BIOFISICA 2015, Clases 22 y 23

LICENCIATURA EN
FISICA MEDICA
BIOFISICA
CAPITULO 10
Producción del Sonido, el Habla y
la Escucha en el Ser Humano
ONDAS Y SU PROPAGACION
w = 2pf
2
ONDA DE PRESION Y PROPAGACION
dzMáx
|
vS
←
|
[T, (T)]
←
uMáx
←
uMáx
uMáx= (dzMáx)w
1 2
I =  uMáx vS
2
w = 2pf
vS: velocidad del sonido
3
INTENSIDAD Y PROPAGACION
2
1
1 2
 kg m m kg  m
[ I ] =  uMáx vS  = 3  2  = 2  m  2 =
s
s
m s
2
 m s
N m
J
W
= 2
= 2
= 2
m s m s m
vS =
C Adiabático

P
 RT
=
=

m
5 3 = 1, 67
cp 
 = = 1, 4
cv 
1
Gas de moléculas monoatómicas
Aire, mezcla de moléculas diatómicas
Gas de moléculas muy grandes
4
INTENSIDAD, IMPEDANCIA Y PRESION
uMáx = (d zMáx ) w
2
1 2
1
I =  uMáx vS =  vS (d zMáx ) w 
2
2
Z =  vS , Impedancia acústica
kg m
kg
[ Z ] = [  vS ] = 3  = 2
m s m s
P = (  vS ) w d zMáx = Z w d zMáx , Presión acústica
kg
1
N
 P  =  Z w d zMáx  = 2   m = 2 = Pa
m s s
m
2
2
1
1
P2
I =  vS (d zMáx ) w  = Z (d zMáx ) w  =
2
2
2Z
5
CARACTERISTICAS ACUSTICAS
DE LOS TEJIDOS Y ORGANOS
6
INTENSIDAD EN deciBell (dB)
W
[I ] = 2
m
P2
I=
2Z
I Ref (3000 Hz ) = 1012 W m 2 , Mínima intensidad percibida
Z Aire = 413 kg m 2 s
PRef (3000 Hz ) = 2,9 105 Pa , Mínima presión percibida
I ( Bell ) = log10 ( I I Ref (3000 Hz ) )
I ( deciBell ) = 10  log10 ( I I Ref (3000 Hz ) )
7
INTENSIDADES TIPICAS DE SONIDOS
SPL≡ Sound Pressure Level
8
INTERACCION ACUSTICA
EN UNA INTERFAZ
Z =  vS
RRefl
1  Z 2 / Z1 2
=(
)
1  Z 2 / Z1
TTrans
4Z 2 / Z1
=
(1  Z 2 / Z1 ) 2
9
ALGUNAS INTERFACES BIOLOGICAS
10
PROPAGACION Y ABSORCION
Como la amplitud de la onda A es proporcional a la presión
acústica P
A ( z ) P ( z )
y la presión acústica P de la onda disminuye al propagarse,
resulta:
A ( z ) = A ( z = 0 ) exp (  Acústico  F  z )
 Acústico , Coeficiente de absorción sonora,
F= f
2
F f
, Para tejidos blandos.
, Para líquidos puros,
A la expresión de la absorción se la conoce como Ley de Beer,
por su semejanza con la Optica.
11
COEFICIENTE DE ABSORCION
DE TEJIDOS Y ORGANOS
12
COEFICIENTE DE ABSORCION
DE ALGUNOS FLUIDOS
13
PRIMEROS MODOS RESONANTES
DE UN CUERDA VIBRANTE
Cuerda fija en sus
extremos de:
Longitud L
Radio r
Densidad 
Masa lineal m=p r2
Tensión F
f Fund = vS 2L
vS = F m
vS = F (p r 2  ) =
= F (p r 2 )  =
=  
f Fund
1 
=
2L 
La cuerda vibrante como modelo de las cuerdas vocales
14
TUBOS ABIERTOS Y CERRADOS
Y SUS MODOS RESONANTES I
15
TUBOS ABIERTOS Y CERRADOS
Y SUS MODOS RESONANTES II
Los tubos como modelos del sistema resonador humano
16
FACTOR Q DE UN TUBO RESONADOR
17
SISTEMA NEUROMUSCULAR
DEL HABLA HUMANA I
Tráquea
Mujer adulta:
Hombre adulto:
LFaringe + LBoca = 6,3 cm + 7,8 cm = 14,1 cm.
LFaringe + LBoca = 8,9 cm + 8,1 cm = 17,0 cm.
