xây dựng bài thực tập khảo sát ngưỡng nghe của tai người

Dùng phần mềm excel để ghi nhận, xử lý số liệu và vẽ các đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của ngưỡng nghe và độ phân biệt ngưỡng nghe của tai người vào tần số.. Do đó đề tài “ Xây dựng bài

THÔNG TIN KẾT QỦA NGHIÊN CỨU

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG

1 Thông tin chung:

 Tên đề tài: XÂY DỰNG BÀI THỰC TẬP KHẢO SÁT NGƯỠNG NGHE CỦA TAI NGƯỜI

 Thời gian thực hiện: từ tháng 6/2016 đến tháng 6/2018

2 Mục tiêu: Thiết kế thành công bài thực tập Khảo sát ngưỡng nghe của tai người

3 Nội dung chính:

Sử dụng máy tạo hàm Digital Function Generator để tạo ra sóng âm tần Tín hiệu

âm tần được đưa ra ngoài bằng hai cổng Âm thanh đi ra từ cổng thứ nhất, qua tai nghe và đến tai người thí nghiệm, từ đó có thể điều chỉnh biên độ âm và tần số sóng âm cần khảo sát tác động đến tai người Cổng thứ hai được kết nối với thiết

bị đơn vị cơ bản Cobra3 Thiết bị Cobra 3 này được kết nối với máy vi tính có cài đặt phần mềm đo lường để ghi nhận, xử lý tín hiệu từ đó xác định được chính xác biên độ âm thanh truyền đến tai người Dùng phần mềm excel để ghi nhận, xử lý

số liệu và vẽ các đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của ngưỡng nghe và độ phân biệt ngưỡng nghe của tai người vào tần số Kết quả thực nghiệm được so sánh, đối chiếu với lý thuyết Từ đó thiết kế bài thực tập hoàn chỉnh đáp ứng mục tiêu giảng dạy

4 Kết quả chính đạt được (khoa học, đào tạo, kinh tế-xã hội, ứng dụng, ):

Kết quả thực nghiệm hoàn toàn phù hợp với các kết quả lý thuyết đã được các nhà khoa học chứng minh trước đây và là cơ sở để thiết kế thành công bài thực tập

“Khảo sát ngưỡng nghe của tai người”

5 Hiệu quả kinh tế - xã hội do đề tài mang lại:

Phạm vi và địa chỉ ứng dụng kết quả nghiên cứu: Bộ môn Vật lý, Khoa Khoa học

Cơ bản, Trường Đại học Y Dược TP.HCM có thể sử dụng kết quả của đề tài để phục vụ công tác giảng dạy thực tập cho các đối tượng sinh viên thuộc năm thứ nhất của Trường

Danh sách những thành viên tham gia nghiên cứu đề tài

và đơn vị phối hợp chính

Thành viên:

1 Chủ nhiệm đề tài: Ths Lê Thị Minh Huyền

Mục lục

Tổng quan Tính cấp thiết; mục tiêu; cách tiếp cận;

7

8 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 9 Nội dung và phương pháp nghiên cứu 13

1 MỞ ĐẦU

1.1 Tổng quan

Trong y học, từ rất lâu các bác sỹ đã sử dụng phương pháp chẩn đoán gõ và nghe

để đánh giá vị trí, kích thước và trạng thái của một số phủ tạng trong cơ thể Mỗi tần số âm phát ra từ cơ thể dưới tác động của lực gõ sẽ ứng với mỗi năng lượng của cơ quan đó Nhờ vào sự phát triển của khoa học kỹ thuật, các nhà khoa học đã thực hiện nhiều phương pháp hiện đại để mang lại kết quả chẩn đoán cao như phương pháp siêu âm, phép thử Rinne…[6] Các phương pháp này đều dựa trên sự tác động của sóng âm lên con người Sóng âm được chia thành ba loại hạ âm, âm thanh và siêu âm Hạ âm có tần số nhỏ hơn 16Hz, siêu âm có tần số lớn hơn 20000Hz, tai người không nghe được hạ âm và siêu âm Âm thanh có tần số từ 16Hz đến 20.000Hz và tai người nghe được nên âm thanh còn được gọi là âm nghe được

Các đặc tính sinh lý của âm gồm có độ cao, độ to và âm sắc Một trong những đặc trưng sinh lý âm tác động rất lớn đến quá trình cảm thụ âm ở tai là độ to của âm

