Ультразвук в сельском хозяйстве
Ультразвук в пищевой промышленности
Ультразвук в биологии
Ультразвуковая диагностика заболеваний
Ультразвуковое лечение заболеваний
На суше и на море
Совокупность слышимых и неслышимых звуков
напоминает в принципе спектр солнечных лучей, в котором есть видимая
область - от красного до фиолетового цвета и две невидимые -
инфракрасная и ультрафиолетовая. Именно по аналогии с солнечным спектром
получили название звуки, не воспринимаемые человеческим ухом: инфразвук,
ультразвук и гиперзвук.
Восприятие звуков людьми очень индивидуально. Каждый слышит, так
сказать, по-своему. Дети, например, слышат звуки более высоких частот,
чем пожилые люди.
Как уже упоминалось, звук следует рассматривать с объективной и
субъективной точек зрения. Звук как субъективное явление более сложен и
менее изучен, чем его объективная физическая сущность.
Как мы воспринимаем звук?
Наружное ухо состоит из ушной раковины и слухового прохода, соединяющего
ее с барабанной перепонкой. Основная функция наружного уха - определение
направления на источник звука. Слуховой проход, представляющий
сужающуюся внутрь трубку длиной два сантиметра, предохраняет внутренние
части уха и играет роль резонатора. Слуховой проход заканчивается
барабанной перепонкой - мембраной, которая колеблется под действием
звуковых волн. Именно здесь, на внешней границе среднего уха, и
происходит преобразование объективного звука в субъективный, то есть
звуковой волны в субъективное ее ощущение.
Непосредственно за барабанной перепонкой расположены три маленькие
соединенные между собой косточки: молоточек, наковальня и стремя, с
помощью которых колебания передаются внутреннему уху. Там, в слуховом
нерве, они преобразуются в биоэлектрические сигналы.
Малая полость, где находятся молоточек, наковальня и
стремя, наполнена воздухом и соединена с полостью рта евстахиевой
трубой. Благодаря последней поддерживается одинаковое давление на
внутреннюю и внешнюю стороны барабанной перепонки. Обычно евстахиева
труба закрыта, а открывается лишь при внезапном изменении давления (при
зевании или глотании) для выравнивания его. Если у человека евстахиева
труба блокирована, например, из-за простудного заболевания, то давление
не выравнивается, и человек ощущает боль в ушах.
При передаче колебаний от барабанной перепонки к овальному окну, которое
является началом внутреннего уха, энергия первоначального звука как бы
концентрируется в среднем ухе. Это осуществляется двумя способами, в
основе которых лежат хорошо известные принципы механики. Во-первых,
уменьшается амплитуда, но одновременно увеличивается мощность колебаний.
Здесь можно провести аналогию-с рычагом, когда для поддержания
равновесия к большому плечу прикладывается меньшая сила, а к меньшему -
большая. С какой точностью осуществляется такое превращение в
человеческом ухе, видно из того, что амплитуда колебаний барабанной
перепонки равна диаметру атома водорода (10~8 сантиметра), а молоточек,
наковальня и стремя уменьшают ее в три раза. Во-вторых, и это более
существенно, концентрация звука обусловливается разностью диаметров
барабанной перепонки и овального окна внутреннего уха.
Сила, действующая на барабанную перепонку, равна произведению давления
на площадь барабанной перепонки. Эта сила через молоточек, наковальню и
стремя воздействует на овальное окно, с противоположной стороны которого
находится жидкость. Площадь овального окна в 15-30 раз меньше площади
барабанной перепонки, поэтому и давление на него в 15-30 раз больше.
Кроме того (как уже было сказано, молоточек, наковальня и стремя
увеличивают мощность колебаний в три раза), благодаря среднему уху
давление на овальное окно превышает почти в 90 раз первоначальное
давление, действующее на барабанную перепонку. Это очень важно,
поскольку дальше звуковые волны распространяются уже 8 жидкости. Не будь
увеличения давления, звуковые волны вследствие эффекта отражения не
смогли бы проникнуть в жидкость. Молоточек, наковальня и стремя имеют
крошечные мышцы, которые обеспечивают защиту внутреннего уха от
повреждений при воздействии сильных шумов. Внезапные очень интенсивные
звуки могут разрушить этот защитный механизм и вызвать серьезные
повреждения уха.
Слуховой аппарат человека - необычайно сложный механизм. Особенно в той
части, которая начинается с так называемого овального окна - порога
внутреннего уха. Звуковые волны здесь уже распространяются в жидкости
(перилимфе), которой наполнена улитка. Этот орган внутреннего уха,
действительно напоминающим улитку, имеет длину три сантиметра и по всей
длине разделен перегородкой на две части. Звуковые волны, попавшие на
овальное окно улитки, доходят до перегородки, огибают ее и далее
распространяются почти к тому же самому месту, где они впервые коснулись
перегородки, но уже с другой стороны.
Перегородка улитки, по сути дела, состоит из основной мембраны, очень
тонкой и тугой вблизи овального окна, но становящейся толстой и вялой
ближе к <хвосту> улитки. Звуковые колебания создают на поверхности
основной мембраны волнообразную рябь, при этом гребни для каждой данной
частоты лежат в совершенно определенных участках мембраны.
Высокочастотные звуки создают максимум колебаний на том участке основной
мембраны, где она наиболее натянута, то есть вблизи овального окна,
низкочастотные же звуки - на хвостовую часть улитки, где основная
мембрана толстая и вялая. Этот механизм позволяет объяснить, как человек
выделяет тоны различной частоты.
Механические колебания преобразуются в электрические в специальном
органе (органе Корти), размещенном над верхней частью основной мембраны
и представляющем собой набор из 23,5 тысячи <мясистых> ячеек,
расположенных вдоль длины органа четырьмя рядами. Над органом Корти
находится похожая на заслонку текто-риальная мембрана. Оба эти органа
погружены в эндо-лимфу и отделены от остальной части улитки мембраной
Рейснера. Волоски, растущие из ячеек органа Корти, почти пронизывают
поверхность текториальной мембраны. Основная мембрана, на которой
находится орган Корти вместе со своими волосистыми ячейками, как бы
шарнирно подвешена на текториальной мембране. При деформации основной
мембраны между ними возникают касательные напряжения, которые изгибают
волоски, соединяющие две мембраны. Благодаря такому изгибу и происходит
окончательное преобразование звука - теперь он уже закодирован в виде
электрических сигналов. Изгибы волосков играют в некотором роде роль
пусковых механизмов для электрохимических реакций в ячейках. Они и
являются источниками электрических сигналов.
Что происходит далее со звуком и какую форму он приобретает, пока еще
остается до конца неразгаданной тайной. Известно только, что теперь звук
закодирован всплесками электрической активности, так как каждая
волосистая ячейка выделяет электрический импульс. Природа этого кода
тоже пока неизвестна. Расшифровка его усложняется тем, что волосистые
ячейки излучают электрические импульсы даже тогда, когда никакого звука
нет. Только разгадав этот код, можно будет попять истинную природу
субъективного звука, понять, как мы слышим то, что слышим.
Основные физические характеристики любого колебательного движения -
период и амплитуда колебания, а применительно к звуку - частота и
интенсивность колебаний.
Периодом колебания называется время, в течение которого совершается одно
полное колебание, когда, например, качающийся маятник из крайнего левого
положения переместится в крайнее правое и вернется в исходное положение.
Частота колебаний - это число полных колебаний (периодов) за одну
секунду. Эту величину в Международной системе единиц называют герц (Гц).
Частота - одна из основных характеристик, по которой мы различаем звуки.
Чем больше частота колебаний, тем более высокий звук мы слышим, то есть
звук имеет более высокий тон.
Нам, людям, доступны звуки, ограниченные следующими частотными
пределами: не ниже 15-20 герц и не выше 16-20 тысяч герц. Ниже этого
предела находится инфразвук (меньше 15 герц), а выше - ультразвук и
гиперзвук, то есть 1,5-10 4 - 10 9 герц и 10 9 -10 13 герц
соответственно.
