Звук. Физические характеристики звука. Физическая и физиологическая характеристика шума и вибрации Что относится к физическим характеристикам звука

Акустика – область физики, изучающая упругие колебания и волны, методы получения и регистрации колебаний и волн, их взаимодействие с веществом.

Звук в широком смысле – упругие колебания и волны, распространяющиеся в газообразных, жидких и твердых веществах; в узком смысле – явление, субъективно воспринимаемое органом слуха человека и животных. В норме ухо человека слышит звук в диапазоне частот от 16 Гц до 20 кГц.

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

Существующие в природе звуки разделяют на несколько видов.

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

Тон – это звук, представляющий собой периодический процесс. Основной характеристикой тона является частота. Тон может быть простым, характеризующимся одной частотой (например, издаваемый камертоном, звуковым генератором), и сложным (издаваемым, например, аппаратом речи, музыкальным инструментом).

Сложный тон можно представить в виде суммы простых тонов (разложить на составляющие тона). Наименьшая частота такого разложения соответствует основному тону , а остальные – обертонам , или гармоникам . Обертоны имеют частоты, кратные основной частоте.

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

Шум – это звук, имеющий сложную, неповторяющуюся временную зависимость, и представляет собой сочетание беспорядочно изменяющихся сложных тонов. Акустический спектр шума – сплошной (шорох, скрип).

Физические характеристики звука:

а) 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 воздухе при нормальных условиях равна примерно 330 м/с (» 1200 км/ч). Скорость звука в воде равна 1500 м/с; близкое значение имеет скорость звука и в мягких тканях организма.

б) Интенсивность (I ) – энергетическая характеристика звука – это плотность потока энергии звуковой волны. Для уха человека важны два значения интенсивности (на частоте 1 кГц):

порог слышимости – I 0 = 10 –12 Вт/м 2 ; такой порог выбран на основе объективных показателей – это минимальный порог восприятия звука нормальным человеческим ухом; встречаются люди у которых интенсивность I 0 может составлять 10 –13 или 10 –9 Вт/м 2 ;

порог болевого ощущения – I max – 10 Вт/м 2 ; звук такой интенсивности человек перестает слышать и воспринимает его как ощущение давления или боли.

в) Звуковое давление (Р ). Распространение звуковой волны сопровождается изменением давления.

Звуковое давление (Р ) – это давление, дополнительно возникающее при прохождении звуковой волны в среде; оно является избыточным над средним давлением среды.

Физиологически звуковое давление проявляется как давление на барабанную перепонку. Для человека важны два значения этого параметра:

– звуковое давление на пороге слышимости – P 0 = 2×10 –5 Па;

– звуковое давление на пороге болевого ощущения – Р m ах =

Между интенсивностью (I ) и звуковым давлением (Р ) существует связь:

I = P 2 /2rv ,

где r – плотность среды, v – скорость звука в среде.

г) Волновое сопротивление среды (R a) – это произведение плотности среды (r )на скорость распространения звука (v ):

R a = rv .

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

r = I отр /I пад.

r рассчитывается по формуле:

r = [(R a 2 – R a 1)/(R a 2 + R a 1)] 2 .

Интенсивность преломленной волны зависит от коэффициента пропускания.

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

b = I прош /I пад.

При нормальном падении коэффициент b рассчитывается по формуле

b = 4(R a 1 /R a 2)/( R a 1 /R a 1 + 1) 2 .

Отметим, что сумма коэффициентов отражения и преломления равна единице, а их значения 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.

д) Уровень интенсивности . При сравнении интенсивности звука удобно пользоваться логарифмической шкалой, то есть сравнивать не сами величины, а их логарифмы. Для этого используется специальная величина – уровень интенсивности (L ):

L = lg (I /I 0); L = 2lg (P /P 0). (1.3.79)

Единицей измерения уровня интенсивности является – бел , [Б].

Логарифмический характер зависимости уровня интенсивности от самой интенсивности означает, что при увеличении интенсивности в 10 раз уровень интенсивности возрастает на 1 Б.

Один бел большая величина, поэтому на практике используют более мелкую единицу уровня интенсивности – децибел [дБ]: 1 дБ = 0,1 Б. Уровень интенсивности в децибелах выражается следующими формулами:

L ДБ = 10lg (I /I 0); L ДБ = 20lg (P /P 0).

Если в данную точку приходят звуковые волны от нескольких некогерентных источников , то интенсивность звука равна сумме интенсивностей всех волн:

I = I 1 + I 2 + ...

Для нахождения уровня интенсивности результирующего сигнала используется следующая формула:

L = lg (10 L l +10 L l + ...).

Здесь интенсивности должны быть выражены в белах . Формула для перехода имеет вид

L = 0,l×L ДБ.

Характеристики слухового ощущения:

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

Тембр звука определяется его гармоническим спектром. Различные акустические спектры соответствуют разному тембру, даже в том случае, когда основной тон у них одинаков. Тембр – это качественная характеристика звука.

Громкость звука – это субъективная оценка уровня его интенсивности.

