- •Лекция 4
- •Акустика
- •6.1. Природа звука и его физические характеристики
- •§ 6.2. Характеристики слухового ощущения. Понятие об аудиометрии.
- •§ 6.3. Физические основы звуковых методов исследования в клинике
- •§ 6.4. Волновое сопротивление. Отражение звуковых волн. Реверберация
- •§ 6.5. Физика слуха
- •6.6. Ультразвук и его применения в медицине
- •6.7. Инфразвук
- •6.8. Вибрации
Лекция 4
Акустика. Физические характеристики звука. Характеристики слухового ощущения и их связь с физическими характеристиками звука. Закон Вебера-Фехнера. Уровни интенсивности и уровни громкости звука. Единицы их измерения - децибелы и фоны. Аудиометрия. Фонокардиография.
Поглощение и отражение акустических волн. Акустический импеданс. Ультразвук. Методы получения и регистрации. Действие ультразвука на вещество. Биофизические основы действия ультразвука на клетки и ткани организма. Хирургическое и терапевтическое применение ультразвука.
Ультразвуковая диагностика. Принципы ультразвуковой томографии. Инфразвук. Биофизические основы действия инфразвука на биологические объекты.
Акустика
Акустика — область физики, исследующая упругие колебания и волны от самых низких частот до предельно высоких (~1013 Гц). Современная акустика охватывает широкий круг вопросов, в ней выделяют ряд разделов: физическая акустика, которая изучает особенности распространения упругих волн в различных средах, - физиологическая акустика, изучающая устройство и работу звуковоспринимающих и звукообразующих органов у человека и животных, и др. В узком смысле слова под акустикой понимают учение о звуке, т. е. об упругих колебаниях и волнах в газах, жидкостях и твердых телах, воспринимаемых человеческим ухом (частоты от 16 до 20 000 Гц).
6.1. Природа звука и его физические характеристики
Звуковые колебания и волны — частный случай механических колебаний и волн. Однако в связи с важностью акустических понятий для оценки слуховых ощущений, а также и в связи с медицинскими приложениями, целесообразно некоторые вопросы разобрать специально.
Принято различать следующие звуки:
1) тоны, или музыкальные звуки;
2) шумы;
3) звуковые удары.
Тоном называется звук, являющийся периодическим процессом. Если этот процесс гармонический, то тон называется простым или чистым, а соответствующая плоская звуковая волна описывается уравнением (5.48). Основной физической характеристикой чистого тона является частота. Ангармоническому (негармоническому) колебанию соответствует сложный тон. Простой тон издает, например, камертон, сложный тон создается музыкальными инструментами, аппаратом речи (гласные звуки) и т. п.
Сложный тон может быть разложен на простые. Наименьшая частота 0 такого разложения соответствует основному тону, остальные гармоники (обертоны) имеют частоты, равные 20, 30 и т. д. Набор частот с указанием их относительной интенсивности (или амплитуды А) называется акустическим спектром (см. § 5.4). Спектр сложного тона линейчатый; на рис. 6.1 показаны акустические спектры одной и той же ноты (0 = 100 Гц), взятой на рояле (а) и кларнете (б). Таким образом, акустический спектр — важная физическая характеристика сложного тона.
Шумом называют звук, отличающийся сложной неповторяющейся временной зависимостью.
К шуму относятся звуки от вибрации машин, аплодисменты, шум пламени горелки, шорох, скрип, согласные звуки речи и т. п.
Звуковой удар — это кратковременное звуковое воздействие: хлопок, взрыв и т. п. Не следует путать звуковой удар с ударной волной (см. § 5.9).
Энергетической характеристикой звука как механической волны является интенсивность (см. § 5.8).
На практике для оценки звука удобнее использовать не интенсивность, а звуковое давление, дополнительно возникающее при прохождении звуковых волн в жидкой или газообразной среде. Для плоской волны интенсивность связана со звуковым давлением р зависимостью
где — плотность среды, с — скорость звука.
Нормальное человеческое ухо воспринимает довольно широкий диапазон интенсивностей звука: так, например, на частоте 1 кГц от I0 = 10-12 Вт/м2 или р0 = 2 • 10-5 Па (порог слышимости) до Imах = 10 Вт/м2 или рmах = 60 Па (порог болевого ощущения). Отношение этих интенсивностей равно 1013, поэтому удобнее использовать логарифмические единицы (см. § 1.1) и логарифмическую шкалу. Шкала уровней интенсивностей звука создается следующим образом: значение I0 принимают за начальный уровень шкалы, любую другую интенсивность I выражают через десятичный логарифм ее отношения к I0 (в белах, см. § 1.1):
LB = lg (I/I0), (6.1)
а для звукового давления
LB = 21g (р/р0).
При использовании децибел соответственно имеем
LдБ = 101g(I/I0) и LдБ = 201g(p/p0). (6.2)
Измерение звукового давления в газах производится измерительным микрофоном, который состоит из датчика, преобразующего акустическую величину в электрический сигнал, электронного усилителя и электрического измерительного прибора (рис. 6.3). Эта схема является частным случаем общей структурной схемы (см. § 17.1).