Биофизические основы восприятия звука. Понижение, потеря слуха

Федеральное агентство  по образованию РФ

Государственное образовательное  учреждение высшего профессионального  образования

Алтайский государственный  университет

Физико-технический факультет

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат на тему:

Биофизические основы восприятия звука. Понижение, потеря слуха

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                  Выполнила: студентка 593 группы

Кузнецова Татьяна Сергеевна

                                                                                  Проверила:

                                                                                           Минакова Наталья Николаевна

                             

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г. Барнаул. 24.09.12.

 

Введение.

Наш мир прекрасен. Мир, окружающий нас, можно назвать миром звуков. Эти звуки иногда очень сильно отличаются друг от друга.  Звучат вокруг нас голоса людей и музыка, шум ветра и щебет птиц, рокот моторов и шелест листвы. С помощью речи люди общаются, с помощью слуха получают информацию об окружающем мире. Не меньшее значение звук имеет для животных. Все звуки можно разделить на те, которые непомерно раздражают и наоборот те, которые нравятся и к тому же даже полезны. Категоричного разделения звуков на неприятные и приятные оказывается, не существует. Иногда реакция на одни и те же звуки у одного и того же человека может быть разная. В большой степени реакция на звуки зависит от конкретной ситуации, от интенсивности того или иного звука, а еще и от настроения слушателя. Люди стали замечать действие тех или иных звуков на человека и его организм, в общем. Постепенно эти знания собирались и систематизировались. В настоящее время ученые во многих странах мира ведут различные исследования с целью выяснения влияния звука на человека. Но нельзя разобраться в звуковых явлениях, не составив себе ясного представления о том, что такое звук. Поэтому, прежде всего в данной работе мы рассмотрим, как он возникает, распространяется и воспринимается человеческим ухом. С точки зрения физики, звук - это механические колебания, которые распространяются в упругой среде: воздухе, воде, твёрдом теле и т.п.

Природа звука.

Звук - волнообразные  колебания твердых, жидких и газообразных тел воспринимаются органом слуха, ухом, в форме особого ощущения, звука. Звуковые колебания и волны – частный случай механических колебаний и волн.  Звуковые волны распространяются от получившего удар и приведенного в дрожательное колебание тела во все стороны окружающей тела среды. Все тела по отношению к звуку делятся на проводящие и на неупругие (например - воск) и потому не проводящие звук. Обычным проводником звука является воздух. Звук распространяется со скоростью, различной для разных тел, в воздухе при 0° в 1 сек.332,5 м. Скорость распространения звука наблюдается при громе и молнии. Гром, несмотря на то, что возникает одновременно с разрядом электричества, молнией, слышен через некоторый промежуток времени, в зависимости от отдаленности места электрического разряда. Звук характеризуется высотой, силой и оттенком. Высота звука зависит от числа колебаний звучащего тела; сила звука - в данном месте есть количество звуковой энергии, проходящей в единицу времени через единицу площади, перпендикулярной к направлению распространения звука. Оттенок звука или тембр зависит от высших или гармонических тонов, сопровождающих во всяком звуке основной тон.

Энергетической характеристикой  звуковых колебаний является интенсивность  звука - энергия, переносимая звуковой волной через единицу поверхности, перпендикулярную направлению распространения  волны, в единицу времени. Интенсивность звука зависит от амплитуды звукового давления, а также от свойств самой среды и от формы волны. Субъективной характеристикой звука, связанной с его интенсивностью, является громкость звука, зависящая от частоты. Наибольшей чувствительностью человеческое ухо обладает в области частот 1-5 кГц.

При распространении  звуковой волны в заданном направлении  происходит постепенное её затухание, т.е. уменьшение интенсивности и  амплитуды. Знание законов затухания  практически важно для определения предельной дальности распространения звукового сигнала. Затухание обусловливается рядом факторов, которые проявляются в той или иной степени в зависимости от характеристик самого звука и от свойств среды. Все эти факторы можно подразделить на две большие группы. В первую входят факторы, связанные с законами волнового распространения в среде. Так, при распространении в неограниченной среде звука от источника конечных размеров интенсивность его убывает обратно пропорционально квадрату расстояния. Неоднородность свойств среды вызывает рассеяние звуковой волны по различным направлениям, приводящее к ослаблению её в первоначальном направлении, например рассеяние звука на пузырьках в воде, на взволнованной поверхности моря, в турбулентной атмосфере, рассеяние высокочастотного ультразвука в поликристаллических металлах, на дислокациях в кристаллах. На распространение звука в атмосфере и в море влияет распределение температуры и давления, силы и скорости ветра. Эти факторы вызывают искривление звуковых лучей, т.е. рефракцию звука, которая объясняет, в частности, тот факт, что по ветру звук слышен дальше, чем против ветра. Распределение скорости звука с глубиной в океане объясняет наличие т. н. подводного звукового канала, в котором наблюдается сверхдальнее распространение звука, например звук взрыва распространяется в таком канале на расстояние более 5000 км.

