SA Звуковые волны. Физические и физиологические характеристики звука Физические и физиологические характеристики звука

Звук как физическое явление характеризуется звуковым давлением P (Па), интенсивностью I (Вт/м 2) и частотой f (Гц).

Звук какфизиологическое явление характеризуется уровнем звука (фоны) и громкостью (сонны).

Распространение звуковых волн сопровождается переносом колебательной энергии в пространстве. Ее количество, проходящее через площадь
1 м 2 , расположенную перпендикулярно направлению распространения звуковой волны, обусловливает интенсивность или силу звука I ,

Вт/м 2 , (7.1)

где Е – поток звуковой энергии, Вт; S – площадь, м 2 .

Ухо человека чувствительно не к интенсивности звука, а к давлению Р , оказываемому звуковой волной, которое определяется по формуле

где F – нормальная сила, с которой звуковая волна действует на поверхность, Н; S – площадь поверхности, на которую падает звуковая волна, м 2 .

Величины интенсивности звука и уровни звукового давления, с которыми приходится иметь дело на практике, изменяются в широких пределах. Колебания звуковых частот могут восприниматься человеческим ухом только при определённой их интенсивности или звуковом давлении. Пороговыезначения звукового давления, при которых звук не воспринимается или звуковое ощущение переходит в болевое ощущение, называются соответственно порог слышимости и порог болевого ощущения.

Порогу слышимости при частоте 1000 Гц соответствует интенсивность звука 10 -12 Вт/м 2 и звуковое давление 2·10 -5 Па. При интенсивности звука 1 Вт/м 2 и звуковом давлении 2·10 1 Па (при частоте 1000 Гц) создается ощущение боли в ушах. Эти уровни называются порогом болевого ощущения и превышают порог слышимости в 10 12 и 10 6 раз, соответственно.

Для оценки шума удобно измерять не абсолютное значение интенсивности и давления, а относительный их уровень в логарифмических единицах, характеризуемый отношением фактически создаваемых интенсивности и давления к их значениям, соответствующим порогу слышимости. По логарифмической шкале увеличение интенсивности и давления звука в 10 раз соответствует приросту ощущения на 1 единицу, названную белом (Б):

, Бел, (7.3)

(9.3)

где I o и Р о - исходные значения интенсивности и звукового давления (интенсивность и давление звука на пороге слышимости).

За исходную цифру 0 (ноль) Бел принята пороговая для слуха величина звукового давления 2·10 -5 Па (порог слышимости или восприятия). Весь диапазон энергии, воспринимаемой слухом как звук, укладывается при этих условиях в 13-14 Б. Для удобства пользуются не белом, а единицей в 10 раз меньшей – децибелом (дБ), которая соответствует минимальному увеличению силы звука, различаемому ухом.

В настоящее время общепринято характеризовать интенсивность шума в уровнях звукового давления, определяемых по формуле

, дБ, (7.4)

где Р - среднеквадратичная величина звукового давления, Па; Р o - исходное значение звукового давления (в воздухе Р o = 2·10 -5 Па).

Третьей важной характеристикой звука, определяющей его высоту, является частота колебаний, измеряемая числом полных колебаний, совершенных в течение 1с (Гц). Частота колебаний определяет высоту звучания: чем больше частота колебаний, тем выше звук. Однако в реальной жизни, в том числе и в условиях производства, мы встречаемся чаще всего со звуками частотой от 50 до 5000 Гц. Орган слуха человека реагирует не на абсолютный, а на относительный прирост частот: возрастание частоты колебаний вдвое воспринимается как повышение тона на определенную величину, называемую октавой. Таким образом, октава – диапазон, в которой верхняя граничная частота равна удвоенной нижней частоте.

Такое допущение связано с тем, что при удвоении частоты высота звука изменяется на одну и ту же величину независимо от того, в каком частотном интервале происходит это изменение. Каждая октавная полоса характеризуется среднегеометрической частотой, определяемой по формуле

где f 1 – нижняя граничная частота, Гц; f 2 – верхняя граничная частота, Гц.

Весь диапазон частот слышимых человеком звуков разбит на октавы со среднегеометрическими частотами 31,5; 63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000 и 8000 Гц.

Распределение энергии по частотам шума представляет собой его спектральный состав. При гигиенической оценке шума измеряют как его интенсивность (силу), так и спектральный состав по частотам.

Восприятие звуков зависит от частоты колебаний. Звуки одинаковые по уровню интенсивности, но разные по частоте, воспринимаются на слух неодинаково громкими. При изменении частоты значительно изменяются уровни интенсивности звука, определяющие порог слышимости. Зависимость восприятия звуков различного уровня интенсивности от частоты иллюстрируют так называемые кривые равной громкости (рис.7.1). Для оценки уровня восприятия звуков разной частоты введено понятие уровня громкости звука,т.е. условное приведение звуков разной частоты, но одинаковой громкости к одному уровню при частоте 1000 Гц.

Рис. 7.1. Кривые равной громкости

Уровень громкости звука – уровень интенсивности (звукового давления) данного звука частотой 1000 Гц, равногромкого с ним на слух. Это означает, что каждой кривой равной громкости соответствует одно значение уровнягромкости (от уровня громкости, равного 0, соответствующего порогу слышимости до уровня громкости, равного 120, соответствующего порогу болевого ощущения). Уровень громкости измеряется во внесистемной безразмерной единице – фон.

Оценка звукового восприятия с помощью уровня громкости, измеряемого в фонах, не даёт полного физиологического представления о действии звука на слуховой аппарат, т.к. увеличение уровня звука на 10 дБ создаёт ощущение увеличения громкости в два раза.

Количественная связь между физиологическим ощущением громкости и уровнем громкости может быть получена из шкалы громкости. Шкала громкости легко образуется с учётом соотношения, что величина громкости в один сонсоответствует уровнюгромкости в 40 фон (рис. 7.2).

