Восприятие звуков человеком
Понятие звука и шума. Сила звука.
Звук — физическое явление, представляющее собой распространение в виде упругих волн механических колебаний в твёрдой, жидкой или газообразной среде. Как и любая волна, звук характеризуется амплитудой и спектром частот. Амплитудой звуковой волны называется разница между самым высоким и самым низким значением плотности. Частотой звука называется количество колебаний воздуха в секунду. Частота измеряется в Герцах (Гц).
Волны с разной частотой воспринимаются нами как звук разной высоты. Звук частотой ниже 16 – 20 Гц (диапазона слышимости человека) называют инфразвуком; от 15 – 20 кГц до 1 ГГц, – ультразвуком, от 1 ГГц – гиперзвуком. Среди слышимых звуков можно выделить фонетические (речевые звуки и фонемы, из которых состоит устная речь) и музыкальные звуки (из которых состоит музыка). Музыкальные звуки содержат не один, а несколько тонов, а иногда и шумовые компоненты в широком диапазоне частот.
Шум является разновидностью звука, он воспринимается людьми как неприятный, мешающий или даже вызывающий болезненные ощущения фактор, создающие акустический дискомфорт.
Для количественной оценки звука используют усредненные параметры, определяемые на основании статистических законов. Сила звука — устаревший термин, описывающий величину, подобную интенсивности звука, но не идентичную ей. Она зависит от длины волны. Единица измерения силы звука - бел (Б). Уровень звука чаще всего измеряют в децибелах (это 0,1Б). Человек на слух может обнаружить разницу в уровне громкости приблизительно в 1 дБ.
Для измерения акустического шума, Стивеном Орфилдом, была основана в Южном Миннеаполисе «Лаборатория Орфилд». Чтобы достичь исключительной тишины, в комнате использованы стекловолоконные акустические платформы толщиной в метр, двойные стены из изолированной стали и бетон толщиной в 30 см. Комната блокирует 99,99 процентов внешних звуков и поглощает внутренние. Эта камера используется многими производителями для тестирования громкости своих продуктов, таких как клапаны сердца, звук дисплея мобильного телефона, звук переключателя на приборной панели автомобиля. Также её используют для определения качества звука.
Звуки различной силы оказывают на организм человека различные воздействия. Так звук силой до 40 дБ оказывает успокаивающее действие. От воздействия звука 60-90 дБ возникает чувство раздражения, утомляемость, головная боль. Звук силой 95-110 дБ вызывает постепенно ослабление слуха, нервно-психический стресс, различные заболевания. Звук от 114 дБ вызывает звуковое опьянение наподобие алкогольного опьянения, нарушает сон, разрушает психику, приводит к глухоте.
В России действуют санитарные нормы допустимого уровня шума, где для различных территорий и условий нахождения человека даны предельные значения уровня шума:
· на территории мкр-она 45-55 дБ;
· в школьных классах 40-45 дБ;
· больницы 35-40 дБ;
· в промышленности 65-70 дБ.
В ночное время (23:00-7:00) уровни шума должны быть на 10 дБ меньше.
Примеры силы звука в децибелах:
· Шорох листьев: 10
· Жилое помещение: 40
· Разговор: 40–45
· Офис: 50–60
· Шум в магазине: 60
· Телевизор, крик, смех на расстоянии 1 м: 70–75
· Улица: 70–80
· Фабрика (тяжелая промышленность): 70–110
· Цепная пила: 100
· Старт реактивного самолёта: 120–130
· Шум на дискотеке: 175
Восприятие звуков человеком
Слух — способность биологических организмов воспринимать звуки органами слуха. В основе возникновения звука лежат механические колебания упругих тел. В слое воздуха, непосредственно примыкающем к поверхности колеблющего тела, возникает сгущение (сжатие) и разрежения. Эти сжатия и разрежения чередуются во времени и распространяются в стороны в виде упругой продольной волны, которая достигает уха и вызывает вблизи него периодические колебания давления, воздействующие на слуховой анализатор.