Закон Вебера-Фехнера:

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

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 следующему правилу:

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

Е = klg (I/I 0). (1.3.80)

Пример 32. Звук, которому на улице соответствует уровень интенсивности L 1 = 50 дБ, слышен в комнате как звук с уровнем интенсивность L 2 = 30 дБ. Найти отношение интенсивностей звука на улице и в комнате.

Дано: L 1 = 50 дБ = 5 Б;

L 2 = 30 дБ = 3 Б;

I 0 = 10 –12 Вт/м 2 .

Найти: I 1 /I 2 .

Решение. Для того чтобы найти интенсивность звука в комнате и на улице, запишем формулу (1.3.79) для двух рассматриваемых в задаче случаев:

L 1 = lg (I 1 /I 0); L 2 = lg (I 2 /I 0),

откуда выразим интенсивности I 1 и I 2:

5 = lg (I 1 /I 0) Þ I 1 = I 0 ×10 5 ;

3 = lg (I 2 /I 0) Þ I 2 = I 0 ×10 3 .

Очевидно: I 1 /I 2 = 10 5 /10 3 = 100.

Ответ: 100.

Пример 33. Для людей с нарушенной функцией среднего уха слуховые аппараты сконструированы так, чтобы передавать колебания непосредственно на кости черепа. Для костной проводимости порог слухового восприятия на 40 дБ выше, чем для воздушной. Чему равна минимальная интенсивность звука, которую способен воспринимать человек с дефектом слуха?

Дано: L к = L в + 4.

Найти: I min .

Решение. Для костной и воздушной проводимости, согласно (1.3.79),

L к = lg (I min /I 0); L в = lg (I 2 /I 0), (1.3.81)

где I 0 – порог слышимости.

Из условия задачи и (1.3.81) следует, что

L к = lg (I min /I 0) = L в + 4 = lg (I 2 /I 0) + 4, откуда

lg (I min /I 0) – lg (I 2 /I 0) = 4, то есть,

lg [(I min /I 0) : (I 2 /I 0)] = 4 Þ lg (I min /I 2) = 4, имеем:

I min /I 2 = 10 4 Þ I min = I 2 ×10 4 .

При I 2 = 10 –12 Вт/м 2 , I min = 10 –8 Вт/м 2 .

Ответ: I min = 10 –8 Вт/м 2 .

Пример 34. Звук с частотой 1000 Гц проходит через стенку, при этом его интенсивность уменьшается с 10 –6 Вт/м 2 до 10 –8 Вт/м 2 . На сколько уменьшился уровень интенсивности?

Дано: n = 1000 Гц;

I 1 = 10 –6 Вт/м 2 ;

I 2 = 10 –8 Вт/м 2 ;

I 0 = 10 –12 Вт/м 2 .

Найти: L 2 – L 1 .

Решение. Уровни интенсивности звука до и после прохождения стенки найдем из (1.3.79):

L 1 = lg (I 1 /I 0); L 2 = lg (I 2 /I 0), откуда

L 1 = lg (10 –6 /10 –12) = 6; L 2 = lg (10 –8 /10 –12) = 4.

Тогда L 2 – L 1 = 6 – 4 = 2 (Б) = 20 (дБ).

Ответ: уровень интенсивности уменьшился на 20 дБ.

Пример 35. Для людей с нормальным слухом изменение уровня громкости ощущается при изменении интенсивности звука на 26 %. Какому интервалу громкости соответствует указанное изменение интенсивности звука? Частота звука составляет 1000 Гц.

Дано: n = 1000 Гц;

I 0 = 10 –12 Вт/м 2 ;

DI = 26 %.

Найти: DL .

Решение. Для частоты звука, равной 1000 Гц, шкалы интенсивностей и громкостей звука совпадают согласно формуле (1.3.80), так как k = 1,

Е = klg (I/I 0) = lg (I/I 0) = L , откуда

DL = lg (DI/I 0) = 11,4 (Б) = 1 (дБ) = 1 (фон).

Ответ: 1 фон.

Пример 36. Уровень интенсивности приемника составляет 90 дБ. Чему равен максимальный уровень интенсивности трех приемников, работающих одновременно?

Физиологическими характеристиками звука называют субъективные характеристики слухового ощущения звука слуховым аппаратом человека. К физиологическим характеристикам звука относится минимальная и максимальная частоты колебаний, воспринимаемые данным человеком, порог слышимости и порог болевого ощущения, громкость, высота, тембр звука.

1. Минимальная и максимальная частоты колебаний, воспринимаемые данным человеком . Частоты звуковыхколебаний лежат в пределах 20-20000 Гц. Однако наименьшая воспринимаемая частота данным человеком обычно больше 20 Гц, а наибольшая - меньше 20000 Гц, что определяется индивидуальными особенностями строения слухового аппарата человека. Например: n мин =32 Гц, n макс =17900 Гц .

2. Порогом слышимости называется воспринимаемая человеческим ухом минимальная интенсивность I o . Считается, что I o =10 -12 Вт/м 2 при n=1000 Гц . Однако обычно для конкретного человека порог слышимости больше I o .

