Notiuni de bioacustica

Def: Bioacustica este domeniul interdisciplinar care se ocupa cu studiul producerii,structurii si functiei semnalelor acustice (sunetele in special) la organismele vii

. Mişcarea oscilatorie imprimată unor particule ale unui mediu elastic se propagă din aproape în aproape în toate punctele sale, iar procesul de propagare a oscilaţiei poartă numele de undă.

Undele sonore sunt longitudinale deci oscilatiile particulelor au loc pe aceasi directive pe care se propaga energia (unda).

Undele sonore sunt caracterizate de marimi fizice specific oricarui tip de unda cum ar fi:-viteza de propagare,perioada de frecventa,lungimea de unda,amplitudinea, den-sitatea de energie etc.

Undele sonore folosesc si marimi si unitati specific acestora:

Itensitatea undei sonore :energia acustica ce strabate unitatea de suprafata in unitatea de timp; si este direct proportional cu patratul presiunii exercitate de unda.

Clasificarea undelor sonore in functie de frecventa:Infrasunete-unde cu frecventa mai mici de 16Hz

Sunete(percepute de urechea umana) cu frecventa intre 16-20000Hz

Ultrasunete cu frecvente mai mari de 20000Hz

Producerea undelor sonore:

Undele din domeniul audibil sunt obtinute prin producerea de oscilatii in coadre membrane intinse etc.In functie de caracteristicile emitatorulu(lungime ,tensiune)se pot obtine sunete cu frecvente si compozitii armonice diferite.

Sunetele simple emise de corzile vocale sunt transformate in sunete articulate , mult mai complexe ,cu ajutorul cavitatilor rezonante (toracele,cavitateta bucala,laringe ,faringe ,cavitatea nazala si chiar cutia craniana-cu rol de element de legatura inversa). Aceste cavitati isi modifica proprietatile prin intermediul limbii buzelor palatului moale etc actionate de sute de muschi.Intregul process fiind coordonat de o zona situata intr-una din emiferele creierului(de regula stanga pentru dreptaci si dreapta pentru stangaci). Vibraţiile sonore cu frecvenţe cuprinse între 20 Hz şi 20 kHz sunt percepute de urechea omenească şi se numesc sunete

Infrasunetele sunt generate atat in cazul unor fen natural :vantul,eruptiile vulcanice,cutremurele, avalansele,cat si in cazul functionarii unor aparate construite de om :compresoare, ventilatoare…La intensitati mari peste 140db pot produce anxietate,greata,perturbatii ale echilibrului si simtului de orientare.

Vibraţiile sonore cu frecvenţa cuprinsă între 0 şi 20 Hz nu sunt percepute de urechea omenească şi se numesc infrasunete.

Ultrasunetele sunt produse de catre unele animale cum ar fi liliecii sau delfinii si utilizate pentru orientare sau comunicare.In practica ultrasunetele au numeroase utilizari .In medicina ultrasunetele sunt utilizate in scop de diagnostic (ecografie ,ecografie Doppler)sau tratament prin incalzirea unor tesuturi ,masaje in profunzime sau distrugerea calculilor.

Vibraţiile sonore cu frecvenţa mai mare ca 20 kHz, de asemenea nu sunt percepute de om şi se numesc ultrasunete.

Fenomene ce apar la propagarea undelor sonore

1.Viteza de propagare a undelor sonore -difera in functie de medii depinzand de proprietati cum ar fi elasticitatea si densitatea mediului dar si de temp . in aer viteza creste usor cu cresterea temp.

Ex;viteza in aer 340m/s;1500m/sin apa de mare;5000m/sin otel.

2.Absorbtia -depinde atat de natura siproprietatile mediului cat si de frecventa undelor .Densitatea de energie a undelor scade pe masura propagarii lor atat datorita absorbtiei cat si imprastierii.Ultrasunetele au lungime de unda mica si permit o focalizare mai buna (imprastiere mica.).

3.Relexia undelor -rep schimbarea directiei de propagare a undelor la intalnirea suprafetei de separate dintre doua medii cu intoarcerea undei din mediul in care a venit.

Sunetul reflectat perceput distinct de sunetul direct se numeste ecou (fen folosit in ecografie ) iar daca sunetul reflectat pare sa prelungeasca sunetul direct se produce fen. numit reverberatie.

In practica relfexia poate fi folosita pentru masurarea distantelor iar in medicina pentru obtinerea imaginilor organelor interne in ecografie.

