ЛЕКЦИЯ 3 АКУСТИКА. ЗВУК

Звук в широком смысле - упругие колебания и волны, распространяющиеся в газообразных, жидких и твердых веществах; в узком смысле - явление, субъективно воспринимаемое органами слуха человека и животных.

В норме ухо человека слышит звук в диапазоне частот от 16 Гц до 20 кГц. Однако с возрастом верхняя граница этого диапазона уменьшается:

Звук с частотой ниже 16-20 Гц называется инфразвуком, выше 20 кГц -ультразвуком, а самые высокочастотные упругие волны в диапазоне от 10⁹ до 10¹² Гц - гиперзвуком.

Звуки, встречающиеся в природе, разделяют на несколько видов.

Тон - это звук, представляющий собой периодический процесс. Основной характеристикой тона является частота. Простой тон создается телом, колеблющимся по гармоническому закону (например, камертоном). Сложный тон создается периодическими колебаниями, которые не являются гармоническими (например, звук музыкального инструмента, звук, создаваемый речевым аппаратом человека).

Шум - это звук, имеющий сложную неповторяющуюся временную зависимость и представляющий собой сочетание беспорядочно изменяющихся сложных тонов (шелест листьев).

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

Сложный тон, как периодический процесс, можно представить в виде суммы простых тонов (разложить на составляющие тоны). Такое разложение называется спектром.

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

Наименьшая частота в спектре (ν) соответствует основному тону, а остальные частоты называют обертонами или гармониками. Обертоны имеют частоты, кратные основной частоте: 2ν, 3ν, 4ν, ...

Обычно наибольшая амплитуда спектра соответствует основному тону. Именно он воспринимается ухом как высота звука (см. ниже). Обертоны создают «окраску» звука. Звуки одной и той же высоты, созданные разными инструментами, воспринимаются ухом по-разному именно из-за различного соотношения между амплитудами обертонов. На рисунке 3.1 показаны спектры одной и той же ноты (ν = 100 Гц), взятой на рояле и кларнете.

Рис. 3.1. Спектры ноты рояля (а) и кларнета (б)

Акустический спектр шума является сплошным.

3.2. Физические характеристики звука

1. 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 газе зависит от его молярной массы (М) и абсолютной температуры (Т):

Скорость звука в воде равна 1500 м/с; близкое значение имеет скорость звука и в мягких тканях организма.

2. Звуковое давление. Распространение звука сопровождается изменением давления в среде (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Изменение давления в среде при распространении звука.

Именно изменения давления вызывают колебания барабанной перепонки, которые и определяют начало такого сложного процесса, как возникновение слуховых ощущений.

Звуковое давление (ΔΡ) - это амплитуда тех изменений давления в среде, которые возникают при прохождении звуковой волны.

3. Интенсивность звука (I). Распространение звуковой волны сопровождается переносом энергии.

Интенсивность звука - это плотность потока энергии, переносимой звуковой волной (см. формулу 2.5).

В однородной среде интенсивность звука, испущенного в данном направлении, убывает по мере удаления от источника звука. При использовании волноводов можно добиться и увеличения интенсивности. Типичным примером такого волновода в живой природе является ушная раковина.

Связь между интенсивностью (I) и звуковым давлением (ΔΡ) выражается следующей формулой:

где ρ - плотность среды; v - скорость звука в ней.

Минимальные значения звукового давления и интенсивности звука, при которых у человека возникают слуховые ощущения, называются порогом слышимости.

Для уха среднего человека на частоте 1 кГц порогу слышимости соответствуют следующие значения звукового давления (ΔΡ₀) и интенсивности звука (I₀):

ΔΡ₀ = 3х10^-5 Па (≈ 2х10^-7 мм рт.ст.); I₀ = 10^-12 Вт/м².

Значения звукового давления и интенсивности звука, при которых у человека возникают выраженные болевые ощущения, называются порогом болевого ощущения.

Для уха среднего человека на частоте 1 кГц порогу болевого ощущения соответствуют следующие значения звукового давления (ΔΡ_m) и интенсивности звука (I_m):

4. Уровень интенсивности (L). Отношение интенсивностей, соответствующих порогам слышимости и болевого ощущения, столь велико (I_m /I₀ = 10¹³), что на практике используют логарифмическую шкалу, вводя специальную безразмерную характеристику - уровень интенсивности.

Уровнем интенсивности называют десятичный логарифм отношения интенсивности звука к порогу слышимости:

Единицей измерения уровня интенсивности является бел (Б).

Обычно используют более мелкую единицу уровня интенсивности - децибел (дБ): 1 дБ = 0,1 Б. Уровень интенсивности в децибелах вычисляется по следующим формулам:

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

Характеристики часто встречающихся звуков приведены в табл. 3.1.