Обычный человек способен слышать звуковые колебания в диапазоне частот от 16–20 Гц до 15–20 кГц. Способность различать звуковые частоты сильно зависит от конкретного человека: его возраста, пола, подверженности слуховым болезням, тренированности и усталости слуха.
У человека органом слуха является ухо, которое воспринимает звуковые импульсы, а также отвечает за положение тела в пространстве и способность удерживать равновесие. Это парный орган, который размещается в височных костях черепа, ограничиваясь снаружи ушными раковинами. Он представлен тремя отделами: наружным, средним и внутренним ухом, каждый из которых выполняет свои конкретные функции.
Наружное ухо состоит из ушной раковины и наружного слухового прохода. Ушная раковина у живых организмов работает как приемник звуковых волн, которые затем передаются во внутреннюю часть слухового аппарата. Значение ушной раковины у человека намного меньше, чем у животных, поэтому у человека она практически неподвижна.
Складки человеческой ушной раковины вносят в поступающий в слуховой проход звук небольшие частотные искажения, зависящие от горизонтальной и вертикальной локализации звука. Таким образом, мозг получает дополнительную информацию для уточнения местоположения источника звука. Этот эффект иногда используется в акустике, в том числе для создания ощущения объёмного звука при использовании наушников или слуховых аппаратов. Наружный слуховой проход заканчивается слепо: от среднего уха он отделен барабанной перепонкой. Уловленные ушной раковиной звуковые волны ударяются в барабанную перепонку и вызывают ее колебания. В свою очередь, колебания барабанной перепонки передаются в среднее ухо.
Основной частью среднего уха является барабанная полость — небольшое пространство объемом около 1см³, находящееся в височной кости. Здесь находятся три слуховые косточки: молоточек, наковальня и стремечко — они соединяются между собой и с внутренним ухом (окно преддверия), они передают звуковые колебания из наружного уха во внутреннее, одновременно усиливая их. Полость среднего уха связана с носоглоткой посредством евстахиевой трубы, через которую выравнивается среднее давление воздуха внутри и снаружи от барабанной перепонки.
Внутреннее ухо из-за своей замысловатой формы называется лабиринтом. Костный лабиринт состоит из преддверия, улитки и полукружных каналов, но непосредственное отношение к слуху имеет только улитка, внутри которой находится перепончатый канал, заполненный жидкостью, на нижней стенке которого расположен рецепторный аппарат слухового анализатора, покрытый волосковыми клетками. Волосковые клетки улавливают колебания жидкости, заполняющей канал. Каждая волосковая клетка настроена на определенную звуковую частоту.
Слуховой орган человека работает следующим образом. Ушные раковины улавливают колебания звуковой волны и направляют их в слуховой проход. По нему колебания направляются в среднее ухо и, достигнув барабанной перепонки, вызывают ее колебания. Через систему слуховых косточек колебания передаются дальше – во внутреннее ухо (звуковые колебания передаются перепонке овального окна). Колебания перепонки вызывают движение жидкости в улитке, она, в свою очередь, заставляет колебаться базальную мембрану. При движении волоконец волоски рецепторных клеток касаются покровной мембраны. В рецепторах возникает возбуждение, которое по слуховому нерву в конечном итоге передается в головной мозг, где через средний и промежуточный мозг возбуждение попадает в слуховую зону коры больших полушарий, расположенную в височных долях. Здесь происходит окончательное различение характера звука, его тона, ритма, силы, высоты и его смысла.
Влияние шума на человека
Сложно переоценить воздействие шума на состояние здоровья людей. Шум относится к тем факторам, к которым нельзя привыкнуть. Человеку лишь кажется, что он привык к шуму, но акустическое загрязнение, действуя постоянно, разрушает здоровье человека. Шум вызывает резонанс внутренних органов, постепенно изнашивая их незаметно для нас. Недаром в средние века существовала казнь "под колокол". Гул колокольного звона мучил и медленно убивал осужденного.
