Coloquemos no caminho das ondas no banho-maria uma placa plana, cujo comprimento é grande em comparação com o comprimento de onda. Veremos o seguinte. Atrás da placa existe uma área onde a superfície da água permanece quase em repouso (Fig. 83). Em outras palavras, a placa cria uma sombra – um espaço onde as ondas não penetram. Na frente da placa você pode ver claramente como as ondas são refletidas nela, ou seja, as ondas incidentes na placa criam ondas vindas da placa. Essas ondas refletidas têm a forma de arcos concêntricos, divergindo como se fossem de um centro situado atrás da placa. Na frente da placa surge uma espécie de grade de ondas primárias incidentes na placa e ondas refletidas vindas dela em direção às incidentes.
Como muda a direção de propagação de uma onda quando ela é refletida?
Vamos ver como uma onda plana é refletida. Denotemos o ângulo formado pela perpendicular ao plano do nosso “espelho” (placa) e a direção de propagação da onda incidente por (Fig. 84), e o ângulo formado pela mesma perpendicular e a direção de propagação de a onda refletida por . A experiência mostra que em qualquer posição do “espelho”, ou seja, o ângulo de reflexão da onda no plano refletor é igual ao ângulo de incidência.
Arroz. 83. Sombra projetada por um prato grande
Arroz. 84. O ângulo de reflexão é igual ao ângulo de incidência
Esta lei da reflexão é uma lei geral das ondas, ou seja, é válida para quaisquer ondas, incluindo som e luz. A lei permanece em vigor para ondas esféricas (ou anelares), como pode ser visto na Fig. 85. Aqui o ângulo de reflexão em diferentes pontos do plano refletor é diferente, mas em cada ponto é igual ao ângulo .
Arroz. 85. A lei da reflexão é cumprida em todos os pontos do plano refletor
A reflexão das ondas em obstáculos é um fenômeno muito comum. O conhecido eco é causado pelo reflexo de ondas sonoras de edifícios, colinas, florestas, etc. Se as ondas sonoras chegam até nós, refletidas sucessivamente por uma série de obstáculos, obtém-se um eco múltiplo. Os trovões têm a mesma origem. Esta é a repetição repetida de um “estalo” muito forte de uma enorme faísca elétrica - um raio. Os métodos de localização mencionados no § 35 baseavam-se na reflexão de ondas eletromagnéticas e ondas elásticas de obstáculos. Observamos com especial frequência o fenômeno da reflexão nas ondas de luz.
A onda refletida é sempre enfraquecida em um grau ou outro em comparação com a onda incidente. Parte da energia da onda incidente é absorvida pelo corpo em cuja superfície ocorre a reflexão. As ondas sonoras são bem refletidas em superfícies duras (gesso, parquet) e muito pior em superfícies macias (tapetes, cortinas, etc.).
Cada som não para imediatamente após a sua fonte silenciar, mas desaparece gradualmente. A reflexão do som nas salas causa um fenômeno pós-som chamado reverberação. Em salas vazias a reverberação é alta, ou seja, observamos um eco peculiar. Se houver muitas superfícies absorventes na sala, especialmente as macias (móveis estofados, roupas humanas, cortinas, etc.), não será observado eco. No primeiro caso, um grande número de reflexões sonoras é obtido antes que a energia da onda sonora seja quase completamente absorvida; no segundo, a absorção ocorre muito mais rapidamente.
A reverberação determina significativamente a qualidade do som de uma sala e desempenha um papel importante na acústica arquitetônica. Para uma determinada sala (auditório, sala, etc.) e um determinado tipo de som (fala, música), a absorção deve ser selecionada especificamente. Não deve ser muito grande para que não seja obtido um som abafado e “morto”, mas não muito pequeno para que a reverberação de longo prazo não interfira na inteligibilidade da fala ou no som da música.
Durante a aula, todos poderão ter uma ideia do tema “Reflexo das ondas. Ressonância sonora." Nesta lição exploraremos um fenômeno tão interessante de reflexão de onda como o eco e calcularemos as condições necessárias para sua ocorrência. Também realizaremos um experimento fascinante com um diapasão musical para entender melhor o que é ressonância sonora.
