Акустика. физика слуха

Акустика, звук

а) Акустика – область физики, изучающая упругие колебания и волны, методы получения и регистрации колебаний и волн, их взаимодействие с веществом. Звуковые явления, изучаемые в акустике, чрезвычайно важны для медицины, особенно для оценки слуховых ощущений.

В норме ухо человека слышит звук в диапазоне частот от 16 до 20 10³ Гц. С возрастом верхняя граница этого диапазона уменьшается (табл. 4).

Таблица 4

Возраст	Верхняя граница
Маленькие дети	22000 Гц
До 20 лет	20000 Гц
35 лет	~ 15000 Гц
50 лет	~ 12000 Гц

Звук с частотами меньше 16 Гц – это инфразвук. Если частота звука выше 20 кГц – это ультразвук. Частоты волн в диапазоне 10⁹–10¹² Гц – это гиперзвук.

б) Характеристики звука.

Интенсивность звука (I) (см. формулу 5.1). Для человека важны два значения интенсивности, которые определяют на частоте 1 кГц.

Порог слышимости I₀ = 10^‑12 Вт/м² – это минимальная интенсивность воспринимаемого звука – порог восприятия звука в норме. У некоторых людей может быть 10^‑13 Вт/м² или 10^‑9 Вт/м².

Порог болевого ощущения I_max = 10 Bт/м². Звук такой интенсивности человек перестает слышать и воспринимает его как ощущение давления или боли. Чувствительность уха колоссальна от I₀ до I_max отличается в 10¹³ раз.

Звуковое давление. Распространение звуковой волны сопровождается изменением давления.

Звуковое давление – (Р) давление, дополнительно возникающее при прохождении звуковой волны в среде. Оно является избыточным, и воздействует на барабанную перепонку.

Давление на пороге слышимости Р₀ =2 10^‑5 Па.

Давление при болевом ощущении Р_max = 60 Па.

Между интенсивностью звука I и звуковым давлением есть связь: ,

здесь – плотность среды; – скорость звуковой волны.

Волновое сопротивление среды ( ). Это произведение плотности среды на скорость звука в среде: [кг/м²с] (табл. 5).

Таблица 5

Скорость звука и волновое сопротивление для различных сред

Вещество	, м/с
Воздух		0,00043
Сталь
Мозг		1,6
Кость черепа		6,22
Жировая ткань		1,32

Коэффициент отражения (r) – величина, равная отношению интенсивностей отраженной и падающей волны:

При нормальном падении на поверхность звуковой волны (рис. 17) коэффициент отражения рассчитывается по формуле:

	Рис. 17.

Коэффициент пропускания ( ) – величина, равная отношению интенсивностей прошедшей (преломленной) и падающей волн

При нормальном падении волны на поверхность (рис. 17) рассчитывается по формуле:

Сумма . и – волновые сопротивления первой и второй сред соответственно.

Уровень интенсивности. При сравнении интенсивностей звука удобно пользоваться логарифмической шкалой, т.е. сравнивать не сами величины интенсивности, а их логарифмы. Для этого используется величина L – уровень интенсивности.

Единицей уровня интенсивности является Бел [Б]. Если интенсивность возрастает в 10 раз, то уровень интенсивности возрастает на 1 Б.

На практике используют более мелкую единицу уровня интенсивности [дБ] – децибел. 1дБ = 0,1 Б. Тогда L_дБ =10 или L_дБ = 20

Интенсивность звука от нескольких источников

,

а уровень интенсивности результирующего сигнала

В последнем случае уровни интенсивности берутся в Белах.

Закон Вебера-Фехнера

Закон Вебера-Фехнера – это психофизический закон. Так как он характеризует свойство субъективных ощущений. (Закон справедлив при оценке зрительной чувствительности яркости, тактильной чувствительности для кожи и др.).

Если увеличивать раздражение в геометрической прогрессии (т.е. в одинаковое число раз), то ощущение этого раздражения возрастает в арифметической прогрессии (т.е. на одинаковую величину).

Громкость звука. Субъективное восприятие интенсивности звука связано не только с уровнем интенсивности, но и с частотой звука (например, ультразвук не воспринимается при большой интенсивности). При построении шкалы громкости учитывают восприимчивость уха «среднего» человека к различным частотам.

Поступают следующим образом. Для звука с частотой 1 кГц вводят единицу уровня громкости – фон, которая соответствует уровню интенсивности 1 дБ. Для других частот уровень громкости также выражают в фонах по правилу: громкость исследуемого звука равна уровню интенсивности звука на частоте 1 кГц, который вызывает у «среднего» человека такое же ощущение громкости, что и исследуемый звук.

Рис. 18.

На рисунке 18 приведены кривые равной громкости. Их строят экспериментально. Каждая кривая соответствует одинаковой громкости, но разному уровню интенсивности для разных частот. В таблице 6 приведены уровни интенсивности для различных звуков.

Таблица 6

Характеристики различных звуков

	Уровень интенсивности, дБ	Звуковое давление, Па
Тихий шепот		0,0002
Разговорная речь		0,006
Крик		0,2
Метро		0,64
Реактивный двигатель