Proces słyszenia
Zadania zmysłu słuchu Za pośrednictwem zmysłu słuchu otrzymujemy informacje o otaczającym nas świecie.
Nośnikiem informacji jest fala dźwiękowa zwana również falą akustyczną.
Fala dźwiękowa dostarcza informacji tylko wówczas kiedy odbiorca może przypisać jej pewne znaczenie. Informacje te muszą więc być zakodowane w stanach fali dźwiękowej (amplitudzie, częstotliwości, składzie widmowym itd.). Zadaniem ucha jest odbieranie informacji zakodowanych w fali dźwiękowej i przetwarzanie ich w układ impulsów bioelektrycznych przekazywanych do ośrodkowego układu nerwowego i zrozumiałych przez ten układ. Ucho pełni zatem rolę przekaźnika informacji i jednocześnie dokonuje wstępnej analizy informacji.
Tor informacyjny zmysłu słuchu
Na tor informacyjny procesu słyszenia składają się:
- źródło drgań – źródło informacji,
- fala dźwiękowa – nośnik informacji (kanał),
-ucho – przetwornik i wstępny analizator sygnałów (informacji),
- ciąg impulsów bioelektrycznych w nerwie słuchowym – nośnik informacji (kanał),
- układ ośrodkowy – odbiorca (analizator) informacji.
Peryferyjny układ słuchu Zanim zaburzenie ośrodka wywoła wrażenie słuchowe odbierane jako dźwięk musi przebyć drogę do kory mózgowej przez peryferyjny układ słuchowy składający się z ucha zewnętrznego, ucha środkowego, ucha wewnętrznego i nerwu słuchowego.
Ucho zewnętrzne
W skład ucha zewnętrznego wchodzą:
- małżowina uszna,
- przewód słuchowy zewnętrzny,
- błona bębenkowa.
Ucho zewnętrzne tworzy komorę rezonansową o częstotliwości około 2,5 kHz wzmacniającą dźwięki z przedziału 1-4 kHz o około 10 dB. Małżowina uszna wzmacnia dźwięki o częstotliwościach 4-7 kHz o około 5-7 dB.
Całkowite wzmocnienie wzmocnienia kanału słuchowego zewnętrznego i małżowiny usznej wraz z uwzględnieniem kształtu głowy osiąga wartość 15-20 dB dla częstotliwości 2-5 kHz.
Ucho zewnętrzne odgrywa również rolę w lokalizacji źródeł dźwięku o częstotliwościach większych od 1,5 kHz.
Ucho środkowe
Ucho środkowe znajduje się w wypełnionej powietrzem jamie bębenkowej i zawiera łańcuch kosteczek słuchowych:
- młoteczek (przyczepiony rękojeścią do błony bębenkowej),
- kowadełko,
- strzemiączko (zamykające okienko owalne ucha wewnętrznego).
Błona bębenkowa wraz z młoteczkiem wprawiana jest w drgania przez falę dźwiękową. Drgania młoteczka przekazywane są przez kowadełko do strzemiączka. Ruch podstawy strzemiączka zamykającej okienko owalne jest złożony z ruchu tłokowego, wahadłowego i obrotowego.
Zadania ucha środkowego:
- Przeniesienie informacji od ucha zewnętrznego do wewnętrznego,
- dopasowanie impedancji fali dźwiękowej rozchodzącej się w powietrzu
do impedancji fali dźwiękowej rozchodzącej się w cieczach ślimaka,
- ochrona ucha wewnętrznego przed dźwiękami o zbyt dużym natężeniu.
Mechanizm dopasowania impedancji w uchu środkowym
Powierzchnia błony bębenkowej jest około 30-40 razy większa od powierzchni okienka owalnego w uchu wewnętrznym.
Ramię młoteczka jest 1,2-1,4 razy dłuższe od ramienia kowadełka.
Brak dopasowania impedancji oznaczałby, że zaledwie 1% energii fali akustycznej byłoby transmitowane do cieczy ślimaka. Dopasowanie impedancji jest najlepsze w zakresie częstotliwości 1-4 kHz i dlatego ucho jest w tym zakresie najbardziej czułe.
Człowiek pozbawiany ucha środkowego słyszałby sygnały akustyczne gdyby były podwyższone o 50 dB w stosunku do sygnałów słyszanych przez ucho nieuszkodzone o ile pozostałe elementy ucha zewnętrznego i wewnętrznego funkcjonowałyby normalnie.
