От какой характеристики волны зависит громкость звука. Теория звука и акустики понятным языком. Для существования звука необходимы

ЛЕКЦИЯ 3 АКУСТИКА. ЗВУК

1. Звук, виды звука.

2. Физические характеристики звука.

3. Характеристики слухового ощущения. Звуковые измерения.

4. Прохождение звука через границу раздела сред.

5. Звуковые методы исследования.

6. Факторы, определяющие профилактику шума. Защита от шума.

7. Основные понятия и формулы. Таблицы.

8. Задачи.

Акустика. В широком смысле - раздел физики, изучающий упругие волны от самых низких частот до самых высоких. В узком смысле - учение о звуке.

3.1. Звук, виды звука

Звук в широком смысле - упругие колебания и волны, распространяющиеся в газообразных, жидких и твердых веществах; в узком смысле - явление, субъективно воспринимаемое органами слуха человека и животных.

В норме ухо человека слышит звук в диапазоне частот от 16 Гц до 20 кГц. Однако с возрастом верхняя граница этого диапазона уменьшается:

Звук с частотой ниже 16-20 Гц называется инфразвуком, выше 20 кГц-ультразвуком, а самые высокочастотные упругие волны в диапазоне от 10 9 до 10 12 Гц - гиперзвуком.

Звуки, встречающиеся в природе, разделяют на несколько видов.

Тон - это звук, представляющий собой периодический процесс. Основной характеристикой тона является частота. Простой тон создается телом, колеблющимся по гармоническому закону (например, камертоном). Сложный тон создается периодическими колебаниями, которые не являются гармоническими (например, звук музыкального инструмента, звук, создаваемый речевым аппаратом человека).

Шум - это звук, имеющий сложную неповторяющуюся временную зависимость и представляющий собой сочетание беспорядочно изменяющихся сложных тонов (шелест листьев).

Звуковой удар - это кратковременное звуковое воздействие (хлопок, взрыв, удар, гром).

Сложный тон, как периодический процесс, можно представить в виде суммы простых тонов (разложить на составляющие тоны). Такое разложение называется спектром.

Акустический спектр тона - это совокупность всех его частот с указанием их относительных интенсивностей или амплитуд.

Наименьшая частота в спектре (ν) соответствует основному тону, а остальные частоты называют обертонами или гармониками. Обертоны имеют частоты, кратные основной частоте: 2ν, 3ν, 4ν, ...

Обычно наибольшая амплитуда спектра соответствует основному тону. Именно он воспринимается ухом как высота звука (см. ниже). Обертоны создают «окраску» звука. Звуки одной и той же высоты, созданные разными инструментами, воспринимаются ухом по-разному именно из-за различного соотношения между амплитудами обертонов. На рисунке 3.1 показаны спектры одной и той же ноты (ν = 100 Гц), взятой на рояле и кларнете.

Рис. 3.1. Спектры ноты рояля (а) и кларнета (б)

Акустический спектр шума является сплошным.

3.2. Физические характеристики звука

1. Скорость (v). Звук распространяется в любой среде, кроме вакуума. Скорость его распространения зависит от упругости, плотности и температуры среды, но не зависит от частоты колебаний. Скорость звука в газе зависит от его молярной массы (М) и абсолютной температуры (Т):

Скорость звука в воде равна 1500 м/с; близкое значение имеет скорость звука и в мягких тканях организма.

2. Звуковое давление. Распространение звука сопровождается изменением давления в среде (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Изменение давления в среде при распространении звука.

Именно изменения давления вызывают колебания барабанной перепонки, которые и определяют начало такого сложного процесса, как возникновение слуховых ощущений.

Звуковое давление (ΔΡ) - это амплитуда тех изменений давления в среде, которые возникают при прохождении звуковой волны.

3. Интенсивность звука (I). Распространение звуковой волны сопровождается переносом энергии.

Интенсивность звука - это плотность потока энергии, переносимой звуковой волной (см. формулу 2.5).

В однородной среде интенсивность звука, испущенного в данном направлении, убывает по мере удаления от источника звука. При использовании волноводов можно добиться и увеличения интенсивности. Типичным примером такого волновода в живой природе является ушная раковина.

Связь между интенсивностью (I) и звуковым давлением (ΔΡ) выражается следующей формулой:

где ρ - плотность среды; v - скорость звука в ней.

Минимальные значения звукового давления и интенсивности звука, при которых у человека возникают слуховые ощущения, называются порогом слышимости.

Для уха среднего человека на частоте 1 кГц порогу слышимости соответствуют следующие значения звукового давления (ΔΡ 0) и интенсивности звука (I 0):

ΔΡ 0 = 3х10 -5 Па (≈ 2х10 -7 мм рт.ст.); I 0 = 10 -12 Вт/м 2 .

Значения звукового давления и интенсивности звука, при которых у человека возникают выраженные болевые ощущения, называются порогом болевого ощущения.

Для уха среднего человека на частоте 1 кГц порогу болевого ощущения соответствуют следующие значения звукового давления (ΔΡ m) и интенсивности звука (I m):

4. Уровень интенсивности (L). Отношение интенсивностей, соответствующих порогам слышимости и болевого ощущения, столь велико (I m /I 0 = 10 13), что на практике используют логарифмическую шкалу, вводя специальную безразмерную характеристику - уровень интенсивности.

Уровнем интенсивности называют десятичный логарифм отношения интенсивности звука к порогу слышимости:

Единицей измерения уровня интенсивности является бел (Б).

Обычно используют более мелкую единицу уровня интенсивности - децибел (дБ): 1 дБ = 0,1 Б. Уровень интенсивности в децибелах вычисляется по следующим формулам:

Логарифмический характер зависимости уровня интенсивности от самой интенсивности означает, что при увеличении интенсивности в 10 раз уровень интенсивности возрастает на 10 дБ.

Характеристики часто встречающихся звуков приведены в табл. 3.1.

