Биофизика звука

Акустикой называют раздел физики, который рассматривает упругие колебания и волны, диапазон которых от самых низких до очень высоких ($10^{12} - 10^{13 }$ Гц). Акустику рассматривают как учение о звуке, упругих колебаниях и волнах в газообразных средах, жидкостях и твердых телах, которые воспринимает ухо человека. Это частоты ν=16-20000 Гц.

Характеристики звука в физике

Колебания звука и волны являются частным случаем механических колебаний и волн. Выделяют следующие виды звуков:

• тоны или звуки музыки;
• шумы;
• звуковые удары.

Интенсивность в физике используется как энергетическая характеристика звука,это относится и к любой другой механической волне. Для ее выражения применяет вектор Умова.

Для практической оценки звука чаще применяют давление звука, которое появляется при прохождении волн звука в жидкости или газе. В пло$ской волне интенсивность$ (I) $и средняя амплитуда звукового давления$(p)$ связаны выражением: связаны выражением:

$I=p^2/(2ρc) (1)$, где:

• $ρ$ – плотность вещества, в котором распространяется волна;
• $c$ – скорость звука.

Человек при нормальном слухе воспринимает широкий диапазон интенсивностей звука, так при $ν=1000$ Гц диапазон воспринимаемых человеком интенсивностей звука:

• от $I=10^{-12} Вт/м^2$ или $p_0= 2∙10^{-5}$ Па (граница слышимости)

• до $I_{max}= 10 Вт/м^2$ или $p_{max }= 60$ Па (порог болевого ощущения).

Часто применяют шкалу уровней интенсивности звука. Она создается так: величину $I_0$ считают начальной на шкале, любую другую интенсивность $I$ выражают через десятичный огарифм ее отношения к $I_0$:

$L_B=lg⁡(I/I_0 ) (2)$.

Для давления звука имеем:

$L_B=2 lg⁡(p/p_0 ) (3).$

Параметры оценки слухового ощущения

Характеристики звука в физике, которые мы рассматривали выше, являются объективными и могут оцениваться приборами независимо от человека. Но звук – это объект слуховых ощущений, следовательно, может оцениваться человеком субъективно.

Человек способен различать тоны по высоте.

Громкость можно оценивать количественно при сравнении слуховых ощущений от двух источников. Шкала уровней громкости строится на основании закона Вебера – Фехнера. Этот психофизический закон говорит о том, что если раздражение увеличивается в геометрической прогрессии, то ощущение от него возрастает в арифметической прогрессии.

С точки зрения математики получается, что громкость звука пропорциональна логарифму его интенсивности.

При действии двух звуковых раздражителей, имеющих интенсивности $I$ и $I_ 0$, где $I_0$ – порог слышимости, то по закону Вебера – Фехнера громкость связана с интенсивностями как:

$E=k lg(I/I_0 )(4),$,

где $k$ – коэффициент пропорциональности, зависящий от частоты и интенсивности.

Громкость при других частотах измеряют, сравнивая рассматриваемый звук и «образцовым» звуком. С этой целью, используя генератор звука, создают звук частотой 1000 Гц. Изменяют его интенсивность до совпадения слуховых ощущений с рассматриваемым звуком.

Физика слуха

Слуховая система является связью непосредственного приемника волны звука с головным мозгом. Слуховая система принимает, обрабатывает и передает информацию. Для исследования физики слуха выделяют:

• наружное,
• среднее,
• внутреннее ухо.

Наружное ухо имеет ушную раковину и наружный слуховой проход. Ушная раковина помогает определять местоположение источника звука. Имея два уха, человек и животное могут определять направление на источник звука.

Волна звука идет через слуховой проход и фрагментарно отражается от барабанной перепонки. Происходит интерференция падающей и отраженной волн, это может вызывать акустический резонанс. Он появляется, если длина волны в 4 раза больше, чем длина слухового прохода.

Самые важные части среднего уха – барабанная перепонка и слуховые косточки, с соответствующими мышцами и сухожилиями и связками. Косточки осуществляют передачу механических колебаний от воздуха к жидкой среде внутреннего уха. Жидкость внутреннего уха обладает волновым сопротивлением. Основная функция внутреннего уха – передача внутреннему уху большей интенсивности звука, то есть среднее ухо проводит согласование волнового сопротивления воздуха и жидкости внутреннего уха.

Давление звука действует на барабанную перепонку с силой:

$F_0=p_0 S_0 (5)$,

где $p_0$ – давление звука.

На овальное окно внутреннего уха воздействует сила $F_1$ , которая порождает давление звука $p_1$ в жидком веществе:

$F_1=p_1/ S_1 (6).$

При этом, система косточек осуществляет роль рычага с выигрышем в силе со стороны внутреннего уха (у человека примерно в 1,3 раза).

Среднее ухо может увеличивать транспортировку наружного давления звука к внутреннему уху или ослаблять передачу колебаний, если звук имеет большую интенсивность. Среднее ухо соединено с атмосферой при помощи слуховой трубы.

Наружное и среднее ухо относят к звукопроводящей системе. Внутреннее ухо – приемник звука.

Главная часть внутреннего уха – улитка, которая преобразует механические колебания в электрический сигнал.

Вдоль улитки идут три канала. Первый канал называют вестибулярной лестницей, второй барабанной лестницей. Вестибулярная и барабанная лестницы объединяются в области купола улитки маленьким отверстием геликотермой. Эта система каналов наполнена перилимфой. Пространство между вестибулярной и барабанной лестницами называют улитковым каналом. Он содержит эндолимфу. Между улитковым каналом и барабанной лестницей находится основная мембрана. На ней лежит кортиев орган, обладающий рецепторными клетками. К улитке подходит слуховой нерв.

Основная мембрана представляет интерес для физиков. Она умеет выбирать частоты. Гельмгольц уподоблял основную мембрану настроенным струнам пианино. Бекеши показал ошибочность теории резонанса в этой области. Он доказал, что основная мембрана - это неоднородная линия передачи механического возбуждения. При наличии акустического стимула по основной мембране проходит волна. Затухание данной волны происходит в зависимости от частоты. С уменьшением частоты увеличивается расстояние распространения волны до места затухания.

Были получены теории в которых восприятие высоты тона определено положением максимума колебания основной мембраны.

Некоторые формы глухоты связывают с поражением рецепторного аппарата улитки. Улитка не способна создавать электрические сигналы под воздействием механических колебаний. Таким больным можно помочь, если имплантировать электроды в улитку.