Mechanizm chroniące ucho wewnętrzne
W uchu środkowym działają mechanizmy chroniące ucho wewnętrzne przed dźwiękami o zbyt dużym natężeniu.
Przy dużych natężeniach dźwięku strzemiączko nie uciska okienka owalnego z większą siłą lecz wykonuje ruchy skręcające.
W uchu środkowym znajdują się dwa małe mięśnia, jeden zaczepiony do bębenka, a drugi do strzemiączka. Przy zbyt dużych ciśnieniach akustycznych (75÷95 dB), drogą sprzężenia zwrotnego, mięśnie te otrzymują dodatkowe informacje i kurcząc się napinają bębenek oraz usztywniają układ kostek słuchowych, wprowadzając dodatkowe tłumienie (odruch strzemiączkowy). Odruch strzemiączkowy występuje przy dźwiękach o częstotliwościach niższych od 2000 Hz. Objawia się on jednak z pewnym opóźnieniem i nie chroni ślimaka przed dźwiękami impulsowymi takimi jak wystrzał z broni palnej.
Ucho środkowe może prawidłowo funkcjonować gdy w jamie bębenkowej jest takie samo ciśnienie jak na zewnątrz organizmu. Ciśnienie w jamie bębenkowej wyrównywane jest poprzez trąbkę słuchową (trąbkę Eustachiusza), łączącą jamę bębenkową z gardłem. Trąbka Eustachiusz jest normalnie zamknięta i otwiera się tylko podczas
ziewania, połykania lub wymawiania niektórych zgłosek takich jak u, e, i, p, k.
Ucho wewnętrzne Zasadniczym elementem ucha wewnętrznego jest ślimak kostny.
Ślimak jest zwężającą się rurką uformowaną z kości czaszki, która występuje w formie skorupy ślimaka i ma 2,5-2,75 zwoja. W ślimaku można wyróżnić trzy kanały, oddzielone od siebie blaszką spiralną (na której leży błona podstawna ) oraz błoną przedsionkową (Reissnera).
Główny kanał ucha wewnętrznego nosi nazwę schodów przedsionka . Od strony ucha środkowego jest on zamknięty okienkiem owalnym przylegającym do strzemiączka . Poniżej znajduje się przewód ślimakowy zwany schodami bębenka . Schody bębenka są oddzielone od ucha środkowego okienkiem okrągłym , zbudowanym z błony bębenkowej wtórnej.
W szczytowej części ślimaka znajduje się szparka osklepka, poprzez którą roztwory elektrolitu w schodach przedsionka i bębenka (zwane perylimfą ) kontaktują się. Roztwór elektrolitu występujący w przewodzie ślimakowym nosi nazwę endolimfy i ma inny skład chemiczny niż perylimfa. W endolimfie występuje bardzo wysokie stężenie jonów K+.
Transmisja dźwięku w uchu środkowym
- Strzemiączko wykonując ruchy posuwisto-zwrotne wprawia w ruch okienko owalne
- Okienko owalne wtłacza lub zasysa perylimfę ze schodów przedsionka a także poprzez szparkę osklepka również ze schodów bębenka
- Perylimfa jako ciecz jest nieściśliwa więc ruchowi okienka owalnego w kierunku do wnętrza schodów przedsionka towarzyszy ruch okienka okrągłego w kierunku na zewnątrz schodów bębenka.
- Zmienne ciśnienie w perylimfie wywołane ruchem okienka owalnego przenosi się również poprzez błonę przedsionkową do endolimfy
- Ruch perylimfy prowadzi dalej do ruchu błony podstawnej leżącej na blaszce spiralnej oddzielającej przewód ślimakowy od schodów bębenka
- W narządzie spiralnym ślimaka leżącym na błonie podstawnej dochodzi do aktywacji komórek zmysłowych i przekształcenia drgań mechanicznych na sygnał elektryczny.
Analiza dźwięku w narządzie spiralnym
1. Teoria rezonansowa Helmholtza
- Błona podstawna staje się coraz szersza w miarę zbliżania się do szczytu ślimaka, czyli do szpary osklepka
- Błona podstawna stanowi zbiór napiętych włókien na podobieństwo do strun fortepianu
- Dłuższe włókna maja niższą częstotliwość rezonansową niż włókna krótsze
- Włókna błony podstawnej są sprzężone z włóknami nerwowymi i podczas drgań przenoszą informacje do CUN
- Teoria Helmholtza zakłada, że odpowiednie miejsca na błonie podstawnej są odpowiedzialne za analizę sygnałów o określonej częstotliwości.
