Физические и биологические характеристики звуковых волн

БИОФИЗИКА СЛУХА

Колебания частиц в упругих средах (твердые, жидкие, газообразные) распространяющиеся в форме продольных волн, частота которых лежит в пределах, воспринимаемых человеческим ухом (16 – 20000 Гц) называют звуковыми колебаниями. Источником звука обычно является тело, совершающее колебания под действием толчка, удара, сотрясения или периодического действия какой-либо силы.

Скорость распространения звука зависит от упругих свойств среды, плотности среды, температуры. Для воздуха эта скорость составляет 330 м/с; в твердых и жидких средах – значительно выше, например, для воды – 1500 м/с. По способности проводить или, наоборот, ослаблять звук среды разделяют на звукопроводящие (металлы, бетон, кирпич, вода) и звукопоглощающие (ткань, войлок, пробка, пористая резина).

Звуки разделяют на тоны и шумы. Тон – это непрерывное периодическое колебание частиц среды. Простой тон может быть получен с помощью камертона или электрического звукового генератора. К сложным тонам относятся звуки музыкальных инструментов, гласные звуки речи человека. Шум – сочетание множества сложных тонов, частота, интенсивность которых быстро и беспорядочно меняются.

Физические и биологические характеристики звуковых волн

Звук характеризуется физическими величинами, определяющими колебание - частота (период), амплитуда, и относящими к звуковой волне - сила звука, звуковое давление.

К биологическим параметрам звука относятся: акустический спектр (высота, тембр) и громкость.

Частота звука – это число колебаний в единицу времени. f = 1/Т; ω=2π/T; ω=2π f.

16-20 000 Гц – воспринимается органом слуха человека.

f> 20 кГц – ультразвук; f<16 Гц – инфразвук.

Наибольшая чувствительность человеческого уха в области 1000 – 3000 гц – речевая зона.

Силой звука (интенсивностью) (I) называют плотность потока энергии звуковых волн (Вт/м²).

I=z * w² * A²/2, где z – импеданс, w – циклическая частота, A – амплитуда.

На частоте 1000 Гц человек способен воспринимать звуки в диапазоне интенсивности от I = 10^-12 Вт/м² – порог слышимости (наименьшая интенсивность звука, при которой звук воспринимается органами слуха); I = 10 Вт/м² – порог болевого ощущения (наименьшая интенсивность звука, при которой восприятие звука органами слуха еще не вызывает болевого ощущения). Порог слышимости и порог болевого ощущения зависят от частоты звука и отличаются у разных людей.

Звуковым или акустическим давлением называют максимальное давление, образующееся в участках сгущения частиц в звуковой волне. Звуковое давление связано с интенсивностью звука следующей зависимостью:

I=P²/2pc, где Р – средняя амплитуда звукового давления, p – плотность среды, с – скорость звука.

На частоте 1000 Гц порогу слышимости соответствует давление Р=2*10^-5Па, порогу болевого ощущения Р=60 Па.

Громкость (S) – субъективная оценка звука, которая характеризует уровень слухового ощущения. Громкость звука тем больше, чем больше сила (интенсивность) звука. На основании закона Вебера-Фехнера между громкостью и интенсивностью звука лежит логарифмическая зависимость, т.е. громкость звука пропорциональна логарифму интенсивности звука.

S=k lg I/I₀, k – коэффициент пропорциональности, зависящий от частоты и интенсивности. I₀ - условная интенсивность (порог слышимости), 10^-12 Вт/м² (для звука с частотой 1000 Гц). I – интенсивность исследуемого звука. Если k равен 1, тогда S=lg I/I₀ Б (бел); если k равен 10, тогда S= 10lg I/I₀ дБ (1дБ=0,1Б).

Согласно этому закону, если увеличивать раздражение в геометрической прогрессии (т.е. в одинаковое число раз), то ощущение этого раздражения аозрастает в арифметической прогрессии (т.е. на одинаковую величину). Применительно к звуку: если интенсивность звука принимает ряд последовательных значений (аI а²I а³I и т.д.), то соответствующие им ощущения громкости звука будут S, 2S, 3S и т.д.