Если человек слышит звуки, приходящие с одного направления от нескольких некогерентных источников, то их интенсивности складываются:

Высокий уровень интенсивности звука приводит к необратимым изменениям в слуховом аппарате. Так, звук в 160 дБ может вызвать разрыв барабанной перепонки и смещение слуховых косточек в среднем ухе, что приводит к необратимой глухоте. При 140 дБ человек ощущает сильную боль, а продолжительное действие шума в 90-120 дБ приводит к поражению слухового нерва.

3.3. Характеристики слухового ощущения. Звуковые измерения

Звук является объектом слухового ощущения. Он оценивается человеком субъективно. Все субъективные характеристики слухового ощущения связаны с объективными характеристиками звуковой волны.

Высота, тембр

Воспринимая звуки, человек различает их по высоте и тембру.

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

Тембр - это характеристика звукового ощущения, которая определяется его гармоническим спектром. Тембр звука зависит от числа обертонов и от их относительных интенсивностей.

Закон Вебера-Фехнера. Громкость звука

Использование логарифмической шкалы для оценки уровня интенсивности звука хорошо согласуется с психофизическим законом Вебера-Фехнера:

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

Именно логарифмическая функция обладает такими свойствами.

Громкостью звука называют интенсивность (силу) слуховых ощущений.

Ухо человека имеет различную чувствительность к звукам различных частот. Для учета этого обстоятельства можно выбрать некоторую опорную частоту, а восприятие остальных частот сравнивать с нею. По договоренности опорную частоту приняли равной 1 кГц (по этой причине и порог слышимости I₀ установлен для этой частоты).

Для чистого тона с частотой 1 кГц громкость (Е) принимают равной уровню интенсивности в децибелах:

Для остальных частот громкость определяют путем сравнения интенсивности слуховых ощущений с громкостью звука на опорной частоте.

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

Единицу громкости звука называют фоном.

Ниже приводится пример зависимости уровня громкости от частоты при уровне интенсивности 60 дБ.

Кривые равной громкости

Детальную связь между частотой, громкостью и уровнем интенсивности изображают графически с помощью кривых равной громкости (рис. 3.3). Эти кривые демонстрируют зависимость уровня интенсивности LдБ от частоты ν звука при заданной громкости звука.

Нижняя кривая соответствует порогу слышимости. Она позволяет найти пороговое значение уровня интенсивности (Е = 0) при заданной частоте тона.

С помощью кривых равной громкости можно найти громкость звука, если известны его частота и уровень интенсивности.

Звуковые измерения

Кривые равной громкости отражают восприятие звука средним человеком. Для оценки слуха конкретного человека применяется метод тональной пороговой аудиометрии.

Аудиометрия - метод измерения остроты слуха. На специальном приборе (аудиометре) определяется порог слухового ощущения, или порог восприятия, L_П на разных частотах. Для этого с помощью звукового генератора создают звук заданной частоты и, увеличивая уро-

Рис. 3.3. Кривые равной громкости

вень интенсивности L, фиксируют пороговый уровень интенсивность L_п, при котором у испытуемого появляются слуховые ощущения. Меняя частоту звука, получают экспериментальную зависимость L_п(v), которую называют аудиограммой (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Аудиограммы

Нарушение функции звуковоспринимающего аппарата может привести к тугоухости - стойкому снижению чувствительности к различным тонам и шепотной речи.

Международная классификация степеней тугоухости, основанная на усредненных значениях порогов восприятия на речевых частотах, приведена в табл. 3.2.

Для измерения громкости сложного тона или шума используют специальные приборы - шумомеры. Звук, принимаемый микрофоном, преобразуется в электрический сигнал, который пропускается через систему фильтров. Параметры фильтров подобраны так, что чувствительность шумомера на различных частотах близка к чувствительности человеческого уха.

3.4. Прохождение звука через границу раздела сред

При падении звуковой волны на границу раздела между двумя средами звук частично отражается, а частично проникает во вторую среду. Интенсивности отраженной и прошедшей через границу волн определяются соответствующими коэффициентами.

При нормальном падении звуковой волны на границу раздела сред справедливы следующие формулы:

Из формулы (3.9) видно, что чем сильнее различаются волновые сопротивления сред, тем большая доля энергии отражается на границе раздела. В частности, если величина х близка к нулю, то коэффициент отражения близок к единице. Например, для границы воздух-вода х = 3х10^-4, а r = 99,88 %. То есть отражение является практически полным.

В таблице 3.3 приведены скорости и волновые сопротивления некоторых сред при 20 °С.