Ухо человека наиболее чувствительно к звукам с частотой от 2000 до 5000
герц. Наибольшая острота слуха наблюдается в возрасте 15-20 лет. Затем
слух ухудшается. У человека до 40 лет наибольшая чувствительность
находится в области 3000 герц, от 40 до 60 лет - 2000 герц, а старше 60
лет- 1000 герц. В пределах до 500 герц человек различает повышение или
понижение частоты всего лишь на один герц. На более высоких частотах
люди менее восприимчивы к такому незначительному изменению частоты. Так,
например, при частоте более 2000 герц человеческое ухо способно отличить
один звук от другого только тогда, когда разница в частоте будет не
меньше 5 герц. При меньшей разнице звуки будут восприниматься как
одинаковые. Однако правил без исключений не бывает. Есть люди,
обладающие необычайно тонким слухом. Например, одаренный музыкант может
отреагировать на изменение даже на какую-то долю одного колебания.
С периодом и частотой связано понятие о длине волны. Длиной звуковой
волны называется расстояние между двумя последовательными сгущениями или
разрежениями среды. На примере волн, распространяющихся на поверхности
воды,- это расстояние между двумя гребнями (или впадинами).
Звуки могут отличаться один от другого и по тембру?. Это значит, что
одинаковые звуки по высоте тона могут звучать по-разному, потому что
основной тон звука сопровождается, как правило, второстепенными тонами,
которые всегда выше по частоте. Они придают основному звуку
дополнительную окраску и называются обертонами. Иными словами, тембр -
качественная характеристика звука. Чем больше обертонов накладывается на
основной тон, тем <сочнее> звук в музыкальном отношении. Если основной
звук сопровождается близкими ему по высоте обертонами, то сам звук будет
мягким, <бархатным>. Когда же обертоны значительно выше основного тона,
появляется <металличность> в звуке или голосе.
Органы слуха благодаря своему замечательному устройству легко отличают
особенности одного колебания от другого, голос близкого или знакомого
человека от голосов других людей. По тому, как говорит человек, мы судим
о его настроении, состоянии, переживаниях. Радость, боль, гнев, испуг,
страх перед опасностью - все это можно услышать, даже не видя того, кому
принадлежит голос.
Вторая основная характеристика - амплитуда колебаний. Это наибольшее
отклонение от положений равновесия при гармонических колебаниях. На
примере с маятником амплитуда - максимальное отклонение его от положения
равновесия в крайнее правое или левое положение. Амплитуда колебаний,
так же как и частота, определяет интенсивность (силу) звука. При
распространении звуковых волн отдельные частицы упругой среды
последовательно смещаются. Это смещение передается от частицы к частице
с некоторым запозданием, величина которого зависит от инерционных
свойств среды. Передача смещений от частицы к частице сопровождается
изменением расстояния между этими частицами, в результате чего
происходит изменение давления в каждой точке среды.
Акустическая волна несет в направлении своего движения определенную
энергию. Благодаря этому мы слышим звук, создаваемый источником,
находящимся на определенном расстоянии от нас. Чем больше акустической
энергии достигает уха человека, тем громче слышится звук. Сила звука,
или ее интенсивность, определяется количеством акустической энергии,
протекающей за одну секунду через площадку в один квадратный.сантиметр.
Следовательно, интенсивность акустических волн зависит от величины
акустического давления, создаваемого источником звука в среде, которое,
в свою очередь, определяется величиной смещения частиц среды,
вызываемого источником. В воде, например, даже очень небольшие смещения
создают большую интенсивность/ звуковых волн.
Интенсивность обычных, воспринимаемых человеческим ухом звуков очень
мала. Громкому разговору, к примеру, соответствует интенсивность звука,
равная приблизительно одной миллиардной доле ватта на квадратный
сантиметр. Но так как площадь двух слуховых каналов ушей человека
приблизительно равна одному квадратному сантиметру, то мощность в одну
миллиардную долю ватта человек воспринимает как достаточно громкий звук.
Если бы мы захотели вскипятить чайник с водой, используя энергию
звуковой речи, превращенную в тепло без всяких потерь, то для этого
потребовалась бы энергия непрерывного громкого разговора всех жителей
Москвы в течение суток, в то время как на газовой плите такой чайник
закипает в течение 10 минут. А мощность, которая получилась бы при
одновременном крике всех людей земного шара, была бы в два раза меньше
мощности двигателя автомобиля <Жигули>.
С интенсивностью звука связана громкость. Чем больше интенсивность
звука, тем он громче. Однако понятия о громкости и интенсивности не
равнозначны. Громкость звука - это мера силы слухового ощущения,
вызываемого звуком. Звук одинаковой интенсивности может создавать у
различных людей неодинаковые по своей громкости слуховые восприятия.
Так, например, звуки, одинаковые по интенсивности, но различающиеся по
высоте, воспринимаются ухом с разной громкостью в зависимости от
особенностей слуховых восприятий. Мы не воспринимаем как очень слабые,
так и очень громкие звуки. Каждый человек обладает так называемым
порогом слышимости, который определяется наименьшей интенсивностью
звука, необходимой для того, чтобы звук был услышан.
Наиболее хорошо воспринимаемые звуки по частоте лучше различаются и по
громкости. При частоте 32 герца по громкости различаются три звука, при
частоте 125 герц - 94 звука, а при частоте 1000 герц - 374. Увеличение
это не беспредельно. Начиная с частоты 8000 герц, число различимых
звуков по громкости уменьшается. При частоте 16 000 герц человек может
различать только 16 звуков.
Звуки очень большой интенсивности человек перестает слышать и
воспринимает их как ощущение давления или боли. Такую силу звука
называют порогом болевого ощущения. Исследования показали, что
интенсивность, при которой звуки разной частоты вызывают болевое
ощущение, различна. Если силу звука увеличить в миллион раз, громкость
возрастает только в несколько сотен раз. Выяснилось, что ухо преобразует
силу звука в громкость по сложному логарифмическому закону, ограждая
свои внутренние части от чрезмерных воздействий.
Наиболее мощные звуки, с которыми большинству людей приходится
сталкиваться в своей повседневной жизни, вызывают либо раздражение, либо
даже боль в. ушах. Но если мощность звука, обусловливающего болезненное
ощущение в ушах, понизить в десять миллионов раз, то и такой звук
оказывается достаточно интенсивным, чтобы распространяться в воздухе.
Для измерения нашего субъективного восприятия звука используется
логарифмическая шкала. Когда мощность одного звука в 10 раз больше
мощности другого, то говорят, что интенсивность первого звука составляет
10 децибел по отношению ко второму, в 100 раз - 20 децибел, в 1000 раз -
30 децибел и т. д. Иными словами, всякий раз, когда отношение мощностей
звука увеличивается в 10 раз, интенсивность звука, выраженная в
децибелах, возрастает на 10. При таком подходе мы получаем не
абсолютную, а лишь относительную шкалу. Необходимо как-то выделить
уровень нулевой интенсивности, чтобы от него производить отсчет. Такой
уровень выбран на основе субъективных показателей - это минимальный
порог восприятия звука человеческим ухом, который равен 10 ~12 ватта на
квадратный метр. Звук в 10 раз более мощный имеет уровень интенсивности
10 децибел, в миллион раз - 60 децибел, в 10 миллион миллионов раз,
вызывающий болевое ощущение,- 130 децибел, что соответствует 10 ваттам
на квадратный метр.
Имеется еще одна особенность человеческого слуха. Если к звуку
определенной громкости добавить звук той же или близкой к ней частоты,
то общая громкость окажется меньше математической суммы тех же
громкостей. Одновременно звучащие звуки как бы компенсируют или
маскируют друг друга. А звуки, далеко отстоящие по частоте, не влияют
друг на друга, и их громкость оказывается максимальной. Эту
закономерность композиторы используют для достижения наибольшей мощности
звучания оркестра.