Рис. 7.2. Шкала громкости

Длительное воздействие шума высоких уровней интенсивности может влиять на снижение чувствительности слухового анализатора, а также вызывать расстройства нервной системы и оказывать влияние на другие функции организма (нарушает сон, мешает выполнять напряжённую умственную работу), поэтому для разных помещений и различных видов работ устанавливаются различные допустимые уровни шума.

Шум, не превышающий уровень 30-35 дБ, не ощущается как утомительный или заметный. Такой уровень шума является допустимым для читальных залов, больничных палат, жилых комнат ночью. Для конструкторских бюро, конторских помещений допускается уровень шума 50-60 дБ.

Классификация шумов

Производственный шум можно классифицировать по различным признакам.

По происхождению – аэродинамический, гидродинамический, металлический и т.д.

По частотной характеристике – низкочастотный (1-350 Гц), среднечастотный (350-800 Гц), высокочастотный (более 800 Гц).

По спектру – широкополосный (шум с непрерывным спектром шириной более 1 октавы), тональный (шум, в спектре которого имеются выраженные тоны). Широкополосный шум с одинаковой интенсивностью звуков по всем частотам условно обозначают как «белый». Тональный характер шума для практических целей устанавливается измерением в 1/3 октавных полосах частот по превышению уровня в одной полосе над соседними не менее чем на 10 дБ.

По временным характеристикам шумы разделяют на постоянный или стабильный и непостоянный. Постоянный шум – это шум, уровень звука которого за 8-часовой рабочий день или за время измерения в помещениях жилых и общественных зданий, на территории жилой застройки изменяется во времени не более чем на 5 дБА при измерениях на временной характеристике шумомера "медленно".

Непостоянный шум - это шум, уровень звука которого за 8-часовой рабочий день, за рабочую смену или во время измерения в помещениях жилых и общественных зданий, на территории жилой застройки изменяется во времени более чем на 5 дБА при измерениях на временной характеристике шумомера "медленно".

Непостоянный шум может быть колеблющимся, прерывистым и импульсным:

колеблющийся во времени шум – это шум, уровень звука которого непрерывно изменяется во времени;

прерывистый шум – это шум, уровень звука которого ступенчато изменяется (на 5 дБА и более), причем длительность интервалов, в течение которых уровень остается постоянным, составляет 1 с и более;

импульсный шум – это шум, состоящий из одного или нескольких звуковых сигналов, каждый длительностью менее 1 с, при этом уровни звука в дБАI и дБА, измеренные соответственно на временных характеристиках "импульс" и "медленно", отличаются не менее чем на 7 дБ.

Для двух последних видов шума (прерывистый и импульсный) характерно резкое изменение звуковой энергии во времени (свистки, гудки, удары кузнечного молота, выстрелы и пр.).

Характеристикой постоянного шума на рабочих местах являются уровни звукового давления в дБ в октавных полосах со среднегеометрическими частотами 31,5; 63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000; 8000 Гц, определяемые по формуле (7.4).

Допускается в качестве характеристики постоянного широкополосного шума на рабочих местах принимать уровень звука в дБА, измеренный на временной характеристике "медленно" шумомера, определяемый по формуле:

, дБА, (7.6)

где Р (А) – среднеквадратичная величина звукового давление с учетом коррекции "А" шумомера, Па

Характеристикой непостоянного шума на рабочих местах является эквивалентный (по энергии) уровень звука в дБА.

Эквивалентный (по энергии) уровень звука, L А(экв) , в дБА данного непостоянного шума – уровень звука постоянного широкополосного шума, который имеет то же самое среднее квадратическое звуковое давление, что и данный непостоянный шум в течение определенного интервала времени и который определяют по формуле

, дБА, (7.7)

где р А(t) – текущее значение среднего квадратического звукового давления с учетом коррекции "А " шумомера, Па; p 0 – исходное значение звукового давления (в воздухе p 0 = 2 · 10 -5 Па); T – время действия шума, ч.

Шумом является всякий нежелательный для человека звук. В качестве звука мы воспринимаем упругие колебания, распространяющиеся волнообразно в твердой, жидкой или газообразной средах. Звуковые волны возникают при нарушении стационарного состояния среды вследствие воздействия на нее какой-либо возмущающей силы. Частицы среды при этом начинают колебаться относительно положения равновесия, причем скорость таких колебаний (колебательная скорость и) значительно меньше скорости распространения волны (скорости звука с).

В газообразной среде скорость звука

где х — показатель адиабаты (для воздуха х = 1,41); Рст и р — давление и плотность газа.

При нормальных атмосферных условиях (t = 20° С и Рст = = 760 мм рт. ст.) скорость звука с в воздухе равна 344 м/с.

Звуковое поле — эта область пространства, в которой распространяются звуковые волны. В каждой точке звукового поля давление и скорость движения частиц воздуха изменяются во времени. Разность между мгновенным значением полного давления и средним давлением, которое наблюдается в невозмущенной среде, называется звуковым давлением. Единица измерения звукового давления Н/м2.

На слух действует средний квадрат звукового давления

где черта означает осреднение во времени, которое в ухе человека происходит за Т = 30—100 мс.

В плоской звуковой волне, т. е. такой, в которой поверхность, проходящая через точки с одинаковой фазой колебаний, является плоскостью, перпендикулярной направлению распространения колебания, отношение звукового давления к колебательной скорости не зависит от амплитуды колебаний.

Оно равно (Нс/м3)

p/v = pc,

где рс — удельное акустическое сопротивление среды, которое для воздуха, например, равно 410 Нс/м3, для воды 1,5-106, для стали 4,8-107.