Độ to của âm cho tai cảm giác về sự mạnh hay yếu của dao động âm truyền tới tai

Độ to của âm tỉ lệ thuận với cường độ âm Ngoài ra, những âm có tần số khác nhau tuy cùng cường độ nhưng gây nên những cảm giác to nhỏ khác nhau, điều đó cho

ta thấy độ thính của tai tùy thuộc vào tần số âm Thực tế cho ta biết tai thính nhất đối với những âm có tần số trong khoảng từ 1.000Hz đến 5.000Hz Trong khoảng này có thể nghe thấy được những âm có cường độ vào khoảng 10-12 W/m2 Ở cường độ âm ấy, các phần tử khí dao động âm với biên độ khoảng 10-12

m và tạo nên áp suất ở màng nhĩ vào khoảng 10-5 N/m2 [1],[2],[3],[5]

Những âm có cường độ quá nhỏ thì tai không nhận thấy được Nếu ta tăng dần cường độ âm lên, có một lúc bắt đầu từ đó trở đi, tai nhận thấy âm Tăng cường độ lớn lên nữa thì đến một lúc khác, tai bắt đầu đau chói Nếu tăng cường độ âm lên cao nữa có thể gây nên sự phá hoại cơ quan thính giác Nói khác đi, tồn tại những ngưỡng về cường độ âm để gây nên cảm giác âm Cường độ âm nhỏ nhất đủ gây nên cảm giác âm ở tai gọi là ngưỡng nghe Cường độ âm lớn nhất mà nếu vượt quá

cường độ đó sẽ gây nên cảm giác chói tai gọi là ngưỡng chói Ngưỡng nghe không những phụ thuộc vào cường độ âm mà còn phụ thuộc vào tần số của âm đó Do đó khi sử dụng sóng âm trong chẩn đoán và điều trị các bệnh lý về tai, việc lựa chọn cường độ và tần số của sóng âm sử dụng là hết sức quan trọng [3],[5]

1.2 Tính cấp thiết

Lý thuyết về sóng âm mà sinh viên đang theo học được ứng dụng rất nhiều trong y

học để chẩn đoán và điều trị một số bệnh, đặc biệt là về tai Do đó đề tài “ Xây dựng bài thực tập khảo sát ngưỡng nghe của tai người” được thực hiện với

mục đích giúp sinh viên kiểm nghiệm lại các kết quả về ngưỡng nghe và ngưỡng khác biệt tần số của tai người đã được học trong chương trình lý thuyết Vật lý - lý sinh, hiểu rõ hơn về quá trình nghe và tác động của sóng âm lên tai người, từ đó sinh viên có thể dễ dàng vận dụng kiến thức đã học trong việc học chuyên ngành

và làm việc sau này

1.3 Mục tiêu

Thiết kế hệ thí nghiệm khảo sát sự phụ thuộc ngưỡng nghe của tai người theo tần

số và ngưỡng phân biệt tần số theo tần số ban đầu Bộ thí nghiệm phải đáp ứng được yêu cầu về tính an toàn, dễ thực hiện, chẩn xác và thời gian cho phép của một bài thực tập

1.4 Cách tiếp cận

Sóng âm được tạo ra là sóng âm có dạng hình sin, tần số nằm trong khoảng 16Hz đến 20.000Hz Biên độ và tần số của sóng âm có thể thay đổi được Để đảm bảo tính trung thực của kết quả thí nghiệm, đối tượng thí nghiệm (một người không bị bệnh về tai) không được nhìn thấy bất cứ số liệu nào trong suốt quá trình thí nghiệm Điều kiện phòng thí nghiệm phải hoàn toàn yên tĩnh để không ảnh hưởng đến quá trình nghe của người thí nghiệm Sử dụng phần mềm để xử lý, tính toán và

vẽ đồ thị phụ thuộc của ngưỡng nghe theo tần số, từ đó đưa ra các đánh giá chuẩn xác nhất có thể

1.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Những thiết bị được sử dụng trong nghiên cứu này gồm máy tín hiệu kỹ thuật số,

bộ thiết bị đơn vị cơ bản Cobra3, tai nghe (âm thanh stereo), máy vi tính có cài Window 95 hoặc cao hơn, phần mềm đo lường Trong nghiên cứu này, đối tượng tham gia thí nghiệm là một người có sức khoẻ bình thường (không bị bệnh về tai) Nghiên cứu được tiến hành trong phòng yên tĩnh nhất có thể Ngưỡng nghe của tai người được đo đạt trong dải tần số nghe được của người từ 16Hz đến 20000Hz Ngưỡng phân biệt tần số của tai người cũng được đo ở các dải tần số bắt đầu khác nhau