Долгое время влияние шума на организм человека специально не изучалось, хотя уже в древности знали о его вреде. В настоящее время ученые во многих странах мира ведут различные исследования с целью выяснения влияния шума на здоровье человека. В первую очередь от шума страдают нервная, сердечно-сосудистая системы и органы пищеварения. Существует зависимость между заболеваемостью и длительностью проживания в условиях акустического загрязнения. Рост болезней наблюдается после проживания в течение 8-10 лет при воздействии шума с интенсивностью выше 70 дБ.
Длительный шум неблагоприятно влияет на орган слуха, понижая чувствительность к звуку. Регулярное и длительное воздействие производственного шума в 85-90 дБ приводит к появлению тугоухости (постепенной потере слуха). Если сила звука выше 80 дБ, появляется опасность потери чувствительности находящихся в среднем ухе ворсинок – отростков слуховых нервов. Отмирание половины из них еще не ведет к ощутимой потере слуха. А если погибает больше половины — человек погрузится в мир, в котором не слышно шелеста деревьев, жужжания пчел. С потерей всех тридцати тысяч слуховых ворсинок человек попадает в мир безмолвия.
Шум обладает аккумулятивным эффектом, т.е. акустические раздражение, накапливаясь в организме, все сильнее угнетают нервную систему. Поэтому перед потерей слуха от воздействия шумов возникает функциональное расстройство центральной нервной системы. Особенно вредное влияние шум оказывает на нервно-психическую деятельность организма. Процесс нервно-психических заболеваний выше среди лиц, работающих в шумных условиях, нежели у лиц, работающих в нормальных звуковых условиях. Поражаются все виды интеллектуальной деятельности, ухудшаются настроение, иногда появляется ощущение растерянности, тревоги, испуга, страха, а при высокой интенсивности - чувство слабости, как после сильного нервного потрясения. В Великобритании, например, один из четырёх мужчин и одна из трёх женщин больны неврозами из-за высокого уровня шума.
Шумы вызывают функциональные расстройства сердечно-сосудистой системы. Изменения, происходящие в сердечнососудистой системе человека под воздействием шума, имеют следующие симптомы: болевые ощущения в области сердца, сердцебиение, неустойчивость пульса и артериального давления, иногда наблюдается наклонность к спазмам капилляров конечностей и глазного дна. Функциональные сдвиги, возникающие в системе кровообращения под влиянием интенсивного шума, со временем могут привести к стойким изменениям сосудистого тонуса, способствующим развитию гипертонической болезни.
Под влиянием шума изменяются углеводный, жировой, белковый, солевой обмены веществ, что проявляется в изменении биохимического состава крови (снижается уровень сахара в крови). Шум оказывает вредное влияние на зрительные и вестибулярные анализаторы, снижает рефлекторную деятельность, что часто становится причиной несчастных случаев и травм. Чем выше интенсивность шума, тем хуже человек видит и реагирует на происходящее.
Шум также влияет на способность к интеллектуальной и учебной деятельности. Например, на успеваемость учеников. В 1992 году в Мюнхене аэропорт перенесли в другую часть города. И выяснилось, что проживавшие рядом со старым аэропортом ученики, которые до его закрытия демонстрировали плохие показатели по чтению и запоминанию информации, в тишине стали показывать намного лучшие результаты. Зато в школах того района, куда аэропорт перенесли, успеваемость, наоборот, ухудшилась, а дети получили новое оправдание для плохих оценок.
Исследователи установили, что шум может разрушать растительные клетки. Например, эксперименты показали, что растения, подверженные обстрелу звуками, засыхают и гибнут. Причиной гибели является чрезмерное выделение влаги через листья: когда уровень шума превышает определённый предел, цветы буквально исходят слезами. Пчела теряет способность ориентироваться и перестаёт работать при шуме реактивного самолёта.