При распространении звуковой волны происходит перенос энергии. Средний поток энергии в какой-либо точке среды в единицу времени, отнесенный к единице поверхности, нормальной к направлению распространения волны, называется интенсивностью звука в данной точке. Интенсивность звука обозначается буквой / и измеряется в ваттах, деленных на квадратный метр (Вт/м2).

Интенсивность звука связана со звуковым давлением зависимостью

Величины звукового давления и интенсивности звука, с которыми приходится иметь дело в практике борьбы с шумом, могут меняться в широких пределах: по давлению до 108 раз, по интенсивности до 1016 раз. Естественно, что оперировать такими цифрами довольно неудобно. Наиболее же важно то обстоятельство, что ухо человека способно реагировать на относительное изменение интенсивности, а не на абсолютное. Ощущения человека, возникающие при различного рода раздражениях, в частности при шуме, пропорциональны логарифму количества энергии раздражителя. Поэтому были введены логарифмические величины — уровни звукового давления и интенсивности, выражаемые в децибелах (дБ).

Уровень интенсивности звука (дБ) определяют по формуле

Lj = 10lg(J/J0)

где J0 — интенсивность звука, соответствующая порогу слышимости (J0 = 10-12 Вт/м2 на частоте 1000 Гц).

Величина уровня звукового давления (дБ)

где пороговое звуковое давление р0 выбрано таким образом, чтобы при нормальных атмосферных условиях уровни звукового давления были равны уровням интенсивности, т. е. р0 = 2*10-5 Н/м2. Интенсивность звука (Вт/м2)

J0 = p0/p0c0, (10)

где р0с0 — плотность и скорость звука при нормальных атмосферных условиях.

Величина уровня интенсивности используется при проведении акустических расчетов, а уровня звукового давления — для измерения шума и для оценки его воздействия на человека, поскольку орган слуха чувствителен не к интенсивности, а к среднеквадратичному давлению. Связь между уровнем интенсивности и уровнем звукового давления получим, разделив выражение (9) на выражение (10) и прологарифмировав

LJ = L + 101g(p0c0/pc).

При нормальных атмосферных условиях

Уменьшение шума оценивается также в децибелах:

Например, если шум агрегата снизить по интенсивности в 1000 раз, то уровень интенсивности будет уменьшен на

L1 - L2 = 10 lg 1000 = 30 дБ.

В том случае, когда в расчетную точку попадает шум от нескольких источников, складываются их интенсивности, но не уровни. При этом считается, что источники некогерентны, т. е. создаваемые ими давления имеют произвольные фазы

J = J1 + J2 + ... + Jn.

Искомый уровень интенсивности (дБ) при одновременной работе этих источников получим, разделив левую и правую части данного выражения на J0 и прологарифмировав:

где L1, L2, ... , Ln — уровни звукового давления или уровни интенсивности, создаваемые каждым из источников в расчетной точке.

Рассмотренные особенности суммирования уровней имеют большое практическое значение для шумоглушения. Так, при большом числе одинаковых источников заглушение лишь нескольких из них практически не ослабит суммарный шум. Если же на рабочее место попадает шум от разных по интенсивности источников, то снижать необходимо сначала шум более мощных источников.

Если имеется п одинаковых источников шума с уровнем звукового давления Li создаваемым каждым источником, то суммарный шум (дБ)

L = Li + 10lgn.

Из этой формулы видно, что два одинаковых источника совместно создадут уровень на 3 дБ больший, чем каждый источник.

Рис. 38. Кривые равной громкости звуков

Логарифмическая шкала децибел позволяет определить лишь физическую характеристику шума. Однако она построена таким образом, что пороговое значение звукового давления р0 соответствует порогу слышимости на частоте 1 000 Гц.

Слуховой аппарат человека обладает неодинаковой чувствительностью к звукам различной частоты, а именно — наибольшей чувствительностью на средних и высоких частотах (800—4000 Гц) и наименьшей — на низких (20—100 Гц). Поэтому для физиологической оценки шума используют кривые равной громкости (рис. 38), полученные по результатам изучения свойств органа слуха оценивать звуки различной частоты по субъективному ощущению громкости, т. е. судить о том, какой из них сильнее или слабее.

Уровни громкости измеряются в фонах. На частоте 1000 Гц уровни громкости приняты равными уровням звукового давления.

Любую зависимость какой-либо величины (например, звукового давления) от времени можно представить в виде суммы конечного или бесконечного числа синусоидальных колебаний этой величины (см. гл. 4).

Каждое такое колебание характеризуется своим среднеквадратичным значением физической величины и частотой f, т. е. числом колебаний в секунду (Гц).

Ухо человека может воспринимать только те колебания, частоты которых находятся в пределах от 16—20 до 16 000—20 000 Гц. Ниже 16 Гц и выше 20 000 Гц находятся соответственно области неслышимых человеком инфразвуков и ультразвуков.

Зависимость среднеквадратичных значений синусоидальных составляющих шума (или соответствующих им уровней в децибелах) от частоты называется частотным спектром шума (или просто спектром).

Спектры получают, используя анализаторы шума — набор электрических фильтров, которые пропускают сигнал в определенной полосе частот — полосе пропускания.

Акустика – область физики, изучающая упругие колебания и волны, методы получения и регистрации колебаний и волн, их взаимодействие с веществом.

Звук в широком смысле – упругие колебания и волны, распространяющиеся в газообразных, жидких и твердых веществах; в узком смысле – явление, субъективно воспринимаемое органом слуха человека и животных. В норме ухо человека слышит звук в диапазоне частот от 16 Гц до 20 кГц.

Звук с частотой ниже 16 Гц называется инфразвуком , выше 20 кГц – ультразвуком , а самые высокочастотные упругие волны в диапазоне от 10 9 до 10 12 Гц – гиперзвуком .

Существующие в природе звуки разделяют на несколько видов.