Если человек слышит звуки, приходящие с одного направления от нескольких некогерентных источников, то их интенсивности складываются:

Высокий уровень интенсивности звука приводит к необратимым изменениям в слуховом аппарате. Так, звук в 160 дБ может вызвать разрыв барабанной перепонки и смещение слуховых косточек в среднем ухе, что приводит к необратимой глухоте. При 140 дБ человек ощущает сильную боль, а продолжительное действие шума в 90-120 дБ приводит к поражению слухового нерва.

Цели:

Ввести понятие звуковых колебаний, выяснить характеристики и свойства звуковых колебаний.
Показать единство природы, взаимосвязь физики, биологии, музыки.
Воспитание бережного отношения к своему здоровью.

Оборудование: компьютер с мультимедиапроектором, камертон, линейка, зажатая в тисках, звуковой генератор.

План урока.

Орг. Момент
Изучение нового материала.
Дом. Задание.

Человек живет в мире звуков. Что же такое звук? Как он возникает? Чем один звук отличается от другого? Сегодня на уроке мы с вами попробуем ответить на эти и многие другие вопросы, связанные со звуковыми явлениями.

Раздел физики, изучающий звуковые явления называется акустикой.

Упругие волны, способные вызвать у человека слуховые ощущения называются звуковыми.

Человеческое ухо способно воспринимать механические колебания, происходящие с частотой от 20 до 20000 Гц. (Демонстрация на звуковом генераторе волн с частотой от 20 до 20000 Гц)

Любое колеблющееся со звуковой частотой является источником звука. Но источниками звука могут не только колеблющиеся тела: полет пули в воздухе, сопровождается свистом, бурное течение воды – шумом.

Сам факт выделения из достаточно большого набора частот, называемых звуковыми, связан со свойством слуха человека воспринимать именно эти волны.

Различные живые существа имеют различные границы восприятия звука.

Все источники звука можно разделить на естественные и искусственные.

(демонстрации: звучание камертона и линейки зажатой между тисками.)

Рассмотрим свойства звука.

Звук это продольная волна.
Распространяется звук в упругих средах (воздух, вода, различные металлы)
Звук имеет конечную скорость.

Вещество	Температура 0 С	Скорость звука м/с	Вещество	Температура 0 С	Скорость звука м/с
Азот	300	487	Пары воды	100	405
Азот	0	334	Гелий	0	965
Азот жидкий	-199	962	Графит	20	1470
Алюминий	20	18 350	Золото	20	3200
Алмаз	20	6260	Ртуть	20	1450
Бензин	17	1170	Спирт	20	1180
Вода	20	1483	Пары спирта	0	230
Вода	74	1555	Сталь	20	5000-6100
Лед	-1-4	3980	Эфир	25	985

Давайте прослушаем сообщение о том, как были определены скорость звука в воде и других веществах.

(Сообщение учащихся)

Проверь себя.

Часы установлены по звуку сигнала от удаленного радиоприемника. В каком случае часы будут установлены более точно: летом или зимой?
(Летом, так как скорость звука в воздухе увеличивается с температурой)
Могут ли космонавты при выходе в открытый космос общаться между собой при помощи звуковой речи?
(На расстоянии нет, т.к. в космическом вакууме нет условий для распространения звуковых волн. Однако если космонавты соприкоснутся шлемами скафандров, они могут услышать друг друга.)
Почему столбы линий электропередач гудят при ветре?
(При ветре провода совершают хаотические колебательные движения, воздействуя на изоляторы, укрепленные на столбах. В столбах возбуждаются стоячие звуковые волны.)

Характеристики звука.

Громкость звука.
Высота звука
Тембр звука.

Громкость звука – характеристика амплитуды звуковой волны.
(показать эксперимент с камертоном и генератором)

Громкость звука зависит от амплитуды колебаний: чем больше амплитуда, тем громче звук.

Но если бы мы сравнивали звуки различных частот, то кроме амплитуды нам пришлось бы еще сравнивать и их частоты. При одинаковых амплитудах как более громкие мы воспринимаем частоты, которых лежат в пределах от 1000 до 5000 Гц.

Единица громкости звука называется сон.

В практических задачах громкость звука принято характеризовать уровнем громкости, измеряемым в фонах , или уровнем звукового давления , измеряемых в белах (Б) или децибелах (дБ), составляющих десятую часть бела.

Тихий шепот, шелест листвы - 20 дБ

Обычная речь - 60 дБ

Рок-концерт - 120 дБ

При увеличении громкости на 10дБ интенсивность звука увеличивается в 10 раз.

Задача: Рассчитайте во сколько раз интенсивность звука на рок -концерте больше обычной речи?

(1000000 раз)

Громкость, равную 120 дБ, называют болевым порогом. При длительном воздействии такого звука происходит необратимое ухудшение слуха: человек, привыкший к рок - концертам уже никогда не услышит тихий шепот или шелест листьев.

Высота звука – характеристика частоты звуковой волны, чем больше частота колебаний источника звука, тем выше издаваемый им звук.

Кто в полете быстрее машет крыльями – муха, шмель или комар?

Частота колебаний крыльев насекомых и птиц в полете, Гц

Аисты	2
Бабочки- капустницы	до 9
Воробьи	до 13
Вороны	3-4
Жуки майские	45
Колибри	35-50
Комары	500-600
Мухи комнатные	190-330
Пчелы	200-250
Шмель	220
Слепни	100
Стрекозы	38-100

Каких птиц и насекомых мы слышим, а каких нет?

У какого насекомого самый высокий звук? (У комара)

Частота звуковых колебаний, соответствующих человеческому голосу, составляет от 80 до 1400 Гц.

При увеличении частоты в 2 раза звук повышается на октаву – именно из этих соображений и была выбрана октава. Каждая октава делится на 12 интервалов в полтона каждая.

Тембр звука определяется формой звуковых колебаний.

Мы знаем, что ветви камертона совершают гармонические (синусоидальные) колебания. Таким колебаниям присуща только одна строго определенная частота. Гармонические колебания являются самым простым видом колебаний. Звук камертона является чистым тоном.

Чистым тоном называется звук источника, совершающего гармонические колебания одной частоты.

Звуки от других источников (например, звуки различных музыкальных инструментов, голоса людей, звук сирены и многие другие) представляют собой совокупность гармонических колебаний разных частот, т. е. совокупность чистых тонов.