Argumenty przeciwko teorii Helmholtza
- Błona podstawna nie składa się z żadnych włókien lecz jest tworem galaretowatym
- Błona podstawna nie jest napięta lecz spoczywa dość luźno na blaszce podstawnej
- Przy przyjęciu stanu napięcia błony siły napinające musiałyby zmaleć steki tysięcy razy w miejscu najszerszym błony w porównaniu do miejsca najwęższego.
2. Teoria fali wędrującej Bekesy’ego
- Wytworzona ruchem błony okienka owalnego fala hydrodynamiczna wytwarza na błonie podstawnej falę wędrującą (podobną do fal windsurfingowych na oceanie), w której maksimum wychylenia przemieszcza się w kierunku szparki osklepka
- Chwilowo powstające maksima wychylenia zmieniają swoja wartość w zależności od odległości od okienka owalnego
- Największe wartości maksimów wychylenia fali przypadają w różnych miejscach błony podstawnej i zależą od częstotliwości padającego dźwięku
- Ton o określonej częstotliwości pobudza do drgań określone miejsce na błonie podstawnej co jest również zgodne z założeniem teorii Helmholtza
Obie teorie, zarówno Helmholtza, jak i Bekesy’ego są teoriami miejsca.
Wzmacniacz ślimakowy
Drgania błony podstawnej są zamieniane na potencjały czynnościowe (impulsy neuronowe) w organie Cortiego usytuowanym wzdłuż błony podstawnej.
Zasadniczym elementem tego organu Cortiego są komórki rzęskowe(rzęsate) wewnętrzne i zewnętrzne umieszczone po obu stronach tzw. tunelu Cortiego, oraz błona pokrywkowa znajdująca się nad tym organem.
Wewnętrzne komórki rzęskowe umieszczone są w jednym rzędzie, po wewnętrznej stronie tunelu Cortiego. Jest ich około 3500, a każda z nich ma około 40 tak zwanych rzęsek formujących proste rzędy. Do każdej z nich dochodzi około 20 neuronów aferentnych przekazujących impulsy ze ślimaka na wyższe piętra drogi słuchowej.
Rzęski tych komórek nie mają najprawdopodobniej styczności z błoną pokrywkową, która jest utwierdzona po swej wewnętrznej stronie. Ruchy błony podstawnej w górę i w dół powodują cykliczne zbliżanie organu Cortiego i błony pokrywkowej oraz powstawanie pomiędzy nimi sił ściskających. Dzięki temu rzęski przeginają się raz w jedną a raz w
drugą stronę. Przeginanie to połączone jest z cyklicznym otwieraniem i zamykaniem kanałów jonowych znajdujących się w rzęskach, którymi do ujemnie spolaryzowanych komórek rzęskowych mogą napływać dodatnie jony potasu z endolimfy wypełniającej kanał ślimakowy.
Zewnętrzne komórki rzęskowe pełnią zupełnie inną funkcję. Uporządkowane są one w pięciu rzędach po zewnętrznej stronie tunelu Cortiego. Jest ich około 25 000, a każda z nich ma około 140 rzęsek uformowanych w kształcie litery V. Do komórek tych dochodzi około 1800 neuronów eferentnych, tj. takich, które przekazują sygnały z
mózgu. Komórki te charakteryzują się kurczliwością pod wpływem zmiany potencjału: wzrost potencjału powoduje ich skrócenie. Kurczliwość, która obserwuje się dla bodźców o częstotliwości do kilkunastu kHz, stanowi podstawę wzmacniacza ślimakowego.
Ruch błony podstawnej ku górze połączony jest z otwieraniem kanałów jonowych, dzięki czemu dodatnie jony z endolimfy napływają do zewnętrznych komórek rzęskowych. Jony te powodują wzrost potencjału komórek, a w związku z ich kurczliwością – również ich skrócenie. Skrócenie to jest największe w szczytowym wychyleniu błony podstawnej, kiedy kanały jonowe są maksymalnie otwarte.
Skrócenie zewnętrznych komórek rzęskowych prowadzi do lepszego zbliżenia błony pokrywkowej i wewnętrznych komórek rzęskowych, a więc do znacznie bardziej intensywnego stymulowania ich. Kurczliwość zewnętrznych komórek rzęskowych ma zasadnicze znaczenie zwłaszcza w przypadku najcichszych dźwięków.