Звуковой удар – это кратковременное звуковое воздействие (хлопок, взрыв, удар, гром).

Тон – это звук, представляющий собой периодический процесс. Основной характеристикой тона является частота. Тон может быть простым, характеризующимся одной частотой (например, издаваемый камертоном, звуковым генератором), и сложным (издаваемым, например, аппаратом речи, музыкальным инструментом).

Сложный тон можно представить в виде суммы простых тонов (разложить на составляющие тона). Наименьшая частота такого разложения соответствует основному тону , а остальные – обертонам , или гармоникам . Обертоны имеют частоты, кратные основной частоте.

Акустический спектр тона – это совокупность всех его частот с указанием их относительных интенсивностей или амплитуд.

Шум – это звук, имеющий сложную, неповторяющуюся временную зависимость, и представляет собой сочетание беспорядочно изменяющихся сложных тонов. Акустический спектр шума – сплошной (шорох, скрип).

Физические характеристики звука:

а) Скорость (v ). Звук распространяется в любой среде, кроме вакуума. Скорость его распространения зависит от упругости, плотности и температуры среды, но не зависит от частоты колебаний. Скорость звука в воздухе при нормальных условиях равна примерно 330 м/с (» 1200 км/ч). Скорость звука в воде равна 1500 м/с; близкое значение имеет скорость звука и в мягких тканях организма.

б) Интенсивность (I ) – энергетическая характеристика звука – это плотность потока энергии звуковой волны. Для уха человека важны два значения интенсивности (на частоте 1 кГц):

порог слышимости – I 0 = 10 –12 Вт/м 2 ; такой порог выбран на основе объективных показателей – это минимальный порог восприятия звука нормальным человеческим ухом; встречаются люди у которых интенсивность I 0 может составлять 10 –13 или 10 –9 Вт/м 2 ;

порог болевого ощущения – I max – 10 Вт/м 2 ; звук такой интенсивности человек перестает слышать и воспринимает его как ощущение давления или боли.

в) Звуковое давление (Р ). Распространение звуковой волны сопровождается изменением давления.

Звуковое давление (Р ) – это давление, дополнительно возникающее при прохождении звуковой волны в среде; оно является избыточным над средним давлением среды.

Физиологически звуковое давление проявляется как давление на барабанную перепонку. Для человека важны два значения этого параметра:

– звуковое давление на пороге слышимости – P 0 = 2×10 –5 Па;

– звуковое давление на пороге болевого ощущения – Р m ах =

Между интенсивностью (I ) и звуковым давлением (Р ) существует связь:

I = P 2 /2rv ,

где r – плотность среды, v – скорость звука в среде.

г) Волновое сопротивление среды (R a) – это произведение плотности среды (r )на скорость распространения звука (v ):

R a = rv .

Коэффициент отражения (r ) – величина, равная отношению интенсивностей отраженной и падающей волн:

r = I отр /I пад.

r рассчитывается по формуле:

r = [(R a 2 – R a 1)/(R a 2 + R a 1)] 2 .

Интенсивность преломленной волны зависит от коэффициента пропускания.

Коэффициент пропускания (b ) – величина, равная отношению интенсивностей прошедшей (преломленной) и падающей волн:

b = I прош /I пад.

При нормальном падении коэффициент b рассчитывается по формуле

b = 4(R a 1 /R a 2)/( R a 1 /R a 1 + 1) 2 .

Отметим, что сумма коэффициентов отражения и преломления равна единице, а их значения не зависят от того порядка, в котором звук проходит данные среды. Например, для перехода звука из воздуха в воду значения коэффициентов такие же, как для перехода в обратном направлении.

д) Уровень интенсивности . При сравнении интенсивности звука удобно пользоваться логарифмической шкалой, то есть сравнивать не сами величины, а их логарифмы. Для этого используется специальная величина – уровень интенсивности (L ):

L = lg (I /I 0); L = 2lg (P /P 0). (1.3.79)

Единицей измерения уровня интенсивности является – бел , [Б].

Логарифмический характер зависимости уровня интенсивности от самой интенсивности означает, что при увеличении интенсивности в 10 раз уровень интенсивности возрастает на 1 Б.

Один бел большая величина, поэтому на практике используют более мелкую единицу уровня интенсивности – децибел [дБ]: 1 дБ = 0,1 Б. Уровень интенсивности в децибелах выражается следующими формулами:

L ДБ = 10lg (I /I 0); L ДБ = 20lg (P /P 0).

Если в данную точку приходят звуковые волны от нескольких некогерентных источников , то интенсивность звука равна сумме интенсивностей всех волн:

I = I 1 + I 2 + ...

Для нахождения уровня интенсивности результирующего сигнала используется следующая формула:

L = lg (10 L l +10 L l + ...).

Здесь интенсивности должны быть выражены в белах . Формула для перехода имеет вид

L = 0,l×L ДБ.

Характеристики слухового ощущения:

Высота тона обусловлена, прежде всего, частотой основного тона (чем больше частота, тем более высоким воспринимается звук). В меньшей степени высота зависит от интенсивности волны (звук большей интенсивности воспринимается более низким).

Тембр звука определяется его гармоническим спектром. Различные акустические спектры соответствуют разному тембру, даже в том случае, когда основной тон у них одинаков. Тембр – это качественная характеристика звука.

Громкость звука – это субъективная оценка уровня его интенсивности.

Закон Вебера-Фехнера:

Если увеличивать раздражение в геометрической прогрессии (то есть в одинаковое число раз), то ощущение этого раздражения возрастает в арифметической прогрессии (то есть на одинаковую величину).