Порог слышимости зависит от частоты звукового колебания. На какой-то частоте (обычно 1000-3000 Гц) в зависимости от длины слухового канала слухового аппарата человека происходит резонансное усиление звука в человеческом ухе. При этом ощущение звука будет наилучшим, а порог слышимости будет минимальным. При уменьшении или увеличении частоты колебаний условие резонанса ухудшается (удаление по частоте от резонансной частоты) и порог слышимости соответственно повышается.

3. Порогом болевого ощущения называется испытываемое человеческим ухом болевое ощущение при интенсивностях звука выше некоторого значения I пор (звуковая волна при этом как звук не ощущается). Порог болевого ощущения I пор зависит от частоты (хотя и в меньшей степени, чем порог слышимости). На низких и высоких частотах порог болевого ощущения снижается, т.е. болевые ощущения наблюдаются при больших интенсивностях.

4. Громкостью звука называется уровень слухового ощущения человеком данного звука. Громкость зависит, прежде всего, от человека, воспринимающего звук. Например, при достаточной интенсивности на частоте 1000 Гц громкость может быть равна и нулю (для глухого человека).

Для данного конкретного человека, воспринимающего звук, громкость зависит от частоты, интенсивности звука. Как и для порога слышимости, громкость максимальна обычно на частоте 1-3 кГц, а с уменьшением или увеличением частоты громкость снижается.

Громкость звука зависит от интенсивности звука сложным образом. В соответствии с психофизическим законом Вебера-Фехнера громкость Е прямо пропорциональна уровню интенсивности:

E = k . lg(I/I 0), где k зависит от частоты и интенсивности звука.

Громкость звука измеряют в фонах . Считается, что громкость в фонах численно равна уровню интенсивности в децибелах на частоте 1000 Гц . Например, громкость звука Е=30 фон ; это означает, что данный человек по уровню восприятия ощущает указанный звук так же, как и звук, частотой 1000 Гц и уровнем силы звука 30 дБ . Графически (см. учебник) строят кривые равной громкости, которые индивидуальны для каждого конкретного человека.

С целью диагностики состояния слухового аппарата человека с помощью аудиометра снимают аудиограмму - зависимость порога слышимости от частоты.

5. Высотой звука называется ощущения человеком чистого тона. С повышением частоты увеличивается и высота тона. С повышением интенсивности высота тона незначительно снижается.

6. Тембром звука называется ощущение человеком данного сложного звукового колебания. Тембр звука - это окраска звука, по которой мы различаем голос того или иного человека. Тембр зависит от акустического спектра звука. Однако один и тот же акустический спектр воспринимается различными людьми по-разному. Так, если слуховой аппарат у двух человек поменять друг другу, а мозговой анализатор звука оставить тем же, то окраска звука от знакомых ему людей будет казаться другой, т.е. он может и не узнать голос знакомого человека или голос покажется измененным.

Задание по УИРС

1. Изучить по учебникам устройство слухового аппарата, теории восприятия звука и физические основы звуковых методов исследования в клинике.

2. Найти громкость звука в фонах, если дано звуковое колебание с частотой 50 Гц и уровнем силы звука 100 дБ.

Порядок выполнения работы

Упражнение №1. Определение максимально воспринимаемой Вами частоты звука

(Минимальную воспринимаемую частоту с помощью данного звукового генератора определить не удается из-за прохождения в телефоны наушников помех в основном из сети частотой 50 Гц.)

Поставьте переключатели в следующее положение:

-тумблер сеть - в положение "Выкл ";

-множитель частоты (слева внизу) в положение "100 ";

- "выходное сопротивление " в положение "50 ";

" в положение "Выкл ";

Переключатели десятки и единицы децибел в положение "0 ".

Включите вилку сетевого шнура генератора в сеть 220 В, тумблер "сеть " поставьте в положение "Вкл ": наушники подключить к выходу генератора.

Ручкой регулировки выходного напряжения "Рег. вых. " поставить на вольтметре 20 В.

Поставьте частоту 20 000 Гц (лимб частоты в положение

200 Гц и множитель частоты стоит в положении "100", т.е. 200 Гц×100 = 20 000 Гц).

Плавно уменьшая частоту, определите такое ее значение, при котором услышите звук. Запишите ее значение. Это и есть воспринимаемая Вами верхняя граничная частота (ν 1верхн ).

Для уточнения этой границы повышайте частоту от 10 000 Гц до исчезновения звука, определив второе значение верхней граничной частоты ν 2верхн .

Значение воспринимаемой Вами верхней граничной частоты найдите как среднее арифметическое полученных двух значений частот: ν верхн = (ν 1верхн + ν 2верхн) / 2 .

Упражнение №2 . Определение зависимости порога слышимости от частоты

Провести измерения на следующих частотах: 50, 100, 200, 400, 1000, 2000, 4000 и 8000 Гц. За исходный уровень взять такую интенсивность звука на частоте 1000 Гц (при затухании 0 дБ), при которой громкость звука не вызывает у Вас неприятных ощущений.

