- •Лекция 4
- •Акустика
- •6.1. Природа звука и его физические характеристики
- •Характеристики слухового ощущения. Понятие об аудиометрии.
- •Физические основы звуковых методов исследования в клинике
- •Волновое сопротивление. Отражение звуковых волн. Реверберация
- •6.5. Физика слуха
- •6.6. Ультразвук и его применения в медицине
- •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 . 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. 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.
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
Энергетической характеристикой звука как механической волны является интенсивность 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 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):
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.