Другие динамические наблюдения

Наблюдения за акустической вибрацией

Законы физики утверждают, что амплитуда колеблющейся частицы в любой гомогенной среде зависит от давления звука, от удельного акустического сопротивления и частоты. Чем сильнее давление звука, тем больше, конечно, амплитуда. Чем плотнее среда, тем меньше амплитуда при данном давлении. Чем меньше плотность среды, т. е. чем меньше удельное акустическое сопротивление, тем больше амплитуды. Наконец, частота является важным фактором в том отношении, что при одних и тех же условиях низким частотам соответствуют большие амплитуды, а высоким - меньшие.

Линейное соотношение выражено следующей формулой:

где d - амплитуда, Р - давление звука, R - удельное акустическое сопротивление w - угловая скорость, которая является показателем частоты.

Из таблицы Вильска можно получить точные данные уровней порога (см. табл. 1). Поскольку мы не пытаемся видеть колебания при малых пороговых уровнях, мы вычисляем ожидаемые амплитуды для звуков низкого тона. Для тона в 60 гц, .который часто применялся в наших экспериментах, ожидаемые амплитуды колебаний барабанной перепонки для давления звука в 1000 дин/см2 (134 дб над уровнем 0,0002 дин/см2) равны приблизительно 0,9 мм. При этом вычислении мы пренебрегали разницей между барабанной перепонкой и воздухом. Естественно, что барабанная перепонка и воздух - не одно и то же в смысле акустического сопротивления, но порядок величины и легкость прямого наблюдения акустических вибраций совершенно ясны. Низкий тон этих интенсивностей не раздражает уха так, как чистый тон, потому что искажение звука инструментарием и колеблющимися структурами уха вызывает возникновение обертонов. Используя слабое увеличение и стробоскопическое освещение, мы находили, что обертоны невидимы, потому что они имеют слишком малую амплитуду и большей частью не соответствуют стробоскопической частоте.

Макроскопически-стробоскопическая кинематография

Ожидаемая величина амплитуды 0,9 мм не вызывает сомнения в том, что для записи акустических вибраций может быть использована кинематография. Для того чтобы сделать акустическую вибрацию видимой, необходимо пользоваться особыми методами кинематографии. Человеческий глаз не может увидеть периодические движения, более быстрые чем 12-16 раз в секунду. Они кажутся затуманенными я (неотчетливыми. Для того чтобы замедлить движение на киноэкране, существует два метода. Используя эти методы, можно в течение 10 или 50 секунд или 3 минут наблюдать то, что в действительности происходит в пределах одной секунды. Этот процесс был назван "увеличением времени", а приборы по аналогии с микроскопом были названы "микроскопами времени".

Рис. 11. Макроскопическое кинематографирование при стробоскопическом освещении. Для применения этого метода объект должен быть прозрачным или просвечивающим. Освещение стробоскопом образует фон, так что ткани видны контурно. Этот метод подходит для некоторых частей среднего уха и для фотографирования основной мембраны во внутреннем ухе.

Как "растягиватели времени" применяются два прибора - скоростная камера и стробоскоп (рис. 11). Для наблюдения колебаний применяется стробоскоп, который удобен, прост и дешев. По существу это - источник света, периодически выключающийся; это может быть светом, который вспыхивает и гаснет много раз в секунду, или просто вращающимся диском с отверстиями. Когда диск вращается на пути светового луча, свет прерывается и мелькает соответственно количеству отверстий в диске и скорости вращения диска. Если тон частотой 60 гц исходит из диффузора громкоговорителя, то колебаний при обычном свете невозможно видеть. Однако если наблюдать громкоговоритель при стробоскопическом освещении с частотой вспышки 58 гц, то создастся впечатление медленной вибрации громкоговорителя.

Кинематографическая камера может быть использована для "увеличения" времени при помощи съемки увеличенного количества кадров в секунду и проекции фильма с нормальной скоростью. В результате появляется "медленное движение", действие замедляется умеренно, например в 2 или 3 раза. При большем замедлении, например, если действие продолжается 1/100 секунды и показывается на экране в течение 2 секунд, мы говорим об увеличении времени 1:200.

Скоростная камера может увеличивать время всех действий, будут ли это повторные колебания или мгновенные действия, подобные молнии или взрыву. В пределах упомянутых выше групп преимущество скоростной камеры над стробоскопом незначительно, и, поскольку стробоскоп намного дешевле скоростной камеры, мы пользовались стробоскопом. Однако для записи кратковременных явлений лучше все же использовать камеру, которая дает непрерывную запись. Прерывающееся временами освещение стробоскопа может оказаться не в состоянии уловить критический момент.

Рис. 12. Медиальный вид барабанной перепонки с пупком и прилегающим участком pars tensa. На мембрану помещены маленькие частички металлического серебра, чтобы облегчить наблюдение движений. Смещающиеся точки света дают возможность обнаруживать колебания до 10-5 см.

Современная отохирургия, которая развивает все большее и большее число методов для улучшения слуха, может найти существенным проведение наблюдений вибрационной характеристики уха на операционном столе. В настоящее время хирурги наблюдают во время операции мембрану круглого окна (см. главу X Вульштейна), но, возможно, найдут более удобным использование звука как раздражителя и стробоскопического света как освещения. Интенсивный низкий тон 60 гц не вызывает повреждения внутреннего уха, я для наблюдений образований среднего уха лучше пользоваться тоном как естественным раздражителем, чем производить прямое раздражение зондом.