Очень шумная современная музыка также притупляет слух, вызывает нервные заболевания. У 20 процентов юношей и девушек, часто слушающих модную современную музыку, слух оказался притупленным в такой степени, как у 85 летних стариков. Особую опасность представляют плееры и дискотеки для подростков. Обычно уровень шума на дискотеке составляет 80–100 дБ, что сравнимо с уровнем шума интенсивного уличного движения или взлетающего в 100 м турбореактивного самолёта. Громкость звука плеера составляет 100–114 дБ. Почти так же оглушительно работает отбойный молоток. Здоровые барабанные перепонки без ущерба могут переносить громкость плеера в 110 дБ максимум в течение 1,5 мин. Французские учёные отмечают, что нарушения слуха в наш век активно распространяются среди молодых людей; с возрастом они, скорее всего, будут вынуждены пользоваться слуховыми аппаратами. Даже низкий уровень громкости мешает концентрации внимания во время умственной работы. Музыка, пусть даже совсем тихая, снижает внимание – это следует учитывать при выполнении домашней работы. Когда звук нарастает, организм производит много гормонов стресса, например, адреналин. При этом сужаются кровеносные сосуды, замедляется работа кишечника. В дальнейшем всё это может привести к нарушениям работы сердца и кровообращения. Ухудшение слуха из-за шума относится к неизлечимым заболеваниям. Восстановить поврежденный нерв хирургическим путем практически невозможно.
Негативно влияют на нас не только те звуки, которые мы слышим, но и те, которые находятся за пределами диапазона слышимости: прежде всего – инфразвук. Инфразвук в природе возникает при землетрясениях, ударах молний, при сильном ветре. В городе источники инфразвука - тяжелые станки, вентиляторы и любое оборудование, которое вибрирует. Инфразвук с уровнем до 145 дБ вызывает физическое напряжение, переутомление, головные боли, нарушения работы вестибулярного аппарата. Если инфразвук более сильный и длительный, то человек может ощущать вибрации в грудной клетке, сухость во рту, нарушения зрения, головную боль и головокружение.
Опасность инфразвука в том, что от него сложно защититься: в отличие от обычного шума, он практически не поддается поглощению и распространяется намного дальше. Для его подавления необходимо снизить звук в самом источнике с помощью специального оборудования: глушителей реактивного типа.
Полная тишина также оказывает вред на организм человека. Так, сотрудники одного конструкторского бюро, имевшего прекрасную звукоизоляцию, уже через неделю стали жаловаться на невозможность работы в условиях гнетущей тишины. Они нервничали, теряли работоспособность.
Конкретным примером воздействия шума на живые организмы, можно считать следующее событие. Тысячи не вылупившихся птенцов погибли в результате дноуглубительных работ, ведущихся немецкой компанией «Мебиус» по распоряжению Минтранса Украины. Шум от работающей техники разносился на 5-7км, оказывая негативное влияние на прилегающие территории Дунайского биосферного заповедника. Представители Дунайского биосферного заповедника и еще 3 организаций вынуждены были с болью констатировать гибель всей колонии пестроносой крачки и речной крачки, которые располагались на косе Птичья. Дельфины и киты выбрасываются на берег из-за сильных звуков военных гидролокаторов.
Источники шума в городе
Самое вредное воздействие оказывают звуки на человека в больших городах. Но даже в загородных поселках можно страдать от шумового загрязнения, вызванного работающими техническими приспособлениями у соседей: газонокосилкой, токарным станком или музыкальным центром. Шум от них может превышать предельно допустимые нормы. И все же основное загрязнение шумовое происходит в городе. Источником его в большинстве случаев являются транспортные средства. Самая большая интенсивность звуков исходит от автомагистралей, метро и трамваев.
Автотранспорт. Наибольшие уровни шума отмечаются на магистральных улицах городов. Средняя интенсивность движения достигает 2000-3000 транспортных единиц в час и больше, а максимальные уровни шума – 90-95 дБ.