1.5.1 Máy phát tín hiệu kỹ thuật số

Máy tạo hàm hay máy phát tín hiệu kỹ thuật số (Digital Function Generator) được

sử dụng để tạo ra sóng âm tần dùng trong các thí nghiệm về âm học hoặc các thí nghiệm liên quan đến thính giác Bộ tạo chức năng có thể được sử dụng như một máy độc lập hoặc nó có thể được điều khiển thông qua một cổng USB Có tổng cộng 4 đầu ra cho người sử dụng: đầu ra bộ khuếch đại, có thể được sử dụng làm nguồn điện áp lập trình cho dòng cao hơn, đầu ra tai nghe có công suất ra hạn chế cho tất cả các loại tai nghe có sẵn trên thị trường, đầu ra đồng bộ tạo ra tín hiệu sóng vuông (TTL) trong tần số cài đặt, và một đầu ra U ~ f có thể cung cấp điện áp trực tiếp tương ứng với tần số cài đặt (hình 1)

Hình 1: Máy phát tín hiệu kỹ thuật số

Cấu tạo và các chức năng hoạt động của máy phát tín hiệu kỹ thuật số

Hình 2: Sơ đồ cấu tạo máy phát tín hiệu kỹ thuật số [1] - Màn hình thiết bị có độ tương phản có thể được điều chỉnh qua một phạm vi rộng thông qua menu

[2] - Nút menu để hiển thị 4 mục bên dưới màn hình được gán cho các mục menu

ở đầu màn hình, cho phép sử dụng nhanh chóng và trực quan các chức năng [3] - Bàn phím điều khiển: Các phím mũi tên được sử dụng để chọn các mục trên màn hình (Giá trị được thay đổi sẽ được hiển thị theo cách đảo ngược) Nút quay được sử dụng để thay đổi các giá trị

[4] - Cổng USB: Giao diện nối tiếp để giao tiếp với máy tính

[5] - Ngõ ra tai nghe: kết nối tai nghe với đầu nối TRS 3,5 mm (jack âm thanh) Đầu ra có thể được kích hoạt với sự trợ giúp của công tắc đầu ra [9] Khi đó

sẽ cho ra một tín hiệu sóng hình sin với biên độ cực đại 2Vpp

[6] - Ngõ ra Sync: tín hiệu đầu ra là sóng vuông phụ thuộc tần số, ví dụ: để kết nối một oscilloscope Khi quét qua dải tần số hoặc điện áp, một xung sẽ được xuất ra ở đầu ra Sync ở đầu cũng như ở cuối đoạn đường nối

[7] - Ngõ ra U ~ f: chọn điện áp tỷ lệ với tần số trong khoảng 0 4 V (0 1 MHz, 0 100 kHz, 0 10 kHz, 0 1 kHz, 0 100 Hz, hoặc tự do lựa chọn) Nó được sử dụng để kết nối máy ghi âm / oscilloscope hoặc một giao diện để thể hiện điện áp hoặc các phép đo dòng điện theo chức năng của tần

số

[8] - Đầu ra bộ khuếch đại: kết nối với thiết bị tiêu thụ hoặc thiết lập các thí nghiệm

[9] – Nút chuyển đổi chế độ đầu ra: chuyển đổi giữa đầu ra tai nghe [5] và đầu ra

bộ khuếch đại [8] Đèn LED phía trên nút [9] sẽ cho biết kiểu đầu ra đang hoạt động

 Điện áp đầu ra: 0 20 Vpp

 Công suất ra: 5 W

 Cường độ dòng điện: 0,5 A (Imax = 1 A)

Đầu ra tai nghe

 Điện áp đầu ra: 0 2 Vpp

Đầu ra đồng bộ hóa

 Điện áp đầu ra: 5 V (mức CMOS)

Đầu ra U ~ f

 Điện áp đầu ra: 0 4 V

Nguồn điện cung cấp chính

 Tần số: 50/60 Hz

 Công suất tiêu thụ: 50 VA

Lưu ý khi sử dụng

Trong quá trình sử dụng máy phát tín hiệu kỹ thuật số không được sử dụng các thiết bị phát sóng vô tuyến khác ở vùng lân cận, ví dụ: điện thoại di động, radio Ngoài ra cần lưu ý cáp kết nối không được dài quá 2m

1.5.2 Thiết bị đơn vị cơ bản Cobra 3 (Cobra3 Basic – Unit)

Máy Cobra3 Basic – Unit là thiết bị hỗ trợ đo lường, kiểm soát và điều chỉnh trong vật lý, hoá học, sinh học và công nghệ Nó có thể hoạt động với máy tính hoặc với một thiết bị khác

