Физическая характеристика акустических колебаний

Введение

С помощью слухового анализатора человек ориентируется в звуковых сигналах окружающей среды, формирует соответствующие поведенческие реакции, например оборонительные или пищедобывательные. Способность восприятия человеком разговорной и вокальной речи, музыкальных произведений делает слуховой анализатор необходимым компонентом средств общения, познания, приспособления.

Адекватным раздражителем для слухового анализатора являются звуки, то есть, колебательные движения частиц упругих тел, распространяющихся в виде волн в самых различных средах, включая воздушную среду, и воспринимающиеся ухом.

Звуковые волновые колебания (звуковые волны) характеризуются частотой и амплитудой. Частота звуковых волн определяет высоту звука. Человек различает звуковые волны с частотой от 20 до 20 000 Гц. Звуки, частота которых ниже 20 Гц (инфразвуки) и выше 20 000 Гц (20 кГц) (ультразвуки), человеком не ощущаются. Звуковые волны, имеющие синусоидальные или гармонические колебания, называют тоном. Звук, состоящий из не связанных между собой частот, называют шумом. При большой частоте звуковых волн тон высокий, при малой – низкий.

Второй характеристикой звука, которую различает слуховая сенсорная система, является его сила, зависящая от амплитуды звуковых волн. Сила звука или его интенсивность воспринимаются человеком как громкость. Ощущение громкости нарастает при усилении звука и зависит также от частоты звуковых колебаний, то есть громкость звучания определяется взаимодействием интенсивности (силы) и высоты (частоты) звука. Единицей измерения громкости звука является бел, в практике обычно используется децибел (дБ), то есть 0,1 бела.

Человек различает звуки также по тембру («окраске»). Тембр звукового сигнала зависит от спектра, то есть от состава дополнительных частот (обертонов), которые сопровождают основной тон (частоту). По тембру можно различить звуки одинаковой высоты и громкости, на чем основано узнавание людей по голосу.

Чувствительность слухового анализатора определяется минимальной силой звука, достаточной для возникновения слухового ощущения. В области звуковых колебаний от 1000 до 3000 в 1 секунду, что соответствует человеческой речи, ухо обладает наибольшей чувствительностью. Эта совокупность частот получила название речевой зоны. В данной области воспринимаются звуки, имеющие давление меньше 0,001 бара (1 бар составляет приблизительно одну миллионную часть нормального атмосферного давления). Исходя из этого в передающих устройствах, чтобы обеспечить адекватное понимание речи, речевая информация должна передаваться в речевом диапазоне частот.

Отделы слухового анализатора: периферический отдел, слуховые рецепторы, наружное ухо, среднее ухо и внутреннее ухо.

Периферическим отделом слухового анализатора, превращающим энергию звуковых волн в энергию нервного возбуждения, являются рецепторные волосковые клетки кортиева органа (орган Корти), находящегося в улитке.

Слуховые рецепторы (фоно рецепторы) относятся к механорецепторам, являются вторичными и представлены внутренними и наружными волосковыми клетками. У человека приблизительно 3500 внутренних волосковых клетоки 20000 наружных волосковых клеток, которые расположены на основной мембране внутри среднего канала внутреннего уха. Внутреннее (звуковоспринимающий аппарат), а также среднее (звук передающий аппарат) и наружное ухо (звукоулавливающий аппарат) объединяются в понятие орган слуха.

Наружное ухо за счет ушной раковины обеспечивает улавливание звуков, концентрацию их в направлении наружного слухового прохода и усиление интенсивности звуков. Кроме того, структуры наружного уха выполняют защитную функцию, охраняя барабанную перепонку от механических и температурных воздействий внешней среды.

Среднее ухо (звукопроводящий отдел) представлено барабанной полостью, где расположены три слуховые косточки: молоточек, наковальня и стремечко. От наружного слухового прохода среднее ухо отделено барабанной перепонкой. Рукоятка молоточка вплетена в барабанную перепонку, другой его конец сочленен с наковальней, которая в свою очередь сочленена со стремечком. Стремечко прилегает к мембране овального окна. Площадь барабанной перепонки (65 мм²) значительно больше площади овального окна (3,2 мм²), благодаря чему происходит усиление давления звуковых волн на мембрану овального окна примерно в 25 раз. Рычажный механизм косточек уменьшает амплитуду звуковых волн примерно в 2 раза – следовательно, происходит такое же усиление звуковых волн на овальном окне. Таким образом, среднее ухо усиливает звук примерно в 60-70 раз. Если же учитывать усиливающий эффект наружного уха, то эта величина вырастает в 180-200 раз.