Самая низкая (т. е. самая малая) частота такого сложного звука называется основной частотой , а соответствующий ей звук определенной высоты - основным тоном (иногда его называют просто тоном). Высота сложного звука определяется именно высотой его основного тона.

Все остальные тоны сложного звука называются обертонами . Частоты всех обертонов данного звука в целое число раз больше частоты его основного тона (поэтому их называют также высшими гармоническими тонами).

Обертоны определяют тембр звука, т. е. такое его качество, которое позволяет нам отличать звуки одних источников от звуков других. Например, мы легко отличаем звук рояля от звука скрипки даже в том случае, если эти звуки имеют одинаковую высоту, т.е. одну и ту же частоту основного тона. Отличие этих звуков обусловлено разным набором обертонов (совокупность обертонов различных источников может отличаться количеством обертонов, их амплитудами, сдвигом фаз между ними, спектром частот).

Проверь себя.

Как по звуку можно отличить работает дрель вхолостую или под нагрузкой?
Чем музыкальные звуки отличаются от шума?
(Шум отличается от музыкального тона тем, что ему не соответствует какая-либо определенная высота звука. В шуме присутствуют колебания всевозможных частот и амплитуд.)
Проекция скорости одной из точек звучащей струны виолончели меняется со временем так, как показано на графике. Определите частоту колебаний проекции скорости.

Человек обладает таким уникальным органом как ухо – приемник звука. Давайте рассмотрим, как человек слышит.

Звуковые волны, распространяющиеся в воздухе, проделывают сложный путь, прежде чем мы воспримем их. Сначала они проникают в ушную раковину и заставляют вибрировать барабанную перепонку, замыкающую наружный слуховой проход. Слуховые косточки доносят эти колебания до овального окна внутреннего уха. Пленка, которая закрывает окно, передает вибрации, заполняющей улитку жидкости. Наконец колебания достигают слуховых клеток внутреннего уха. Головной мозг воспринимает эти сигналы и распознает шумы, звуки, музыку, речь.

Одна из важнейших характеристик голоса его тембр, т.е. набор спектральных линий, среди которых можно вы делить пики, состоящие из нескольких обертонов,- так называемые форманты. Именно форманты определяют секрет индивидуального звучания голоса и позволяют распознавать речевые звуки, так как у разных людей форманты даже одного и того же звука отличаются по частоте, ширине и интенсивности. Тембр голоса строго индивидуален, поскольку в процессе звукообразования важную роль играют специфические для каждого индивидуума резонаторные полости глотки, носа, околоносовых пазух и т.д. Неповторимость человеческого голоса можно сравнить лишь с неповторимостью узора отпечатков пальцев. Во многих странах мир, магнитофонная запись человеческого голоса считается неоспоримым юридическим документом, подделать который не возможно

Спектры голосов певцов отличаются от спектра голос обычного человека: в них сильно выражена высокая певческая форманта, т.е. обертоны с частотами 2500-3000 Гц, придающие голосу звонкий оттенок. У выдающихся певцов они составляют в спектре до 35 и более процентов (рис. слева), в то время как у опытных - 15-30%, а у начинающих - 3-5% (рис., справа).

Принято выделять три разновидности голосов для обоих полов: у мужчин - бас, баритон, тенор; у женщин - альт, меццо-сопрано и сопрано. Это разделение является в большей степени искусственным: оно не учитывает большое количество “промежуточных” голосов, так как пока нет объективного метода оценки качества голоса из-за безграничного сочетания его свойств.

Рассматривая звуковые колебания нельзя не обратить, внимание на влияние шумов на организм человека.

Длительное воздействие шумов на человека приводит к повреждению центральной нервной системы, повышению кровяного и внутричерепного давления, нарушению нормальной работы сердца, головокружению. Вредное воздействие сильных шумов на человека было замечено давно. Еще 2000 лет назад в Китае в качестве наказания заключенные подвергались непрерывному воздействию звуков флейт, барабанов и крикунов, пока не падали замертво. При мощности шума 3 кВт и частоте 800 Гц нарушается способность глаза к фокусировке. Мощность шума 5-8кВт дезорганизует работу скелетной мускулатуры, вызывает паралич, потерю памяти. Мощность шума около 200кВт приводит к смерти. Поэтому в больших городах запрещено использование резких и громких сигналов. Значительно снижают шумы деревья, кустарники, которые их поглощают. Поэтому вдоль дорог с интенсивным автомобильным движением необходимы зеленые насаждения. Тишина значительно повышает остроту слуха.

Д/З §34-38 упр. 31(1), упр.32 (2,3) практическое задание: определение зависимости высоты тона от частоты колебаний, используя кусочек резиновой нити.

Закончить урок мне хочется вот такими словами. У Н. Рериха есть картина, названная им “Человеческие праотцы”. Юный пастушок играет на свирели, и со всех сторон сходятся к нему большие бурые медведи. Что влечет их? Музыка? Легенда говорит, что предками некоторых славянских племен были медведи. Думается, идут они услышать самую чудесную музыку на свете – голос доброго человеческого сердца.

Литература:

А. В. Перышкин, Е. М. Гутник Физика 9 класс Дрофа 2003г.
С. В. Громов, Н. А. Родина Физика 8 класс М. Просвещение 2001г.
В. Н. Мощанский Физика 9 класс М. Просвещение 1994г.
А. В. Аганов, Р.К. Сафиуллин, А. И. Скворцов, Д.А. Таюрский Физика вокруг нас. Качественные задачи по физике.М. Дом педагогики 1998 г.
С. А. Чандаева Физика и человек.М. АО Аспект Пресс 1994 г.
Естествознание в школе № 1 2004 г

Лабораторная работа №5

Аудиометрия

Студент должен знать : что называется звуком, природу звука, источники звука; физические характеристики звука (частота, амплитуда, скорость, интенсивность, уровень интенсивности, давление, акустический спектр); физиологические характеристики звука (высота, громкость, тембр, минимальная и максимальная частоты колебаний, воспринимаемые данным человеком, порог слышимости, порог болевого ощущения) их связь с физическими характеристиками звука; слуховой аппарат человека, теории восприятия звука; коэффициент звукоизоляции; акустический импеданс, поглощение и отражение звука, коэффициенты отражения и проникновения звуковых волн, реверберация; физические основы звуковых методов исследования в клинике, понятие об аудиометрии.