Thiết bị được cung cấp với 3 đầu vào tương tự (1 cổng module và 2 cổng cảm biến), 1 đầu vào tương tự, 3 điều khiển dẫn số, 2 bộ đếm thời gian và 1 điện áp ra

cố định Các thông số của đầu vào và đầu ra có thể tăng theo yêu cầu lắp ráp Giá trị đo có thể xác định bằng module và cảm biến Hệ thống hoạt động của thiết bị cập nhật thông tin qua USB

Hình 3: Thiết bị Cobra3 Basic - Unit

 Kết nối: ổ cắm 4 mm hoặc ổ cắm SUB – D, 9 lỗ

 Đầu vào: nối đất

 Đầu vào tương tự 2 hoặc cổng cảm biến S2

 Phạm vi đo:  30V / 10V/ 3V / 1V/ 0,3V / 0,1V/

 Kết nối: ổ cắm 4 mm hoặc ổ cắm SUB – D, 9 lỗ

 Đầu vào: không nối đất

1.6 Nội dung và phương pháp nghiên cứu

Nhằm đáp ứng thời gian sinh viên tiến hành bài thực tập trong khoảng thời gian 90 phút, đề tài xây dựng bài thực tập với hai phần chính:

 Xác định ngưỡng nghe ứng với một số tần số trong dải nghe của con người

và vẽ đồ thị ngưỡng nghe theo tần số f

 Xác định các ngưỡng khác biệt tần số ở tần số bắt đầu khác nhau Vẽ đồ thi của ngưỡng khác biệt tần số theo tần số ban đầu f

1.6.1 Xác định sự phụ thuộc ngưỡng nghe của người theo tần số âm

Muốn gây cảm giác âm, cường độ âm phải lớn hơn một giá trị cực tiểu nào đó gọi

là giá trị ngưỡng của cường độ âm Cường độ âm càng lớn thì tai có cảm giác âm càng “to” Tuy nhiên cảm giác âm của tai người thay đổi theo tần số của sóng âm tác động đến tai, tức là độ nhạy thính giác không hoàn toàn như nhau trong suốt dải nghe Với các tần số 1000 – 5000 Hz, giá trị ngưỡng của cường độ âm vào khoảng 10-12W/m2 Với tần số 50Hz, giá trị ngưỡng của cường độ âm lớn gấp 105 lần Như vậy một âm 1000Hz có cường độ 10-7 W/m2 (gấp 105 giá trị ngưỡng của

cường độ âm) đã là một âm khá “to” nghe rất rõ, trong khi đó thì một âm 50Hz cũng có cường độ 10-7 W/m2 lại là một âm rất “nhỏ”, mới chỉ hơi nghe thấy Như vậy độ to của âm hay âm lượng đối với tai ta không trùng với cường độ âm Do đó cần tìm ra một đại lượng đặc trưng cho độ to của âm Tai người cảm nhận các âm

rõ nhất ở tần số khoảng 1000Hz ứng với giá trị ngưỡng của cường độ âm là

I1000 = 10−12W/m2 [2], độ to của âm (hay còn gọi âm lượng hoặc mức cường độ âm) được gán cho mức 0 hay L1000 = 0 Vì âm lượng L đặc trưng cho cảm giá âm

“to” hay “nhỏ” của tai đối với âm và được tính ứng với giá trị ngưỡng của cường

độ âm nên âm lượng L được gọi là ngưỡng nghe Giá trị của ngưỡng nghe L ở tần

số f bất kỳ được xác định theo công thức:

Tiến hành đo:

Các thiết bị được thiết lập như Hình 4 trong một phòng yên tĩnh nhất có thể Bật máy phát tín hiệu kỹ thuật số lên trước khi cắm tai nghe và máy đơn vị cơ bản Cobra3 Máy đơn vị cơ bản Cobra3 được nối vào máy tính qua USB Cài đặt phần mềm measure đi kèm với thiết bị đơn vị cơ bản Cobra3 vào máy tính

Hình 4: Chuẩn bị thí nghiệm

Cài đặt thông số ban đầu cho máy phát tín hiệu kỹ thuật số:

 Đổi kiểu đầu ra thành tai nghe và chọn dạng đầu ra của sóng âm là hàm sin

 Đặt tần số tín hiệu là 50 Hz và biên độ (amptitude) là zero

Mở phần mềm đo lường measure đã được cài đặt trên máy tính Chọn Universal Writer (hình 5)