С точки зрения восприятия органами слуха звуков их можно разделить в
основном на три категории: шум, музыка, речь. Такое разделение оправдано
не только нашей привычкой к классификации явлений и предметов. Шум,
музыка и речь - разные области звуковых событий,^ обладающие
специфической для человека информацией. Потому-то они и изучаются
разными специалистами.
Шум - бессистемное сочетание большого количества звуков, когда все эти
звуки сливаются в нечто хаотическое, нестройное. Каждый из нас
достаточно хорошо знаком с этим не всегда приятным явлением. Даже когда
мы, занятые своими мыслями, не замечаем будто бы шума, он оказывает на
нас свое воздействие, как правило, отрицательное. Час, другой, и мы
чувствуем, что начинает побаливать голова, появляется слабость.
Причем нам иногда кажется, что все это происходит вроде бы беспричинно.
Только уж если шум мешает нам основательно, действует на нас
раздражающе, мы твердо знаем, что голова заболела от него.
Сейчас специалисты считают борьбу с шумом в городах и особенно на
промышленных предприятиях одной из важнейших проблем. Речь идет,
конечно, не о том, чтобы всюду стояла абсолютная тишина. Да она просто и
не достижима в условиях современного города и современного производства.
Более того, человек не может жить в абсолютной тишине и никогда не
стремится к ней. Не случайно безмолвие сурдокамер - одно из не-^ легких
испытаний для тех, кто готовится к космическим полетам. Человек, долго
находящийся в абсолютной тишине, испытывает <информационный голод>,
который может привести к расстройству психики. Словом, длительная
абсолютная тишина так же пагубна для психики, как и беспрерывный
повышенный шум. Оба эти состояния противоестественны для человека,
который за миллионы лет эволюции приспособился к определенному шумовому
фону - разнообразным и ненавязчивым звукам природы.
Наблюдения за состоянием здоровья рабочих шумных цехов показали, что под
действием шума нарушается динамика центральной нервной системы и функции
вегетативной нервной системы. Проще говоря, шум может повышать давление
крови, учащать или замедлять пульс, понижать кислотность желудочного
сока, кровообращение мозга, ослаблять память, снижать остроту слуха. У
рабочих шумных производств отмечается боле* высокий процент заболеваний
нервной и сосудистой систем, желудочно-кишечного тракта.
Одна из причин отрицательного воздействия шумов е том, что, когда мы
сосредоточиваемся, чтобы лучше слышать, наш слуховой аппарат работает с
большой перегрузкой. Одноразовая перегрузка не страшна, но когд мы
перенапрягаемся изо дня в день, из года в год, бесследно это не
проходит.
Какое количество и какого именно шума может вы держать человек, зависит
от возраста. Молодые, как правило, выдерживают больше шума, чем пожилые,
грохот оркестра или пронзительное пение, которое нра вится подростку,
может совершенно вывести из себя человека в возрасте. Как же врачи и
специалисты по акустике определяют уровень шума? Для измерения
интенсивности звука в слуховом восприятии принята международная шкала
громкости, разделенная на 13 бел, или 130 децибел. По этой шкале нулю
соответствует порог слышимости, 10 децибел - шепот низкой громкости, 20
децибел - шепот средней громкости, 40 децибел - тихий разговор, 50
децибел - разговор средней громкости, 70 децибел - шум пишущей машинки,
80 децибел - шум работающего двигателя грузового автомобиля, 100 децибел
- громкий автомобильный сигнал на расстоянии 5-7 метров, 120 децибел -
шум работающего трактора на расстоянии одного метра и, наконец, 130
децибел - порог болевого ощущения, то есть порог выносливости уха.
Установлено, что максимальные величины, будто не влияющие на организм,
равны 30-35 децибелам, однако при длительном воздействии такого шума у
практически здоровых людей может дать <сбой> нервная система, что
выражается, как правило, нарушением сна.
Медики настойчиво продолжают исследовать влияние шума на здоровье
человека. Они, например, установили, что при повышении шума
увеличивается выделение адреналина. Адреналин в свою очередь влияет на
работу сердца и, в частности, способствует выделению свободных жирных
кислот в кровь. Для этого достаточно человеку кратковременно находиться
под воздействием шума интенсивностью 60-70 децибел. Шум более 90 децибел
способствует более активному выделению кортизона. А это в определенной
степени ослабляет способность печени бороться с вредными для организма
веществами, в том числе и с теми, которые способствуют возникновению
рака.
Оказалось, что шум вреден также и для зрения человека. К такому выводу
пришла группа болгарских врачей, исследовавших эту проблему.
Специалисты, участвовавшие в опытах, по нескольку*часов находились в
затемненных камерах, куда постоянно транслировался записанный на
магнитофонную пленку шум от работы станков и механизмов. При этом было
установлено, что заметно уменьшается активность сетчатки глаза, от
которой зависит работа глазных нервов, а следовательно, острота зрения.
Итак, шум - очень неблагоприятное явление для человека, он заметно
снижает производи-1ьность умственного и физического труда. Невозможно
перечислить все техногенные источники шума, от которого требуется
активная защита. Но если иметь в виду уличный шум современного большого
города, то его основной источник установить не столь уж трудно - это
транспорт, особенно неумолчно урчащие, а то просто ревущие автомобили. В
некоторых крупных городах мира шум в дневное время достигает 120-130
децибел. В Западной Европе есть города, где в течение нескольких лет
жители не могут днем работать, а ночью спать - над их домами непрерывно
проносятся реактивные самолеты.
Возникает вопрос, можно ли бороться с шумами и как?
В Советском Союзе борьбе с шумом, улучшению акустических условий
оказывается повсеместное внимание. Самолетам, как правило, запрещено
летать над городами. Шумные предприятия либо изолируют от жилых районов
зелеными насаждениями, либо стараются и* вывести за городскую черту. В
новых районах строят широкие проспекты, где звуки больше поглощаются, не
отражаясь многократно от стен домов. В населенных пунктах запрещены
звуковые сигналы всех видов транспорта (исключения оговариваются
правилами дорожного движения).
Растения - хороший гаситель шума. Деревья и кустарники снижают шум на 5,
10, а иногда и на 20 деци бел. Безусловно, что эффективность зеленых
насаждений зависит от их планировки и пород деревьев. Эффективны зеленые
полосы между тротуаром и мостовой. На широких улицах со значительным
движением транспорта рекомендуется создавать рядом с тротуарами аллеи
шириной 10-12 метров. Лучше всего гасят шум липы цели.
Ели поглощают уличный шум в такой степени, что жители домов, находящихся
позади такого хвойного за слона, едва ли не полностью избавляются от
раздражающих шумов улицы большого города.
Специалисты, работающие в лаборатории строитель ной акустики Московского
научноисследовательского института типового и экспериментального
проектирования /МНИИТЭП/, предложили так называемые шумозащитные окна
для жилых помещений. Они обеспечиваю снижение шума в квартирах на 44
децибела (обычно окно снижает уличный шум всего примерно на 22
децибела). Окна снабжены клапанами-глушителями, благодаря которым
обеспечивается доступ свежего воздуха в помещение без существенного
ухудшения противошумовой защиты.
На промышленных предприятиях тоже ведется настойчивая борьба с шумом.
Для этого применяются индивидуальные средства защиты - <противошумы> и
<антифоны> различной конструкции, снижающие на 30-50 процентов уровень
высококачественного шума. Более эффективный путь к уменьшению шума -
использование разнообразных средств звукоизоляции, звукопоглощающих
покрытий.
Хороший почин в борьбе с шумом сделан на Ермолинском хлопчатобумажном
объединении. Наступление на децибелы началось здесь несколько лет назад.