Студент должен уметь: с помощью звукового генератора снимать зависимость порога слышимости от частоты; определять минимальную и максимальную, воспринимаемые Вами частоты колебаний, снимать аудиограмму с помощью аудиометра.

Краткая теория

Звук. Физические характеристики звука

Звуком называются механические волны с частотой колебаний частиц упругой среды от 20 Гц до 20000 Гц, воспринимаемые человеческим ухом.

Физическими называют те характеристики звука, которые существуют объективно. Они не связаны с особенностями ощущения человеком звуковых колебаний. К физическим характеристикам звука относятся частота, амплитуда колебаний, интенсивность, уровень интенсивности, скорость распространения звуковых колебаний, звуковое давление, акустический спектр звука, коэффициенты отражения и проникновения звуковых колебаний и др. Кратко рассмотрим их.

1. Частота колебаний . Частотой звуковых колебаний называется число колебаний частиц упругой среды (в которой распространяются звуковые колебания) в единицу времени. Частота звуковых колебаний лежит в пределах 20 - 20000 Гц. Каждый конкретный человек воспринимает определенный диапазон частот (обычно несколько выше 20 Гц и ниже 20000 Гц).

2. Амплитудой звукового колебания называется наибольшее отклонение колеблющихся частиц среды (в которой распространяется звуковое колебание) от положения равновесия.

3. Интенсивностью звуковой волны (или силой звука ) называется физическая величина, численно равная отношению энергии, переносимой звуковой волной в единицу времени через единицу площади поверхности, ориентированной перпендикулярно вектору скорости звуковой волны, то есть:

где W - энергия волны, t - время переноса энергии через площадку площадью S .

Единица интенсивности: [I ] = 1Дж/(м 2 с) = 1Вт/м 2 .

Обратим внимание на то, что энергия и соответственно интенсивность звуковой волны прямо пропорциональны квадрату амплитуды «А » и частоты «ω » звуковых колебаний:

W ~ A 2 и I ~ A 2 ; W ~ ω 2 и I ~ ω 2 .

4. Скоростью звука называется скорость распространения энергии звукового колебания. Для плоской гармонической волны фазовая скорость (скорость распространения фазы колебания (фронта волны), например, максимума или минимума, т.е. сгустка или разряжения среды) равна скорости волны. Для сложного колебания (по теореме Фурье можно представить в виде суммы гармонических колебаний) вводится понятие групповой скорости – скорость распространения группы волн, с которой переносится энергия данной волной.

Скорость звука в любой среде можно найти по формуле:

где Е - модуль упругости среды (модуль Юнга), r - плотность среды.

С увеличением плотности среды (например, в 2 раза) модуль упругости Е возрастает в большей степени (более чем в 2 раза), поэтому с увеличением плотности среды скорость звука возрастает. Например, скорость звука в воде равна ≈ 1500 м/с, в стали - 8000 м/с.

Для газов формулу (2) можно преобразовать и получить в следующем виде:

(3)

где g = С Р / С V - отношение молярных или удельных теплоемкостей газа при постоянном давлении (С Р ) и при постоянном объеме (С V ).

R - универсальная газовая постоянная (R=8,31 Дж/моль·К );

Т - абсолютная температура по шкале Кельвина (T=t o C+273 );

М - молярная масса газа (для нормальной смеси газов воздуха

М=29×10 -3 кг/моль ).

Для воздуха при Т=273К и нормальном атмосферном давлении скорость звука равна υ=331,5 » 332 м/с . Следует заметить, что интенсивность волны (векторная величина) часто выражают через скорость волны :

или ,(4)

где S× l - объем, u=W/ S× l - объемная плотность энергии. Вектор в уравнении (4) называют вектором Умова .

5. Звуковым давлением называется физическая величина, численно равная отношению модуля силы давления F колеблющихся частиц среды, в которой распространяется звук, к площади S перпендикулярно ориентированной площадки по отношению к вектору силы давления.

P = F/S [P ]= 1Н/м 2 = 1Па (5)

Интенсивность звуковой волны прямо пропорциональна квадрату звукового давления:

I = Р 2 /(2r υ) , (7)

где Р - звуковое давление, r - плотность среды, υ - скорость звука в данной среде.

6.Уровень интенсивности . Уровнем интенсивности (уровнем силы звука) называется физическая величина, численно равная:

L=lg(I/I 0) , (8)

где I - интенсивность звука, I 0 =10 -12 Вт/м 2 - наименьшая интенсивность, воспринимаемая человеческим ухом на частоте 1000 Гц.

Уровень интенсивности L , исходя из формулы (8), измеряют в белах (Б). L = 1 Б , если I=10I 0 .

Максимальная интенсивность, воспринимаемая человеческим ухом I max =10 Вт/м 2 , т.е. I max / I 0 =10 13 или L max =13 Б.

Чаще уровень интенсивности измеряют в децибелах (дБ ):

L дБ =10 lg(I/I 0) , L=1 дБ при I=1,26I 0 .

Уровень силы звука можно находить через звуковое давление.

Так как I ~ Р 2 , то L(дБ) = 10lg(I/I 0) = 10 lg(P/P 0) 2 = 20 lg(P/P 0) , где P 0 = 2×10 -5 Па (при I 0 =10 -12 Вт/м 2).

7.Тоном называется звук, являющийся периодическим процессом (периодические колебания источника звука совершаются не обязательно по гармоническому закону). Если источник звука совершает гармоническое колебание x=ASinωt , то такой звук называют простым или чистым тоном. Негармоническому периодическому колебанию соответствует сложный тон, который можно по теореме Фурье представить в виде совокупности простых тонов с частотами n о (основной тон) и 2n о , 3n о и т.д., называемых обертонами с соответствующими амплитудами.