Среднее ухо имеет специальный защитный механизм, представленный двумя мышцами – мышцей, натягивающей барабанную перепонку, и мышцей, фиксирующей стремечко. Степень сокращения этих мышц зависит от силы звуковых колебаний. При сильных звуковых колебаниях мышцы ограничивают амплитуду колебаний барабанной перепонки и движение стремечка, предохраняя тем самым рецепторный аппарат внутреннего уха от чрезмерного возбуждения и разрушения. При мгновенных сильных раздражениях (удар в колокол) этот защитный механизм не успевает срабатывать. Сокращение обеих мышц барабанной полости осуществляется по механизму безусловного рефлекса, который замыкается на уровне стволовых отделов мозга. В барабанной полости поддерживается давление, равное атмосферному давлению, что очень важно для адекватного восприятия звуков. Эту функцию выполняет евстахиева труба, которая соединяет полость среднего уха с глоткой. При глотании труба открывается, вентилируя полость среднего уха и уравнивая давление в нем с атмосферным. Если внешнее давление быстро меняется (быстрый подъем на высоту), а глотания не происходит, то разность давлений между атмосферным воздухом и воздухом в барабанной полости приводит к натяжению барабанной перепонки и возникновению неприятных ощущений («закладывание ушей»), снижению восприятия звуков.

Внутреннее ухо представлено улиткой – спирально закрученным костным каналом, имеющим 2,5 завитка, который разделен основной мембраной и мембраной Рейснера на три узкие части (лестницы). Верхний канал (вестибулярная лестница) начинается от овального окна, соединяется с нижним каналом (барабанная лестница) через геликоптор (отверстие в верхушке) и заканчивается круглым окном. Оба канала представляют собой единое целое и заполнены перилимфой, сходной по составу со спинномозговой жидкостью. Между верхним и нижним каналами находится средний (средняя лестница).Он изолирован и заполнен эндолимфой. Внутри среднего канала на основной мембране расположен собственный звуковоспринимающий аппарат – орган Корти (кортиев орган) с рецепторными клетками, представляющий периферический отдел слухового анализатора. Основная мембрана вблизи овального окна по ширине составляет 0,04 мм, затем по направлению к вершине она постепенно расширяется, достигая у геликотремы 0,5 мм. Над кортиевым органом лежит текториальная (покровная) мембрана соединительнотканного происхождения, один край которой закреплен, второй – свободен. Волоски наружных и внутренних волосковых клеток соприкасаются с текториальной мембраной. При этом энергия звуковых волн трансформируется в нервный импульс.

Проводниковый отдел слухового анализатора представлен периферическим биполярным нейроном, расположенным в спиральном ганглии улитки (первый нейрон). Волокна слухового (или кохлеарного) нерва, образованные аксонами нейронов спирального ганглия, заканчиваются на клетках ядер кохлеарного комплекса продолговатого мозга (второй нейрон). Затем после частичного перекреста волокна идут в медиальное коленчатое тело метаталамуса, где опять происходит переключение (третий нейрон), отсюда возбуждение поступает в кору (четвертый нейрон). В медиальных (внутренних) коленчатых телах, а также в нижних буграх четверохолмия располагаются центры рефлекторных двигательных реакций, возникающих при действии 9 звука. Корковый отдел слухового анализатора находится в верхней части височной доли большого мозга (верхняя височная извилина, 41-е и 42-е поля по Бродману).

Важным для функции слухового анализатора являются поперечные височные извилины (извилины Гешля).

Слуховая сенсорная система дополняется механизмами обратной связи, обеспечивающими регуляцию деятельности всех уровней слухового анализатора с участием нисходящих путей. Такие пути начинаются от клеток слуховой коры, переключаясь последовательно в медиальных коленчатых телах метаталамуса, задних (нижних) буграх четверохолмия, в ядрах кохлеарного комплекса. Входя в состав слухового нерва, центробежные волокна достигают волосковых клеток кортиева органа и настраивают их на восприятие определенных звуковых сигналов.