Сотрудники Института гигиены труда и профзаболеваний АМН СССР предложили
использовать звукопоглощающие подвесные плиты - кулисы. Немало пришлось
поработать ученым-гигиенистам вместе с инженерами, чтобы стали
максимально эффективными эти акустические ловушки. На первых порах,
например, стены облицовывали плоскими плитами. Затем стали их делать
волнистыми, что дало еще больший эффект, нашли оптимальный вариант
размещения кулис. Результат налицо - уровень шума снижен более чем
вдвое, производительность труда повысилась, а заболеваемость ткачих
уменьшилась на 30 процентов. Ермолинский вариант борьбы с шумом взят на
вооружение московским шелковым комбинатом имени Розы Люксембург <Красная
Роза>, столичной ткацкой фабрикой <Красные текстильщики>, Раменским
текстильным комбинатом и др.
Еще один путь борьбы с шумом - это замена физически изношенной и
морально устаревшей техники более совершенной. Можно также применить
хорошо организованный и высококачественный ремонт и модернизацию
промышленного оборудования и другие меры.
Можно быть уверенным, что проблема борьбы с промышленными шумами будет в
конце концов решена, ибо этого требуют социальные и экономические
интересы общества.
Нормативно-технической основой комплексного решения этой проблемы
является стандартизация, целенаправленная и планомерная деятельность,
призванная стРого регламентировать все факторы, так или иначе
порождающие шум, и установить методы и способы защиты от него. Именно
этим занимаются специалисты стран - членов Совета Экономической
Взаимопомощи, они разрабатывают стандарты тишины на производстве и в
быту. При этом обязательно учитывается опыт, накопленный в той или иной
стране, в той или иной отрасли народного хозяйства. Каждый стандарт СЭВ
представляет собой синтез опыта и современных научных достижений и
целиком ориентирован на использование прогрессивной техники и
технологии.
Венгерские специалисты разработали стандарт <Допустимые уровни звукового
давления в жилых и общественных зданиях>. Этот документ устанавливает
ряд акустических пределов, благодаря которым понятие тишины обретает
количественное выражение. Так, напри-! мер, тишина в квартире, по мнению
медиков, участвовавших в разработке стандарта,- это 40 децибел днем и 30
децибел ночью. Для сравнения: 25 децибел дает шелест листвы на умеренном
ветру, 30 децибел - тиканье часов на расстоянии 1 метра, 75-80 децибел -
шум на улице небольшого города.
Ведется работа над стандартом, который установит1 предельно допустимый
уровень шума в районе жилищных застроек, местах отдыха и детских игр.
Нормы, заложенные в этот стандарт, будут обязательны для проектировщиков
и строителей.
Разумеется, чтобы эффективно бороться с шумом; надо уметь его измерять.
Но не только, нужны еще единые методы измерения и оценки. Именно это
предполагается обосновать новым стандартом СЭВ на методы измерения
шумов, создаваемых транспортными потоками] на улицах больших городов.
При СЭВ есть постоянная комиссия с рабочей груп-1 пой по охране труда,
она координирует работу по стандартизации, ведущуюся в странах СЭВ. В
1976 году были утверждены технические нормы, ограничивающие шум на
предприятиях текстильной промышленности, гд как известно, работают
преимущественно женщины.
Средства и методы защиты от шума классифицирует стандарт, разработанный
советскими специалистам Л стандарт, содержащий общие требования к метода
измерения шума, создали специалисты ЧССР. Специалисты ГДР обосновали
стандарт СЭВ <Допустимые уро ни шума на рабочих местах>, согласно
которому уровень шума отныне не должен превышать 85 децибел. Конечно,
это еще далеко не идеальные условия, о которых мечтают гигиенисты, тем
не менее и снижение производственного шума до этого уровня на всех без
исключения предприятиях привело бы к значительному оздоровлению условий
труда.
Работа по стандартизации, имеющей целью борьбу с шумом, продолжается.
Так, постоянная комиссия СЭВ возложила на специалистов СССР разработку
проекта долгосрочной программы, направленной на всестороннюю защиту
человека от вредного воздействия шума.
При слове <музыка> мы тотчас представляем себе вид искусства,
специфически - с помощью звуковых художественных образов - отражающего
действительность и столь же специфически воздействующего на людей - на
их психику и эмоции.
К тому, что музыка - это многообразный мир особым образом организованных
звуков, благодаря чему она способна выражать с достаточной полнотой
эмоциональные переживания людей, их душевное состояние, мы давно
привыкли. При этом как-то забывается, что к ней применимы все те
характеристики, которые установлены и измерены физиками при изучении
звуков вообще. Приложимы, однако, с учетом ее особенностей, потому-то
она является объектом изучения не акустики вообще, а музыкальной
акустики - науки, родившейся на стыке акустики, музыковедения,
психологии и физиологии. Ведь музыкальный язык - это, можно сказать,
очеловеченный звук и по своему происхождению, и по своему назначению.
Но еще с большим правом то же самое мы можем сказать о звуках, из
которых складывается наш язык, неразрывно связанный, с мышлением,
сознанием.
Таким образом, шум, музыка, звуковая речь - это как бы ступени лестницы,
ведущей ко все большей и большей организованности, упорядоченности в
мире звуков, ко все большей их информативности.
"Звук, ультразвук, инфразвук"
Многих из нас иногда интересует простой физиологический вопрос, касающийся того, как мы слышим. Давайте рассмотрим, из чего же состоит наш орган слуха и как происходит его работа.
Прежде всего, отметим, что слуховой анализатор имеет четыре части:
- Наружное ухо. К нему относят слуховой привод, ушную раковину, а также барабанную перепонку. Последняя служит для изоляции внутреннего конца слухового провода от окружающей среды. Что касается слухового прохода, то он имеет совершенно изогнутую форму длиной около 2,5 сантиметров. На поверхности слухового прохода имеются железы, а также она покрыта волосками. Именно эти железы и выделяют ушную серу, которую мы вычищаем по утрам. Также слуховой проход необходим для поддержания необходимой влажности и температуры внутри уха.
- Среднее ухо. Та составляющая слухового анализатора, которая находится за барабанной перепонкой и заполнена воздухом, называется средним ухом. Оно соединяется при помощи евстахиевой трубы с носоглоткой. Евстахиева труба представляет собой достаточно узкий хрящевой канал, который в обычном состоянии закрыт. Когда мы совершаем глотательные движения, он открывается и через него в полость поступает воздух. Внутри среднего уха расположены три маленькие слуховые косточки: наковальня, молоточек и стремя. Молоточек при помощи одного конца соединяется со стременем, а оно уже с литкой во внутреннем ухе. Под действием звуков барабанная перепонка находится в постоянном движении, а слуховые косточки уже дальше передают её колебания внутрь. Она является одним из важнейших элементов, которое необходимо изучить при рассмотрении того, какое строение уха человека
- Внутреннее ухо. В этой части слухового ансамбля имеется сразу несколько структур, однако слух контролирует только одна из них – улитка. Такое название она получила из-за своей спиральной формы. Она имеет три канала, которые заполнены лимфатическими жидкостями. В среднем канале жидкость значительно отличается по составу от остальных. Тот орган, который отвечает за слух, называется Кортиев орган и расположен в среднем канале. Он состоит из несколько тысяч волосков, улавливающих колебания, которые создаёт жидкость, движущаяся по каналу. Здесь же генерируются электрические импульсы, передающиеся затем в кору головного мозга. Определенная волосковая клетка реагирует на особый вид звука. Если же происходит так, что волосковая клетка гибнет, то человек перестаёт воспринимать тот или иной звук. Также для того, чтобы понять, как человек слышит, следует рассмотреть еще и слуховые проводящие пути.
Слуховые пути
Ими являются совокупность волокон, которые проводят нервные импульсы от самой улитки и до слуховых центров вашей головы. Именно благодаря путям наш мозг воспринимает тот или иной звук. Находятся слуховые центры в височных долях мозга. Звук, который проходит через внешнее ухо к головному мозгу продолжается около десяти миллисекунд.