4.Efectul Doppler –apare atunci cand sursa de unda se deplaseaza fata de observatory sau observatorul fata de sursa.Apare si in cazul reflexiei undelor pe un obiect in miscare.dat fen dopler frecventa sunetului provenit de la sursa care se apropie pare mai mare decat frecventa reala iar a sunetului provenit de la sursa care se indeparteaza pare mai mica decat frecventa reala.

Fenomenul este folosit in det vitezei de deplasare a vehiculelor iar in medicina in ecografia Doppler.

5.Difractia undelor sonore –consta in ocolirea obstacolelor atunci cand dimensiunea lor este comparabila cu lungimea de unda a undei sonore.Acest fenomen face posibila receptionarea undelor chiar si atunci cand intre sursa sunetelor si receptor se gasesc obstacolelor.

6.Interferenta-fen de suprapunere si compunere a undelor.

7.Rezonanta-rep.fenomenul de transfer al energiei intre doi oscilatoricare au aceeasi frecventa de oscilatie.

8.Cavitatia- fenomenul care poate aparea la propagarea ultrasunetelor in lichide efectul fiind aparitia unor bule de gaz in interiorul acestora sub actiunea ultrasunetelor putadu-se produce ionizari.

Sunetele auzite

Caracteristicile sunetelor

Fenomenul care sta la baza producerii sunetelor este vibratia unei surse sonore. Sunetul se propaga sub forma de unde elastice numai in substante (gaze, lichide si solide), dar nu se propaga in vid. El se propaga cu viteza de 331m/s i aer. Caracteristicile lui sunt:

- inaltimea (exprimata in frecventa vibratiei);

- intensitatea (exprimata in energia vibratiei);

Orice sunet simplu, cum ar fi o nota muzicala, poate fi descrisa in totalitate, specificand trei caracteristici perceptive: inaltime, intensitate, si calitate (timbru). Aceste caracteristici corespund exact a trei caracteristici fizice: frecventa, amplitudine, si constitutia armonica, sau respectiv forma undei. Zgomotul este un sunet complex, o mixare de multe diferite frecvente, sau note care nu sunt legate armonic.

Sunetul se propaga din aproape in aproape sub forma de unde sonore. Propagarea sunetului se face cu viteza constanta, fiecare strat de aer vibrand cu frecventa egala cu cea a sursei sonore.

Sunetul se mai caracterizeaza in functie de trei factori: durata, frecventa si amplitudinea.

Durata se refera pur si simplu la intervalul de timp in care urechea este expusa la un sunet.

Frecventa, sau tonalitatea, unui sunet, este exprimata in cicluri pe secunda sau hertzi. Gama de frecvente pentru un auz sanatos si normal este de 20 pana la 20000 de cicluri pe secunda

Amplitudinea (intensitatea) unui sunet se masoara in decibeli (dB). Amplitudinea undei reprezintă depărtarea maximă pe care o înregistrează punctele din mediul elastic faţă de poziţia lor iniţială. Când amplitudinea undei sonore este mai mare timpanul urechii percepe variaţii de presiune mai mari şi sunetul este auzit mai puternic. Amplitudinea este caracteristica undelor sonore pe care o percepem ca volum.

Biofizica receptiei auditiveReceptorul auditiv este al doilea sistem ce asigura comunicarea cu mediul exterior.

Vibratiile mecanice ale mediului inconjurator care au frecvente cuprinse intre 16-20 000Hz.produc in analizatorul auditiv senzatia de sunet. Sistemul auditiv are rolul de a prelua din aer variaţiile de presiune(undele sonore) şi de a le transmite sistemului nervos central.

Conform impartirii clasice analizatorul auditiv analizatorul auditiv consta din 2 sisteme principale: -system auditiv periferic asigura, -sistem auditiv central. System auditiv periferic asigura 3 functii principale:

-transmiterea vibratiei acustice

-analiza semnalului acustic

-traducerea semnalului acustic in influx nervos

Transmiterea se realizeaza pe 2 cai:calea aeriana(urechea externa si medie) si calea osoasa(practica clinica si audiologica).

Analiza semnalului acustic este asigurata de de urechea interna si implica mecanisme complexe de tip pasiv si activ incepand cu o analiza FOURIER la niv membrane bazilare si terminand cu amplificarea activa a semnalului la niv celulelor ciliate externe ale organului corti.

Traducerea se face la nivelul urechii interne si se refera la transformarea energiei mecanice de vibratie in energia influxului nervos prin intermediul unor procese electrochimice complexe si este asigurata de celulele ciliate interne din org lui corti.