Сравнивая исследуемый звук (его интенсивность I) со звуком на частоте 1000 Гц (I₀), измеряют его громкость.

1 бел соответствует увеличению (или уменьшению) силы звука в 10 раз, а количество n белов, характеризующее уровень силы данного звука (громкость), показывает степень, в которую надо возвести число 10, чтобы получить число, определяющее, во сколько раз эта сила звука I больше силы звука I₀ (порога слышимости):

I_n/I₀ = 10ⁿ, откуда I_n = I₀*10ⁿ = 10^-12*10ⁿ Вт/м²

В математике показатель степени, в которую надо возвести число 10. Чтобы получить данное число, называется десятичным логарифмом данного числа. Тогда бел определяется как десятичный логарифм отношения сил звуков, прквышающих одна другую в 10 раз. Если пользоваться единицей в 10 раз меньшей бела (децибел), тогда, если задано число m децибел, можно написать аналогично, что I_m/I₀ = 10^m/10. Но число 10^m/10 можно представить как (¹⁰√10)^m = 1,26^m. Следовательно, 1 дБ соответствует отношению сил двух звуков, равному 1,26; а количество m децибелов, характеризующее уровень силы данного звука, показывает степень, в которую нужно возвести число 1,26, чтобы получить число, определяющее, во сколько раз эта сила звука I_m больше силы звука I₀:

I_m/I₀ = 1,26^m

Для отличия от шкалы интенсивности звука в шкале громкости децибелы называют фонами (фон) – он соответствует уровню громкости звука частотой 1000 Гц при интенсивности звука в 1дБ.

Высота звука – субъективная характеристика, обусловлена частотой звука. Высокая частота звука – высокий звук; низкая частота звука – низкий звук. Человек слышит собственную речь за счет костной проводимости к внутреннему уху, при этом высокочастотные звуки ослабляются сильнее, чем низкочастотные, поэтому собственная речь, записанная на магнитофон, при прослушивании кажется более высокой, чем мы привыкли ее слышать.

Тембр звука - определяется спектральным составом, т.е. составом дополнительных частот (обертонов), которые сопровождают основную частоту. По тембру люди различают друг друга.

Орган слуха служит для восприятия звуков. Различают звукоулавливающую часть (ушная раковина и слуховой проход), звукопроводящую часть (среднее ухо), звуковоспринимающую часть (внутренне ухо).

Наружное ухо – обеспечивает направленность слухового восприятия, локализацию источника звука (ототопику). Способность слышать двумя ушами – бинауральный слух. Человек с нормальным слухом может фиксировать направление звука в горизонтальной плоскости с точностью до 3⁰. В вертикальной плоскости (при изменении положения головы) – менее точно.

Среднее ухо – система косточек (молоточек фиксирован на барабанной перепонке и связан с наковальней, которая сочленена со стремечком – его основание погружено в овальное окно – вход во внутреннее ухо). Барабанная перепонка и слуховые косточки обеспечивают согласование акустических импедансов воздуха и жидкости (которой заполнено внутреннее ухо), что уменьшает потери интенсивности звука при переходе из атмосферы во внутреннее ухо. Это достигается: 1 – разницей площадей барабанной перепонки и овального окна – в 25 раз усиливается звук согласно следующему закону Р = F/S. 2 – слуховые косточки являются рычагами силы во всех сочленениях, где отношение плеч а:в = 1:2, благодаря чему и увеличивается давление на основание стремечка по сравнению с давлением на молоточек. т.е. вся система передачи звука в среднем ухе работает с 90-кратным выигрышем в силе. Максимальный коэффициент усиления давления характерен для звуков в 1000 Гц. Более частые звуки затухают, т.е. понижается коэффициент передачи за счет мышц, прикрепленных к молоточку и стремечку. При разрушении слуховых косточек слух полностью не теряется, но уменьшается в 10³ – 10⁴ раз.