Физическая характеристика акустических колебаний

К акустическим колебаниям относят шум, инфразвук и воздушный ультразвук. По мере распространения волны частицы вовлекаются в колебательные движения с частотой, равной частоте источника колебаний, и с запаздыванием по фазе, зависящим от расстояния до источника и скорости распространения волны.

Распространяясь в пространстве, звуковые колебания создают акустическое поле.Расстояние между двумя ближайшими частицами среды, колеблющимся в одной фазе, называется длинной волны, то есть длинна волны – это путь, пройденный волной за время, равное периоду колебаний.

Скорость распространения волны зависит от плотности среды, в которой она распространяется, расстояния от источника волны и ряда других факторов.

Звук – это колебания частиц, которые могут распростра­няться в виде волн

в газовой, жидкой и твердой среде. Ухо человека воспринимает и анализирует звуки в широком диапазоне.

Высота звукаопределяется частотой колебаний, чем больше колебаний, тем выше звук. Громкость возрастает гораздо медленнее, чем интенсивность звуковых волн.

Звук классифицируют по частному диапазону колебаний. Ес­ли обозначить частоту колебаний частиц среды около своих по­ложений равновесия как то можно выделить следующие диапа­зоны звука.

Инфразвук (0 < f < 20 Гц). Инфразвуковые колебания не слышны человеку, но способны оказывать воздействие на организм.

Слышимый звук(20 < f < 20 000 Гц). Воспринимается ухом человека. Область слышимых звуков ограничена двумя пороговыми кривыми:

1) нижняя кривая – порог слышимости,

2) верхняя кривая – порог болевого ощущения.

Если слуховой порог принять за 0 децибел, то уровень звука в зимнем лесу в безветренную погоду составляет – 3 децибела, шорох листьев в летнем лесу – 10 децибел, шепот на расстоянии 1 метр – 20 децибел, нормальная разговорная речь – 50 децибел.

Болевым порогом принято считать звук с уровнем 140 дБ, что соответствует звуковому давлению 200 Па.

Ультразвук(20 000 < f < 1 000 000 Гц). Ультразвуковые волны данного диапазона могут распространяться в воздухе, поэтому они получили название воздушного ультразвука.Воздушный ультразвук не доступен уху человека, но поглощение энергии ультразвуковых волн организмом оказывает физиологи­ческое воздействие.

Гиперзвук(10⁶ < f < 10¹² Гц). Звуковые волны этого диапазоны способны распространяться только в жидких и твердых средах. В газовой среде существование волн такой частоты невозможно. Поскольку длина волны меньше длины свободного пробега атомов и молекул газа, упорядоченные акустические ко­лебания "смазываются" хаотичным тепловым движением атомов и молекул, поэтому не наблюдается распространение колебаний в виде волны. Гиперзвуковой диапазон составляет исключительно контактный ультразвук,распространяющийся в жидкостях и твердых телах. Контактный ультразвук относят к вибрациям.

Таким образом, шумом являются только акустические колебания в слышимом диапазоне, воспринимаемые ухом человека.

Колебания источника звука производят попеременное сжатие и разрежение воздуха, образуются волнообразное колебание его, распространяющегося от источника звука во все стороны в виде увеличения в объеме сфер. Это называется распространением звуковой волны. Звуковые волны, встретив на пути распространения любые поверхности (твердые, жидкие) передаю им эти колебания. Подобным препятствием звуковой волне может служить и орган слуха, который состоит у человека из ушной раковины со слуховым проходом (наружное ухо), барабанной перепонки, соединенной с системой слуховых косточек (средне ухо) и внутреннего уха. Звуковая волна вызывает колебания барабанной перепонки, которые приводят в движение систему косточек среднего уха, передается окончаниям (рецепторам) слухового нерва, вызывая в них соответствующие нервные импульсы, посылаемые в головной мозг. Более интенсивный звук, то есть с большой энергией колебаний, воспринимается как громкий, менее интенсивный как тихий.

Пространство, в котором распространяется звук, называется звуковым полем.Звуковое поле определяется рядом характеристик.

Звуковая мощность– это количество звуковой энергии, излучаемой источником в единицу времени в окружающую среду W (Вт).

Уровень звуковой мощности является основной характеристикой источника шума, независящей от условий излучения звука в окружающую среду.

Биологический эффект воздействия акустических колебаний на организм человека зависит от интенсивности, длительности воздействия и размеров поверхности тела, подвергаемых действию колебаний, выражается функциональным нарушением органов и систем организма человека.