18
SISTEMA NEUROMUSCULAR
DEL HABLA HUMANA II
Zumbido, silbido, explosión
19
SISTEMA NEUROMUSCULAR
DEL HABLA HUMANA III
- La laringe está situada
sobre la tráquea
- Formada por cartílagos
unidos por membranas y
ligamentos
- Cubierta por músculos y
mucosa
- Las cuerdas vocales son dos pliegues elásticos de la
membrana mucosa que reviste la laringe
- Regulan el paso de aire, abriendo o cerrando la glotis
20
CARTILAGOS DE LA LARINGE I
- CRICOIDES: se apoya sobre la tráquea y
tiene forma de un anillo. En su parte plana
(situada por detrás) tiene dos facetas para
la articulación con los aritenoides y dos
para el tiroides.
- TIROIDES: formado por dos láminas
cuadrangulares que convergen hacia atrás
alrededor de los lados del cricoides. Se
visualiza como la Nuez de Adán.
- ARITENOIDES: tiene forma de pirámide y
se asientan en el cricoides.
21
CARTILAGOS DE LA LARINGE II
22
CUERDAS VOCALES I
- Se insertan, por
un extremo, en
el ángulo inferior
del tiroides y,
por el otro, en
las apófisis
vocales de los
aritenoides.
- Al rotar los aritenoides hacia adentro, los
pliegues vocales se juntan y al hacerlo
hacia fuera se separan con el consiguiente
cierre y apertura de la glotis.
23
CUERDAS VOCALES II
24
FARINGE Y VELO
FARINGE
- Conducto mixto
- Tres porciones
- Tamaño y tensión de
las paredes varían las
características resonantes
VELO
- Porción membranosa del paladar
- Regula la comunicación entre la cavidad oral y nasal
(sonido oral o nasal)
25
CAVIDAD ORAL
LABIOS: determinan el tamaño y forma de
la abertura anterior, y modifican el largo de
la cavidad oral.
PALADAR Y DIENTES: constituyen
estructuras rígidas contra las que los
labios y la lengua se mueven para producir
sonidos
26
CAVIDAD NASAL
- Ninguna parte esta sujeta a movimientos
musculares, su forma es fija
- Debido a la variabilidad en el ancho de los
pasajes y a la cantidad de mucus, los
sonidos articulados con resonancia nasal
difieren
27
LOS SONIDOS DEL HABLA
- SONIDOS VOCALICOS: emitidos por la
vibración de las cuerdas vocales sin ningún
obstáculo
- SONIDOS CONSONANTICOS: emitidos con el
cierre total o parcial del tracto por el cual pasa
la corriente de aire
28
PUNTOS DE ARTICULACION
EN LA CAVIDAD BUCAL
29
SONIDOS VOCALICOS
Sonidos
vocálicos
Abertura
del ángulo
bucal
Abiertas
(a, e, o)
Cerradas
(i, u)
Posición y
grado de
abertura
Altas
(i, u)
Medias
(e, o)
Baja
(a)
30
SONIDOS CONSONANTICOS
Modo
(cierre o
estrechamiento)
Oclusivas
(b, p, d, t, g,
k)
La salida se cierra
momentáneamente por
completo
Laterales
(l, ll)
Fricativas
(f, s, y, x, z)
El aire atraviesa un
espacio estrecho
Lengua obstruye
el centro de la
boca
Vibrantes
(r, rr)
Africadas
(c, y)
Oclusión seguida
de fricación
Nasales
(m, n, ñ)
Pasaje bucal
cerrado
Lengua vibra
cerrando el paso de
aire
intermitentemente
31
LUGAR DE PRODUCCION
Lugar
(donde se produce)
Bilabiales
(b, p, m)
Velares
(k, g, x, y)
Oposición de
ambos labios