Для звука с частотой 1 кГц вводят единицу уровня громкости – фон , которая соответствует уровню интенсивности 1 дБ. Для других частот уровень громкости также выражают в фонах по следующему правилу:

громкость звука равна уровню интенсивности звука (дБ) на частоте 1 кГц, вызывающего у «среднего» человека такое же ощущение громкости, что и данный звук, причем

Е = klg (I/I 0). (1.3.80)

Пример 32. Звук, которому на улице соответствует уровень интенсивности L 1 = 50 дБ, слышен в комнате как звук с уровнем интенсивность L 2 = 30 дБ. Найти отношение интенсивностей звука на улице и в комнате.

Дано: L 1 = 50 дБ = 5 Б;

L 2 = 30 дБ = 3 Б;

I 0 = 10 –12 Вт/м 2 .

Найти: I 1 /I 2 .

Решение. Для того чтобы найти интенсивность звука в комнате и на улице, запишем формулу (1.3.79) для двух рассматриваемых в задаче случаев:

L 1 = lg (I 1 /I 0); L 2 = lg (I 2 /I 0),

откуда выразим интенсивности I 1 и I 2:

5 = lg (I 1 /I 0) Þ I 1 = I 0 ×10 5 ;

3 = lg (I 2 /I 0) Þ I 2 = I 0 ×10 3 .

Очевидно: I 1 /I 2 = 10 5 /10 3 = 100.

Ответ: 100.

Пример 33. Для людей с нарушенной функцией среднего уха слуховые аппараты сконструированы так, чтобы передавать колебания непосредственно на кости черепа. Для костной проводимости порог слухового восприятия на 40 дБ выше, чем для воздушной. Чему равна минимальная интенсивность звука, которую способен воспринимать человек с дефектом слуха?

Дано: L к = L в + 4.

Найти: I min .

Решение. Для костной и воздушной проводимости, согласно (1.3.79),

L к = lg (I min /I 0); L в = lg (I 2 /I 0), (1.3.81)

где I 0 – порог слышимости.

Из условия задачи и (1.3.81) следует, что

L к = lg (I min /I 0) = L в + 4 = lg (I 2 /I 0) + 4, откуда

lg (I min /I 0) – lg (I 2 /I 0) = 4, то есть,

lg [(I min /I 0) : (I 2 /I 0)] = 4 Þ lg (I min /I 2) = 4, имеем:

I min /I 2 = 10 4 Þ I min = I 2 ×10 4 .

При I 2 = 10 –12 Вт/м 2 , I min = 10 –8 Вт/м 2 .

Ответ: I min = 10 –8 Вт/м 2 .

Пример 34. Звук с частотой 1000 Гц проходит через стенку, при этом его интенсивность уменьшается с 10 –6 Вт/м 2 до 10 –8 Вт/м 2 . На сколько уменьшился уровень интенсивности?

Дано: n = 1000 Гц;

I 1 = 10 –6 Вт/м 2 ;

I 2 = 10 –8 Вт/м 2 ;

I 0 = 10 –12 Вт/м 2 .

Найти: L 2 – L 1 .

Решение. Уровни интенсивности звука до и после прохождения стенки найдем из (1.3.79):

L 1 = lg (I 1 /I 0); L 2 = lg (I 2 /I 0), откуда

L 1 = lg (10 –6 /10 –12) = 6; L 2 = lg (10 –8 /10 –12) = 4.

Тогда L 2 – L 1 = 6 – 4 = 2 (Б) = 20 (дБ).

Ответ: уровень интенсивности уменьшился на 20 дБ.

Пример 35. Для людей с нормальным слухом изменение уровня громкости ощущается при изменении интенсивности звука на 26 %. Какому интервалу громкости соответствует указанное изменение интенсивности звука? Частота звука составляет 1000 Гц.

Дано: n = 1000 Гц;

I 0 = 10 –12 Вт/м 2 ;

DI = 26 %.

Найти: DL .

Решение. Для частоты звука, равной 1000 Гц, шкалы интенсивностей и громкостей звука совпадают согласно формуле (1.3.80), так как k = 1,

Е = klg (I/I 0) = lg (I/I 0) = L , откуда

DL = lg (DI/I 0) = 11,4 (Б) = 1 (дБ) = 1 (фон).

Ответ: 1 фон.

Пример 36. Уровень интенсивности приемника составляет 90 дБ. Чему равен максимальный уровень интенсивности трех приемников, работающих одновременно?

1. Характеристики слухового ощущения, их связь с физическими

характеристиками звука. Зависимость громкости от частоты.

Закон Вебера-Фехнера.

Звуковой тон характеризуется частотой (периодом), гармоническим спектром, интенсивностью или силой звука и звуковым давлением. Все эти характеристики звука являются физическими или объективными характеристиками. Однако звук является объектом слухового ощущения, поэтому оценивается человеком субъективно, т.е. звук имеет и физиологические характеристики, которые являются отражением его физических характеристик. Задачей системы звуковых измерений является - установить эту связь и таким образом дать возможность при исследовании слуха у различных людей единообразно сопоставить субъективную оценку слухового ощущения с данными объективных измерений.

Частота колебаний звуковой волны оценивается как высота звука (высота тона). Чем больше частота колебаний, тем более высоким воспринимается звук.

Другой физиологической характеристикой является тембр, который определяется спектральным составом сложного звука. Сложные тоны одинаковых основных частот могут отличатся по форме колебаний и соответственно по гармоничному спектру. Это различие воспринимается как тембр (окраска звука). Например, ухо различает одну и ту же мелодию, воспроизведенную на разных музыкальных инструментах.

Громкость – ещё одна субъективная оценка звука, которая характеризует уровень слухового ощущения. Она зависит, прежде всего, от интенсивности и частоты звука.