Assim, concluímos o capítulo 7 – “Oscilações e Ondas” – com fenómenos interessantes. Isto é reflexão de onda e ressonância sonora. Você sabe que em uma sala vazia, nas montanhas ou sob os arcos de um edifício, você pode observar um fenômeno maravilhoso - um eco. O que é um eco? Eco- Este é o fenômeno da reflexão das ondas sonoras em objetos densos. Quando uma pessoa pode ouvir um eco? Acontece que para que uma pessoa consiga distinguir (seu aparelho auditivo conseguiu distinguir dois sinais), é necessário que o intervalo de tempo seja de 0,06 s. Vamos fazer as contas: a velocidade de propagação da onda é de 340 m/s no ar, então podemos calcular a distância até o objeto a partir do qual a onda será refletida. Deve ficar claro: ao multiplicar a velocidade por esse valor, o atraso, obtemos 20,4 m. L=V. ∆t = 340 m/s 0,06 m/s = 20,4 m.
Mas, você entende que reflexão é o movimento de uma onda em uma direção, depois sofre reflexão na outra, então a distância que recebemos pode ser facilmente dividida ao meio e colocar uma pessoa distante do obstáculo de onde o som irá. ser refletido e então você poderá ecoar ou ouvir. Você também precisa de uma superfície altamente refletiva, porque se, por exemplo, a sala for grande o suficiente, estiver cheia de móveis (móveis estofados) e pessoas, então todos esses objetos absorvem a onda sonora, então o eco é indistinguível. Simplesmente não há energia suficiente para que uma onda sonora cause esse fenômeno. Onde esse fenômeno é usado? Claro que é divertido ouvir ecos nas montanhas, é ótimo cantar sob arcos musicais, muito usados na arquitetura do século XIX, mas existem dispositivos reais que utilizam essa propriedade. Por exemplo, um megafone. Se eu cruzar as palmas das mãos assim, você ouvirá imediatamente que meu som se tornou mais poderoso, embora para as pessoas que estariam ao meu lado, o som das minhas cordas vocais fosse muito mais baixo. Portanto, ocorre um fenômeno interessante: as paredes da buzina amplificam a onda sonora, aumentando a potência do sinal. O que é um ecobatímetro? Esta é uma palavra complexa derivada de duas palavras: “eco” - “reflexão”, “lote” - um dispositivo que mede a profundidade de um reservatório. Muito é uma simples pedra na corda de um pescador. O ecobatímetro para pessoas que navegam em navios de grande porte é projetado da seguinte forma. Sob a lateral do navio há um receptor e uma fonte de ondas sonoras. Uma onda sonora viaja de uma fonte sonora, atinge o fundo, é refletida e atinge o receptor de ondas sonoras. O tempo decorrido entre o envio do sinal e sua chegada é registrado. ∆ t = 0,06 s. E a distância obtida por esse cálculo é dividida pela metade, e encontramos a profundidade do reservatório. Os ecobatímetros são usados não apenas em frequências de áudio, mas também em infra-sons ou ultra-sons. No último parágrafo falamos sobre como isso é usado. O princípio é o mesmo. O fenômeno da reflexão das ondas sonoras é utilizado. Vejamos outro fenômeno sonoro interessante - este ressonância sonora. Deixe-me lembrar: este é o fenômeno de aumentar a amplitude das oscilações forçadas mantendo a frequência das oscilações naturais do sistema e das forçadas. Deixe-me lembrá-lo: qualquer sistema que possa oscilar tem sua própria frequência. Essa frequência é formada pelo próprio design do aparelho, que pode oscilar. Se forçarmos este dispositivo a oscilar com uma força externa, que tem a seguinte frequência de oscilações forçadas n 0 = n CON, as vibrações sonoras aumentarão, porque um aumento na amplitude acarreta um aumento na potência sonora e energética. Explicar esse fenômeno em detalhes para que você entenda o que ele significa ressonância , trabalharemos com um dispositivo especial usado em música. Este dispositivo é chamado de diapasão. O garfo é feito de aço e tem frequência natural correspondente à nota Lá deste experimento. Uma caixa ressonadora especial foi selecionada para este diapasão, por tentativa e erro, por meio de cálculos matemáticos. Que tipo de caixa é essa? O que isso faz com o som, veremos