Поставьте частоту 50 Гц, переключателем десятков децибел добиться исчезновения звука, затем уменьшить затухание на 10 дБ и ручкой единицы децибел ввести затухания до исчезновения звука. Запишите результат в таблицу 1.

Таблица 1

Физические характеристики звуковых волн имеют объективный характер и могут быть измерены соответствующими приборами в стандартных единицах – Это интенсивность, частота и спектр звука .

Интенсивность звука - э нергетическая характеристика звуковой волны, представляет собой энергию звуковой волны, попадающей на поверхность единичной площади за единицу времени, и измеряется в Вт/м 2 . Интенсивность звука определяет физиологическую характеристику слухового ощущении – громкость .

Частота звуковых колебаний (Гц)- определяет физиологическую характери­стику зву­кового ощущения, которую называют высотой звука .

Возможность оценки высоты тона слуховым аппаратом че­ловека связана с продолжительностью звучания. Ухо не способно оценить высоту тона, если время звукового воздей­ствия меньше 1/20 секунды.

Спектральный состав звуковых колебаний (акустический спектр), - число гармонических составляющих звука и соотношение их амплитуд, определяет тембр звука , физиологическую характеристику слухового ощущения.

Диаграмма слышимости.

Чтобы сформировалось слуховое ощущение, интенсив­ность звуковых волн должна превысить некоторое минимальное значение, называемое порогом слышимости. Оно имеет различные значения для различных частот звукового диапазона (нижняя кривая на рисунке 17.1 1). Это означает, что слуховой аппарат обладает не одинаковой чувствительностью к звуковым воздействиям на разных частотах. Максимальной чувствительностью ухо человека обладает в области частот 1000-3000 Гц. Здесь пороговое значение интенсивности звука минимально и составляет 10 –12 Вт/м 2 .

С увеличением интенсивности звука возрастает и ощуще­ние громкости. Однако, звуковые волны с интенсивностью порядка 1-10 Вт/м 2 вызывают уже ощущение боли. Максимальное значение интенсив­ности, при превышении которого возникает боль, называется порогом болево­го ощущения.

Он также зависит от частоты звука (верхняя кривая на рисунке 1), но в меньшей степени, чем порог слышимости.

Область частот и интенсивностей звука, ограниченная верхней и нижней кривыми рисунка 1, называет­ся областью слышимости.

Уровни интенсивности и уровни громко­сти звука

Закон Вебера-Фехнера.

Уже отмечалось, что объективная физическая характеристика звуковой волны - интенсивность определяет субъективную физиологическую характери­стику - громкость. Количественная связь между ними устанавливается законом Вебера-Фехнера : если интенсивность раздражителя увеличивается в геометрической прогрессии, то физиологическое ощущение растет в арифметической про­грессии.

Закон Вебера-Фехнера можно пересказать другими словами: физиологическаяреакция (в рассматриваемом слу­чае громкость ) на раздражитель (интенсивность звука) пропорциональна логарифму интенсивности раздра­жителя.

В физике и технике логарифм отношения двух интенсивностей называют уровнем интенсивности, поэтому величину, пропор­циональную десятичному логарифму отношения интенсивности некоторого звука (I) к ин­тенсивности на пороге слышимости I 0 = 10 -12 Вт/м 2:называют уровнем интенсивности звука (L):

(1)

Коэффициент n в формуле (1) определяет единицу измерения уровня интенсивности звука L . Если n =1, то единицей измерения L является Бел (Б). На практике обычно принимают n =10, тогда L измеряется в децибелах (дБ) (1 дБ = 0,1 Б). На пороге слышимости (I = I 0 ) уровень интенсивности звука L=0 , а на пороге болевого ощущения (I = 10 Вт/м 2)– L = 130 дБ.

Громкость звука в соответствии с законом Вебера-Фехнерапрямо пропорциональна уровнем интенсивности L:

Е = kL, (2)

где k - коэффициент пропорциональности, зависящий от частоты и интенсивности звука.

Если бы коэффициент k в формуле (2) был постоянным, то уровень гром­кости совпадал бы с уровнем интенсивности и мог бы измеряться в децибелах.

Но он зависит и от частоты и от интенсивности звуковой волны, поэтому громкость звука измеряют в других единицах – фонах . Постановили, что на частоте 1000 Гц 1 фон = 1 дБ , т.е. уровень интенсивности в децибелах и уровень громкости в фонах совпадают(в формуле (2) коэффициент k = 1 на частоте 1000 Гц). На других частотах для перехода от децибел к фонам не­обходимо вводить соответствующие поправки, которые можно определить с помощью кривых равной громкости (см. рис.1).

Определение порога слышимости на разных частотах составляет основу методов измерения остроты слуха. Полученная кривая называется спектральной характеристикой уха на пороге слыши­мости или аудиограммой. Сравнивая порог слышимости пациента с усредненной нормой, можно судить о степени развития нару­шений слухового аппарата.

Порядок выполнения работы

Снятие спектральной характеристики уха на пороге слышимости проводится с помощью генератора синусоидального сигнала SG-530 и наушников.