Рассмотрим вначале зависимость чувствительности уха от частоты. Ухо человека не одинаково чувствительно к различным частотам при одной и той же интенсивности. Диапазон частот воспринимаемый им – 16Гц-20кГц. Способность человека воспринимать высокочастотные звуки ухудшается с возрастом. Молодой человек может слышать звуки с частотой до 20 000 Гц, но уже в среднем возрасте тот же человек не способен воспринимать звуки с частотой выше 12-14 кГц. В пределах частоты 1 000-3 000 Гц чувствительность наибольшая. Она снижается к частотам 16 Гц и 20 кГц. Очевидно, что характер изменения порога слышимости обратен изменению чувствительности уха, т.е. при увеличении частоты от 16 Гц, он вначале снижается, в области частот 1000-3000 Гц остается почти неизменным, затем опять повышается. Это отражено на графике зависимости изменения порога слышимости от частоты (см. рис.1).

График построен в логарифмическом масштабе. Верхняя кривая на графике соответствует болевому порогу. Нижний график называют кривой порогового уровня громкости, т.е. J 0 = f(ν).

Громкость звука зависит от его интенсивности. Она является субъективной характеристикой звука. Эти два понятия являются неравнозначными. Зависимость громкости от интенсивности звука имеет сложный характер, обусловленный чувствительностью уха к действию звуковых волн. Человек может только приблизительно оценить абсолютную интенсивность ощущения. Однако он достаточно точно устанавливает разницу при сравнении двух ощущений различной интенсивности. Это вызвало появление сравнительного метода измерения громкости. При этом измеряют не абсолютную величину громкости, а соотношение ее с некоторой другой величиной, которая принята за начальный или нулевой уровень громкости.

Кроме этого условились при сравнении интенсивности и громкости звука исходить из тона, с частотой 1 000 Гц, т.е. считать громкость тона частотой 1 000 Гц эталоном для шкалы громкости. Как уже было сказано, сравнительный метод применяется и при измерении интенсивности (силы) звука. Поэтому имеются две шкалы: одна для измерения уровней интенсивности; вторая - для измерения уровней громкости. В основе создания шкалы уровней громкости лежит важный психофизический закон Вебера-Фехнера. Согласно этому закону, если увеличивать раздражение в геометрической прогрессии (т.е. в одинаковое число раз), то ощущение этого раздражения возрастает в арифметической прогрессии (на одинаковую величину). Например, если интенсивность звука принимает ряд последовательных значений: a J 0 , a 2 J 0 , a 3 J 0 (a>1 - некоторый коэффициент), то соответствующие им изменения громкости звука будут равны Е 0 , 2Е 0 , 3Е 0 . Математически это означает, что громкость звука прямопропорциональна логарифму интенсивности.

Если действует звуковой раздражитель с интенсивностью J, то на основании закона Вебера-Фехнера уровень громкости Е связан с уровнем интенсивности следующим образом:

Е = КL = Кlg , (1)

где - относительная сила раздражения, К - некоторый коэффициент пропорциональности, зависящий от частоты и интенсивности, принятый равный единице для ν =1000 Гц. Следовательно, если принять К=1 на всех частотах, то в соответствии с формулой (1) мы получим шкалу уровней интенсивностей; при К≠1 - шкалу громкости, где единицей измерения будет уже не децибел, а фон . Учитывая, что на частоте 1кГц шкалы громкости и интенсивности совпадают, значит Е ф =10 .

Зависимость громкости от интенсивности и частоты колебаний в системе звуковых измерений определяется на основании экспериментальных данных при помощи графиков, которые называются кривыми равной громкости, т.е. J=f(ν) при Е = const. Нами была построена кривая нулевого уровня громкости или порога слышимости . Эта кривая является основной (нулевой уровень громкости - Е ф =0).

Если построить аналогичные кривые для различных уровней громкостей, например, ступенями через 10 фонов, то получится система графиков (рис.2), которая дает возможность найти зависимость уровня интенсивности от частоты при любом уровне громкости. Эти кривые построены на основании средних данных, которые были получены у людей с нормальным слухом. Нижняя кривая соответствует порогу слышимости, т.е. для всех частот Е ф =0 (для частоты ν=1кГц интенсивность J 0 = Вт/м 2). Исследование остроты слуха называется аудиометрией. При аудинометрии на специальном приборе аудиометре определяют у обследуемого порог слухового ощущения на разных частотах. Полученный график называют аудиограммой. Потеря слуха определяется путем сравнения ее с нормальной кривой порога слышимости.

2. Звуковые методы исследования в клинике.

Звуковые явления сопровождают ряд процессов, происходящих в организме, например, работа сердца, дыхание и т.д. Непосредственное выслушивание звуков, возникающих внутри организма, составляют один из важнейших приемов клинического исследования и называются аускультацией (выслушивание). Этот метод известен еще со 2-го века до н. э. Для этой цели используют стетоскоп - прибор в виде прямой деревянной или пластмассовой трубки с небольшим раструбом на одном конце и плоским основанием на другом для прикладывания уха. Звук от поверхности тела к уху проводится как самим столбом воздуха, так и стенками трубки.

Для аускультации используют фонендоскоп, состоящий из полой капсулы с мембраной, прикладываемой к телу больного. От капсулы идут две резиновых трубки, которые вставляются в уши врача. Резонанс столба воздуха в капсуле усиливает звук.

Для диагностики состояния сердечно-сосудистой системы применяется метод - фонокардиография (ФКГ) - графическая регистрация тонов и шумов сердца с целью их диагностической интерпретации. Запись производится с помощью фонокардиографа, состоящего из микрофона, усилителя, системы частотных фильтров и регистрирующего устройства.

Отличным от двух указанных методов является перкуссия - метод исследования внутренних органов посредством постукивания по поверхности тела и анализа возникающих при этом звуков. Характер этих звуков зависит от способа постукивания и свойств (упругости, плотности) тканей, находящихся вблизи места, по которому производится постукивание. Постукивание может производится специальным молоточком с резиновой головкой, пластинкой из упругого материала, называемой плессиметром, или постукиванием кончиком согнутого пальца одной руки по фаланге пальца другой, наложенной на тело человека. При ударе по поверхности тела возникают колебания, частоты которых имеют широкий диапазон. Одни колебания быстро будут затухать, другие, вследствие резонанса, усилятся и будут слышны. По тону перкуторных звуков определяют состояние и топографию внутренних органов.