Palatales
(c, j)
Labiodentales
(f)
Op. Dientes
superiores y labio
inferior
Op. Posterior
lengua y
paladar blando
Linguodentales
(d, t, n, l)
Op. Punta lengua y dientes
superiores
Alveolares
(s, n, r, rr, l)
Op. Punta lengua y
región alveolar
paladar
Op. Lengua y paladar
duro
32
CUERDAS
VOCALES
EN ACCION I
Aplicación del Teorema
de Bernoulli según el
Modo de Venturi
PGlotis  PSubglotis
ASubglotis 2 

1 2
=  vSubglotis 1  (
)  0
2
A
Glotis


33
CUERDAS VOCALES EN ACCION II
34
CUERDAS VOCALES EN ACCION III
←
↔
↔
←
Murmullo, susurro





LH=16 mm
LM=10 mm
35
MODELO FISICO DE LAS CUERDAS
f Fund
1 
=
2L 
36
VOCES DE LAS CUERDAS VOCALES
f Fund
→
120 Hz
→
→
→
220 Hz
1 
=
2L 
10
37
CARACTERISTICAS MECANICAS
DE LAS CUERDAS VOCALES
E
L
M
E
L
M
38
REPRESENTACIONES TEMPORALES
Y FRECUENCIALES DE UNA SEÑAL II
39
SUMA DE
ONDAS SIMPLES
Y RESULTANTE
COMPLEJA I
40
SUMA DE ONDAS SIMPLES
Y RESULTANTE COMPLEJA II
Análisis de Fourier
41
REPRESENTACIONES TEMPORALES
Y FRECUENCIALES DE UNA SEÑAL I
42
ESPECTROS TEMPORAL Y
FRECUENCIAL DEL SONIDO
43
ANALISIS TEMPORAL DE LA VOZ
44
CONTENIDO ESPECTRAL DE LA VOZ
45
PARAMETROS DE LA VOZ HUMANA I
FISICOS
PERCEPTIVOS
• FRECUENCIA FUNDAMENTAL
Baja
Alta
ALTURA
Grave
Agudo
• INTENSIDAD DE FONACION
Presión (Pa) o Intensidad (W/m2)
SONORIDAD
Ley de Stevens: P = K(S – S0)n
P es la percepción del estímulo S
por sobre el umbral S0. K y n son
constantes apropiadas. n = 0,54
para audición monoaural y 0,60
para la biaural.
• COMPOSICION DE ARMONICOS
TIMBRE O CALIDAD
46
PARAMETROS DE LA VOZ HUMANA II
,
,
47
AUDIOESPECTROGRAFO
48
Audiograma y Formantes
Forma de onda
AUDIOESPECTROGRAMAS INGLESES I
Líneas verticales
que corresponden
a los pulsos glotales
49
AUDIOESPECTROGRAMAS INGLESES II
Líneas verticales
que corresponden
a los pulsos glotales
a
i
i
u
50
Sílabas
ba
F2→
F2→
F1 →
↑
la Explosión
Oclusión y modulación:
Bilabial
↑
ga
F2→
F1 →
↑ Comienzo de
12 ms
da
F1 →
↑
7 ms
Vibración
laríngea
Apicodental
↑ ↑
5 ms
Dorsovelar
Líneas verticales
que corresponden
a los pulsos glotales
Blanco espectrográfico
Tiempo de silencio
AUDIOESPECTROGRAMAS CASTELLANOS
LOS FORMANTES: F1 Y F2
51
AUDIOESPECTROGRAMAS CASTELLANOS
Un bebé
El dado
52
FORMANTES F1 Y F2, Y
REGION PRINCIPAL FORMANTICA
53
F1 Y F2 DEL INGLES ESTADOUNIDENSE
54
F1 Y F2 DEL CASTELLANO ARGENTINO
Y DEL INGLES ESTADOUNIDENSE
Vocales estadounidenses
Vocales castellanas
55
PRIMER FORMANTE F1 Y
SEGUNDO FORMANTE F2
“SEE”
SILENCIO
“TOO”
TUYO
“FATHER”
FAVOR
56
57
58
59
VOCES Y CARACERISTICAS DEL
TRACTO VOCAL: LOS FORMANTES
60
ARMONICOS Y ENERGIA DE LA VOZ
• La inteligibilidad oral se debe a las altas
frecuencias.
• Para que el habla sea comprensible, es
indispensable la presencia de armónicos cuyas
frecuencias se halla entre 500 y 3500 Hz.
• La energía de la voz está contenida en su
mayor parte en las bajas frecuencias y su
supresión resta potencia a la voz que suena
delgada y con poca energía.