Structura si functiile urechii:Urechea externa: Este alcătuită din pavilion, canal auditiv (duct auditiv) şi timpan. Rolul principal al acestei părţi din sistemul auditiv este de a recepţiona sunetele. Prin forma sa deosebită, pavilionul are un rol important în localizarea spaţială a sursei sunetului. Canalul auditiv are rolul unui tub sonor, având rolul de transformaundele sferice în unde plane, având frecvenţa de rezonanţă de aproximativ3300 Hz, aceasta fiind şi frecvenţa la care sensibilitatea urechii umane estemaximă. Canalul auditiv este închis la interior de către timpan care este omembrană elastică ce intră în vibraţie sub acţiunea undelor staţionare ce iaunaştere în canalul auditiv, vibraţie transmisă în continuare elementelor ceformează urechea medie.Urechea medie formată din trei sisteme osoasede mici dimensiuni (ciocanul, nicovala şi scăriţa) aflate intr-o incinta plina cu aer au un rol foarte important, acela de a maximiniza transferul de energie de la unda venită din aer, la urechea internă. Comunicarea între incintă şi exterior se faceprin intermediul trompei lui Eustache care se deschide în faringe. Diferenţa de presiune care ia naştere între cele două feţe aletimpanului împiedică funcţionarea corectă a acestuia, ceea ce se traduce printro

senzaţie de surditate. Un lucru similar se întâmplă în cazul unor inflamaţii,când trompa este obturată. Intr-o astfel de situaţie aerul este absorbit de ţesuturi creându-se o vidare a incintei timpanice.Urechea internă are două părţi cu funcţii diferite. Partea vestibulară, are rolul unui traductor de poziţie şi mişcare pentru corpul uman, asigurând echilibrul. Porţiunea auditivă se găseşte într-un sistem de cavităţi şi tuneluri cunoscut sub numele de labirintul osos, în osul temporal cranian. Undele sonore pătrund în urechea internă sub acţiunea scăriţei prin fereastra ovală în canalul cohleei aflat deasupra membranei bazilare, numit rampă vestibulară. Pe toată lungimeamembranei bazilare se află organul spiral al lui Corti, la nivelul căruia are loc traducerea energiei mecanice a undelor sonore în impulsuri nervoase.Transformarea undelor din membrana bazilară în influxuri nervoase se face cu ajutorul celulelor ciliate din organul lui Corti.

Elemente de fonatie

Acustica studiază sunetele sub aspectul fizic al oscilaţiei cât şi sub aspectul fiziologic al senzaţiei auditive care apare ca efect al acestei oscilaţii. Organul auditiv al omului –urechea-percepe sunetele cu frecvenţe cuprinse între 16-20000 Hz. Infrasunetele au frecvenţe sub 16 Hz, iar peste 20000 Hz ultrasunete. Sunetul este rezultatul vibraţiei unui corp elastic care declanşează în masa de aer mişcări oscilatorii şi ondulatorii.

Tonurile sunt produse de oscilaţii ritmice. Zgomotele sunt produse de oscilaţii haotice

Înălţimea sunetelor depinde de frecvenţa oscilaţiilor. Cu cât frecvenţa este mai mare, sunetul este mai înalt sau acut. Coarda vibrează, se îndepărtează şi apoi revine în poziţia de echilibru după un anumit interval de timp, astfel se formează perioada. O oscilaţie completă este o perioadă.

Frecvenţa este determinată de numărul de perioade pe care le realizează într-o secundă corpul care vibrează.

În muzică fiecărei note muzicale îi corespunde o frecvenţă bine determinată. Vocalele se produc între următoarele frecvenţe: “u” între 200-400 Hz; “î” între 1600-3200 Hz; “o” între 400-800 Hz; “a” între 800-1600 Hz; “e” între 1600-3200 Hz; “i” între 3200-6400 Hz.

Ampl

itud

ine

I

Figura 1. Reprezentarea bidimensională a tonului pur

Timp

Amplitudine (I)

Intensitatea (tăria) sunetelor depinde de amplitudinea oscilaţiilor, respectiv de distanţa maximă în care ajunge coarda, faţă de poziţia de echilibru. Se măsoară în decibeli (dB). Exemple: foşnetul frunzelor – 10dB; un oftat - 30dB; zgomotul automobilului în viteză – 110 dB; ciocanul pneumatic - 150dB; zgomotul avionului cu reacţie - 160dB.