Przy braku kurczliwości zewnętrznych komórek nie można wygenerować impulsu we włóknach dochodzących do wewnętrznych komórek rzęskowych wymagałaby znacznie większego wychylenia błony podstawnej, a więc i większego natężenia dźwięku.
Zanik elektromotorycznych cech zewnętrznych komórek rzęskowych oznacza upośledzenie wzmacniacza ślimakowego i prowadzi do tzw. odbiorczego uszkodzenia słuchu podwyższającego próg słyszalności utrudniającego rozumienie mowy prezentowanej na tle szumu.
Elementy mechaniki płynów
Porównanie właściwości sprężystych ciał stałych, cieczy i gazów.
Ciała stałe - duże moduły sprężystości objętościowej i postaciowej
Ciecze - mniejszy moduł sprężystości objętościowej i bardzo mały moduł sprężystości postaciowej
Gazy - mały moduł sprężystości objętościowej i prawie zerowy moduł sprężystości postaciowej
Tak więc o cieczach możemy powiedzieć, że zmieniają kształt pod wpływem bardzo małych sił, nie posiadają sprężystości postaci i posiadają sprężystość objętościową.
Płyny doskonałe Wiele praw opisujących zachowanie się cieczy pod wpływem działających sił podana jest dla przypadku płynów doskonałych.
Model płynu doskonałego – płynem doskonałym nazywa się płyn nieściśliwy i nielepki, a więc płyn o nieskończenie dużym module sprężystości objętościowej i zerowym module sprężystości postaciowej.
Podstawowe określenia dotyczące przepływów.
- Ruch płynów nazywamy przepływem
- Przepływ jest stacjonarny, gdy w określonym punkcie przestrzeni prędkość przepływu jest stała i niezależna od czasu
- Przepływ płynu (lub gazu) jest laminarny gdy wszystkie cząsteczki płynu (lub gazu) poruszają się po torach równoległych do siebie
- Przepływ płynu (lub gazu) jest turbulentny (wirowy) gdy część cząsteczek nie porusza się po torach równoległych do siebie
Hydrostatyka i hydrodynamika
- Hydrostatyka zajmuje się opisem zachowania płynów pozostających w spoczynku
-Hydrodynamika zajmuje się zachowaniem się płynów znajdujących się w ruchu
Podstawowe prawa hydrostatyki
Prawo Pascala - Ciśnienie pochodzące od sił zewnętrznych działających na płyn nieściśliwy i nieważki jest we wszystkich punktach płynu jednakowe. Płyn nieściśliwy i nieważki nazywany jest również często modelem
Pascala, ciałem Pascala lub cieczą Pascala.
Ciśnienie hydrostatyczne p w cieczach określone jest wzorem: p=ρgh, p=Nm2=Pa (pascal)
gdzie ρ jest gęstością cieczy, h – głębokością na której zanurzone jest ciało, natomiast g = 9. 81 m/s2 jest przyśpieszeniem ziemskim.
Ze wzoru na ciśnienie hydrostatyczne wynika, że ciśnienie p rośnie liniowo wraz z wzrostem głębokości zanurzenia w cieczy i nie zależy od kształtu naczynia.
Ciśnienie całkowite pc w cieczach określone jest wzorem: pc=pz+ρgh, p=Nm2=Pa (pascal)
gdzie pz jest ciśnieniem zewnętrznym.
Ciśnienie aerostatyczne pa – jest to ciśnienie powietrza na danej wysokości nad poziomem morza.
Ciśnienie aerostatyczne jest często ciśnieniem zewnętrznym działającym na ciecz.
pa=e-ρghnpmp0, p=Nm2=Pa (pascal)
gdzie e = 2.72…, ρ jest gęstością cieczy, hnpm – wysokością nad poziomem morza, natomiast p0= 1,013251·105Pa ciśnieniem atmosferycznym nad poziomem morza.
Ze wzoru na ciśnienie aerostatyczne wynika, że maleje ono wykładniczo wraz ze wzrostem wysokości hnpm.
Prawo Archimedesa – siła wyporu W działająca na ciało zanurzone w cieczy jest równa ciężarowi cieczy wypartej przez to ciało W=ρgV, W=N
gdzie ρ jest gęstością cieczy, g = 9.81 m/s2przyśpieszeniem ziemskim, V objętością części ciała zanurzonej w cieczy.