agora na experiência. Diante de nós está um diapasão. Tenho um martelo de borracha que usaremos para criar vibrações. Este diapasão terá vibrações forçadas. Primeiro, para entender para que serve a caixa ressonadora, tentarei cobrir a caixa ressonadora com uma simples folha de papel como esta. Ouça atentamente o que acontecerá com o som em si. Se você notar algo, vamos repetir a experiência novamente. Tentarei criar uma oscilação mais séria aumentando a energia do sistema. Assim, a caixa ressonadora aumenta a amplitude das oscilações resultantes. Como ele faz isso? Ele redistribui a energia que forneci ao sistema. Isso significa que o diapasão provoca vibração na caixa ressonadora da caixa acústica da própria caixa e no ar que está dentro desta caixa. As vibrações se somam e amplificam o som. Ao mesmo tempo, a lei da conservação da energia é cumprida, ou seja, Com uma caixa ressonadora, o diapasão soa menos tempo, mas mais forte. Vamos continuar o experimento. Vamos ver como podemos parar essa vibração sonora. Toquei nas pernas do diapasão e o coeficiente de amortecimento desse sistema ficou muito grande, a oscilação parou quase instantaneamente. Repetimos, não há hesitação. Agora veremos o fenômeno da ressonância, o que acontecerá se eu pegar exatamente o mesmo, tendo exatamente a mesma frequência sonora, outro diapasão. Veja, as caixas ressonadoras ficarão direcionadas uma para a outra para que o entreferro seja insignificante e para que as vibrações não sejam amortecidas e o efeito seja máximo. Então, eu causo vibrações neste diapasão. A onda sonora se espalha, vai para o espaço e, se a frequência for exatamente a mesma do diapasão, a ressonância deverá ocorrer. Vejamos, consigo ouvir o som do segundo diapasão. Vamos repetir de novo: o diapasão soa, para de soar. Vamos verificar, talvez eu tenha um diapasão especial à esquerda. Vamos tentar vibrar o segundo diapasão e ouvir o que acontece com o primeiro. Há hesitação. Assim, a condição de ressonância é cumprida: as frequências coincidem, a amplitude aumenta. O sistema responde seletivamente às vibrações externas. Seleciona apenas a frequência na qual está sintonizado. Vamos verificar isso, se eu mudar agora a frequência de vibração de um dos diapasões (acabei de apertar o muff aqui), a massa do corpo que vibra vai mudar, e sua frequência vai mudar. Portanto não haverá ressonância. Tenho certeza disso, vamos verificar com a experiência se esse é realmente o caso. Não há ressonância e, portanto, também não houve som. Vejamos, se eu fizer ao contrário, se esse diapasão soar, talvez eu esteja te enganando, vamos ver. Não houve fenômeno de ressonância.
Então, hoje estudamos fenômenos sonoros importantes. Este é o reflexo das ondas sonoras e o fenômeno da ressonância sonora. Obrigado pela sua atenção.
A reflexão das ondas sonoras na interface entre dois meios é de grande importância prática. Consideremos um experimento que ilustra as leis da reflexão sonora (§ 24.19).
Coloque um relógio no fundo de um copo de vidro. Se você estiver a uma distância tal do béquer que o relógio não possa ser ouvido, coloque uma placa de vidro sobre o orifício do béquer, como mostrado na Fig. 25.7, então será ouvido o tique-taque do relógio. Ao alterar o ângulo da placa e a posição da orelha, você pode ter certeza de que o ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão.
Um caso interessante de reflexão sonora ocorre quando a superfície refletora está localizada perpendicularmente à direção de propagação da onda. Neste caso, a onda sonora, após reflexão, retorna à sua fonte. O retorno de uma onda sonora à sua fonte após a reflexão é chamado de eco.
Acontece que uma pessoa retém uma sensação sonora por
0,1 s após a membrana timpânica do ouvido parar de vibrar. Isso significa que a uma curta distância da superfície refletora ao ouvido, o eco se fundirá com o som principal e prolongará apenas ligeiramente sua duração. Isto significa que o eco pode ser ouvido separadamente do som principal apenas a uma distância suficientemente grande do obstáculo.
