- •Гомельский государственный медицинский институт
- •Вопрос 1. 20 минут Акустика. Природа звука. Физические характеристики звука. Тоны и шумы.
- •Физические характеристики звука. Тоны и шумы.
- •Вопрос 2. 10 минут Характеристики слухового ощущения и их связь с физическими характеристиками звука.
- •Вопрос 3. 15 минут. Уровни интенсивности и уровни громкости звука. Единицы измерения.
- •Вопрос 4. 25 минут. Понятие о звукопроводящей и звуковоспринимающей системах уха человека. Физика слуха.
- •Вопрос 5. 10 минут. Поглощение и отражение звуковых волн. Реверберация.
- •Вопрос 6. 10 минут. Физические основы звуковых методов исследования в клинике.
Физические характеристики звука. Тоны и шумы.
Звуковая волна описывается уравнением механической волны
где р и р0- звуковое давление в конкретной точке пространства и максимальное звуковое давление соответственно; - круговая частота, t – время, x- координата точки среды (одномерный случай), v – скорость звуковой волны.
Таким образом, физическими характеристиками звука являются: звуковое давление, интенсивность, частота, период, скорость звуковой волны и т. п. Эти характеристики могут быть измерены физическими приборами.
Дадим определения некоторым физическим характеристикам звука.
Интенсивностью, или силой звука, называют плотность потока энергии звуковой волны; единицы измерения: Вт/м2.
Звуковая волна оказывает на тело, помещенное на пути ее распространения, некоторое давление, называемое давлением звука.
Звуковым, или акустическим, давлением p называют добавочное давление (избыточное над средним давлением окружающей среды), образующееся в участках сгущения частиц в звуковой волне. Оно измеряется в Н/м2.
Для плоской гармонической волны звуковое давление p связано с интенсивностью звука (I ) соотношением или
, (2)
где p0 - амплитудное, а pэф — эффективное (среднеквадратичное, которое обычно используется на практике) значения акустического давления.
Произведение скорости звука c в данной среде на плотность среды называется удельным акустическим сопротивлением среды (волновым сопротивлением среды).
Удельный акустический импеданс Z : , где p - звуковое давление, V — колебательная скорость частицы среды.
Удельный акустический импеданс аналогичен электрическому импедансу , где U- напряжение, I -сила тока.
Интенсивность звука: , (3)
интенсивность плоской волны: , (4)
где V - средняя скорость смещения частиц в волне.
Сравнение формул 3 и 4 дает нам зависимость скорости смещения частиц в среде от давления .
В
называют акустическим импедансом.
Акустический импеданс является основной характеристикой акустических свойств среды, определяющей условия отражения и преломления звука на границе сред. Для воздуха (при нормальных условиях) Z = 430 кг/м2сек, для воды примерно 145104 кг/м2сек, для железа 4 107 кг/м2сек .
Звуки разделяют на тоны и шумы.
Тоном называется звук, который представляет колебание с постоянной или закономерно изменяющейся по времени частотой. В зависимости от формы колебания частиц среды тоны разделяются на простые (гармонические) и сложные. Сложный тон может быть разложен на простые, получающийся набор частот с амплитудами называется акустическим спектром (рис. 1.). Спектр сложного тона линейчатый.
Рис.
1.
Спектр
сложного тона.
0
– основной тон,
20,
30
и т.д. – обертоны.
Простой тон может быть получен с помощью камертона или звукового генератора. К сложным относятся звуки музыкальных инструментов, гласные звуки речи человека и др.
Звуковой тон характеризуется частотой (или периодом), амплитудой и формой колебания или его гармоническим спектром, а также величинами, относящимися к звуковой волне: интенсивностью, или силой звука, и звуковым давлением.
Шумом называют звук, отличающийся сложной, неповторяющейся временной зависимостью (рис. 2.). К шуму относятся звуки от вибрации машин, аплодисменты, шум пламени горелки, шорох, скрип, согласные звуки речи и т.п. Шум можно рассматривать как сочетание беспорядочно меняющихся сложных тонов. Спектр шума - сплошной.
Шумом называют самые различные звуки, представляющие сочетание множества различных тонов, частота, форма, интенсивность и продолжительность которых беспорядочно меняются.
А
Рис. 2.
Спектр
шума.
100 2000 4000
10000 ,
Гц
Шум является вредным явлением. Длительное действие шума на орган слуха вызывает ослабление чувствительности уха, может привести к частичной или полной потере слуха. Действуя на нервную систему, шум вызывает повышенную утомляемость, снижение работоспособности, различные нервные заболевания.
Вредность шума зависит от его громкости и спектрального состава. Нормально допустимым уровнем шума считается 40 - 50 дБ.
Для объективного измерения громкости шума применяются приборы, называемые шумомерами. Шумомер содержит микрофон, который преобразует звуковые колебания в электрические. Эти колебания затем усиливаются и средняя мощность их измеряется при помощи микроамперметра со шкалой, градуированной в децибелах громкости.