Hình 5: Phần mềm đo lường measure

Thiết lập các thông số đo như Hình 6 và bấm Continue

Hình 6: Thiết lập các thông số của phép đo

Đeo tai nghe lên đầu một người được chọn để đo ngưỡng nghe Để tránh ảnh hưởng chủ quan từ người này, đối tượng thử nghiệm không phải nhìn màn hình kỹ thuật số trong suốt quá trình đo Phép đo được lặp lại nhiều lần với đối tượng thử nghiệm Dần dần tăng biên độ tín hiệu cho đến khi đối tượng thử nghiệm chỉ vừa nghe thấy âm thanh Nhấn nút Start để đo và đọc giá trị biên độ ngưỡng nghe Uxtrên màn hình máy tính Giá trị Ux chính xác nhận được bằng cách nhấp vào đường cực trị (nút Show extrema) hoặc điểm khảo sát (nút Survey) (Hình 7)

Hình 7: Phép đo biên độ ngưỡng nghe.

Giảm biên độ tín hiệu về 0 và nhấp vào điểm đỏ (new measurement) trên màn hình máy tính Lặp lại các phép đo giá trị ngưỡng Ux đối với tần số 100, 200, 500, 1000

và tăng dần đến 15000 Hz

Khi đo giá trị ngưỡng Ux ứng với các tần số khác nhau thì phải điều chỉnh thông số dải đo biên độ analog in 2 (+/- 0.1V) và tần số (100 kHz) để các giá trị ngưỡng Uxvẫn còn đo được (xem hình 6) Khi điều chỉnh giá trị ngưỡng Ux trên máy phát tín hiệu lớn hơn dải đo biên độ (analog in 2) thì phải quay lại màn hình ở hình 6 để điều chỉnh lại thông số analog in 2 để giá trị biên độ tín hiệu Ux lớn hơn biên độ

đang chọn trên máy phát tín hiệu để có thể đo được giá trị lớn nhất Ux và khi đó phần mềm sẽ vẽ được dạng sóng sin đầy đủ

Cách cài đặt tần số lấy mẫu và số điểm lấy mẫu (frequency; values): hình 6 đang

để tần số lấy mẫu là 100kHz, nghĩa là nếu chỉnh máy phát hàm ở tần số 1kHz (1000Hz) thì đồ thị sẽ ghi lại được 100 điểm trên 1 chu kỳ tín hiệu, với số điểm đo (values) đang chọn là 4096 thì được đồ thị được vẽ trong 40 chu kỳ, nếu thay đổi

số điểm đo là 400 thì đồ thị sẽ được vẽ trong 4 chu kỳ Như vậy, tần số lấy mẫu và

số điểm lấy mẫu nên được thiết lập phù hợp với tần số đang chọn trên máy phát tín hiệu để đồ thị thu được dễ quan sát

1.6.2 Xác định sự phụ thuộc của ngưỡng phân biệt tần số vào tần số ban đầu

Ứng với mỗi dải tần số f, khả năng phân biệt được âm có tần số khác với tần số ban đầu f sẽ khác nhau Nếu gọi f là độ lệch tần số xung quanh giá trị ban đầu f được khảo sát và được xác định bằng ∆f = |f′− f| Trong đó f’ là giá trị tần số xung quanh giá trị tần số ban đầu f mà tai bắt đầu cảm nhận được sự khác biệt so với tần số f Ngưỡng độ lệch tần số f cũng phụ thuộc rất nhiều vào các dải tần số

f khảo sát Để dễ so sánh, ngưỡng phân biệt tần số được định nghĩa là tỉ số giữa ngưỡng độ lệch tần số f và tần số f bắt đầu khảo sát, có giá trị là một số % Việc xác định ngưỡng phân biệt tần số ∆f f ⁄ sẽ giúp bác sỹ lựa chọn khoảng tần số tác động lên tai người một cách phù hợp để tránh ảnh hưởng đến sức khoẻ của bệnh nhân Trong phạm vi đề tài thiết kế bài thực tập để sinh viên đánh giá ngưỡng phân biệt tần số ∆f f ⁄ trong một khoảng thời gian cho trước xác định, các giá trị ∆f f ⁄ được đo với mỗi tần số f bắt đầu tương ứng 100, 200, 500, 1000, 5000 và 10000

Hz Từ đó vẽ đồ thị biễu diễn sự phụ thuộc của ngưỡng phân biệt tần số ∆f f ⁄ vào các tần số bắt đầu f

Tiến hành đo:

Máy đơn vị cơ bản Cobra3 không cần cho thí nghiệm này nên có thể tắt đi Ngoài

ra các thiết bị khác vẫn chuẩn bị y nguyên như thí nghiệm trước Đặt tần số tín hiệu là 100 Hz Điều chỉnh biên độ để âm dễ nghe được và đảm bảo ở biên độ này