Уровень уличных шумов определяется интенсивностью, скоростью и составом транспортного потока. Кроме того, уровень уличных шумов зависит от планировочных решений (продольный и поперечный профиль улиц, высота и плотность застройки) и таких элементов благоустройства, как покрытие проезжей части и наличие зелёных насаждений. Каждый из этих факторов способен изменить уровень транспортного шума до 10 дБ.
В промышленном городе обычен высокий процент грузового транспорта на магистралях. Увеличение, в общем потоке автотранспорта, грузовых автомобилей, особенно большегрузных с дизельными двигателями, приводит к росту уровней шума. Шум, возникающий на проезжей части магистрали, распространяется не только на примагистральную территорию, но вглубь жилой застройки.
Рельсовый транспорт. Повышение скорости движения поездов также приводит к значительному росту уровня шума в жилых зонах, расположенных вдоль железнодорожных путей или близ сортировочных станций. Максимальный уровень звукового давления на расстоянии 7,5 м от движущегося электропоезда достигает 93 дБ, от пассажирского – 91, от товарного состава –92 дБ.
Шум, возникающий при прохождении электропоездов, легко распространяется на открытой территории. Наиболее значительно звуковая энергия снижается на расстоянии первых 100 м от источника (в среднем на 10 дБ). На расстоянии 100-200 снижение шума равно 8 дБ, а расстоянии от 200 до 300 всего на 2-3 дБ. Основной источник железнодорожного шума – удары вагонов при движении на стыках и неровностях рельсов.
Из всех видов городского транспорта наиболее шумный трамвай. Стальные колёса трамвая при движении по рельсам создают уровень шума на 10 дБ выше, чем колёса автомобилей при соприкосновении с асфальтом. Трамвай создаёт шумовые нагрузки при работе двигателя, открывании дверей, подаче звуковых сигналов. Высокий уровень шума от движения трамвая – одна из основных причин сокращения трамвайных линий в городах. Однако трамвай обладает и целым рядом преимуществ, поэтому при снижении создаваемого им шума он может выиграть в соревновании с другими видами транспорта.
Большое значение имеет скоростной трамвай. Он может с успехом использоваться как основной вид транспорта в малых и средних городах, а в крупных – как городской, пригородный и даже как междугородный, для связи с новыми жилыми массивами, промышленными зонами, аэропортами.
Воздушный транспорт. Значительный удельный вес в шумовом режиме многих городов занимает воздушный транспорт. Нередко аэропорты гражданской авиации оказываются расположенными в непосредственной близости от жилой застройки, а воздушные трассы проходят над многочисленными населёнными пунктами. Уровень шума зависит от направления взлётно-посадочных полос и трасс пролётов самолётов, интенсивности полётов в течение суток, сезонов года, от типов самолётов, базирующихся на данном аэродроме. При круглосуточной интенсивной эксплуатации аэропортов эквивалентные уровни звука на жилой территории достигают в дневное время 80 дБ, в ночное – 78 дБ, максимальные уровни шума колеблются от 92 до 108 дБ.
Промышленные предприятия. Источником большого шума в жилых кварталах городов являются промышленные предприятия. Нарушение акустического режима отмечается в тех случаях, когда их территория непосредственно к жилым массивам. Изучение промышленного шума показало, что по характеру звучания он постоянный и широкополосный, т.е. звук различных тонов. Наиболее значительные уровни наблюдаются на частотах 500-1000 Гц, то есть в зоне наибольшей чувствительности органа слуха. В производственных цехах устанавливается большое количество разнотипного технологического оборудования. Так, ткацкие цехи могут быть охарактеризованы уровнем звука 90-95 дБ А, механические и инструментальные - 85-92, кузнечнопрессовые – 95-105, машинные залы компрессорных станций – 95-100 дБ.
Домашняя техника. С наступлением постиндустриальной эпохи всё больше и больше источников шумового загрязнения (а также электромагнитного) появляется и внутри жилища человека. Источником этого шума является бытовая и офисная техника.