Как мы воспринимаем звук
Человеческое ухо перерабатывает получаемые из окружающей среды звуки в специальные механические колебания, которые потом преобразовывают движения жидкости в улитке в электрические импульсы. Они по путям центральной слуховой системы переходят в височные части мозга, чтобы затем быть распознанными и обработанными. Теперь уже промежуточные узлы и сам головной мозг извлекает некую информацию относительно громкости и высоты звучания, а также друге характеристики, такие как время улавливания звука, направление звука и другие. Таким образом, мозг может воспринимать полученную информацию от каждого уха по очереди или совместно, получая единое ощущение.
Известно, что внутри нашего уха хранятся некие «шаблоны» уже изученных звуков, которые наш мозг распознал. Именно они помогают мозгу правильно сортировать и определять первоисточник информации. Если звук снижается, то мозг соответственно начинает получать неправильную информацию, что может привести к неправильному толкованию звуков. Но не только звуки могут искажаться, со временем головной мозг тоже подвергается неправильной трактовке тех или иных звуков. Результатом может оказаться неправильная реакция человека или неверная трактовка информации. Чтобы правильно слышать и достоверно трактовать услышанное, нам понадобится синхронная работа, как мозга, так и слухового анализатора. Именно поэтому можно отметить, что человек слышит не только ушами, но и головным мозгом.
Таким образом, строение уха человека достаточно сложное. Только согласованная работа всех частей органа слуха и головного мозга позволит нам правильно понимать и трактовать услышанное.
Слуховая система человека – сложный и вместе с тем очень интересно устроенный механизм. Чтобы более ясно представить себе, что для нас есть звук, нужно разобраться с тем, что и как мы слышим.
В анатомии ухо человека принято делить на три составные части: наружное ухо, среднее ухо и внутреннее ухо. К наружному уху относится ушная раковина, помогающая сконцентрировать звуковые колебания, и наружный слуховой канал. Звуковая волна, попадая в ушную раковину, проходит дальше, по слуховому каналу (его длина составляет около 3 см, а диаметр - около 0.5) и попадает в среднее ухо, где ударяется о барабанную перепонку, представляющую собой тонкою полупрозрачную мембрану. Барабанная перепонка преобразует звуковую волну в вибрации (усиливая эффект от слабой звуковой волны и ослабляя от сильной). Эти вибрации передаются по присоединенным к барабанной перепонке косточкам - молоточку, наковальне и стремечку – во внутреннее ухо, представляющее собой завитую трубку с жидкостью диаметром около 0.2 мм и длинной около 4 см. Эта трубка называется улиткой. Внутри улитки находится еще одна мембрана, называемая базилярной, которая напоминает струну длиной 32 мм, вдоль которой располагаются чувствительные клетки (более 20 тысяч волокон). Толщина струны в начале улитки и у ее вершины различна. В результате такого строения мембрана резонирует разными своими частями в ответ на звуковые колебания разной высоты. Так, высокочастотный звук затрагивает нервные окончания, располагающиеся в начале улитки, а звуковые колебания низкой частоты – окончания в ее вершине. Механизм распознавания частоты звуковых колебаний достаточно сложен. В целом он заключается в анализе месторасположения затронутых колебаниями нервных окончаний, а также в анализе частоты импульсов, поступающих в мозг от нервных окончаний.
Существует целая наука, изучающая психологические и физиологические особенности восприятия звука человеком. Эта наука называется психоакустикой . В последние несколько десятков лет психоакустика стала одной из наиболее важных отраслей в области звуковых технологий, поскольку в основном именно благодаря знаниям в области психоакустики современные звуковые технологии получили свое развитие. Давайте рассмотрим самые основные факты, установленные психоакустикой.
Основную информацию о звуковых колебаниях мозг получает в области до 4 кГц. Этот факт оказывается вполне логичным, если учесть, что все основные жизненно необходимые человеку звуки находятся именно в этой спектральной полосе, до 4 кГц (голоса других людей и животных, шум воды, ветра и проч.). Частоты выше 4 кГц являются для человека лишь вспомогательными, что подтверждается многими опытами. В целом, принято считать, что низкие частоты «ответственны» за разборчивость, ясность аудио информации, а высокие частоты – за субъективное качество звука. Слуховой аппарат человека способен различать частотные составляющие звука в пределах от 20-30 Гц до приблизительно 20 КГц. Указанная верхняя граница может колебаться в зависимости от возраста слушателя и других факторов.
В спектре звука большинства музыкальных инструментов наблюдается наиболее выделяющаяся по амплитуде частотная составляющая. Ее называют основной частотой или основным тоном . Основная частота является очень важным параметром звучания, и вот почему. Для периодических сигналов, слуховая система человека способна различать высоту звука. В соответствии с определением международной организации стандартов, высота звука - это субъективная характеристика, распределяющая звуки по некоторой шкале от низких к высоким. На воспринимаемую высоту звука влияет, главным образом, частота основного тона (период колебаний), при этом общая форма звуковой волны и ее сложность (форма периода) также могут оказывать влияние на нее. Высота звука может определяться слуховой системой для сложных сигналов, но только в том случае, если основной тон сигнала является периодическим (например, в звуке хлопка или выстрела тон не является периодическим и по сему слух не способен оценить его высоту).
Вообще, в зависимости от амплитуд составляющих спектра, звук может приобретать различную окраску и восприниматься как тон или как шум . В случае если спектр дискретен (то есть, на графике спектра присутствуют явно выраженные пики), то звук воспринимается как тон, если имеет место один пик, или как созвучие , в случае присутствия нескольких явно выраженных пиков. Если же звук имеет сплошной спектр, то есть амплитуды частотных составляющих спектра примерно равны, то на слух такой звук воспринимается как шум. Для демонстрации наглядного примера можно попытаться экспериментально «изготовить» различные музыкальные тона и созвучия. Для этого необходимо к громкоговорителю через сумматор подключить несколько генераторов чистых тонов (осцилляторов) . Причем, сделать это таким образом, чтобы была возможность регулировки амплитуды и частоты каждого генерируемого чистого тона. В результате проделанной работы будет получена возможность смешивать сигналы от всех осцилляторов в желаемой пропорции, и тем самым создавать совершенно различные звуки. Поученный прибор явит собой простейший синтезатор звука.
Очень важной характеристикой слуховой системы человека является способность различать два тона с разными частотами. Опытные проверки показали, что в полосе от 0 до 16 кГц человеческий слух способен различать до 620 градаций частот (в зависимости от интенсивности звука), при этом примерно 140 градаций находятся в промежутке от 0 до 500 Гц.
На восприятии высоты звука для чистых тонов сказываются также интенсивность и длительность звучания. В частности, низкий чистый тон покажется еще более низким, если увеличить интенсивность его звучания. Обратная ситуация наблюдается с высокочастотным чистым тоном – увеличение интенсивности звучания сделает субъективно воспринимаемую высоту тона еще более высокой.
Длительность звучания сказывается на воспринимаемой высоте тона критическим образом. Так, очень кратковременное звучание (менее 15 мс) любой частоты покажется на слух просто резким щелчком – слух будет неспособен различить высоту тона для такого сигнала. Высота тона начинает восприниматься лишь спустя 15 мс для частот в полосе 1000 – 2000 Гц и лишь спустя 60 мс – для частот ниже 500 Гц. Это явление называется инерционностью слуха . Инерционность слуха связана с устройством базилярной мембраны. Кратковременные звуковые всплески не способны заставить мембрану резонировать на нужной частоте, а значит мозг не получает информацию о высоте тона очень коротких звуков. Минимальное время, требуемое для распознавания высоты тона, зависит от частоты звукового сигнала, а, точнее, от длины волны. Чем выше частота звука, тем меньше длина звуковой волны, а значит тем быстрее «устанавливаются» колебания базилярной мембраны.