61
PARAMETROS
DE LA VOZ
HUMANA III
62
AUDIOESPECTROGRAMAS
DE VOCES DE CANTANTES
↑
↑
↑
↑
63
64
65
EL SISTEMA AUDITIVO EN RELACION
CON EL CRANEO Y EL CEREBRO
66
TUBOS ABIERTOS Y CERRADOS
Y SUS MODOS RESONANTES I
67
OIDO Y CANALES SEMICIRCULARES
Martillo
Yunque
Estribo
fFund = vs/4L =
Oido
externo
↑ Oido ↑
medio
(330 m/s)/0,1 m =
3300 Hz.
Oido
interno
68
CORTE DEL OIDO MEDIO
or Eardrum)
69
OIDO MEDIO Y DETALLE DE LA COCLEA
Estribo
Yunque
Martillo
Largo: 35 mm
Diámetro: ≈ 2 mm
Vueltas: ≈ 2¾
70
OTOSCOPIA DEL TIMPANO I
Normal tympanic membrane. Pars tensa (PT), pars flaccida (PF), light reflex (LR),
fibrous ring (FR), umbo (Um), handle of malleus (HM), lateral process of malleus
(Lpm), anterior plica (AP), posterior plica (PP).
71
LR or cone of light: the triangular reflection portion on the tympanic membrane.
OTOSCOPIA DEL TIMPANO II
D ≈ 9 - 10 mm
┬
D= ≈ 8 - 9 mm
Area total ≈ 85 mm2
Area efectiva ≈ 55 mm2
72
ARTICULACIONES MARTILLO–
YUNQUE–ESTRIBO
Yunque
Martillo
Estribo
73
SISTEMA DE TRANSMISION
TTrans =
4Z 2 / Z1
(1  Z 2 / Z1 ) 2
T = 0.13
74
SISTEMA DE TRANSMISION
75
AMPLIFICACION EN EL OIDO MEDIO I
Martillo
Yunque
Martillo: LM ≈ 9 mm
25 mg
Yunque: LY ≈ 7 mm
30 mg
Estribo: ≈ 3,5 mm
≈ 3 – 4 mg
AVO
Estribo
AT
Area efectiva
AT ≈ 55 mm2
AVO ≈ 3,2 mm2
76
ANALOGIA MECANICA APROXIMADA
DE LA FUNCION DEL OIDO MEDIO
AT LT
PVO =
PT = (17 ) . (1,3) PT = 22,1.PT
AVO LVO
LM
AT ≈ 55 mm2
LY
PVO
AVO ≈ 3,2 mm2
PT
LM ≈ 9 mm
LY ≈ 7 mm
(Martillo, yunque y estribo)
PVO
20log10
= 20log10 22,1  27dB
PT
77
EFECTO DEL MANUBRIO
SOBRE EL TIMPANO
Se supone que:
22,1  44
20log10 44  33dB
78
PASOS DEL PROCESO AUDITIVO
1- Las ondas sonoras entran por el canal timpánico.
2- El movimiento del tímpano es transferido por los osículos a la ventana oval.
3- El movimiento de la ventana oval produce ondas de presión en el fluido de la coclea.
79
4- Estas ondas hacen vibrar la membrana basilar y las cilias de las células ciliadas.
FUNCION DE TRANSFERENCIA: NIVEL
SONORO A LA ENTRADA Y NIVEL DE
SENSACION AUDITIVA A LA SALIDA
↑
↑
80
UMBRAL AUDITIVO ABSOLUTO
(Para residentes típicos estadounidenses)
↑
↑
SPL ≡ Sound Pressure Level
81
LIMITES DE SENSIBILIDAD
Audición
a
Conversación
82
CORTE DE LA COCLEA
Scala vestibuli
83
ORGANO DE CORTI
Scala media
Scala media
# 12000
# 3500
84
CELULA ESTEREOCILIADA
85
Micrografía electrónica de una célula ciliada.
ACCION DE LAS CELULAS CILIADAS
Desplazamientos
de 10–10 m generan
respuesta nerviosa
86
LA COCLEA SE ADELGAZA MIENTRAS
LA MEMBRANA BASILAR SE ENSANCHA
87
MODOS RESONANTES
MECANICOS DE LA COCLEA I
88
MODOS RESONANTES
MECANICOS DE LA COCLEA II
89
MODOS RESONANTES
MECANICOS DE LA COCLEA III
90
AUDIOGRAMAS I
SPL ≡ Sound Pressure Level
HL ≡ Hearing level
91
AUDIOGRAMAS II
92
AUDIOGRAMAS III
93
AUDIOGRAMAS IV
94
VIBRACIONES CRANEALES
95
CARACTERIZACION DE FUENTES
DE SONIDOS EN NUESTRO CUERPO
96
ACCION DE VIBRACIONES
EN NUESTRO CUERPO
97
FONOCARDIOGRAMAS
98
MEDICION DE LA VELOCIDAD DEL
FLUJO SANGUINEO POR ECO DOPPLER
99