возрастанию высокочастотного выходного сигнала и почему трубы и многие другие музыкальные инструменты оканчиваются раструбами.

Раструбы как усилители. Наконец наш путь сквозь мир акустических характеристик трубок заканчивается коэффициентом усиления. Уравнение 5 приводит пример для удвоения внутреннего диаметра трубки.

Уравнение 5: Коэффициент усиления = 10 log (Пr2 более широкой части / Пr2 менее широкой части).

Для удвоения внутреннего диаметра:
10 log (22) = 2 x 10 log (2) = 6 дБ.

Если внутренний диаметр удваивается, как в случае 4-миллиметрового горна Либби, в котором внутренний диаметр возрастает с 2 мм до 4 мм, то максимальное увеличение амплитуды высоких частот составит 6 дБ, как показывает уравнение 5. Однако важно то, что это справедливо для любого удвоения внутреннего диаметра. Не имеет значения, удваивается ли диаметр с 2 мм до 4 мм или с 1 мм до 2 мм. Тонкая трубочка, которая расширяется до диаметра трубочки № 13, будет давать те же самые 6 дБ высокочастотного усиления.

Можно задать вопрос: эквивалентно ли это возрастанию электрического ВУЗД слухового аппарата на 6 дБ? Хотя конечный результат действительно будет аналогичным, разница есть. При наличии акустического раструба трубочки добавочный ВУЗД будет возникать после телефона аппарата, так что это не будет снижать срок службы батарейки. Кроме того, разница между усилением и ВУЗД в высокочастотном регионе не меняется. Акустические высокочастотные модификации сохраняют динамический диапазон слухового аппарата.

Заключение

Есть много акустических законов, которые были забыты с появлением цифровых слуховых аппаратов. Хотя верно то, что большинство модификаций сегодня можно провести цифровым, а не акустическим методом, между ними есть некоторые тонкие различия. Пять основных уравнений, представленные в этой статье, напоминают нам о том, почему многие вещи в мире слуховых аппаратов остаются неизменными.

Д-р Маршалл Чейсин – директор по слуховым исследованиям
Канадской клиники для музыкантов (Торонто),
 координатор исследований Канадского Общества слуха,
 адъюнкт-профессор колледжа коммуникации и ее расстройств
 университета Западного Онтарио и преподаватель акустической
 фонетики факультета лингвистики университета Торонто.

Журнал «The Hearing Review», № 5, 2013 год

ВКонтакт Facebook Одноклассники Twitter Яндекс Livejournal Liveinternet Mail.Ru



<-Назад в раздел




Оптовые поставки оборудования Доступная среда
Оборудование по доступной среде

Контактная информация

141195 , г. Фрязино, МО
Заводской проезд, д.3а

+7 (495) 792-02-10