Отметим, что значения коэффициентов отражения и преломления 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.

3.5. Звуковые методы исследования

Звук может быть источником информации о состоянии органов человека.

1. Аускультация - непосредственное выслушивание звуков, возникающих внутри организма. По характеру таких звуков можно определить, какие именно процессы протекают в данной области тела, и в некоторых случаях установить диагноз. Приборы, применяемые для выслушивания: стетоскоп, фонендоскоп.

Фонендоскоп состоит из полой капсулы с передающей мембраной, которая прикладывается к телу, от нее идут резиновые трубки к уху врача. В полой капсуле возникает резонанс столба воздуха, вызывающий усиление звучания и, следовательно, улучшение выслушивания. Выслушиваются дыхательные шумы, хрипы, тоны сердца, шумы в сердце.

В клинике используются установки, в которых выслушивание осуществляется при помощи микрофона и динамика. Широко

применяется запись звуков с помощью магнитофона на магнитную ленту, что дает возможность их воспроизведения.

2. Фонокардиография - графическая регистрация тонов и шумов сердца и их диагностическая интерпретация. Запись осуществляется с помощью фонокардиографа, который состоит из микрофона, усилителя, частотных фильтров, регистрирующего устройства.

3. Перкуссия - исследование внутренних органов посредством постукивания по поверхности тела и анализа возникающих при этом звуков. Постукивание осуществляется либо с помощью специальных молоточков, либо при помощи пальцев.

Если в замкнутой полости вызвать звуковые колебания, то при определенной частоте звука воздух в полости начнет резонировать, усиливая тот тон, который соответствует размеру полости и ее положению. Схематично тело человека можно представить суммой разных объемов: газонаполненных (легкие), жидких (внутренние органы), твердых (кости). При ударе по поверхности тела возникают колебания с разными частотами. Часть из них погаснет. Другие совпадут с собственными частотами пустот, следовательно, усилятся и из-за резонанса будут слышны. По тону перкуторных звуков определяют состояние и топографию органа.

3.6. Факторы, определяющие профилактику шума.

Защита от шума

Для профилактики шума необходимо знать основные факторы, определяющие его воздействие на организм человека: близость источника шума, интенсивность шума, длительность воздействия, ограниченность пространства, в котором действует шум.

Длительное воздействие шума вызывает сложный симптоматический комплекс функциональных и органических изменений в организме (и не только органа слуха).

Воздействие длительного шума на ЦНС проявляется в замедлении всех нервных реакций, сокращении времени активного внимания, снижении работоспособности.

После длительного действия шума изменяется ритм дыхания, ритм сердечных сокращений, возникает усиление тонуса сосудистой системы, что приводит к повышению систолического и диастоли-

ческого уровня кровяного давления. Изменяется двигательная и секреторная деятельность желудочно-кишечного тракта, наблюдается гиперсекреция отдельных желез внутренней секреции. Имеет место повышение потливости. Отмечается подавление психических функций, особенно памяти.

Специфическое действие оказывает шум на функции органа слуха. Ухо, как и все органы чувств, способно адаптироваться к шуму. При этом под действием шума порог слышимости повышается на 10-15 дБ. После прекращения шумового воздействия нормальное значение порога слышимости восстанавливается только через 3-5 минут. При высоком уровне интенсивности шума (80-90 дБ) его утомляющее действие резко усиливается. Одной из форм расстройства функции органа слуха, связанной с длительным воздействием шума, является тугоухость (табл. 3.2).

Сильное воздействие как на физическое, так и на психологическое состояние человека оказывает рок-музыка. Современная рок-музыка создает шум в диапазонах от 10 Гц до 80 кГц. Экспериментально установлено, что если основной ритм, задаваемый ударными инструментами, имеет частоту 1,5 Гц и имеет мощное музыкальное сопровождение на частотах 15-30 Гц, то у человека наступает сильное возбуждение. При ритме с частотой 2 Гц при таком же сопровождении человек впадает в состояние, близкое наркотическому опьянению. На рок-концертах интенсивность звука может превышать 120 дБ, хотя человеческое ухо настроено наиболее благоприятно на среднюю интенсивность 55 дБ. При этом могут возникать контузии звуком, звуковые «ожоги», потеря слуха и памяти.

Шум оказывает вредное воздействие и на орган зрения. Так, длительное воздействие производственного шума на человека, находящегося в затемненном помещении, приводит к заметному снижению активности сетчатки глаза, от которой зависит работа глазного нерва, а следовательно, и острота зрения.

Защита от шума достаточно сложна. Это связано с тем, что вследствие сравнительно большой длины волны звук огибает препятствия (дифракция) и звуковая тень не образуется (рис. 3.5).