3. Ультразвук (УЗ), источники УЗ. Особенности распространения ультразвуковых волн.

Ультразвуком называют звуковые колебания, частота которых занимает диапазон от 20 кГц до 10 10 Гц. Верхний предел принят совершенно условно из таких соображений, что длина волны в веществе и тканях для такой частоты оказывается соизмерима с межмолекулярными расстояниями с учетом того, что скорость распространения УЗ в воде и тканях одинакова. Смещение в УЗ волне описывается ранее рассмотренным уравнением волны.

Наибольшее распространение как в технике, так и в медицинской практике получили пьезоэлектрические излучатели УЗ. Пьезоэлектрическим излучателями служат кристаллы кварца, титаната бария, сегнетовой соли и др. Пьезоэффектом (прямым) называют явление возникновения на поверхностях упомянутых кристаллических пластинок противоположных по знаку зарядов под действием механических деформаций (рис.3а). После снятия деформации заряды исчезают.

Существует и обратный пьезоэффект, который нашел применение и в медицинской практике для получения высокочастотного УЗ. Если на посеребренные грани поверхности пластинки пьезоэлемента (рис.3б) подать переменное напряжение от генератора, то кварцевая пластинка придет в колебание в такт переменного напряжения генератора. Амплитуда колебаний будет максимальной, когда собственная частота кварцевой пластинки (ν 0) совпадает с частотой генератора (ν г), т.е. наступит резонанс (ν 0 = ν г). Приемник УЗ можно создать на основе прямого пьезоэлектрического эффекта. При этом под воздействием УЗ-волн происходит деформация кристалла, что приводит к появлению переменного напряжения, которое может быть измерено или зафиксировано на экране электронного осциллографа после предварительного его усиления.

Ультразвук может получатся с помощью аппаратов, основанных на явлении магнитострикции (для получения низких частот), которая заключается в изменении длины (удлинении и укорочении) ферромагнитного стержня, помещенного в высокочастотное магнитное поле. Торцы этого стержня будут излучать низкочастотный УЗ. Кроме указанных источников УЗ имеются механические источники (сирены, свистки), в которых механическая энергия преобразуется в энергию УЗ колебаний.

По своей природе УЗ, как и звук, является механической волной, распространяющейся в упругой среде. Скорости распространения звуковых и ультразвуковых волн примерно одинаковы. Однако длина волны УЗ значительно меньше, чем звука. Это позволяет легко сфокусировать УЗ колебания.

Ультразвуковая волна обладает значительно большей интенсивностью, чем звуковая, вследствие большой частоты она может достигать нескольких Ватт на квадратный сантиметр (Вт/см 2), а при фокусировке можно получить УЗ с интенсивностью 50 Вт/см 2 и более.

Распространение УЗ в среде отличается (благодаря малой длине волны) и другой особенностью - жидкости и твердые тела представляют собой хорошие проводники УЗ, а воздух и газ - плохие. Так, в воде при прочих равных условиях УЗ затухает в 1 000 раз слабее, чем в воздухе. При распространении УЗ в неоднородной среде возникает отражение его и преломление. Отражение УЗ на границе двух сред зависит от соотношения их волновых сопротивлений. Если УЗ в среде с w 1 = r 1 J 1 падает перпендикулярно на плоскую поверхность второй среды с w 2 = r 2 J 2 , то часть энергии пройдет через граничную поверхность, а часть отразится. Коэффициент отражения будет равен нулю, если r 1 J 1 = r 2 J 2 т.е. УЗ-энергия не будет отражаться от границы раздела поверхностей, а будет переходить из одной среды в другую без потерь. Для границ раздела воздух-жидкость, жидкость-воздух, твердое тело-воздух и наоборот коэффициент отражения будет равен почти 100%. Объясняется это тем, что воздух имеет очень малое акустическое сопротивление.

Вот поэтому во всех случаях связи излучателя УЗ с облучаемой средой, например, с телом человека, необходимо строго следить, чтобы между излучателями и тканью не было даже минимального воздушного слоя (волновое сопротивление биологических сред в 3000 раз больше волнового сопротивления воздуха). Чтобы исключить воздушный слой, поверхность УЗ излучателя покрывается слоем масла или оно наносится тонким слоем на поверхность тела.

При распространении УЗ в среде возникает звуковое давление, которое колеблется, принимая положительное значение в области сжатия и отрицательное в следующей за ней области разряжения. Так, например, при интенсивности ультразвука 2 Вт/см 2 в тканях человека создается давление в области сжатия + 2,6 атм., которое в следующей области переходит в разряжение - 2,6 атм. (рис.4). Сжатие и разряжение, создаваемые ультразвуком, приводят к образованию разрывов сплошной жидкости с образованием микроскопических полостей (кавитация). Если этот процесс происходит в жидкости, то пустоты заполняются парами жидкости или растворенными в ней газами. Затем на месте полости образуется участок сжатия вещества, полость быстро захлопывается, выделяется значительное количество энергии в малом объеме, что приводит к разрушению микроструктур вещества.

4. Медико-биологическое применение ультразвука.

Медико-биологическое действие УЗ весьма разнообразно. До настоящего времени нельзя еще дать исчерпывающего объяснения действия УЗ на биологические объекты. Не всегда легко выделить из многочисленных эффектов, вызываемых УЗ, основные. Тем не менее, показано, что при облучении УЗ биологических объектов необходимо считаться в основном со следующими действиями УЗ:

тепловое; механическое действие; косвенное, в большинстве случаев, физико-химическое действие.

