4. Природа звука. Физические характеристики звуковых волн.

В узком смысле слова под “акустикой” понимают учение о звуке, т.е. об упругих колебаниях и волнах в различных средах, воспринимаемых ухом человека.

Звуковые колебания – это частный случай механических колебаний, распространяющихся в пространстве в форме продольных волн. В связи с важностью акустических понятий для оценки слуховых ощущений, а так же в связи с рядом медицинских приложений данного раздела, остановимся на некоторых характеристиках звука, знание которых необходимо врачу, поскольку звук несёт около 15% информации об окружающем нас мире, а также может быть источником информации о состоянии внутренних органов человека.

Источником звука являются тела (твёрдые, жидкие, газообразные), совершающие колебания в результате каких-либо механических воздействий. Колеблющееся тело излучает в окружающую среду, например, воздух, упругую продольную волну, которая, достигая уха, вызывает слуховые ощущения.

Звуки разделяют: 1) Тоны или музыкальные звуки; 2) Шумы;

3) Звуковые удары.

Тон – это звук, являющийся периодическим процессом с постоянной или закономерно изменяющейся во времени частотой. Если это гармонический процесс, то тон называется простым или чистым. Негармоническому колебанию соответствует сложный тон. Простой тон может быть получен с помощью камертона, звукового генератора. Сложный тон создаётся музыкальными инструментами, аппаратом речи. Сложный тон может быть разложен на простые. Наименьшая частота такого разложения соответствует основному тону. Остальные гармоники (обертона) имеют частоты , , … Набор частот с указанием их относительной интенсивности (амплитуды) называют акустическим спектром, являющимся важной физической характеристикой сложного тона.

Шумом называют звук, отличающийся сложной, не повторяющейся во времени зависимостью (шорох, скрип, аплодисменты, звуки от вибрации машин).

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

Звуковой тон характеризуется частотой (периодом), амплитудой, гармоническим спектром, а также интенсивностью или силой звука и звуковым давлением.

Интенсивностью или силой звука называют плотность потока энергии звуковой волны: . Звуковое давление – это дополнительное давление р, которое возникает в среде при прохождении звуковых волн. Звуковое давление измеряется в Н/м².

Для плоской гармонической волны давление связано с интенсивностью звука соотношением: , где р₀ – амплитудное значение; р_ЭФ – эффективное значение давления.

Ухо человека воспринимает широкий диапазон интенсивностей. Для того, чтобы волны звуковой частоты создали ощущение звука, необходимо, чтобы интенсивность превышала некоторую минимальную величину I₀, называемую порогом слышимости. Например, на частоте I₀=10^-12 Вт/м² или р₀=2^.10^-5 Па. С другой стороны, звуки очень большой интенсивности не воспринимаются как звук, вызывая лишь ощущение боли в ухе. Максимальная величина интенсивности, при превышении которой возникает ощущение боли, называется порогом болевого ощущения: I_max=10 Вт/м² или р_max=60 Па для частоты . Отношение .

Поскольку диапазон интенсивностей, воспринимаемых звуков довольно велик, оказывается удобным сравнивать интенсивности звука в логарифмической шкале. Шкала уровней интенсивности создаётся следующим образом: значение I₀ принимается за начальный уровень, уровень интенсивности любого звука с интенсивностью I выражают через десятичный логарифм её отношения к I₀: . В этой шкале уровень интенсивности выражают в белах (Б). Бел – единица, получившая своё название в честь изобретателя телефона Александра Грейама Белла (1847-1922 г.г.).

Если уровень интенсивности некоторого звука L=1Б, то отношение его интенсивности к I₀ будет равно 10 (lg10=1), если же L=2Б, то I/I₀=10² (lg10²=2). Бел – это довольно большая единица, поэтому обычно уровень интенсивности выражают в децибелах: 1Б=10дБ, тогда или . Порог слышимости I₀ имеет уровень интенсивности L=0дБ, а болевой порог – 130дБ.