8.Акустическим спектром звука называется совокупность гармонических колебаний с соответствующими частотами и амплитудами колебаний, на которые можно разложить данный сложный тон. Спектр сложного тона линейчатый, т.е. частоты n о, 2n о и т.д.

9. Шумом (звуковым шумом) называют звук, который представляет собой сложные, неповторяющиеся во времени колебания частиц упругой среды. Шум представляет собой сочетание беспорядочно изменяющихся сложных тонов. Акустический спектр шума состоит практически из любых частот звукового диапазона, т.е. акустический спектр шума - сплошной.

Звук может быть и в виде звукового удара. Звуковой удар - это кратковременное (обычно интенсивное) звуковое воздействие (хлопок, взрыв и т.п.).

10.Коэффициенты проникновения и отражения звуковой волны. Важной характеристикой среды, определяющей отражение и проникновение звука является волновое сопротивление (акустический импеданс) Z=r υ , где r - плотность среды, υ - скорость звука в среде.

Если плоская волна падает, например, нормально к границе раздела двух сред, то звук частично проходит во вторую среду, а часть звука отражается. Если падает звук интенсивностью I 1 , проходит - I 2 , отражается I 3 =I 1 - I 2 , то:

1) коэффициентом проникновения звуковой волны b называется b=I 2 /I 1 ;

2) коэффициентом отражения a называется:

a= I 3 /I 1 =(I 1 -I 2)/I 1 =1-I 2 /I 1 =1-b.

Релей показал, что b =

Если υ 1 r 1 = υ 2 r 2 , то b=1 (максимальное значение), при этом a=0 , т.е. отраженная волна отсутствует.

Если Z 2 >>Z 1 или υ 2 r 2 >> υ 1 r 1 , то b » 4 υ 1 r 1 / υ 2 r 2 . Так, например, если звук падает из воздуха в воду, то b=4(440/1440000)=0,00122 или 0,122% интенсивности падающего звука проникает из воздуха в воду.

11. Понятие о реверберации . Что представляет собой реверберация? В закрытом помещении звук многократно отражается от потолка, стен, пола и т. п. с постепенно уменьшающейся интенсивностью. Поэтому после прекращения действия источника звука в течение некоторого времени слышен звук за счет многократного отражения (гул).

Реверберацией называется процесс постепенного затухания звука в закрытых помещениях после прекращения излучения источником звуковых волн. Временем реверберации называется время, в течение которого интенсивность звука при реверберации снижается в 10 6 раз. При проектировании учебных аудиторий, концертных залов и т.п. учитывают необходимость получения определенного времени (интервала времени) реверберации. Так, например, для Колонного зала Дома Союзов и Большого театра г. Москвы время реверберации для пустых помещений соответственно равно 4,55 с и 2,05 с, для заполненных – 1,70 с и 1,55 с.

Звук – объективно существующее в природе физическое явление, вызываемое механическими колебаниями какого-либо упругого тела, вследствие чего образуются звуковые волны, воспринимаемые ухом и преобразуемые в нём в нервные импульсы. Звуковыми волнами называются периодически чередующиеся сгущения и разрежения в какой-либо упругой (т.е. звукопроводящей) среде; звуковые волны воспринимаются слуховыми органами человека и животных и при помощи центростремительных нервов передаются в большие полушария головного мозга, где и осознаются как конкретные звуки.

Все звуки вокруг нас распадаются на 2 типа: с определенный высотой (музыкальные звуки) и с неопределённой высотой (шумовые звуки). Музыкальные звуки составляют звуковой фонд музыки, в то время как шумовые звуки применяются лишь эпизодически. Музыкальный звук имеет 4 основных свойства: высота, длительность, громкость, тембр.

Высота

Высота звука обусловлена частотой колебаний вибратора и находится от неё в прямой зависимости. Частота колебаний находится в обратной зависимости от величины (длины и толщины) звучащего тела и в прямой – от упругости.

Слух человека воспринимает звуки в диапазоне частот от 16 до 20000 Гц, в раннем детстве до 22000 Гц, в старости до 14000-15000Гц. Наиболее точно и ясно человек воспринимает звуки в пределах 16-4200-4500Гц, этот диапазон и используется в музыке. Зависимость между частотой колебаний и высотой звука – геометрическая прогрессия. При увеличении частоты на 110 Гц (это приблизительно соответствует укорачиванию струны в два раза) от A (110Гц) образуются интервалы: ч.8, ч.5, ч.4, б. 3, м.3, м.3, несколько б.2, несколько м.2. Дальше образуются интервалы меньше полутона. Этот звуковой ряд соответствует натуральному ряду чисел и называется натуральным звукорядом. Его можно получить при делении струны на 2, 3, 4, 5, 6 и т.д. частей, чем пользуются при исполнении на струнных инструментах флажолетов. Эталон высоты звука – 440 Гц (а первой октавы).

Акустическая единица измерения звуковысотных расстояний – цент = 1/100 темперированного полутона. Порог различения изменения высоты звука в среднем регистре – 5 центов.

Длительность

Длительность звука – выраженное в ритмических единицах время, в течение которого совершаются колебательные движения вибратора. Прямая зависимость. Длительность музыкального звука колеблется от 0,015-0,02 с до нескольких минут (педальные звуки органа). В тактовой нотации (с 17 в.) ноты указывают лишь относительную длительность звука, реальное значение которой зависит от темпа.

Громкость

Громкость звука – отражение в восприятии силы звука, обусловленной амплитудой колебаний. Применяемые в музыкальной практике обозначения динамических оттенков показывают не абсолютные значения громкости звука, а соотношения между их градациями.Forte (f) сильно, громко, piano (p) слабо, тихо; mezzo forte (mf) умеренно громко; mezzo piano (mp) умеренно тихо; fortissimo (ff) очень громко; pianissimo (pp) очень тихо; forte-fortissimo (fff) чрезвычайно громко; piano-pianissimo (ppp) чрезвычайно тихо. Реже встречаются 4, 5 f или p.

Subito piano, subito forte (subito p, subito f) – внезапно громко или тихо.