Podstawowe prawa hydrodynamiki
Pojęcie strumienia przepływu
Strumień masy: Φm = m / t , [Φm] = kg/s,
Strumień objętości ΦV = V / t , [ ΦV] = m3/s,
Strumień energii ΦE = E / t , [ ΦE] = J/s = W.
Prawo Bernoulliego Suma energii kinetycznej, potencjalnej i ciśnienia jednostki masy (lub objętości) ustalonego
przepływu cieczy doskonałej jest wielkością stałą
Ciecze i gazy rzeczywiste - lepkość cieczy i gazów
Ciecze rzeczywiste różnią się od cieczy doskonałych tym, że wykazują zjawisko tarcia wewnętrznego, czyli lepkości.
Wyjątkiem są bardzo nieliczne ciecze – np. ciekły hel - wykazujące tzw. nadciekłość w temperaturach bliskich zera bezwzględnego. Nadciekłość polega na całkowitym zaniku lepkości.
Tarcie wewnętrzne jest zjawiskiem międzycząsteczkowym. W zjawisku tym sąsiednie warstwy cieczy działają na siebie podczas przepływu. Siły oddziaływań sprawiają, że od strony warstwy poruszającej się szybciej działa na warstwę poruszającą się wolniej siła przyśpieszająca. Odwrotnie – warstwy poruszające się wolniej hamują ruch warstw poruszających się szybciej.
Wzór Newtona (równanie transportu pędu)
T=-F=-ηSΔϑΔh, gdzie:
T – siła lepkości,
F – siła wprawiająca w ruch warstwę o powierzchni S ,
Δh – odległość między warstwami o różnej prędkości ϑ1i ϑ2,
ƞ – współczynnik lepkości cieczy w paskalosekundach (Pa · s)
Ponieważ wzór Newtona możemy przekształcić do postaci T=dpdt=-ηSΔϑΔh
gdzie p jest pędem, więc nosi on również nazwę równania transportu pędu.
Ciecze stosujące się do prawa Newtona nazywamy cieczami newtonowskimi.
Krew jest cieczą newtonowską.
Lepkość cieczy zależy od temperatury
η=B∙e∆Eak∙T, gdzie B jest pewnym współczynnikiem, ΔEa– energią aktywacji, k = 1.38·10-23J/K jest stała Boltzmanna, T – temperaturą bezwzględną.
Przepływ laminarny - wzór Poiseuille’a
ϑsr=∆pR28ηL, gdzie:
ϑsr– średnia prędkość przepływu cieczy przez rurkę kapilarną,
Δp – różnica ciśnień po obu stronach rurki,
R – promień rurki kapilarnej ,
ƞ – współczynnik lepkości cieczy w Pa·s,
L – długość rurki kapilarnej.
Liczba Reynoldsa
W pewnych warunkach przepływ laminarny przechodzi w turbulentny. Warunki te można ocenić na podstawie znajomości liczby Reynoldsa Re określonej wzorem: Re=ρdϑη, gdzie:
ρ – jest gęstością cieczy (lub gazu),
d – średnicą rury przez którą płynie ciecz,
ϑ – prędkością przepływu cieczy,
ƞ – współczynnikiem lepkości cieczy.
Przy liczbach Reynoldsa Re< 2300 mamy przepływ laminarny, przy liczbach Re> 3000 przepływ turbulentny,
natomiast gdy 2300 < Re< 3000 to nie można ustalić charakteru przepływu (przepływ może być laminarny albo turbulentny).
Prędkość krytyczna
ϑk=Rekηρd , gdzie Rek jest krytyczną wartością liczby Reynoldsa, przy której zmienia się charakter przepływu cieczy.
Dla wody płynącej przez naczynie o średnicy 2,3 cm przepływ staje się burzliwy przy prędkościach większych od 0,1 m/s.
Układ krwionośny
Układ krwionośny człowieka jest układem zamkniętym. Krew krąży w systemie naczyń krwionośnych a serce pełni rolę pompy wymuszającej przepływ krwi.
Układ ten wraz z układem limfatycznym tworzą układ krążenia.
Krew jest zawiesiną erytrocytów, leukocytów i trombocytów w plazmie.
Podczas krążenia:
- krew dostarcza komórkom tlenu i substancji odżywczych, a odprowadza dwutlenek węgla,
- rozprowadza ciepło w organizmie (bierze udział w procesie termoregulacji),
- transportuje hormony, witaminy, enzymy i komórki fagocytów.
...
Alessa0706