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.
Высота звука является субъективной характеристикой, которая обусловлена в первую очередь, частотой основного тона.
Тембр – субъективная характеристика звука, определяемая спектром звука.
Громкость – субъективная оценка звука, являющаяся характеристикой слухового ощущения.
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.
Условно принимают, что при частоте в 1000 Гц шкалы громкости и интенсивности звука совпадают ($k=1$).
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.
Кортиев орган трансформирует механические колебания в электрические сигналы.
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.