Crescendo (cresc.) – постепенно усиливая силу звука; diminuendo, decrescendo (dim., decresc.) - постепенно затихая.

Колебания бывают 2 видов: затухающие (т.е. с постепенно уменьшающейся за счё т сопротивления воздуха и внутреннего торможения амплитудой – рояль, арфа, струнно-щипковые) и незатухающие (с постоянной или произвольно меняющейся амплитудой – орган, скрипка при игре смычком). При затухающих колебаниях громкость звука постепенно уменьшается до полного затихания (высота остаётся практически неизменной). При незатухающих колебаниях громкость можно варьировать в зависимости от художественных целей.

Интенсивность (сила) звука – отношение падающей на поверхность звуковой мощности к площади этой поверхности, измеряется в Вт/м2. При росте силы звука в геометрической прогрессии громкость возрастает лишь в арифметической.

Тембр

Тембр – окраска звука, характер звучания. Он зависит от конструкции инструмента, материала, из которого он сделан, его качества, способа звукоизвлечения, среды, где распространяется звук и т.д. В характеристике тембра большое значение имеют обертоны и их соотношение по высота и громкости, шумовые призвуки, форманты, вибрато и т.д.

Обертоны – призвуки, входящие в спектр музыкального звука, звучат выше основного тона.

На характер тембра влияют количество слышимых обертонов и то или иное распределение громкости между отдельными гармониками (тонами, входящими в состав сложного звука). Форманта – область усиленных частичных тонов в спектре музыкальных звуков и звуков речи, а также сами эти призвуки, определяющие своеобразие тембра звука. Форманты есть почти у всех музыкальных инструментов и голоса. Например, в пении, кроме речевых формант, возникают характерные певческие форманты: высокая певческая форманта (около 3000 Гц) придаёт голосу блеск, серебристость, «полётность», способствует хорошей разборчивости гласных и согласных; низкая певческая форманта (около 500 Гц) придаёт звучанию мягкость, округлость.

1. Звук, виды звука.

2. Физические характеристики звука.

3. Характеристики слухового ощущения. Звуковые измерения.

4. Прохождение звука через границу раздела сред.

5. Звуковые методы исследования.

6. Факторы, определяющие профилактику шума. Защита от шума.

7. Основные понятия и формулы. Таблицы.

8. Задачи.

3.1. Звук, виды звука

Звук с частотой ниже 16-20 Гц называется инфразвуком, выше 20 кГц -ультразвуком, а самые высокочастотные упругие волны в диапазоне от 10 9 до 10 12 Гц - гиперзвуком.

Звуки, встречающиеся в природе, разделяют на несколько видов.

Звуковой удар - это кратковременное звуковое воздействие (хлопок, взрыв, удар, гром).

Акустический спектр тона - это совокупность всех его частот с указанием их относительных интенсивностей или амплитуд.

Рис. 3.1. Спектры ноты рояля (а) и кларнета (б)

Акустический спектр шума является сплошным.

3.2. Физические характеристики звука

Скорость звука в воде равна 1500 м/с; близкое значение имеет скорость звука и в мягких тканях организма.

2. Звуковое давление. Распространение звука сопровождается изменением давления в среде (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Изменение давления в среде при распространении звука.

Звуковое давление (Δ Ρ) - это амплитуда тех изменений давления в среде, которые возникают при прохождении звуковой волны.

3. Интенсивность звука (I). Распространение звуковой волны сопровождается переносом энергии.

Интенсивность звука - это плотность потока энергии, переносимой звуковой волной (см. формулу 2.5).

Связь между интенсивностью (I) и звуковым давлением (ΔΡ) выражается следующей формулой:

где ρ - плотность среды; v - скорость звука в ней.

Минимальные значения звукового давления и интенсивности звука, при которых у человека возникают слуховые ощущения, называются порогом слышимости.

ΔΡ 0 = 3х10 -5 Па (≈ 2х10 -7 мм рт.ст.); I 0 = 10 -12 Вт/м 2 .

Значения звукового давления и интенсивности звука, при которых у человека возникают выраженные болевые ощущения, называются порогом болевого ощущения.

Уровнем интенсивности называют десятичный логарифм отношения интенсивности звука к порогу слышимости:

Единицей измерения уровня интенсивности является бел (Б).

Характеристики часто встречающихся звуков приведены в табл. 3.1.

3.3. Характеристики слухового ощущения. Звуковые измерения

Звук является объектом слухового ощущения. Он оценивается человеком субъективно. Все субъективные характеристики слухового ощущения связаны с объективными характеристиками звуковой волны.

Высота, тембр

Воспринимая звуки, человек различает их по высоте и тембру.

Высота тона обусловлена прежде всего частотой основного тона (чем больше частота, тем более высоким воспринимается звук). В меньшей степени высота зависит от интенсивности звука (звук большей интенсивности воспринимается более низким).

Тембр - это характеристика звукового ощущения, которая определяется его гармоническим спектром. Тембр звука зависит от числа обертонов и от их относительных интенсивностей.

Закон Вебера-Фехнера. Громкость звука

Использование логарифмической шкалы для оценки уровня интенсивности звука хорошо согласуется с психофизическим законом Вебера-Фехнера:

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).

Именно логарифмическая функция обладает такими свойствами.

Громкостью звука называют интенсивность (силу) слуховых ощущений.

Ухо человека имеет различную чувствительность к звукам различных частот. Для учета этого обстоятельства можно выбрать некоторую опорную частоту, а восприятие остальных частот сравнивать с нею. По договоренности опорную частоту приняли равной 1 кГц (по этой причине и порог слышимости I 0 установлен для этой частоты).

Для чистого тона с частотой 1 кГц громкость (Е) принимают равной уровню интенсивности в децибелах:

Для остальных частот громкость определяют путем сравнения интенсивности слуховых ощущений с громкостью звука на опорной частоте.

Громкость звука равна уровню интенсивности звука (дБ) на частоте 1 кГц, вызывающего у «среднего» человека такое же ощущение громкости, что и данный звук.

Единицу громкости звука называют фоном.