Основные органы управления генератора расположены на передней панели (рис.3). Там же расположен выходной разъем для подключения наушников. На задней панели генератора расположены выключатель питания, сетевой шнур и клемма заземления.

Рис. 3. Передняя панель генератора:

1- выходной разъем; 2 -ЖКИ; 3 - энкодер.

Управление генератором осуществляется с помощью нескольких меню, которые выводятся на жидкокристаллический индикатор (ЖКИ). Система меню организована в виде кольцевой структуры. Короткое нажатие кнопки энкодера позволяет «по кругу» переходить между меню, длинное нажатие в любом из пунктов меню приводит к переходу на главное меню. Любое действие по переходу между пунктами меню сопровождается звуковым сигналом.

С помощью системы меню можно задать частоту выходного сигнала генератора, амплитуду выходного сигнала, значение ослабления аттенюатора, считать или записать предустановку частоты, а также выключить или включить выходной сигнал. Увеличение или уменьшение значения выбранного параметра производится поворотом энкодера по (вправо) или против (влево) направления часовой стрелки соответственно.

В исходном состоянии генератора на индикатор выводится главное меню, в котором отображается текущее значение частоты, амплитуды и состояние аттенюатора. При повороте энкодера или нажатии кнопки энкодера происходит переход в меню установки частоты (рис. 4).

Одиночный поворот энкодера вправо или влево приводит к изменению частоты на один шаг.

Если на протяжении примерно 5 секунд регулировка частоты не производится, происходит автоматический переход на главное меню, за исключением меню калибровки частоты и амплитуды.

Нажатие кнопки энкодера в меню установки частоты приводит к переходу в меню установки амплитуды (рис. 4а,б). Значение амплитуды выводится в вольтах с запятой, которая отделяет десятые доли вольта, если значение больше 1 В, или без запятой в милливольтах, если значение меньше 1 В. На рис. 17.4,б показан пример индикации амплитуды, равной 10 В, а на рис. 17.4,в -амплитуды 10 мВ.

Нажатие кнопки энкодера в меню установки амплитуды приводит к переходу в меню установки ослабления аттенюатора. Возможные значения ослабления аттенюатора 0, -20, -40, -60 дБ.

Нажатие кнопки энкодера в меню установки ослабления аттенюатора приводит к переходу в меню установки шага изменения частоты. Шаг изменения значения частоты может иметь значение 0.01 Гц... 10 КГц. Нажатие кнопки энкодера в меню установки шага изменения частоты приводит к переходу в меню установки шага изменения значения амплитуды (рис. 5). Шаг изменения значения амплитуды может иметь значение 1 мВ... 1 В.

Порядок выполнения работы.

1. Подключите к сети (220В. 50 Гц ) шнур питания генератора SG-530 нажатием кнопки «POWER» на задней панели;

2. Однократно нажмите кнопку энкодера - произойдет переход из главного меню в меню установки частоты «FREQUENCY» - и вращением энкодера установите первое значение частоты ν =100 Гц;

3. Нажатие кнопки энкодера в меню установки частоты приводит к переходу к меню установки амплитуды «AMPLITUDE» - установите значение амплитуды Uген =300 мВ;

4. Подключите наушники к генератору;

5. Уменьшая значение амплитуды до 100 мВ, добейтесь отсутствия шума в наушниках;

6. Если при минимальной амплитуде (100 мВ) звук в наушниках ещё слышен, нажатием кнопки энкодера перейдите в меню установки ослабления аттенюатора «ATTENUATOR» и установите минимальное ослабление L (например, -20dB), при котором звук исчезает ;

7. Запишите полученные значения частотыν , амплитудыUген и ослабления L в таблицу результатов измерений (таблица 1) ;

8. Аналогично добейтесь отсутствия звука для каждой из предложенных частотν ;

9. Произведите расчёт амплитуды на выходе генератораUвых по формулеUвых = Uген ∙ K, где коэффициент ослабленияK определяется по величинеослабления L из таблицы2;

10. Определите минимальное значениеамплитуды на выходе генератораUвых min как наименьшееиз совокупности всех полученных значенийамплитуды на выходе генератораUвых для всех частот;

11. Произведите расчёт уровня громкости на пороге слышимости E по формуле E=20lg Uвых/ Uвых min ;

12. Постройте график зависимости величины уровня громкости на пороге слышимости E от значения логарифма частоты lg ν . Полученная кривая будет представлять собой порог слышимости.

Таблица 1 . Результаты измерений.

ν, Гц	lg ν	Uген, мВ	L, дБ	Коэффициент ослабления, K	U вых = К·U ген мВ	Уровень интенсивности (дБ ) E =20 lg (Uвых/ Uвых min)
	2,0
	2,3
	2,7
	3,0
	3,3
	3,5
	3,7
	4,0
	4,2

Таблица 2. Связь показаний аттенюатора L (0, -20, -40, -60 дБ) и коэффициента ослабления по напряжению K (1, 0,1, 0,01, 0,001).