Вторая группа факторов, определяющих затухание звука, связана  с физическими процессами в веществе - необратимым переходом звуковой энергии в другие формы, т.е. с поглощением звука, обусловленным вязкостью и теплопроводностью среды, а также переходом звуковой энергии в энергию внутримолекулярных процессов. Поглощение звука. заметно возрастает с частотой.

Распространение звуковых волн характеризуется в первую очередь скоростью звука. В газообразных и жидких средах распространяются продольные волны (направление колебательного движения частиц совпадает с направлением распространения волны), скорость которых определяется сжимаемостью среды и её плотностью. Скорость звука в сухом воздухе при температуре 0°С составляет 330 м/сек, в пресной воде при 17°С - 1430 м/сек. В твёрдых телах, кроме продольных, могут распространяться поперечные волны, с направлением колебаний, перпендикулярным распространению волны, а также поверхностные волны. Для большинства металлов скорость продольных волн лежит в пределах от 4000 м/сек до 7000 м/сек, а поперечных - от 2000 м/сек до 3500 м/сек.

Источники звука и его  характеристики.

Источник звука - различные колеблющиеся тела, например туго натянутая струна или тонкая стальная пластина, зажатая с одной стороны. Как возникают колебательные движения? Достаточно оттянуть и отпустить струну музыкального инструмента или стальную пластину, зажатую одним концом в тисках, как они будут издавать звук. Колебания струны или металлической пластинки передаются окружающему воздуху. Когда пластинка отклонится, например в правую сторону, она уплотняет (сжимает) слои воздуха, прилегающие к ней справа; при этом слой воздуха, прилегающий к пластине с левой стороны, разредится. При отклонении пластины в левую сторону она сжимает слои воздуха слева и разрежает слои воздуха, прилегающие к ней с правой стороны, и т.д. Сжатие и разрежение прилегающих к пластине слоев воздуха будет передаваться соседним слоям. Этот процесс будет периодически повторяться, постепенно ослабевая, до полного прекращения колебаний (рис. 1).

Рис. 1. Распространение звуковых волн от колеблющейся пластинки.

Таким образом колебания струны или пластинки возбуждают колебания  окружающего воздуха и, распространяясь, достигают уха человека, заставляя  колебаться его барабанную перепонку, вызывая раздражение слухового  нерва, воспринимаемое нами как звук.

Колебания воздуха, источником которых  является колеблющееся тело, называют звуковыми волнами, а пространство, в котором они распространяются, звуковым полем.

Скорость распространения звуковых колебаний зависит от упругости  среды, в которой они распространяются. В воздухе скорость распространения звуковых колебаний в среднем равна 330 м/с, однако она может изменяться в зависимости от его влажности, давления и температуры. В безвоздушном пространстве звук не распространяется.

При распространении звука, вследствие колебаний частиц среды, в каждой точке звукового поля происходит периодическое изменение давления. Среднее квадратичное значение величины этого давления, обозначаемое буквой P, называют звуковым давлением. За единицу звукового давления принята величина, равная силе в один ньютон (Н), действующей на площадь в один квадратный метр (Н/м²).

Чем больше звуковое давление, тем  громче звук. При средней громкости  человеческой речи звуковое давление на расстоянии 1м от рта говорящего находится в пределах 0,0064-0,64. 

Интенсивность звука.

Тело, являющееся источником звуковых колебаний, излучает энергию, переносимую  звуковыми колебаниями в пространство (среду), окружающее источник звука. Количество звуковой энергии, проходящей в одну секунду через площадь в 1 м², расположенную перпендикулярно направлению распространения звуковых колебаний, называют интенсивностью (силой) звука.

Величину ее можно определить по формуле:

I=P²/Cp₀ [Вт/м²] (1)

где: Р - звуковое давление, н/м²; С – скорость звука, м/с; р₀ – плотность среды.

Из приведенной формулы видно, что при увеличении звукового  давления интенсивность звука возрастает и, следовательно, увеличивается его  громкость.

Когда мы ведем обычный разговор с кем-нибудь из друзей, поток энергии  в 1 сек равен ~10 мкВт. Звуковой поток от оратора, выступающего перед публикой, лежит в пределах от 200 до 2000 мкВт. Мощность самых громких звуков скрипки может составлять приблизительно 60 мкВт, а мощности звуков органных труб составляют от 140 до 3200 мкВт. Интенсивность самого слабого звука, который еще можно услышать, составляет приблизительно одну миллионную микроватта на 1м², самого громкого – около одного миллиона микроватт.