Ниже приводится пример зависимости уровня громкости от частоты при уровне интенсивности 60 дБ.

Кривые равной громкости

Детальную связь между частотой, громкостью и уровнем интенсивности изображают графически с помощью кривых равной громкости (рис. 3.3). Эти кривые демонстрируют зависимость уровня интенсивности L дБ от частоты ν звука при заданной громкости звука.

Нижняя кривая соответствует порогу слышимости. Она позволяет найти пороговое значение уровня интенсивности (Е = 0) при заданной частоте тона.

С помощью кривых равной громкости можно найти громкость звука, если известны его частота и уровень интенсивности.

Звуковые измерения

Кривые равной громкости отражают восприятие звука средним человеком. Для оценки слуха конкретного человека применяется метод тональной пороговой аудиометрии.

Аудиометрия - метод измерения остроты слуха. На специальном приборе (аудиометре) определяется порог слухового ощущения, или порог восприятия, L П на разных частотах. Для этого с помощью звукового генератора создают звук заданной частоты и, увеличивая уро-

Рис. 3.3. Кривые равной громкости

вень интенсивности L, фиксируют пороговый уровень интенсивность L п, при котором у испытуемого появляются слуховые ощущения. Меняя частоту звука, получают экспериментальную зависимость L п (v), которую называют аудиограммой (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Аудиограммы

Нарушение функции звуковоспринимающего аппарата может привести к тугоухости - стойкому снижению чувствительности к различным тонам и шепотной речи.

Международная классификация степеней тугоухости, основанная на усредненных значениях порогов восприятия на речевых частотах, приведена в табл. 3.2.

Для измерения громкости сложного тона или шума используют специальные приборы - шумомеры. Звук, принимаемый микрофоном, преобразуется в электрический сигнал, который пропускается через систему фильтров. Параметры фильтров подобраны так, что чувствительность шумомера на различных частотах близка к чувствительности человеческого уха.

3.4. Прохождение звука через границу раздела сред

При падении звуковой волны на границу раздела между двумя средами звук частично отражается, а частично проникает во вторую среду. Интенсивности отраженной и прошедшей через границу волн определяются соответствующими коэффициентами.

При нормальном падении звуковой волны на границу раздела сред справедливы следующие формулы:

Из формулы (3.9) видно, что чем сильнее различаются волновые сопротивления сред, тем большая доля энергии отражается на границе раздела. В частности, если величина х близка к нулю, то коэффициент отражения близок к единице. Например, для границы воздух-вода х = 3х10 -4 , а r = 99,88 %. То есть отражение является практически полным.

В таблице 3.3 приведены скорости и волновые сопротивления некоторых сред при 20 °С.

Отметим, что значения коэффициентов отражения и преломления не зависят от того порядка, в котором звук проходит данные среды. Например, для перехода звука из воздуха в воду значения коэффициентов такие же, как для перехода в обратном направлении.

3.5. Звуковые методы исследования

Звук может быть источником информации о состоянии органов человека.

1. Аускультация - непосредственное выслушивание звуков, возникающих внутри организма. По характеру таких звуков можно определить, какие именно процессы протекают в данной области тела, и в некоторых случаях установить диагноз. Приборы, применяемые для выслушивания: стетоскоп, фонендоскоп.

Фонендоскоп состоит из полой капсулы с передающей мембраной, которая прикладывается к телу, от нее идут резиновые трубки к уху врача. В полой капсуле возникает резонанс столба воздуха, вызывающий усиление звучания и, следовательно, улучшение выслушивания. Выслушиваются дыхательные шумы, хрипы, тоны сердца, шумы в сердце.

В клинике используются установки, в которых выслушивание осуществляется при помощи микрофона и динамика. Широко

применяется запись звуков с помощью магнитофона на магнитную ленту, что дает возможность их воспроизведения.

2. Фонокардиография - графическая регистрация тонов и шумов сердца и их диагностическая интерпретация. Запись осуществляется с помощью фонокардиографа, который состоит из микрофона, усилителя, частотных фильтров, регистрирующего устройства.

3. Перкуссия - исследование внутренних органов посредством постукивания по поверхности тела и анализа возникающих при этом звуков. Постукивание осуществляется либо с помощью специальных молоточков, либо при помощи пальцев.

Если в замкнутой полости вызвать звуковые колебания, то при определенной частоте звука воздух в полости начнет резонировать, усиливая тот тон, который соответствует размеру полости и ее положению. Схематично тело человека можно представить суммой разных объемов: газонаполненных (легкие), жидких (внутренние органы), твердых (кости). При ударе по поверхности тела возникают колебания с разными частотами. Часть из них погаснет. Другие совпадут с собственными частотами пустот, следовательно, усилятся и из-за резонанса будут слышны. По тону перкуторных звуков определяют состояние и топографию органа.

3.6. Факторы, определяющие профилактику шума.

Защита от шума

Для профилактики шума необходимо знать основные факторы, определяющие его воздействие на организм человека: близость источника шума, интенсивность шума, длительность воздействия, ограниченность пространства, в котором действует шум.

Длительное воздействие шума вызывает сложный симптоматический комплекс функциональных и органических изменений в организме (и не только органа слуха).

Воздействие длительного шума на ЦНС проявляется в замедлении всех нервных реакций, сокращении времени активного внимания, снижении работоспособности.

После длительного действия шума изменяется ритм дыхания, ритм сердечных сокращений, возникает усиление тонуса сосудистой системы, что приводит к повышению систолического и диастоли-

ческого уровня кровяного давления. Изменяется двигательная и секреторная деятельность желудочно-кишечного тракта, наблюдается гиперсекреция отдельных желез внутренней секреции. Имеет место повышение потливости. Отмечается подавление психических функций, особенно памяти.

Специфическое действие оказывает шум на функции органа слуха. Ухо, как и все органы чувств, способно адаптироваться к шуму. При этом под действием шума порог слышимости повышается на 10-15 дБ. После прекращения шумового воздействия нормальное значение порога слышимости восстанавливается только через 3-5 минут. При высоком уровне интенсивности шума (80-90 дБ) его утомляющее действие резко усиливается. Одной из форм расстройства функции органа слуха, связанной с длительным воздействием шума, является тугоухость (табл. 3.2).