В природе мы почти не сталкиваемся с чистыми тонами. Звучание любого музыкального инструмента является сложным и состоит из множества частотных составляющих. Как мы сказали выше, даже для таких звуков слух способен установить высоту их звучания, в соответствии с частотой основного тона и/или его гармоник. Тем не менее, даже при одинаковой высоте звучания, звук, например, скрипки отличается на слух от звука рояля. Это связано с тем, что помимо высоты звучания слух способен оценить также общий характер, окрас звучания, его тембр . Тембром звука называется такое качество восприятия звука, которое, в не зависимости от частоты и амплитуды, позволяет отличить одно звучание от другого. Тембр звука зависит от общего спектрального состава звучания и интенсивности спектральных составляющих, то есть от общего вида звуковой волны, и фактически не зависит от высоты основного тона. Немалое влияние на тембр звучания оказывает явление инерционности слуховой системы. Это выражается, например, в том, что на распознавание тембра слуху требуется около 200 мс.
Громкость звука – это одно из тех понятий, которые мы употребляем ежедневно, не задумываясь при этом над тем, какой физический смысл оно несет. Громкость звука – это психологическая характеристика восприятия звука, определяющая ощущение силы звука. Громкость звука, хотя и жестко связана с интенсивностью, но нарастает непропорционально увеличению интенсивности звукового сигнала. На громкость влияет частота и длительность звукового сигнала. Чтобы правильно судить о связи ощущения звука (его громкости) с раздражением (уровнем силы звука), нужно учитывать, что изменение чувствительности слухового аппарата человека не точно подчиняется логарифмическому закону.
Существуют несколько единиц измерения громкости звука. Первая единица – «фон » (в англ. обозначении - « phon»). Говорят, «уровень громкости звука составляет n фон», если средний слушатель оценивает сигнал как равный по громкости тону с частотой 1000 Гц и уровнем давления в n дБ. Фон, как и децибел, по сути не является единицей измерения, а представляет собой относительную субъективную характеристику интенсивности звука. На рис. 5 представлен график с кривыми равных громкостей.
Каждая кривая на графике показывает уровень равной громкости с начальной точкой отсчета на частоте 1000 Гц. Иначе говоря, каждая линия соответствует некоторому значению громкости, измеренной в фонах. Например, линия «10 фон» показывает уровни сигнала в дБ на разных частотах, воспринимаемых слушателем как равные по громкости сигналу с частотой 1000 Гц и уровнем 10 дБ. Важно заметить, что приведенные кривые не являются эталонными, а приведены в качестве примера. Современные исследования ясно свидетельствуют, что вид кривых в достаточной степени зависит от условий проведения измерений, акустических характеристик помещения, а также от типа источников звука (громкоговорители, наушники). Таким образом, эталонного графика кривых равных громкостей не существует.
Важной деталью восприятия звука слуховым аппаратом человека является так называемый порог слышимости - минимальная интенсивность звука, с которой начинается восприятие сигнала. Как мы видели, уровни равной громкости звука для человека не остаются постоянным с изменением частоты. Иными словами, чувствительность слуховой системы сильно зависит как от громкости звука, так и от его частоты. В частности, и порог слышимости также не одинаков на разных частотах. Например, порог слышимости сигнала на частоте около 3 кГц составляет чуть менее 0 дБ, а на частоте 200 Гц – около 15 дБ. Напротив, болевой порог слышимости мало зависит от частоты и колеблется в пределах 100 – 130 дБ. График порога слышимости представлен на рис. 6. Обратим внимание, что поскольку, острота слуха с возрастом меняется, график порога слышимости в верхней полосе частот различен для разных возрастов.
Частотные составляющие с амплитудой ниже порога слышимости (то есть находящиеся под графиком порога слышимости) оказываются незаметными на слух.
Интересным и исключительно важным является тот факт, что порог слышимости слуховой системы, также как и кривые равных громкостей, является непостоянным в разных условиях. Представленные выше графики порога слышимости справедливы для тишины. В случае проведения опытов по измерению порога слышимости не в полной тишине, а, например, в зашумленной комнате или при наличии какого-то постоянного фонового звука, графики окажутся другими. Это, в общем, совсем не удивительно. Ведь идя по улице и разговаривая с собеседником, мы вынуждены прерывать свою беседу, когда мимо нас проезжает какой-нибудь грузовик, поскольку шум грузовика не дает нам слышать собеседника. Этот эффект называется частотной маскировкой . Причиной появления эффекта частотной маскировки является схема восприятия звука слуховой системой. Мощный по амплитуде сигнал некоторой частоты f m вызывает сильные возмущения базилярной мембраны на некотором ее отрезке. Близкий по частоте, но более слабый по амплитуде сигнал с частотой f уже не способен повлиять на колебания мембраны, и поэтому остается «незамеченным» нервными окончаниями и мозгом.
Эффект частотной маскировки справедлив для частотных составляющих, присутствующих в спектре сигнала в одно и то же время. Однако в виду инерционности слуха, эффект маскировки может распространяться и во времени. Так некоторая частотная составляющая может маскировать другую частотную составляющую даже тогда, когда они появляются в спектре не одновременно, а с некоторой задержкой во времени. Этот эффект называется временн о й маскировкой . В случае, когда маскирующий тон появляется по времени раньше маскируемого, эффект называют пост-маскировкой . В случае же, когда маскирующий тон появляется позже маскируемого (возможен и такой случай), эффект называет пре-маскировкой .
2.5. Пространственное звучание.
Человек слышит двумя ушами и за счет этого способен различать направление прихода звуковых сигналов. Эту способность слуховой системы человека называют бинауральным эффектом . Механизм распознавания направления прихода звуков сложен и, надо сказать, что в его изучении и способах применения еще не поставлена точка.
Уши человека расставлены на некотором расстоянии по ширине головы. Скорость распространения звуковой волны относительно невелика. Сигнал, приходящий от источника звука, находящегося напротив слушателя, приходит в оба уха одновременно, и мозг интерпретирует это как расположение источника сигнала либо позади, либо спереди, но не сбоку. Если же сигнал приходит от источника, смещенного относительно центра головы, то звук приходит в одно ухо быстрее, чем во второе, что позволяет мозгу соответствующим образом интерпретировать это как приход сигнала слева или справа и даже приблизительно определить угол прихода. Численно, разница во времени прихода сигнала в левое и правое ухо, составляющая от 0 до 1 мс, смещает мнимый источник звука в сторону того уха, которое воспринимает сигнал раньше. Такой способ определения направления прихода звука используется мозгом в полосе частот от 300 Гц до 1 кГц. Направление прихода звука для частот расположенных выше 1 кГц определяется мозгом человека путем анализа громкости звука. Дело в том, что звуковые волны с частотой выше 1 кГц быстро затухают в воздушном пространстве. Поэтому интенсивность звуковых волн, доходящих до левого и правого ушей слушателя, отличаются на столько, что позволяет мозгу определять направление прихода сигнала по разнице амплитуд. Если звук в одном ухе слышен лучше, чем в другом, следовательно источник звука находится со стороны того уха, в котором он слышен лучше. Немаловажным подспорьем в определении направления прихода звука является способность человека повернуть голову в сторону кажущегося источника звука, чтобы проверить верность определения. Способность мозга определять направление прихода звука по разнице во времени прихода сигнала в левое и правое ухо, а также путем анализа громкости сигнала используется в стереофонии .
Имея всего два источника звука можно создать у слушателя ощущение наличия мнимого источника звука между двумя физическими. Причем этот мнимый источник звука можно «расположить» в любой точке на линии, соединяющей два физических источника. Для этого нужно воспроизвести одну аудио запись (например, со звуком рояля) через оба физических источника, но сделать это с некоторой временно й задержкой в одном из них и соответствующей разницей в громкости. Грамотно используя описанный эффект можно при помощи двухканальной аудио записи донести до слушателя почти такую картину звучания, какую он ощутил бы сам, если бы лично присутствовал, например, на каком-нибудь концерте. Такую двухканальную запись называют стереофонической. Одноканальная же запись называется монофонической .