Контрольные вопросы:

1. Природа звука. Скорость звука. Классификация звуков (тоны, шумы).

2. Физические и физиологические характеристики звука (частота, интенсивность, спектральный состав, высота, громкость, тембр).

3. Диаграмма слышимости (порог слышимости, порог болевого ощущения, область речи).

4. Закон Вебера-Фехнера. Уровни интенсивности и уровни громкости звука, связь между ними и единицы измерения.

5. Методика определения порога слышимости (спектральной характеристики уха на пороге слышимости)

Решить задачи:

1. Интенсивность звука частотой 5 кГц равна 10 -9 Вт/м 2 . Определить уровни интенсивности и громкости этого звука.

2. Уровень интенсивности звука от некоторого источника равен 60 дБ. Чему равен суммарный уровень интенсивности звука от десяти таких ис­точников звука при их одновременном действии?

3. Уровень громкости звука частотой 1000 Гц после его прохождения че­рез стенку понизился от 100 до 20 фон. Во сколько раз уменьшилась ин­тенсивность звука?

Литература:

1. В.Г.Лещенко, Г.К.Ильич. Медицинская и биологическая физика.- Мн.: Новое знание. 2011.

2. Г.К.Ильич. Колебания и волны, акустика, гемодинамика. Пособие. – Мн.: БГМУ, 2000.

3. А.Н. Ремизов. Медицинская и биологическая физика.- М.: Высш. шк. 1987.

Шум – это совокупность звуков различной частоты и интенсивности (силы), возникающих в результате колебательного движения частиц в упругих средах (твердых, жидких, газообразных).

Процесс распространения колебательного движения в среде называется звуковой волной , а область среды, в которой распространяются звуковые волны – звуковым полем .

Различают ударный, механический, аэрогидродинамический шум. Ударный шум возникает при штамповке, клепке, ковке и т.д.

Механический шум возникает при трении и биении узлов и деталей машин и механизмов (дробилки, мельницы, электродвигатели, компрессоры, насосы, центрифуги и др.).

Аэродинамический шум возникает в аппаратах и трубопроводах при больших скоростях движения воздуха, газа или жидкости и при резких изменениях направления их движения и давления.

Основные физические характеристики звука :

– частота f (Гц),

– звуковое давление Р (Па),

– интенсивность или сила звука I (Вт/м 2),

– звуковая мощность w (Вт).

Скорость распространения звуковых волн в атмосфере при 20°С равна 344 м/с.

Органы слуха человека воспринимают звуковые колебания в интервале частот от 16 до 20000 Гц. Колебания с частотой ниже 16 Гц (инфразвуки ) и с частотой выше 20000 (ультразвуки ) не воспринимаются органами слуха.

При распространении звуковых колебаний в воздухе периодически появляются области разрежения и повышенного давления. Разность давлений в возмущенной и невозмущенной средах называется звуковым давлением Р, которое измеряется в паскалях (Па).

Распространение звуковой волны сопровождается и переносом энергии. Количество энергии, переносимое звуковой волной за единицу времени через единицу поверхности, ориентированную перпендикулярно направлению распространения волны, называется интенсивностью или силой звука I и измеряется в Вт/м 2 .

Интенсивность звука связана со звуковым давлением следующим соотношением:

где r 0 – плотность среды, в которой распространяется звуковая волна, кг/м 3 ; с – скорость распространения звука в данной среде, м/с; v – среднеквадратичное значение колебательной скорости частиц в звуковой волне, м/с.

Произведение называется удельным акустическим сопротивлением среды , которое характеризует степень отражения звуковых волн при переходе из одной среды в другую, а также звукоизолирующие свойства материалов.

Минимальная интенсивность звука, которая воспринимается ухом, называется порогом слышимости . В качестве стандартной частоты сравнения принята частота 1000 Гц. При этой частоте порог слышимости I 0 = 10 -12 Вт/м 2 , а соответствующее ему звуковое давление Р 0 = 2×10 -5 Па. Максимальная интенсивность звука, при которой орган слуха начинает испытывать болевое ощущение, называется порогом болевого ощущения , равным 10 2 Вт/м 2 , а соответствующее ему звуковое давление Р = 2×10 2 Па.

Так как изменения интенсивности звука и звукового давления слышимых человеком, огромны и составляют соответственно 10 14 и 10 7 раз, то пользоваться для оценки звука абсолютными значениями интенсивности звука или звукового давления крайне неудобно.

Для гигиенической оценки шума принято измерять его интенсивность и звуковое давление не абсолютными физическими величинами, а логарифмами отношений этих величин к условному нулевому уровню, соответствующему порогу слышимости стандартного тона частотой 1000 Гц. Эти логарифмы отношений называют уровнями интенсивности и звукового давления , выраженные в белах (Б). Так как орган слуха человека способен различать изменение уровня интенсивности звука на 0,1 бела, то для практического использования удобнее единица в 10 раз меньше – децибел (дБ).

