Физические и физиологические характеристики звука.

Физические характеристики звуковых волн имеют объективный характер и могут быть измерены соответствующими приборами в стандартных единицах – Это интенсивность, частота и спектр звука.

Интенсивность звука - энергетическая характеристика звуковой волны, представляет собой энергию звуковой волны, попадающей на поверхность единичной площади за единицу времени, и измеряется в Вт/м². Интенсивность звука определяет физиологическую характеристику слухового ощущении – громкость.

Частота звуковых колебаний (Гц)-определяет физиологическую характери­стику зву­кового ощущения, которую называют высотой звука.

Возможность оценки высоты тона слуховым аппаратом че­ловека связана с продолжительностью звучания. Ухо не способно оценить высоту тона, если время звукового воздей­ствия меньше 1/20 секунды.

Спектральный состав звуковых колебаний (акустический спектр), - число гармонических составляющих звука и соотношение их амплитуд, определяет тембр звука, физиологическую характеристику слухового ощущения.

Диаграмма слышимости.

Чтобы сформировалось слуховое ощущение, интенсив­ность звуковых волн должна превысить некоторое минимальное значение, называемое порогом слышимости. Оно имеет различные значения для различных частот звукового диапазона (нижняя кривая на рисунке 17.1 1). Это означает, что слуховой аппарат обладает не одинаковой чувствительностью к звуковым воздействиям на разных частотах. Максимальной чувствительностью ухо человека обладает в области частот 1000-3000 Гц. Здесь пороговое значение интенсивности звука минимально и составляет 10^–12 Вт/м².

С увеличением интенсивности звука возрастает и ощуще­ние громкости. Однако, звуковые волны с интенсивностью порядка 1-10 Вт/м² вызывают уже ощущение боли. Максимальное значение интенсив­ности, при превышении которого возникает боль, называется порогом болево­го ощущения.

0,02 0,05 0,1 0,2 0,5 1,0 2,0 5,0 10,0 20,0 Частота, кГц Рис.1. Диаграмма слышимости

Он также зависит от частоты звука (верхняя кривая на рисунке 1), но в меньшей степени, чем порог слышимости.

Область частот и интенсивностей звука, ограниченная верхней и нижней кривыми рисунка 1, называет­ся областью слышимости.

Уровни интенсивности и уровни громко­сти звука

Закон Вебера-Фехнера.

Уже отмечалось, что объективная физическая характеристика звуковой волны - интенсивность определяет субъективную физиологическую характери­стику - громкость. Количественная связь между ними устанавливается законом Вебера-Фехнера: если интенсивность раздражителя увеличивается в геометрической прогрессии, то физиологическое ощущение растет в арифметической про­грессии.

Закон Вебера-Фехнера можно пересказать другими словами: физиологическаяреакция (в рассматриваемом слу­чае громкость) на раздражитель (интенсивность звука) пропорциональна логарифму интенсивности раздра­жителя.

В физике и технике логарифм отношения двух интенсивностей называют уровнем интенсивности,поэтому величину, пропор­циональную десятичному логарифму отношения интенсивности некоторого звука (I) к ин­тенсивности на пороге слышимости I₀ = 10^-12 Вт/м²:называют уровнем интенсивности звука (L):

(1)

Коэффициент n в формуле (1) определяет единицу измерения уровня интенсивности звука L. Если n =1, то единицей измерения L является Бел (Б). На практике обычно принимают n =10, тогда Lизмеряется в децибелах (дБ) (1 дБ = 0,1 Б). На пороге слышимости (I = I₀) уровень интенсивности звука L=0, а на пороге болевого ощущения (I= 10 Вт/м² )– L= 130 дБ.

Громкость звука в соответствии с законом Вебера-Фехнерапрямо пропорциональна уровнем интенсивности L:

Е = kL, (2)

где k - коэффициент пропорциональности, зависящий от частоты и интенсивности звука.

Если бы коэффициент kв формуле (2) был постоянным, то уровень гром­кости совпадал бы с уровнем интенсивности и мог бы измеряться в децибелах.

Но он зависит и от частоты и от интенсивности звуковой волны, поэтому громкость звука измеряют в других единицах – фонах. Постановили, что на частоте 1000 Гц 1 фон = 1 дБ, т.е. уровень интенсивности в децибелах и уровень громкости в фонах совпадают(в формуле (2) коэффициент k= 1 на частоте 1000 Гц). На других частотах для перехода от децибел к фонам не­обходимо вводить соответствующие поправки, которые можно определить с помощью кривых равной громкости (см. рис.1).

Определение порога слышимости на разных частотах составляет основу методов измерения остроты слуха. Полученная кривая называется спектральной характеристикой уха на пороге слыши­мости или аудиограммой. Сравнивая порог слышимости пациента с усредненной нормой, можно судить о степени развития нару­шений слухового аппарата.

Порядок выполнения работы

Снятие спектральной характеристики уха на пороге слышимости проводится с помощью генератора синусоидального сигнала SG-530 и наушников.

Основные органы управления генератора расположены на передней панели (рис.3). Там же расположен выходной разъем для подключения наушников. На задней панели генератора расположены выключатель питания, сетевой шнур и клемма заземления.

Рис. 3. Передняя панель генератора:

1- выходной разъем; 2 -ЖКИ; 3 — энкодер.

Управление генератором осуществляется с помощью нескольких меню, которые выводятся на жидкокристаллический индикатор (ЖКИ). Система меню организована в виде кольцевой структуры. Короткое нажатие кнопки энкодера позволяет «по кругу» переходить между меню, длинное нажатие в любом из пунктов меню приводит к переходу на главное меню. Любое действие по переходу между пунктами меню сопровождается звуковым сигналом.