ТЕПЛОВОЕ ДЕЙСТВИЕ УЗ имеет важное значение, т.к. процессам обмена веществ в биологических объектах свойственна значительная температурная зависимость. Тепловой эффект определяется поглощенной энергией. При этом используются небольшие интенсивности УЗ (около 1 Вт/см 2). Тепловой эффект вызывает расширение тканей, кровеносных сосудов в результате чего усиливается обмен веществ, наблюдается усиление кровотока. Благодаря тепловому действию сфокусированного ультразвука его можно использовать в качестве скальпеля для резки не только мягких тканей, но и костной ткани. В настоящее время разработан метод "сваривания" поврежденных или трансплантируемых костных тканей.

МЕХАНИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ. Механические колебания частиц вещества в ультразвуковом поле могут вызвать положительный биологический эффект (микромассаж тканевых структур). К этому виду воздействия относится и микровибрация на клеточном и субклеточном уровне, разрушение биомакромолекул, разрушение микроорганизмов грибков, вирусов, разрушение злокачественных опухолей, камней в мочевом пузыре и почках. Ультразвук используется для дробления веществ, например, при изготовлении коллоидных растворов, высокодисперсных лекарственных эмульсий, аэрозолей. Путем разрушения растительных и животных клеток из них выделяют биологически активные вещества (ферменты, токсины). УЗ вызывает повреждения и перестройку клеточных мембран, изменение их проницаемости.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАЗВУКА. Действие ультразвука можно ускорить некоторые химические реакции. Считают, что это связано с активацией УЗ молекул воды, которые затем распадаются, образуя активные радикалы Н + и ОН - .

Медико-биологическое приложение УЗ можно разделить в основном на два направления: диагностика и терапия. К первому относится локационные методы с использованием главным образом импульсного излучения. Это эхоэнцефалография – определение опухолей и отеков мозга.

Локационные методы основаны на отражении УЗ от границы раздела сред с различной плотностью. К этому методу относится и ультразвуковая кардиография – измерение размеров сердца в динамике. УЗ локация используется и в офтальмологии для определения размеров глазных сред. Ультразвуковой эффект Доплера используется для изучения характера движения сердечных клапанов и скорости кровотока.

Весьма большое будущее ультразвуковых голографических методов получения изображения таких органов как почек, сердца, желудка и др.

Ко второму направлению относится ультразвуковая терапия. Обычно применяются УЗ с частотой 800 кГц и интенсивностью 1 Вт/см 2 и меньше. Причем первичными механизмами действия являются механическое и тепловое действие на ткань. Для целей ультразвуковой терапии используется аппарат УТП-ЗМ и др.

5. Инфразвук (ИЗ), особенности его распространения.

Действие инфразвуков на биологические объекты.

Инфразвуком (ИЗ) называют звуковые колебания, верхний диапазон которых не превышает 16 – 20 Гц. Нижний диапазон 10 -3 Гц. Большой интерес представляют ИЗ частотой 0,1 и даже 0,01 Гц. ИЗ входят в состав шумов. Источниками ИЗ являются движение (штормовое) морской или речной воды, шум леса, ветра, грозовые разряды, землетрясение и обвалы, колебания фундаментов зданий, станков, дорог от движущегося транспорта. ИЗ возникает во время вибраций механизмов, при обдувании ветром зданий, деревьев, столбов, при движении человека и животных.

Характерным свойством ИЗ является его малая поглощаемость средами. Поэтому он распространяется на большие расстояния. ИЗ хорошо распространяется в ткани организма человека, особенно в костной ткани. Скорость ИЗ-волн в воздухе 1200 км/ч, в воде 6000 км/ч.

Малая поглощаемость ИЗ позволяет по распространению его в земной коре обнаружить взрывы и землетрясения на большом расстоянии от источника. По измеренным ИЗ колебаниям прогнозируют цунами. В настоящее время разработаны чувствительные приемники ИЗ, с помощью которых, например, удается предсказать шторм за много часов до его наступления.

ИЗ колебания обладают биологической активностью, которая объясняется совпадением их частоты с альфа ритмом головного мозга.

ИЗ частотой 1-7 Гц с интенсивностью в 70 Дб в течение 8-10 мин. облучения вызывают: головокружение, тошноту, затруднение дыхания, чувство угнетения, головную боль, удушье. Все эти факторы усиливаются при повторном воздействии ИЗ. ИЗ определенной частоты может привести к смертельному исходу.

Вибрации механизмов являются источником ИЗ. В связи с неблагоприятным действием вибрации и ИЗ на организм человека, возникает вибрационная болезнь (ВБ). ВБ возникает при длительном воздействии указанных факторов на определенный участок ткани или органа человека и приводит к утомляемости не только отдельных органов, но и всего организма человека. Она приводит вначале к атрофированию мышц рук и других органов, к понижению чувствительности к механическим вибрациям, к появлению судорог пальцев рук, ног и других органов.

Предполагают, что первичный механизм действия ИЗ на организм имеет резонансную природу. Внутренние органы человека имеют собственную частоту колебаний. При воздействии ИЗ с частотой, равной собственной, возникает резонанс, который и вызывает указанные неприятные ощущения, а в некоторых случаях может привести к тяжелым последствиям: остановке сердца или разрыву кровеносных сосудов.

Частота собственных колебаний тела человека в положении лежа – (3 – 4 Гц), стоя – (5 – 12 Гц), грудной клетки – (5 –8 Гц), брюшной полости – (3 – 4 Гц) и других органов соответствуют частоте ИЗ.

Звук какфизиологическое явление характеризуется уровнем звука (фоны) и громкостью (сонны).

Вт/м 2 , (7.1)

где Е – поток звуковой энергии, Вт; S – площадь, м 2 .

, Бел, (7.3)