Уровень интенсивности звука L в децибелах определяется по формуле

Так как интенсивность звука пропорциональна квадрату звукового давления, то эту формулу можно записать также в виде

Использование логарифмической шкалы для измерения уровня шума позволяет укладывать большой диапазон значений I и P в сравнительно небольшом интервале логарифмических величин от 0 до 140 дБ.

Пороговое значение звукового давления Р 0 соответствует порогу слышимости L = 0 дБ, порог болевого ощущения 120-130 дБ. Шум, даже когда он невелик (50-60 дБ) создает значительную нагрузку на нервную систему, оказывая психологическое воздействие. При действии шума более 140-145 дБ возможен разрыв барабанной перепонки.

Суммарный уровень звукового давления L, создаваемый несколькими источниками звука с одинаковым уровнем звукового давления L i , рассчитываются по формуле

где n – число источников шума с одинаковым уровнем звукового давления.

Так, например, если шум создают два одинаковых источника шума, то их суммарный шум на 3 дБ больше, чем каждого из них в отдельности.

Суммарный уровень звукового давления нескольких различных источников звука , определяется по формуле

где L 1 , L 2 , ..., L n – уровни звукового давления, создаваемые каждым из источников звука в исследуемой точке пространства.

По уровню интенсивности звука еще нельзя судить о физиологическом ощущении громкости этого звука, так как наш орган слуха неодинаково чувствителен к звукам различных частот; звуки равные по силе, но разной частоты, кажутся неодинаково громкими. Например, звук частотой 100 Гц и силой 50 дБ воспринимается как равногромкий звуку частотой 1000 Гц и силой 20 дБ. Поэтому для сравнения звуков различных частот, наряду с понятием уровня интенсивности звука, введено понятие уровня громкости с условной единицей – фон. Один фон – громкость звука при частоте 1000 Гц и уровне интенсивности в 1 дБ. На частоте 1000 Гц уровни громкости приняты равными уровням звукового давления.

На рис. 1 показаны кривые равной громкости звуков, полученные по результатам изучения свойств органа слуха оценивать звуки различной частоты по субъективному ощущению громкости. Из графика видно, что наибольшей чувствительностью наше ухо обладает на частотах 800-4000 Гц, а наименьшей – при 20-100 Гц.

Обычно параметры шума и вибраций оценивают в октавных полосах. За ширину полосы принята октава , т.е. интервал частот, в котором высшая частота f 2 в два раза больше низшей f 1 . В качестве частоты, характеризующей полосу в целом, берут среднегеометрическую частоту . Среднегеометрические частоты октавных полос стандартизованы ГОСТ 12.1.003-83 "Шум. Общие требования безопасности" и составляют 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000 и 8000 Гц при соответствующих им граничным частотам 45-90, 90-180, 180-355, 355-710, 710-1400, 1400-2800, 2800-5600, 5600-11200.

Зависимость величин, характеризующих шум от его частоты, называется частотным спектром шума . Для удобства физиологической оценки воздействия шума на человека различают низкочастотный (до 300 Гц), среднечастотный (300-800 Гц) и высокочастотный (выше 800 Гц) шум .

ГОСТ 12.1.003-83 и СН 9-86 РБ 98 "Шум на рабочих местах. Предельно допустимые уровни" классифицирует шум по характеру спектра и по времени действия.

По характеру спектра:

– широкополосный , если он имеет непрерывный спектр шириной более одной октавы,

– тональный , если в спектре имеются выраженные дискретные тона. При этом тональный характер шума для практических целей устанавливается измерением в третьоктавных полосах частот (для третьоктавной полосы по превышению уровня звукового давления в одной полосе над соседними не менее чем на 10 дБ.

По временным характеристикам:

– постоянный , уровень звука которых за 8-часовой рабочий день изменяется во времени не более чем на 5 дБ,

– непостоянный , уровень звука которых за 8-часовой рабочий день изменяется во времени более чем на 5 дБ.

Непостоянные шумы делятся на:

колеблющиеся во времени , уровень звука которых непрерывно изменяется во времени;

прерывистые , уровень звука которых ступенчато изменяется (на 5 дБ и более);

импульсные , состоящие из одного или нескольких звуковых сигналов, каждый длительностью менее 1 с.

Наибольшую опасность для человека представляют тональные, высокочастотные и непостоянные шумы.

Ультразвук по способу распространения подразделяется на:

– распространяемый воздушным путем (воздушный ультразвук);

– распространяемый контактным путем при соприкосновении с твердыми и жидкими средами (контактный ультразвук).

Ультразвуковой диапазон частот подразделяется на:

– низкочастотные колебания (1,12×10 4 - 1×10 5 Гц);

– высокочастотные (1×10 5 - 1×10 9 Гц).

Источниками ультразвука является производственное оборудование, в котором генерируются ультразвуковые колебания для выполнения технологического процесса, технического контроля и измерений, а также оборудование, при эксплуатации которого ультразвук возникает как сопутствующий фактор.

