Тема 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЗВУКА И ЧЕЛОВЕКА

Информация для размышления

Физическая характеристика звука

Звук –это колебания молекул, которые накладываются на броуновское движение упругой среды (в частности воздуха), распространяющееся в ней в виде продольной волны давления. Такие колебания среды генерируются колеблющимися телами, например, камертоном или раструбом громкоговорителя, которые передают среде энергию, сообщая ускорение ближайшим к ним молекулам. От последних энергия переходит к молекулам, расположенным чуть дальше и т.д. Этот процесс распространяется вокруг источника звука как волна со скоростью 335 м/с. В результате колебания молекул в среде возникают зоны с большей или меньшей плотностью их упаковки, где давление соответственно выше или ниже среднего. Амплитуда его изменения называется звуковым давлением.Как и любое другое давление, звуковое давление выражают в Н\м² (Па), но в акустике принимают сравнительную величину – так называемый уровень звукового давления (УЗД), измеряемый в децибелах (дБ).

Сила звука – это количество энергии, проходящей через единицу поверхности за единицу времени, она выражается в Вт/м².

Частота звука – выражается в герцах (Гц); один герц равен одному циклу колебаний в секунду.

Тон – звуковые образования одной частоты. Чистые тоны в повседневной жизни не встречаются; большинство звуков образовано наложением нескольких частот. Обычно это сочетание основной частоты и нескольких кратных ей по величине гармоник (т.е. закономерное сочетание тонов в одновременном звучании). Таковы музыкальные звуки.

Основная частота отражается в периоде сложной волны звукового давления.

Так различные источники образуют различные гармоники, звуки при одинаковой звуковой частоте могут различаться, чем и достигается богатство оттенков звучания при игре оркестра.

Звук, состоящий из множества несвязанных между собой частот называется шумом. Регистрируя звуковое давление шума, периоды обнаружить не удается.

Психофизика звука

Пороги слышимости. Чтобы звук был слышимым, должен превышаться определенный уровень звукового давления (УЗД). Этот порог зависит от частоты; человеческое ухо наиболее чувствительно в диапазоне 2000 – 5000 Гц. За его пределами для достижения порога требуются значительно более высокие УЗД. Тон какой-либо частоты при превышении порога слышимости звучит для нас громче по мере увеличения звукового давления.

Рисунок 5 – Слуховой анализатор

Слух

Звуковая волна, пойманная ушной раковиной и заполнившая наружный слуховой проход, уже через 30 мм (такова в среднем его длина) упирается в барабанную перепонку. Она туго натянута подобно шкуре барабана, и звуковые волны стучат по ней, как барабанщик палочками по своему инструменту.

За барабанной перепонкой начинается среднее ухо, расположенное в толще височной кости. Специальным каналом — слуховой трубой оно соединяется с глоткой. Слуховая труба нужна, чтобы по обе стороны барабанной перепонки всегда было одинаковое давление (случается при взрыве, что давление в глотке не успевает повыситься так же быстро, как снаружи от барабанной пере­понки, тогда происходит её разрыв). Пассажиры авиалайнеров знают: чтобы при взлёте и посадке, когда давле­ние меняется, не закладывало уши, нужно держать рот приоткрытым, тогда давление в среднем ухе уравнивается с атмосферным. Внутри среднего уха располагаются три со­единённые между собой суставчиками слуховые косточки: молоточек, наковальня и стремечко. Молоточек сочленён с внутренней поверхностью барабанной перепонки; от неё он получает энергию звуковых колебаний, затем бьёт по наковальне, а та давит на стремечко. Эта мельчайшая кость организма очень похожа на настоящее стремя, только весит всего 2,5 мг.

В толще пирамиды — самой плотной части височной кости — располагается внутреннее ухо. Оно одновременно является органом двух сенсорных систем — слуха и чувства равновесия. Входом во внутреннее ухо служит маленькое, затянутое плотной перепонкой окошко, к кото­рому с наружной стороны крепится стремечко. Энергия звуковой волны достигает окошка в виде колебаний стремечка.

Орган слуха называется улиткой и действительно похож по форме на этого неприметного моллюска — он свёрнут наподобие раковинки на 2,5 оборота. Внутри костного лаби­ринта улитки находится перепонча­тый лабиринт. Оба они заполнены жидкостью; удары стремечка по за­крывающему вход в лабиринт окош­ку вызывают её колебания. Внутри перепончатого лабиринта по всей длине завитков улитки тянутся пять рядов клеток с тончайшими волоска­ми (по 60-70 у каждой клетки). Это волосковые слуховые клетки; в одной улитке их около 24 тыс. Нижней стороной волосковые клетки кре­пятся к мембране, которая подобна арфе и состоит из отдельных воло­кон. Собственно, музыку этой «арфы» и слышит мозг. Её «струны», как и у настоящей арфы, разной длины. Са­мые короткие (135 мкм) находятся у основания улитки, а самые длинные (234 мкм) — у её вершины. Всего та­ких «струн» ровно столько, сколько и волосковых клеток. Над этим чудесным инструментом, увенчанным волосковыми клетками, нависает ряд других клеток, образующих похожую на занавес покровную мембра­ну. Стоит возникнуть колебаниям в жидкости улитки, как «занавес» на­чинает касаться волосков слуховых клеток, порождая в них электриче­ские импульсы различной силы. Слу­ховой нерв собирает эти импульсы и передаёт их через подкорковые уз­лы в кору височных долей головно­го мозга. В слуховом нерве 35 тыс. нервных волокон — поэтому он спо­собен передать мозгу всю гамму час­тот окружающего мира.

Громкость звука измеряется в де­цибелах (дБ). Шум, равный 10 дБ, создаёт шелест падающих листьев. Понятно, что такой звук скорее успо­каивает, чем раздражает. Не вызыва­ет дискомфорта и громкость обыч­ной беседы (60 дБ). А вот при 110 дБ (концерт рок-музыки) или 140 дБ (рёв двигателя реактивного самолёта прямо над ухом) трудно сохранить душевное равновесие. Интересно, что звук в наушниках плеера может до­стигать почти такой же силы, что и гудение реактивного двигателя. По­этому любители «карманной музыки» рискуют постепенно оглохнуть (тем более что, изолируя себя от внешних звуков, они не замечают ослабления собственного слуха и лишь подкручи­вают колесико громкости).