Isso permite determinar a distância da fonte sonora à superfície reflexiva. Seja a distância da fonte sonora A à superfície refletora B igual a I (Fig. 25.8). Se o tempo entre a saída de um sinal sonoro do ponto A e seu retorno ao mesmo ponto for igual e a velocidade do som for igual, então onde está
É claro que o sinal sonoro deve ser de curta duração, pois com um sinal longo o eco se fundirá com o som principal e o tempo t não pode ser determinado. (Mostre que a uma velocidade do som no ar de 344 m/s (a 20°C), o eco será ouvido separadamente do som principal se a distância até a superfície refletora exceder 17,2 m.)
Em uma sala fechada, o som é refletido repetidamente nas paredes, o que aumenta a duração do som após a interrupção da fonte sonora.
O som residual em uma sala fechada é chamado de reverberação. Para salas pequenas, o tempo de reverberação deve ser de cerca de 1 s. O tempo de reverberação influencia muito a qualidade do som nas salas de concerto, pois se o tempo de reverberação for muito longo, a música não poderá ser ouvida e se o tempo de reverberação for muito curto, os sons ficarão abafados e abruptos.
Na interface entre dois meios, o som não é apenas refletido, mas também absorvido ao penetrar em outro meio. A energia das ondas sonoras é parcialmente convertida na energia do movimento caótico das moléculas do meio. Por exemplo, uma parede de gesso absorve cerca de 8% da energia das ondas sonoras e um carpete cerca de 20%. Isso explica o fato de que numa sala cheia de coisas o som é abafado, mas numa sala vazia o som é alto.
Definição 1
Eco- fenômeno físico que consiste no observador receber uma onda refletida por obstáculos (eletromagnéticos, sonoros, etc.)
Um eco é o mesmo reflexo, apenas a luz é refletida no espelho e, no caso de um eco, o som. Qualquer obstáculo pode se tornar um espelho para o som. Quanto mais nítido e abrupto for o som, mais distinto será o eco. A melhor maneira de criar eco é batendo palmas. Uma voz masculina grave reflete mal, mas uma voz aguda produz um eco claro.
Os ecos podem ser ouvidos se você emitir um som em um local cercado por colinas ou grandes edifícios.
Fenômeno acústico
As ondas acústicas são refletidas em paredes e outras superfícies duras, como montanhas. Quando o som se move através de um meio que não possui propriedades físicas permanentes, ele pode ser refratado.
Figura 1. Explicação da operação de eco
O ouvido humano não consegue distinguir um eco do som original se o atraso for inferior a $1/15$ de segundo.
A intensidade de um eco é frequentemente medida em níveis de pressão sonora (SPL) em dB em relação à onda transmitida diretamente. Ecos - os sinais podem ser desejados (como no sonar) ou indesejados (como nos sistemas telefônicos).
A reflexão das ondas sonoras nas superfícies também depende do formato da superfície. Superfícies planas refletem as ondas sonoras de modo que o ângulo no qual a onda se aproxima da superfície seja igual ao ângulo no qual a onda sai da superfície.
A reflexão das ondas sonoras em superfícies curvas leva a um fenômeno mais interessante. Superfícies curvas com formato parabólico têm o hábito de focar as ondas sonoras em um ponto. As ondas sonoras refletidas em superfícies parabólicas concentram toda a sua energia em um ponto do espaço; neste momento, o som se intensifica. Os cientistas há muito acreditam que as corujas têm discos esféricos em seus rostos que poderiam ser usados para coletar e refletir sons.
Usando reflexão sonora
A velocidade do som na água é diferente da do ar. Vamos considerar a operação de um ecobatímetro. Emite um som agudo que, passando pela coluna d'água, chega ao fundo do mar, é refletido e volta em forma de eco. O ecobatímetro capta e calcula a distância até o fundo do mar.
Figura 2. Operação do ecobatímetro
A reflexão sonora é usada em muitos dispositivos. Por exemplo, alto-falante, buzina, estetoscópio, aparelho auditivo, etc.
Um estetoscópio é usado para ouvir sons dos órgãos internos do paciente; para fins de diagnóstico. Funciona de acordo com as leis da reflexão sonora.