Характеристикой воздушного ультразвука на рабочем месте в соответствии с ГОСТ 12.1.001 "Ультразвук. Общие требования безопасности" и СН 9-87 РБ 98 "Ультразвук, передающийся воздушным путем. Предельно допустимые уровни на рабочих местах" являются уровни звукового давления в третьоктавных полосах со среднегеометрическими частотами 12,5; 16,0; 20,0; 25,0; 31,5; 40,0; 50,00; 63,0; 80,0; 100,0 кГц.

Характеристикой контактного ультразвука в соответствии с ГОСТ 12.1.001 и СН 9-88 РБ 98 "Ультразвук, передающийся контактным путем. Предельно допустимые уровни на рабочих местах" являются пиковые значения виброскорости или уровни виброскорости в октавных полосах со среднегеометрическими частотами 8; 16; 31,5; 63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000; 8000; 16000; 31500 кГц.

Вибрации – это колебания твердых тел – частей аппаратов, машин, оборудования, сооружений, воспринимаемые организмом человека как сотрясения. Часто вибрации сопровождаются слышимым шумом.

По способу передачи на человека вибрация подразделяется на локальную и общую.

Общая вибрация передается через опорные поверхности на тело стоящего или сидящего человека. Наиболее опасная частота общей вибрации лежит в диапазоне 6-9 Гц, поскольку она совпадает с собственной частотой колебаний внутренних органов человека, в результате чего может возникнуть резонанс.

Локальная (местная) вибрация передается через руки человека. К локальной вибрации может быть отнесена и вибрация, воздействующая на ноги сидящего человека и на предплечья, контактирующие с вибрирующими поверхностями рабочих столов.

Источниками локальной вибрации, передающейся на работающих, могут быть: ручные машины с двигателем или ручной механизированный инструмент; органы управления машинами и оборудованием; ручной инструмент и обрабатываемые детали.

Общая вибрация в зависимости от источника ее возникновения подразделяется на:

общую вибрацию 1 категории – транспортную , воздействующую на человека на рабочем месте в самоходных и прицепных машинах, транспортных средствах при движении по местности, дорогам и агрофонам;

общую вибрацию 2 категории –- транспортно-технологическую , воздействующую на человека на рабочих местах в машинах, перемещающихся по специально подготовленным поверхностям производственных помещений, промышленных площадок, горных выработок;

3а –на постоянных рабочих местах производственных помещений предприятий;

3б – на рабочих местах на складах, в столовых, бытовых, дежурных и других вспомогательных производственных помещений, где нет машин, генерирующих вибрацию;

3в – на рабочих местах в административных и служебных помещениях заводоуправления, конструкторских бюро, лабораториях, учебных пунктах, вычислительных центрах, здравпунктах, конторских помещениях и других помещениях работников умственного труда.

По временным характеристикам вибрация подразделяется на:

– постоянную , для которой спектральный или корректированный по частоте нормируемый параметр за время наблюдения (не менее 10 минут или время технологического цикла) изменяются не более чем в 2 раза (6 дБ) при измерении с постоянной времени 1 с;

– непостоянную вибрацию, для которой спектральный или корректированный по частоте нормируемый параметр за время наблюдения (не менее 10 минут или время технологического цикла) изменяются более чем в 2 раза (6 дБ) при измерении с постоянной времени 1 с.

Основные параметры, характеризующие вибрацию:

– частота f (Гц);

– амплитуда смещения А (м) (величина наибольшего отклонения колеблющейся точки от положения равновесия);

– колебательная скорость v (м/с); колебательное ускорение а (м/с 2).

Так же как и для шума, весь спектр частот вибраций, воспринимаемых человеком, разделен на октавные полосы со среднегеометрическими частотами 1, 2, 4, 8, 16, 32, 63, 125, 250, 500, 1000, 2000 Гц.

Поскольку диапазон изменения параметров вибрации от пороговых значений, при которых она не опасна, до действительных – большой, то удобнее измерять недействительные значения этих параметров, а логарифм отношения действительных значений к пороговым. Такую величину называют логарифмическим уровнем параметра, а единицу ее измерения – децибел (дБ).

Так логарифмический уровень виброскорости L v (дБ) определяется по формуле

где v – действительное среднеквадратичное значение виброскорости, м/с: – пороговая (опорная) виброскорость, м/с.

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.

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).

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

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 иI ~ A 2 ;W ~ ω 2 иI ~ 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:

, (2)

где Е - модуль упругости среды (модуль Юнга),  - 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  = 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) называютвектором 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 /(2  υ) , (7)

где Р - звуковое давление,  - 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 приI=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  о (основной тон) и 2  о , 3  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  о, 2  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=  υ , где  - 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  называется  =I 2 /I 1 ;

2) коэффициентом отражения  называется:

= I 3 /I 1 =(I 1 -I 2 )/ I 1 =1-I 2 /I 1 =1-  .

Релей показал, что  =

Если υ 1  1 = υ 2  2 , то  =1 (максимальное значение), при этом  =0 , т.е. отраженная волна отсутствует.

Если Z 2 >>Z 1 или υ 2  2 >> υ 1  1 , то   4 υ 1  1 / υ 2  2 . Так, например, если звук падает из воздуха в воду, то  =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.