Сильное воздействие как на физическое, так и на психологическое состояние человека оказывает рок-музыка. Современная рок-музыка создает шум в диапазонах от 10 Гц до 80 кГц. Экспериментально установлено, что если основной ритм, задаваемый ударными инструментами, имеет частоту 1,5 Гц и имеет мощное музыкальное сопровождение на частотах 15-30 Гц, то у человека наступает сильное возбуждение. При ритме с частотой 2 Гц при таком же сопровождении человек впадает в состояние, близкое наркотическому опьянению. На рок-концертах интенсивность звука может превышать 120 дБ, хотя человеческое ухо настроено наиболее благоприятно на среднюю интенсивность 55 дБ. При этом могут возникать контузии звуком, звуковые «ожоги», потеря слуха и памяти.

Шум оказывает вредное воздействие и на орган зрения. Так, длительное воздействие производственного шума на человека, находящегося в затемненном помещении, приводит к заметному снижению активности сетчатки глаза, от которой зависит работа глазного нерва, а следовательно, и острота зрения.

Защита от шума достаточно сложна. Это связано с тем, что вследствие сравнительно большой длины волны звук огибает препятствия (дифракция) и звуковая тень не образуется (рис. 3.5).

Кроме того, многие материалы, применяемые в строительстве и технике, имеют недостаточно высокий коэффициент поглощения звука.

Рис. 3.5. Дифракция звуковых волн

Эти особенности требуют специальных средств борьбы с шумами, к которым относятся подавление шумов, возникающих в самом источнике, использование глушителей, применение упругих подвесов, звукоизолирующих материалов, устранение щелей и т.п.

Для борьбы с шумами, проникающими в жилые помещения, большое значение имеют правильное планирование расположения зданий, учет розы ветров, создание защитных зон, в том числе и растительных. Растения - хороший гаситель шума. Деревья и кустарники могут снижать уровень интенсивности на 5-20 дБ. Эффективны зеленые полосы между тротуаром и мостовой. Лучше всего шум гасят липы и ели. Дома, находящиеся позади высокого хвойного заслона, могут быть избавлены от шумов улицы почти полностью.

Борьба с шумом не предполагает создания абсолютной тишины, так как при длительном отсутствии слуховых ощущений у человека могут возникнуть расстройства психики. Абсолютная тишина и длительный повышенный шум одинаково противоестественны для человека.

3.7. Основные понятия и формулы. Таблицы

Продолжение таблицы

Окончание таблицы

Таблица 3.1. Характеристики встречающихся звуков

Таблица 3.2. Международная классификация тугоухости

Таблица 3.3. Скорость звука и удельное акустическое сопротивление для некоторых веществ и тканей человека при t = 25 °С

3.8. Задачи

1. Звук, которому на улице соответствует уровень интенсивности L 1 = 50 дБ, слышен в комнате так, как звук с уровнем интенсивности L 2 = 30 дБ. Найти отношение интенсивностей звука на улице и в комнате.

2. Уровень громкости звука частотой 5000 Гц равен Е = 50 фон. Найти интенсивность этого звука, воспользовавшись кривыми равной громкости.

Решение

Из рисунка 3.2 находим, что на частоте 5000 Гц громкости Е =50 фон соответствует уровень интенсивности L = 47 дБ = 4,7 Б. Из формулы 3.4 находим: I = 10 4,7 I 0 = 510 -8 Вт/м 2 .

Ответ: I = 5?10 -8 Вт/м 2 .

3. Вентилятор создает звук, уровень интенсивности которого L = 60 дБ. Найти уровень интенсивности звука при работе двух рядом стоящих вентиляторов.

Решение

L 2 = lg(2x10 L) = lg2 + L = 0,3 + 6Б = 63 дБ (см. 3.6). Ответ: L 2 = 63 дБ.

4. Уровень громкости звука реактивного самолета на расстоянии 30 м от него равен 140 дБ. Каков уровень громкости на расстоянии 300 м? Отражением от земли пренебречь.

Решение

Интенсивность убывает пропорционально квадрату расстояния - уменьшается в 10 2 раз. L 1 - L 2 = 10xlg(I 1 /I 2) = 10x2 = 20 дБ. Ответ: L 2 = 120 дБ.

5. Отношение интенсивностей двух источников звука равно: I 2 /I 1 = 2. Чему равна разность уровней интенсивностей этих звуков?

Решение

ΔL = 10xlg(I 2 /I 0) - 10xlg(I 1 /I 0) = 10xlg(I 2 /I 1) = 10xlg2 = 3 дБ. Ответ: 3 дБ.

6. Каков уровень интенсивности звука с частотой 100 Гц, который имеет ту же громкость, что и звук с частотой 3 кГц и интенсивностью

Решение

Используя кривые равной громкости (рис. 3.3), найдем, что 25 дБ на частоте 3 кГц соответствуют громкости 30 фон. На частоте 100 Гц этой громкости соответствует уровень интенсивности 65 дБ.

Ответ: 65 дБ.

7. Амплитуда звуковой волны увеличилась в три раза. а) во сколько раз возросла ее интенсивность? б) на сколько децибел увеличился уровень громкости?

Решение

Интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды (см. 3.6):

8. В лабораторном помещении, находящемся в цехе, уровень интенсивности шума достигал 80 дБ. С целью уменьшения шума было решено обить стены лаборатории звукопоглощающим материалом, уменьшающим интенсивность звука в 1500 раз. Какой уровень интенсивности шума станет после этого в лаборатории?

Решение

Уровень интенсивности звука в децибелах: L = 10x lg(I/I 0). При изменении интенсивности звука изменение уровня интенсивности звука будет равно:

9. Импедансы двух сред различаются в 2 раза: R 2 = 2R 1 . Какая часть энергии отражается от границы раздела и какая часть энергии переходит во вторую среду?

Решение

Используя формулы (3.8 и 3.9) найдем:

Ответ: 1/9 часть энергии отражается, а 8/9 переходит во вторую среду.