В то время как "увеличение времени" является важным для кинематографии уха, не менее существенным является также увеличение структур с помощью стандартных линз. Демонстрацию структур уха надо начинать с рассмотрения действительных размеров. Предположим, что мы хотим изучить наковальне-молоточковое сочленение. Размер этой области около 7-8 мм, кадр 16 мм пленки равен приблизительно 8x10 мм. Увеличение должно быть таким, чтобы объект в 7-8 мм заполнил рамки кадра пленки 8x10 мм. Приблизительно это дает соотношение 1:1. Для больших увеличений можно получить изображение объекта в 4 раза больше на пленке, чем он есть на самом деле. В таком случае соотношение объекта и его изображения составляет 1:4.

Второе и более сильное увеличение достигается проекцией фильма. На большом экране взятое нами в качестве примера наковальне-молоточковое сочленение может выглядеть длиной в несколько метров; линейное увеличение будет приблизительно равно 1:300. Увеличенное изображение на экране можно зарисовать. Изображение может быть сделано более отчетливым, если перед киносъемкой на снимаемую область нанести металлическую серебряную пыль. На рис. 12 показаны мельчайшие частички серебра на рукоятке молоточка и pars tensa барабанной перепонки человека, на рис. 13 - эти частички на базальной мембране.

На вопрос о том, какой самой высокой возможной чувствительностью обладает оптическая система, ответить нелегко. Действительные линейные смещения могут быть получены путем деления амплитуды, измеренной на экране, на степень линейного увеличения. Однако многие детали на киноэкране являются движущимися световыми точками, которые проявляют свою активность легкими смещениями. Их движения представляются как вращения очень малюй амплитуды, и трудно сделать какое-либо заключение относительно величины истинного вращательного движения заснятых структур. Исследователи, изучающие коллоидальную химию, наблюдали суспензии яри помощи кинематографа и пришли к заключению, что, пользуясь микроскопом, можно наблюдать за частицами порядка до 10-6 см.

Рис. 13. Выявление движений основной мембраны посредством частичек серебра при стробоскопическом освещении.

Можно использовать обычный микроскоп, но это не дает удовлетворительных результатов. При использовании микроскопа размеры поля становятся очень маленькими; кроме того, оно становится довольно плоским; фокус ограничивает очень узкую зону. Телефотолинзы, используемые в камере, обеспечивают адекватный размер и хорошую глубину .поля, а также более легкую ориентацию. Оптическая система, состоящая из телефотолинз, выдвижной трубки и камеры, была в противоположность микроскопу названа "макроскопической системой". Такая система соответствует световому увеличению и довольно большим размерам поля, что позволяет тщательно рассматривать препараты. Пользуясь осевым пучком света, комбинированной системой линз можно сфотографировать любую полость тела.

Этим методом было приготовлено много учебных фильмов1. Движущиеся кадры, обладая синхронизированной звуковой дорожкой, могут передавать наблюдателю звук раздражителя и соответствующую колебательную реакцию уха.

В то время как наши фильмы сводятся к качественным демонстрациям, количественное изучение было произведено в Южной Африке и подтвердило наши наблюдения. Гюлк и Кин (Guelke a. Keen, 1952) из Кейптауна брали препараты височной кости, фиксированные в формалине, воздействовали звуковым раздражением большой интенсивности и измеряли амплитуды колебаний косточек. Головка молоточка, как видно под микроскопом, производит следующие движения (табл. 2) для тона частотой 640 гц.

Таблица 2

Интенсивность
(дб)

Амплитуда
(мм)

127 0,15
130 0,23 (другие уши 0,12)
133 0,26
135 0,29
137 0,29 (другие уши 0,32)

К сожалению, препараты были несвежими, а фиксированными; некоторые из них были забальзамированными более чем за 12 месяцев до проведения наблюдений. Однако результаты наблюдения двух авторов совпадают с нашими. Их амплитуды для тона частотой 450 гц сравнимы с нашими большими амплитудами, наблюдавшимися при более низких тонах.

Гюлк и Кин также наблюдали максимум вибрации барабанной перепонки на полпути между ее пупком и периферией. Выяснилось, что рукоятка представляет значительный груз, который не поддается вибрации так легко, как остальные части барабанной перепонки.

Наблюдения на животных не очень отличаются от экспериментов на свежих височных костях, за исключением того факта, что сохраняются рефлексы и тонус внутритимпанальных мышц. Постоянное наличие рефлекторных сокращений и колебания косточек - нормальное явление. Когда эти мышцы сокращаются, то три применении стробоскопического света можно заметить уменьшение амплитуды колебания косточек. Величина затухания может быть измерена. Было найдено, что она равна 10 дб для определенных раздражений.

Влияние смерти на работу звукопроводящей системы может быть установлено сравнением со звуковыми реакциями у животных организмов. Физиолога долгое время считали, что стенки артерий и эластичные волокна барабанной перепонки и тимпанальные связки не изменяются непосредственно после смерти вследствие низкого уровня их обмена веществ. Поэтому использование свежих височных костей человека следует считать оправданным для изучения акустических проблем звукопроводимости.

Акустические колебания барабанной перепонки можно наблюдать на больных методом, который почти идентичен применяемому на животных и свежих трупах. Применялся тон низкой частоты и большой интенсивности. Частота выбиралась в области между 60 и 100 гц, а интенсивность - между 105 и 120 дб. Это та область раздражения, которая легко может переноситься больным. Продолжительность экспозиции только 30-45 секунд, что исключает возможность акустической травмы.


1 "Функции здорового и больного уха", "Внутреннее ухо", "Отологический семинар" и "Лечение тугоухости протезами". Эти цветные звуковые фильмы можно получить на английском, французском, испанском и немецком языках через Auralgan Research Division of Doho Chemical. Corp. Нью-Йорк - 13, ул. Варик 100.

1 2 3 4 5 6

[к оглавлению]