На самом деле, для качественного донесения до слушателя реалистичного пространственного звучания обычной стереофонической записи оказывается не всегда достаточно. Основная причина этого кроется в том, что стерео сигнал, приходящий к слушателю от двух физических источников звука, определяет расположение мнимых источников лишь в той плоскости, в которой расположены реальные физические источники звука. Естественно, «окружить слушателя звуком» при этом не удается. По большому счету по той же причине заблуждением является и мысль о том, что объемное звучание обеспечивается квадрофонической (четырехканальной) системой (два источника перед слушателем и два позади него). В целом, путем выполнения многоканальной записи нам удается лишь донести до слушателя тот звук, каким он был «услышан» расставленной нами звукопринимающей аппаратурой (микрофонами), и не более того. Для воссоздания же более или менее реалистичного, действительно объемного звучания прибегают к применению принципиально других подходов, в основе которых лежат более сложные приемы, моделирующие особенности слуховой системы человека, а также физические особенности и эффекты передачи звуковых сигналов в пространстве.
Одним из таких инструментов является использование функций HRTF (Head Related Transfer Function). Посредством этого метода (по сути – библиотеки функций) звуковой сигнал можно преобразовать специальным образом и обеспечить достаточно реалистичное объемное звучание, рассчитанное на прослушивание даже в наушниках.
Суть HRTF – накопление библиотеки функций, описывающих психофизическую модель восприятия объемности звучания слуховой системой человека. Для создания библиотек HRTF используется искусственный манекен KEMAR (Knowles Electronics Manikin for Auditory Research) или специальное «цифровое ухо». В случае использования манекена суть проводимых измерений состоит в следующем. В уши манекена встраиваются микрофоны, с помощью которых осуществляется запись. Звук воспроизводится источниками, расположенными вокруг манекена. В результате, запись от каждого микрофона представляет собой звук, «прослушанный» соответствующим ухом манекена с учетом всех изменений, которые звук претерпел на пути к уху (затухания и искажения как следствия огибания головы и отражения от разных ее частей). Расчет функций HRTF производится с учетом исходного звука и звука, «услышанного» манекеном. Собственно, сами опыты заключаются в воспроизведении разных тестовых и реальных звуковых сигналов, их записи с помощью манекена и дальнейшего анализа. Накопленная таким образом база функций позволяет затем обрабатывать любой звук так, что при его воспроизведении через наушники у слушателя создается впечатление, будто звук исходит не из наушников, а откуда-то из окружающего его пространства.
Таким образом, HRTF представляет собой набор трансформаций, которые претерпевает звуковой сигнал на пути от источника звука к слуховой системе человека. Рассчитанные однажды опытным путем, HRTF могут быть применены для обработки звуковых сигналов с целью имитации реальных изменений звука на его пути от источника к слушателю. Не смотря на удачность идеи, HRTF имеет, конечно, и свои отрицательные стороны, однако в целом идея использования HRTF является вполне удачной. Использование HRTF в том или ином виде лежит в основе множества современных технологий пространственного звучания, таких как технологии QSound 3 D (Q3 D), EAX, Aureal3 D (A3 D) и другие.
Ревенко Артем и Исмаилов Дима
В этой проектно-исследовательской работе учащиеся изучили строение уха, природу звука и его основные характеристики, его влияние на неживые предметы и живые существа.
Скачать:
Предварительный просмотр:
Муниципальный конкурс проектно-исследовательских работ
младших школьников «Я – исследователь»
Направление: физическое
Исследовательская работа
Тема: «Почему мы слышим звуки?»
(Исследование звуковых волн)
Ревенко Артём Александрович,
учащиеся 4 класса МБОУ ООШ № 5
г.Шатуры
Руководитель: Столчнева Мария Дмитриевна,
учитель начальных классов
2012 г.
Введение.
1.1.Из истории звука.
1.2.Что такое звук?
1.3.Звук и слух. Строение уха. Почему надо беречь уши? 1.4.Распространение звука.
1.5. Ультразвуки и инфразвуки. Эхолокация в природе.
Глава 2. Моё исследование.
2.1.Образование звука.
2.2.Исследование характеристик звука: высоты, тембра, громкости.
2.3.Звуковые явления. (Опыт. Влияние громкости на неживые предметы; на живые существа).
Заключение.
Список литературы.
Приложение 1.
Приложение 2.
Введение
Пытаются шептать клочки афиш,
Пытается кричать железо крыш,
И в трубах петь пытается вода
И так мычат бессильно провода.
Е. Евтушенко
Мы живем в удивительном мире звуков. Они окружают нас повсюду. Мы слышим шум ветра и шелест листьев, журчание ручья и грохот грома, звук музыкального инструмента, пение соловья и стрекотание кузнечика, скрип двери и шум моторов.
Что такое звук? Как он возникает? Чем один звук отличается от других?
Почему мы слышим звуки? Все эти вопросы заинтересовали меня. И я решил провести исследование.
В связи с этим я поставил перед собой цель: исследовать природу звуковых волн.
Объектом изучения стали звуковые волны, а п редметом моего исследования : их физические свойства.
Гипотеза: колебания звуковых волн влияют на неживые предметы и живые существа.
Задачи:
- изучить литературу и подобрать материал о звуке;
- определить методы, с помощью которых можно исследовать звуковые волны;
- установить, как образуется и распространяется звук;
- изучить строение уха;
- изучить физические свойства звука: высоту, тембр, громкости;
- выяснить, как громкость звука влияет на неживые предметы и живые существа;
- подготовить необходимые материалы;
- провести опыты и эксперименты, проанализировать полученные результаты и сделать выводы.
Методы :
- обзор и анализ литературы;
- поведение экспериментов, опытов;
- работа со словарем, литературой, интернет-ресурсами;
- наблюдение в естественных условиях (сбор показаний), опрос;
- анализ различных источников информации, их сравнение с полученными результатами, обобщение.
Свое исследование я проводил в своем классе и дома на протяжении 4 месяцев, с октября. Сначала я подобрал литературу, изучил ее. Затем подобрал доступное мне оборудование для исследования. После я приступил к исследованию.
Глава 1. Удивительный мир звуков
1.1.Из истории звука
В глубокой древности звук казался людям удивительным, таинственным порождением сверхъестественных сил. Они верили, что звуки могут укрощать диких животных, сдвигать скалы и горы, преграждать путь воде, вызывать дождь, творить другие чудеса. В Древнем Египте, заметив удивительное воздействие музыки на человека, ни один праздник не обходился без ритуальных песнопений. Древние индийцы раньше других овладели высокой музыкальной культурой. Они разработали и широко использовали нотную грамоту задолго до того, как она появилась в Европе. Понять и изучить звук люди стремились с незапамятных времен. Греческий ученый и философ Пифагор, доказал, что низкие тона в музыкальных инструментах присуще длинным струнам. При укорочении струны вдвое звук ее повысится на целую октаву. Открытие Пифагора положило начало науки об акустики. Первые звуковые приборы были созданы в театрах Древней Греции и Рима: актеры вставляли в свои маски маленькие рупоры для усиления звука. Известно также применение звуковых приборов в египетских храмах, где были «шепчущие» статуи богов.
1.2.Что такое звук?
С первого класса я уже знал, что «звуки издают предметы и живые существа. Звуки мы можем передать голосом. Он бежит невидимой волной. У нас есть чудесные приборы, которые улавливают эту волну. Эти приборы уши. Внутри наше ухо очень сложное. Оно боится шума, резких, громких звуков. Уши надо беречь.
Иногда звук добегает до какого-нибудь препятствия (например, до горы, леса) и, обратно. Тогда мы слышим эхо» .
Что же такое звук?
Проведу два простых опыта.
Опыт 1 . Приложу ладонь к своей гортани, произнесу какой – либо гласный звук. Гортань начинает дрожать, колебаться. Эти колебания хорошо ощущаются ладонью. Я их не вижу, но слышу.
Опыт 2. Зажму в тисках длинную стальную линейку. Если над тисками будет выступать большая часть линейки, то, вызвав ее колебания, мы не услышим порождаемые ею волны. Но если укоротить выступающую часть линейки и тем самым увеличить частоту ее колебаний, то мы обнаружим, что линейка начнет звучать.