Кроме того, многие материалы, применяемые в строительстве и технике, имеют недостаточно высокий коэффициент поглощения звука.

Рис. 3.5. Дифракция звуковых волн

Эти особенности требуют специальных средств борьбы с шумами, к которым относятся подавление шумов, возникающих в самом источнике, использование глушителей, применение упругих подвесов, звукоизолирующих материалов, устранение щелей и т.п.

Для борьбы с шумами, проникающими в жилые помещения, большое значение имеют правильное планирование расположения зданий, учет розы ветров, создание защитных зон, в том числе и растительных. Растения - хороший гаситель шума. Деревья и кустарники могут снижать уровень интенсивности на 5-20 дБ. Эффективны зеленые полосы между тротуаром и мостовой. Лучше всего шум гасят липы и ели. Дома, находящиеся позади высокого хвойного заслона, могут быть избавлены от шумов улицы почти полностью.

Борьба с шумом не предполагает создания абсолютной тишины, так как при длительном отсутствии слуховых ощущений у человека могут возникнуть расстройства психики. Абсолютная тишина и длительный повышенный шум одинаково противоестественны для человека.

3.7. Основные понятия и формулы. Таблицы

Продолжение таблицы

Окончание таблицы

Таблица 3.1. Характеристики встречающихся звуков

Таблица 3.2. Международная классификация тугоухости

Таблица 3.3. Скорость звука и удельное акустическое сопротивление для некоторых веществ и тканей человека при t = 25 °С

3.8. Задачи

1. Звук, которому на улице соответствует уровень интенсивности L₁ = 50 дБ, слышен в комнате так, как звук с уровнем интенсивности L₂ = 30 дБ. Найти отношение интенсивностей звука на улице и в комнате.

2. Уровень громкости звука частотой 5000 Гц равен Е = 50 фон. Найти интенсивность этого звука, воспользовавшись кривыми равной громкости.

Решение

Из рисунка 3.2 находим, что на частоте 5000 Гц громкости Е =50 фон соответствует уровень интенсивности L = 47 дБ = 4,7 Б. Из формулы 3.4 находим: I = 10^4,7 I₀ = 510^-8 Вт/м².

Ответ: I = 5?10^-8 Вт/м².

3. Вентилятор создает звук, уровень интенсивности которого L = 60 дБ. Найти уровень интенсивности звука при работе двух рядом стоящих вентиляторов.

Решение

L₂ = lg(2x10^L) = lg2 + L = 0,3 + 6Б = 63 дБ (см. 3.6). Ответ: L₂ = 63 дБ.

4. Уровень громкости звука реактивного самолета на расстоянии 30 м от него равен 140 дБ. Каков уровень громкости на расстоянии 300 м? Отражением от земли пренебречь.

Решение

Интенсивность убывает пропорционально квадрату расстояния - уменьшается в 10² раз. L₁ - L₂ = 10xlg(I₁/I₂) = 10x2 = 20 дБ. Ответ: L₂ = 120 дБ.

5. Отношение интенсивностей двух источников звука равно: I₂/I₁ = 2. Чему равна разность уровней интенсивностей этих звуков?

Решение

ΔL = 10xlg(I₂/I₀) - 10xlg(I₁/I₀) = 10xlg(I₂/I₁) = 10xlg2 = 3 дБ. Ответ: 3 дБ.

6. Каков уровень интенсивности звука с частотой 100 Гц, который имеет ту же громкость, что и звук с частотой 3 кГц и интенсивностью

25 дБ?

Решение

Используя кривые равной громкости (рис. 3.3), найдем, что 25 дБ на частоте 3 кГц соответствуют громкости 30 фон. На частоте 100 Гц этой громкости соответствует уровень интенсивности 65 дБ.

Ответ: 65 дБ.

7. Амплитуда звуковой волны увеличилась в три раза. а) во сколько раз возросла ее интенсивность? б) на сколько децибел увеличился уровень громкости?

Решение

Интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды (см. 3.6):

8. В лабораторном помещении, находящемся в цехе, уровень интенсивности шума достигал 80 дБ. С целью уменьшения шума было решено обить стены лаборатории звукопоглощающим материалом, уменьшающим интенсивность звука в 1500 раз. Какой уровень интенсивности шума станет после этого в лаборатории?

Решение

Уровень интенсивности звука в децибелах: L = 10xlg(I/I₀). При изменении интенсивности звука изменение уровня интенсивности звука будет равно:

9. Импедансы двух сред различаются в 2 раза: R₂ = 2R₁. Какая часть энергии отражается от границы раздела и какая часть энергии переходит во вторую среду?