Os morcegos usam ondas ultrassônicas de alta frequência (comprimento de onda curto) para aumentar sua capacidade de caçar. A presa típica de um morcego é uma mariposa – um objeto não muito maior que o próprio morcego. Os morcegos usam técnicas de ecolocalização ultrassônica para detectar seus parentes no ar. Mas por que ultrassom? A resposta a esta pergunta está na física da difração. Como o comprimento de onda se torna mais curto do que o obstáculo que encontra, a onda não consegue mais se espalhar em torno dele e, portanto, é refletida. Os morcegos usam ondas ultrassônicas com comprimentos de onda menores que o tamanho de suas presas. Essas ondas sonoras colidirão com a presa e, em vez de serem difratadas ao redor da presa, elas ricochetearão na presa, permitindo que o rato cace usando a ecolocalização.
A pressão sonora p depende da velocidade v das partículas oscilantes do meio. Os cálculos mostram que
onde p é a densidade do meio, c é a velocidade da onda sonora no meio. O produto rc é chamado de impedância acústica específica; para uma onda plana também é chamado de impedância de onda.
A impedância característica é a característica mais importante de um meio, determinando as condições de reflexão e refração das ondas em seu limite.
Vamos imaginar que uma onda sonora atinge a interface entre duas mídias. Parte da onda é refletida e parte é refratada. As leis de reflexão e refração de uma onda sonora são semelhantes às leis de reflexão e refração da luz. A onda refratada pode ser absorvida no segundo meio ou pode sair dele.
Suponhamos que uma onda plana incide normalmente na interface; sua intensidade no primeiro meio é I 1; a intensidade da onda refratada (transmitida) no segundo meio é 1 2. Vamos ligar
coeficiente de penetração da onda sonora.
Rayleigh mostrou que o coeficiente de penetração sonora é determinado pela fórmula
Se a resistência de onda do segundo meio for muito grande em comparação com a resistência de onda do primeiro meio (c 2 p 2 >> c 1 ρ 1), então em vez de (6.7) temos
já que c 1 ρ 1 /c 2 p 2 >>1. Apresentamos as impedâncias de onda de algumas substâncias a 20 °C (Tabela 14).
Tabela 14
Usamos (6.8) para calcular o coeficiente de penetração de uma onda sonora do ar no concreto e na água:
Esses dados são impressionantes: verifica-se que apenas uma pequena parte da energia da onda sonora passa do ar para o concreto e para a água.
Em qualquer espaço fechado, o som refletido nas paredes, tetos, móveis cai em outras paredes, pisos, etc., é novamente refletido e absorvido e gradualmente desaparece. Portanto, mesmo depois de a fonte sonora parar, ainda existem ondas sonoras na sala que criam o zumbido. Isto é especialmente perceptível em grandes salões espaçosos. O processo de atenuação gradual do som em espaços fechados após o desligamento da fonte é denominado reverberação.
A reverberação, por um lado, é útil, pois a percepção do som é potencializada pela energia da onda refletida, mas, por outro lado, a reverberação excessivamente longa pode piorar significativamente a percepção da fala e da música, uma vez que cada nova parte de o texto se sobrepõe aos anteriores. A este respeito, geralmente indicam algum tempo de reverberação ideal, que é levado em consideração na construção de auditórios, teatros e salas de concerto, etc. Por exemplo, o tempo de reverberação do Salão das Colunas preenchido da Casa dos Sindicatos em Moscou é de 1,70 s, e do lotado Teatro Bolshoi - 1,55 pp. Para estas salas (vazias), o tempo de reverberação é de 4,55 e 2,06 s, respectivamente.
Física da audição
Consideremos algumas questões da física da audição usando o exemplo do ouvido externo, médio e interno. O ouvido externo consiste na aurícula 1 e no conduto auditivo externo 2 (Fig. 6.8).A aurícula em humanos não desempenha um papel significativo na audição. Ajuda a determinar a localização da fonte sonora quando ela está localizada na direção ântero-posterior. Vamos explicar isso. O som da fonte entra no ouvido. Dependendo da posição da fonte no plano vertical
(Fig. 6.9) as ondas sonoras difratarão de maneira diferente no pavilhão auricular devido ao seu formato específico. Isto também levará a uma mudança na composição espectral da onda sonora que entra no canal auditivo (questões de difração são discutidas com mais detalhes no Capítulo 19). Como resultado da experiência, uma pessoa aprendeu a associar mudanças no espectro de uma onda sonora com a direção da fonte sonora (direções A, B e B na Fig. 6.9).