С помощью системы меню можно задать частоту выходного сигнала генератора, амплитуду выходного сигнала, значение ослабления аттенюатора, считать или записать предустановку частоты, а также выключить или включить выходной сигнал. Увеличение или уменьшение значения выбранного параметра производится поворотом энкодера по (вправо) или против (влево) направления часовой стрелки соответственно.

В исходном состоянии генератора на индикатор выводится главное меню, в котором отображается текущее значение частоты, амплитуды и состояние аттенюатора. При повороте энкодера или нажатии кнопки энкодера происходит переход в меню установки частоты (рис. 4).

Одиночный поворот энкодера вправо или влево приводит к изменению частоты на один шаг.

Если на протяжении примерно 5 секунд регулировка частоты не производится, происходит автоматический переход на главное меню, за исключением меню калибровки частоты и амплитуды.

Нажатие кнопки энкодера в меню установки частоты приводит к переходу в меню установки амплитуды (рис. 4а,б). Значение амплитуды выводится в вольтах с запятой, которая отделяет десятые доли вольта, если значение больше 1 В, или без запятой в милливольтах, если значение меньше 1 В. На рис. 17.4,б показан пример индикации амплитуды, равной 10 В, а на рис. 17.4,в -амплитуды 10 мВ.

Нажатие кнопки энкодера в меню установки амплитуды приводит к переходу в меню установки ослабления аттенюатора. Возможные значения ослабления аттенюатора 0, -20, -40, -60 дБ.

Нажатие кнопки энкодера в меню установки ослабления аттенюатора приводит к переходу в меню установки шага изменения частоты. Шаг изменения значения частоты может иметь значение 0.01 Гц... 10 КГц. Нажатие кнопки энкодера в меню установки шага изменения частоты приводит к переходу в меню установки шага изменения значения амплитуды (рис. 5). Шаг изменения значения амплитуды может иметь значение 1мВ... 1В.

Порядок выполнения работы.

1.Подключите к сети (220В. 50 Гц) шнур питания генератора SG-530нажатием кнопки «POWER»на задней панели;

2.Однократно нажмите кнопку энкодера - произойдет переход из главного меню в меню установки частоты «FREQUENCY» - и вращением энкодера установите первое значение частоты ν =100 Гц;

3. Нажатиекнопки энкодера в меню установки частотыприводит к переходу к меню установки амплитуды «AMPLITUDE»- установите значение амплитуды Uген =300 мВ;

4. Подключитенаушники к генератору;

5.Уменьшая значение амплитуды до 100 мВ, добейтесь отсутствия шума в наушниках;

6.Если при минимальной амплитуде (100 мВ) звук в наушниках ещё слышен, нажатием кнопкиэнкодера перейдите в меню установки ослабления аттенюатора «ATTENUATOR»и установите минимальное ослабление L (например, -20dB), при котором звук исчезает;

7.Запишите полученные значения частотыν, амплитудыUген и ослабления L в таблицу результатов измерений (таблица 1);

8.Аналогично добейтесь отсутствия звука для каждой из предложенных частотν;

9.Произведите расчёт амплитуды на выходе генератораUвыхпо формулеUвых = Uген ∙ K,где коэффициент ослабленияKопределяется по величинеослабления Lиз таблицы2;

10.Определите минимальное значениеамплитуды на выходе генератораUвых minкак наименьшееиз совокупности всех полученных значенийамплитуды на выходе генератораUвыхдля всех частот;

11. Произведите расчёт уровня громкости на пороге слышимости E по формуле E=20lg Uвых/ Uвых min;

12.Постройте график зависимости величины уровня громкости на пороге слышимости Eот значения логарифма частоты lg ν. Полученная кривая будет представлять собой порог слышимости.

Таблица 1. Результаты измерений.

ν, Гц	lg ν	Uген , мВ	L, дБ	Коэффициент ослабления, K	Uвых = К·Uген мВ	Уровень интенсивности (дБ) E =20 lg (Uвых/ Uвых min)
	2,0
	2,3
	2,7
	3,0
	3,3
	3,5
	3,7
	4,0
	4,2

Таблица 2. Связь показаний аттенюатора L (0, -20, -40, -60 дБ) и коэффициента ослабления по напряжению K ( 1, 0,1, 0,01, 0,001).

Ослабление аттенюатора L, дБ		- 20	- 40	- 60
Коэффициент ослабления, K		0,1	0,01	0,001

Контрольные вопросы:

1. Природа звука. Скорость звука. Классификация звуков (тоны, шумы).

2. Физические и физиологические характеристики звука (частота, интенсивность, спектральный состав, высота, громкость, тембр).

3. Диаграмма слышимости (порог слышимости, порог болевого ощущения, область речи).

4. Закон Вебера-Фехнера. Уровни интенсивности и уровни громкости звука, связь между ними и единицы измерения.

5. Методика определения порога слышимости (спектральной характеристики уха на пороге слышимости)

Решить задачи:

1.Интенсивность звука частотой 5 кГц равна 10^-9 Вт/м². Определить уровни интенсивности и громкости этого звука.

2. Уровень интенсивности звука от некоторого источника равен 60 дБ. Чему равен суммарный уровень интенсивности звука от десяти таких ис­точников звука при их одновременном действии?

3. Уровень громкости звука частотой 1000 Гц после его прохождения че­рез стенку понизился от 100 до 20 фон. Во сколько раз уменьшилась ин­тенсивность звука?

Литература:

1. В.Г.Лещенко, Г.К.Ильич. Медицинская и биологическая физика.- Мн.: Новое знание. 2011.

2. Г.К.Ильич. Колебания и волны, акустика, гемодинамика. Пособие. – Мн.: БГМУ, 2000.

3. А.Н. Ремизов. Медицинская и биологическая физика.- М.: Высш. шк. 1987.