Интенсивность звукового колебания  и громкость восприятия находятся  в определенной зависимости. Прирост  ощущения (громкости) пропорционален логарифму отношения раздражений (интенсивностей), т.е. при восприятии двух звуков с интенсивностями I₁ и I₂ ощущается разница в их громкости, равная логарифму отношения интенсивностей этих звуков. Эта зависимость определяется формулой:

(2)

где: S – приращение громкости, Б; К  – коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора единиц измерения, I₁ и I₂ – начальное и конечное значения интенсивности звука. Бел – единица приращения громкости, соответствующая изменению силы звука в 10 раз.

Если коэффициент К принять  равным 1, а отношение I₁/I₂ =10, то

(3)

Слух человека различает приращение громкости на 0,1 Б. Поэтому в практике используют более мелкую единицу  измерения – децибел (дБ), равный 0,1 Б. В этом случае формула запишется  так:

(4)

Таблица 1. Интенсивности и уровни различных звуков.

Звук	Интенсивность, мкВт/м2	Уровень звука, Б	Уровень звука, дБ
Порог слышимости	0,000001	0	0
Спокойное дыхание	0,00001	1	10
Шум спокойного сада	0,0001	2	20
Перелистывание страниц газеты	0,001	3	30
Обычный шум в доме	0,01	4	40
Пылесос	0,1	5	50
Обычный разговор	1,0	6	60
Радио	10	7	70
Оживленное уличное  движение	100,0	8	80
Поезд на эстакаде	1000,0	9	90
Шум в вагоне метро	10000,0	10	100
Гром	100000,0	11	110
Порог ощущений	1000000,0	12	120

Если ухо человека воспринимает одновременно два или  несколько звуков различной громкости, то более громкий звук заглушает (поглощает) слабые звуки. Происходит так  называемая маскировка звуков, и ухо  воспринимает только один, более громкий звук. Сразу после воздействия на ухо громкого звука снижается восприимчивость слуха к слабым звукам. Эта способность называется адаптацией (приспособлением) слуха. 

Звуковые колебания.

Форма звуковых колебаний  зависит от свойств источника  звука. Наиболее простыми колебаниями являются равномерные или гармонические колебания, которые можно представить в виде синусоиды. Такие колебания характеризуются частотой f, периодом Т и амплитудой А.

Частотой колебаний называют количество полных колебаний в секунду. За единицу измерения частоты принят 1 герц (Гц). 1 герц соответствует одному полному (в одну и другую сторону) колебанию, происходящему за одну секунду.

Периодом называют время (с), в течение которого происходит одно полное колебание. Чем больше частота колебаний, тем меньше их период, т.е. f=1/T. Таким образом, частота колебаний тем больше, чем меньше их период, и наоборот.

Рис. 2. График звуковых колебаний при произношении звуков а, о и у.

Голос человека создает  звуковые колебания частотой от 80 до 12000 Гц, а слух воспринимает звуковые колебания в диапазоне 16-20000 Гц.

Амплитудой колебаний называют наибольшее отклонение колеблющегося тела от его первоначального (спокойного) положения. Чем больше амплитуда колебания, тем громче звук. Звуки человеческой речи представляют собой сложные звуковые колебания, состоящие из того или иного количества простых колебаний, различных по частоте и амплитуде. В каждом звуке речи имеется только ему свойственное сочетание колебаний различной частоты и амплитуды. Поэтому форма колебаний одного звука речи заметно отличается от формы другого, что видно на рис. 2, на котором изображены графики колебаний при произношении звуков а, о и у.

Любые звуки человек характеризует  в соответствии со своим восприятием  по уровню громкости и высоте.

Громкость тона какой-либо данной высоты определяется амплитудой колебаний. Высота тона определяется частотой колебания. Колебания высокой частоты воспринимаются как звуки высокого тона, низкой частоты - как звуки низкого тона  

Тембр звука - негармоническое периодическое воздействие с периодом Т, равносильно одновременному действию гармонических сил с различными частотами, а именно с частотами, кратными наиболее низкой частоте n=1/T.

Это заключение является частным случаем  общей математической теоремы, которую  доказал в 1822 г. Жан Батист Фурье. Теорема Фурье гласит: всякое периодическое колебание периода Т может быть представлено в виде суммы гармонических колебаний с периодами, равными Т, T/2, T/3, T/4 и т.д., т.е. с частотами n=(1/T), 2n, 3n, 4n и т.д. Наиболее низкая частота n называется основной частотой. Колебание с основной частотой n называется первой гармоникой или основным тоном (тоном), а колебания с частотами 2n, 3n, 4n и т.д. называются высшими гармониками или обертонами (первым - 2n, вторым - 3n и т.д.).