Possuindo dois receptores de som (ouvidos), humanos e animais são capazes de estabelecer a direção para a fonte sonora e no plano horizontal (efeito binaural; Fig. 6.10). Isso é explicado pelo fato de que o som percorre distâncias diferentes da fonte para ouvidos diferentes e surge uma diferença de fase para as ondas que entram nos ouvidos direito e esquerdo. A conexão entre a diferença nessas distâncias (5) e a diferença de fase (∆φ) é derivada no § 19.1 ao explicar a interferência da luz [ver (19.9)]. Se a fonte sonora estiver localizada diretamente em frente ao rosto de uma pessoa, então δ = 0 e ∆φ = 0; se a fonte sonora estiver localizada no lado oposto a uma das orelhas, ela entrará na outra orelha com atraso. Suponhamos aproximadamente que neste caso 5 seja a distância entre as orelhas. Usando a fórmula (19.9), a diferença de fase pode ser calculada para v = 1 kHz e δ = 0,15 m. É aproximadamente igual a 180°.
Diferentes direções em direção à fonte sonora no plano horizontal corresponderão a uma diferença de fase entre 0° e 180° (para os dados acima). Acredita-se que uma pessoa com audição normal possa fixar a direção de uma fonte sonora com uma precisão de 3°; isso corresponde a uma diferença de fase de 6°. Portanto, podemos supor que uma pessoa é capaz de distinguir mudanças na diferença de fase das ondas sonoras que entram em seus ouvidos com uma precisão de 6°.
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Além da diferença de fase, o efeito binaural é facilitado pela diferença nas intensidades sonoras em diferentes ouvidos, bem como pela “sombra acústica” da cabeça para um ouvido. Na Fig. 6.10 mostra esquematicamente que o som da fonte entra pela esquerda
ouvido como resultado da difração (Capítulo 19).
A onda sonora passa pelo canal auditivo e é parcialmente refletida no tímpano 3 (ver Fig. 6.8). Como resultado da interferência das ondas incidentes e refletidas, pode ocorrer ressonância acústica. Nesse caso, o comprimento de onda é quatro vezes o comprimento do conduto auditivo externo. O comprimento do canal auditivo em humanos é de aproximadamente 2,3 cm; portanto, a ressonância acústica ocorre em uma frequência
A parte mais essencial do ouvido médio é o tímpano 3 e os ossículos auditivos: o martelo 4, a bigorna 5 e o estribo 6 com os músculos, tendões e ligamentos correspondentes. Os ossos transmitem vibrações mecânicas do ambiente aéreo do ouvido externo para o ambiente líquido do ouvido interno. O meio líquido do ouvido interno tem uma impedância característica aproximadamente igual à impedância característica da água. Como foi mostrado (ver § 6.4), durante a transição direta de uma onda sonora do ar para a água, apenas 0,123% da intensidade do incidente é transferida. Isso é muito pouco. Portanto, o principal objetivo do ouvido médio é ajudar a transmitir maior intensidade sonora ao ouvido interno. Usando linguagem técnica, podemos dizer que o ouvido médio corresponde à resistência das ondas do ar e do fluido do ouvido interno.
O sistema de ossículos (ver Fig. 6.8) em uma extremidade é conectado por um martelo ao tímpano (área S 1 = 64 mm 2), na outra - por um estribo - à janela oval 7 do ouvido interno (área S 2 = 3 mm 2).
Nesse caso, uma força F 2 atua sobre a janela oval do ouvido interno, criando uma pressão sonora p 2 em meio líquido. A conexão entre eles:
Dividindo (6.9) por (6.10) e comparando esta relação com (6.11), obtemos
| onde |
ou em unidades logarítmicas (ver § 1.1)
Neste nível, o ouvido médio aumenta a transmissão da pressão sonora externa para o ouvido interno.
Outra função do ouvido médio é enfraquecer a transmissão de vibrações no caso de som de alta intensidade. Isto é conseguido pelo relaxamento reflexo dos músculos dos ossos do ouvido médio.