4. Elemente de fonetică articulatorie

Din punct de vedere acustic şi fiziologic, sunetele limbii umane se împart în două categorii, în vocale şi consoane. Vocalele sunt tonuri, sunete muzicale cu oscilaţii periodice şi cvasiperiodice. Consoanele sunt zgomote sau combinaţie între zgomote şi tonuri. Există şi o categorie intermediară: sonante - “l”, ”m”, ”n”, ”r” care conţin atât zgomote cât şi tonuri, predominând acestea din urmă. Consoanele surde sunt zgomote. Consoanele sonore sunt zgomote şi tonuri, predominând zgomotele.

Aparatul fonator este format dintr-un ansamblu de organe, muschi, oase ale corpului uman care, prin punerea lor în functiune si în conditii optime, determina calitatea vocii (atât vorbite cât si cantata)Cele mai importante dintre acestea sunt plamânii, diafragma, traheea,laringele, faringele bucal, faringele nazal (cavumul), fosele nazale, cavitatea bucala, dintii, limba, buzele, oaselefetei care sunt indispensabile unul de celalalt în crearea actului fonator si a emisiei celor doua elemente fonetice care sunt consoanele si vocalele.Altfel spus, la crearea actului fonator participa intr-o stransa colaborare sistemul respirator si rezonatorii.

Problema fundamental din fiziologia fonatiei ramane comportarea coardeler vocale in actul vocal sau asazisa vibratie a coardelor vocale.

Cele mai importante teorii ale fonatiei sunt:

-teoria mecanica a foatiei

-teoria mioelastica

-teoria aerodinamica

-teoria neurocronaxica

-teoria muco-ondulatorie

Efectele biologice ale ultrasunetelor Efectele biologice sunt date de o suprapunere a efectelor termice, electrice sau chimice care pot modifica activitatea celulară. La intensităţi mici efectele sunt de cele mai multe ori benefice, însă la intensităţi mari efectele termice sau cavitaţia pot duce la distrugerea celulelor.

Dintre vibratiile sonore care ies din limitele de audibilitate ale urechii omenesti ; de un mare interes dpdv practic sunt ULTRASUNETELE adica sunetele ale caror frecventa este mai mare de 20 000.

Practica medicală a demonstrat că ultrasunetul este mai sensibil la diferenţierea ţesuturilor în comparaţie cu radiaţiile X, şi că este mai puţin nociv pentru organism, în comparaţie cu acestea. Medicina foloseşte în mod current undele ultrasonore atît în stabilirea diagnosticului cât şi în terapie.Utilizarea ultrasunetelor în scopuri medicale implică o bună cunoaştere a modului de propagare şi a efectelor lor asupra mediilor biologice, în vederea evitării acţiunii distructive asupra ţesuturilor din organismul supus cercetării. Din acest motiv vom prezenta pe scurt principalele efecte cu implicaţii biologice ale ultrasunetelor.Spre deosebire de sunete, ultrasunetele au frecvenţe mult mai mari şi transportă energii mari, ceea ce le confera efecte biologice importante. In câmpulul trasonor acţionează forţe capabile să producă:- întreruperea reversibilă a unor funcţii fiziologice;- -distrugerea membranei celulare sau a componentelor intracelulare cu degradarea biomoleculelor. Sensibilitatea organismelor la ultrasunet, sub pragul de cavitaţie, poate fi testată printr-o serie de modificări , cum ar fi :- Alterarea reversibilă a mitocondriilor prin creştereavolumului şi întreruperea cristelor acestora ;- Modificarea numărului de lizozomi din ţesutul hepatic,fapt care determină schimbări în metabolismul celular ;- Ultrasunetele de 20kHz-1MHz modifică viteza de dializă prin membranele semipermeabile. Activitatea electrică a pielii de broască se modifică reversibil- Ultrasunetul poate să întârzie diviziunea celulară a ouălelor iniţial fertilizate ;- Scăderea reversibilă a numărului de granule de glycogen din celule.Ultrasunetele care produc procese de cavitaţie tranzitorie, perturbă procesele oxidative ale mitocondriilor fără a degrada membrana acestora, pe când cele careproduc cavitaţie stabilă dezintegreză membrane mitocondriilor.Ultrasunetele de mică intensitate produc senzaţii dedezechilibru, indispoziţie şi oboseală accentuată.Ultrasunetele de 115 dB şi frecvenţe 16-20 kHz produc senzaţii de blocaj auditiv, asemănătoare cu cea de înălţine mare, indusă prin scăderea de presiune atmos-ferică.Ultrasunetele cu frecvenţe de până la 100 kHz lezeazăaparatul auditiv. Ele pot produce: modificări ale glicemiei;proteinurie circulatorie; saturare vitaminică aorganismului.