O ouvido médio está conectado à atmosfera através da tuba auditiva (Eustáquio).
Os ouvidos externo e médio pertencem ao sistema condutor de som. O sistema receptor de som é o ouvido interno.
A parte principal do ouvido interno é a cóclea, que converte vibrações mecânicas em sinais elétricos. Além da cóclea, o ouvido interno inclui o aparelho vestibular (ver § 4.3), que nada tem a ver com a função auditiva.
A cóclea humana é uma estrutura óssea com cerca de 35 mm de comprimento e tem o formato de uma espiral em forma de cone com 2 3/4 espirais. O diâmetro na base é de cerca de 9 mm, a altura é de aproximadamente 5 mm.
Na Fig. 6.8 a cóclea (limitada pela linha tracejada) é mostrada esquematicamente ampliada para facilitar a visualização. Três canais correm ao longo da cóclea. Um deles, que começa na janela oval 7, é chamado de escala vestibular 8. O outro canal vem da janela redonda 9, é chamado de escala timpânica 10. As escalas vestibular e timpânica estão conectadas na cúpula da cóclea através de um pequeno orifício - o helicotrema 11. Assim, ambos os canais representam de alguma forma um único sistema preenchido com perilinfa. As vibrações do estribo 6 são transmitidas para a membrana da janela oval 7, desta para a perilinfa e “projetam” a membrana da janela redonda 9. O espaço entre a escala vestibular e timpânica é denominado canal coclear 12, está cheio de endolinfa. Entre o canal coclear e a escala do tímpano, corre ao longo da cóclea a membrana principal (basilar) 13. Ela contém o órgão de Corti, que contém células receptoras (pilosas), e o nervo auditivo vem da cóclea (esses detalhes não são mostrados na Figura 6.8).
O órgão de Corti (órgão espiral) é um conversor de vibrações mecânicas em sinal elétrico.
O comprimento da membrana principal é de cerca de 32 mm, ela se expande e afina na direção da janela oval até o ápice da cóclea (de uma largura de 0,1 a 0,5 mm). A membrana principal é uma estrutura muito interessante para a física; possui propriedades seletivas de frequência. Isto foi notado por Helmholtz, que
representava a membrana principal de maneira semelhante a uma série de cordas de piano afinadas. O ganhador do Nobel Bekesy estabeleceu a falácia dessa teoria do ressonador. Os trabalhos de Bekesy mostraram que a membrana principal é uma linha heterogênea de transmissão de excitação mecânica. Quando exposta a um estímulo acústico, uma onda se propaga ao longo da membrana principal. Dependendo da frequência, esta onda atenua de forma diferente. Quanto mais baixa a frequência, mais longe da janela oval a onda viajará ao longo da membrana principal antes de começar a atenuar. Por exemplo, uma onda com frequência de 300 Hz se propagará até aproximadamente 25 mm da janela oval antes do início da atenuação, e uma onda com frequência de 100 Hz atingirá seu máximo próximo a 30 mm. Com base nessas observações, foram desenvolvidas teorias segundo as quais a percepção do pitch é determinada pela posição de vibração máxima da membrana principal. Assim, uma certa cadeia funcional pode ser traçada no ouvido interno: oscilação da membrana da janela oval - oscilação da perilinfa - oscilações complexas da membrana principal - oscilações complexas da membrana principal - irritação das células ciliadas (receptores do órgão de Corti) - geração de sinal elétrico.
Algumas formas de surdez estão associadas a danos no aparelho receptor da cóclea. Neste caso, a cóclea não gera sinais elétricos quando exposta a vibrações mecânicas. É possível ajudar esses surdos implantando eletrodos na cóclea e aplicando-lhes sinais elétricos que correspondem aos que surgem quando expostos a um estímulo mecânico.
Essas próteses da função principal, a cóclea (próteses cocleares), estão sendo desenvolvidas em vários países. Na Rússia, as próteses cocleares foram desenvolvidas e implementadas na Universidade Médica Russa. A prótese coclear é mostrada na Fig. 6.12, aqui 1 - corpo principal, 2 - gancho de ouvido com microfone, 3 - plugue conector elétrico para conexão a eletrodos implantáveis.