Исходя из опытов, я сделал вывод , что звук получается в результате колебаний. Эти волны, распространяясь в воздухе, а также внутри жидкостей и твердых тел, невидимы. Однако при определенных условиях их можно услышать.
Упругие волны, способные вызвать у человека слуховые ощущения, называются звуковыми волнами или просто звуком.
В толковом словаре Ожегова говорится, что « звук – это то, что слышится, воспринимается слухом: физическое явление, вызываемое колебательными движениями частиц воздуха или другой среды».
Рассмотрю примеры, поясняющие физическую сущность звука. Струна музыкального инструмента передает свои колебания окружающим частицам воздуха. Эти колебания будут распространяться все дальше и дальше, а достигнув уха, вызовут колебания барабанной перепонки. Я услышу звук. В каждой среде в результате взаимодействия между частицами колебания передаются все новым и новым частицам, т.е. в среде распространяются звуковые волны.
Наука, изучающая звуковые волны, называется акустикой. Акустика имеет несколько разновидностей. Так физическая акустика занимается изучением самих звуковых колебаний. Электроакустика, или техническая акустика, занимается получением, передачи, приемом и записью звуков при помощи электрических приборов. Архитектурная акустика изучает распространение звука в помещениях. Музыкальная акустика исследует природу музыкальных звуков, а также музыкальные настрой и системы. Гидроакустика (морская акустика) занимается изучением явлений, происходящих в водной среде, связанных с излучением, приемом и распространением акустических волн. Атмосферная акустика изучает звуковые процессы в атмосфере, в частности распространение звуковых волн, условие сверхдальнего распространения звука. Физиологическая акустика исследует возможности органов слуха, их устройство и действие. Она изучает образование звуков органами речи и восприятие звуков органами слуха, а также вопросы анализа и синтеза речи. Биологическая акустика рассматривает вопросы звукового и ультразвукового общения животных.
Обратившись к литературе, я узнал, что, как и любая волна, звук характеризуется амплитудой и спектром частот . Обычно человек слышит звуки, передаваемые по воздуху, в диапазоне частот от 16-20 Гц до 15-20 кГц. 20 Гц – это, пожалуй, раскаты грома, а 18 000 Гц – тончайший комариный писк.
Звук ниже диапазона слышимости человека называют инфразвуком ; выше: до 1 ГГц, - ультразвуком , от 1 ГГц - гиперзвуком . Среди слышимых звуков следует также особо выделить фонетические, речевые звуки и фонемы (из которых состоит устная речь ) и музыкальные звуки (из которых состоит музыка ).
Вывод: звук – это упругие волны, распространяющиеся в упругой среде. Человек слышит звук в диапазоне от 16-20 Гц до 15-20 кГц. Есть ультразвуки – до 1 ГГц, гиперзвуки от 1 ГГц, инфразвуки – до 16-20 Гц. Акустика изучает звуковые колебания.
1.3.Звук и слух. Строение уха. Почему надо беречь уши?
Передо мной стали вопросы: из чего состоит ухо? Почему в ушах образуется сера? Почему надо беречь уши?
Наблюдая за своими родными и близкими, я понял, что мы все по-разному слышим одни и те же звуки, для кого-то они кажутся тихими, а для других наоборот - громкими. Оказывается, человеческое ухо наиболее чувствительно к звукам с частотой от 1000 до 3000 Гц. Наибольшая острота слуха наблюдается в возрасте 15-20 лет. С возрастом слух ухудшается. У человека до 40 лет наибольшая чувствительность находится в области 3000 Гц, от 40 до 60 лет - 2000 Гц, старше 60 лет - 1000 Гц. Звуки могут отличаться один от другого по тембру. Основной тон звука сопровождается, как правило, второстепенными тонами, которые всегда выше по частоте и предают основному звуку дополнительную окраску. Они называются обертонами. Чем больше обертонов налагается на основной тон, тем «богаче» звук в музыкальном отношении. Органы слуха благодаря своему замечательному устройству легко отличают одно колебание от другого, голос близкого или знакомого человека от голосов других людей. Потому, как говорит человек, мы судим о его настроении, состоянии, переживаниях.
Природа, наделяя живые существа слухом, проявила немалую изобретательность. Органы, воспринимающие звук, расположены у них на участках весьма различных, а подчас и неожиданных: у кузнечика и сверчка, к примеру, на голенях передних ножек, у саранчи - на брюшке, у комаров - на усиках-антеннах. У позвоночных органы слуха в процессе эволюции заняли почетное место по бокам головы, а у млекопитающих появилась и развитая ушная раковина. Низшие животные довольствуются защитными складками кожи, прикрывающими слуховой проход: крокодилу такие складки помогают во время погружения под воду; у птиц - аиста, утки, воробья - аналогичную защитную роль выполняет тонкая пленка. Ушная раковина - чаще ее называют попросту ухом - у многих животных весьма подвижна. Собака прислушивается, «играя ушами» - поднимая, опуская или отводя их в стороны. Лошадь и еж, олень и заяц шевелят ушами, определяя направление звука. У африканского носорога - воронкообразные уши, они могут действовать независимо друг от друга: стараясь распознать шорохи спереди и сзади.
Строение уха (смотри рис.1, приложение 1).
Я узнал, что анатомически
ухо делится на три части:
наружное, среднее и внутреннее ухо.
Наружное ухо.
Выступающая часть наружного уха называется ушной раковиной, ее основу составляет полужесткая опорная ткань - хрящ. Отверстие наружного слухового прохода расположено в передней части ушной раковины, а сам проход направлен внутрь и слегка вперед. Ушная раковина концентрирует звуковые колебания и направляет их в наружное слуховое отверстие.
Оказывается, что с окружающей среды попадают не только звуки в орган, но и различные инородные тела, микробы. Поэтому в слуховом проходе постоянно выделяется секрет -
ушная сера
.
Ушная сера - воскообразный секрет сальных и серных желез наружного слухового прохода. В ее функции входит защита кожи этого прохода от бактериальной инфекции и инородных частиц, например насекомых, которые могут попасть в ухо. У разных людей количество серы различно. Плотный комок ушной серы (серная пробка) может привести к нарушению проведения звука и тугоухости, поэтому уши необходимо чистить регулярно ватным тампоном.
Среднее ухо
, это целый комплекс - включающий барабанную полость и слуховую (евстахиеву) трубу, относится к звукопроводящему аппарату. Тонкая плоская мембрана
, называемая барабанной перепонкой, отделяет внутренний конец наружного слухового канала от барабанной полости - уплощенного, прямоугольной формы пространства, заполненного воздухом. В этой полости среднего уха находится цепочка из трех подвижно сочлененных миниатюрных косточек (слуховых косточек), которая передает колебания от барабанной перепонки во внутреннее ухо. В соответствии с формой, косточки называются молоточек, наковальня и стремя (смотри рис.2, приложение1).
Молоточек своей рукояткой прикреплен к центру барабанной перепонки при помощи связок, а его головка соединяется с наковальней, которая, в свою очередь, прикреплена к стремени. Основание стремени вставлено в овальное окно - отверстие в костной стенке внутреннего уха. Крошечные мышцы способствуют передаче звука, регулируя движение этих косточек.
Оптимальным условием для колебаний барабанной перепонки является одинаковое давление воздуха с обеих сторон.
Так и происходит благодаря тому, что барабанная полость сообщается с внешней средой через носоглотку и слуховую трубу, которая открывается в нижний передний угол полости. При глотании и зевании воздух проникает в трубу, а оттуда в барабанную полость, что позволяет поддерживать в ней давление, равное атмосферному.
Внутреннее ухо.
Костная полость внутреннего уха, содержащая большое число камер и проходов между ними, называется лабиринтом. Он состоит из двух частей:
Костного лабиринта и
Перепончатого лабиринта.
Костный лабиринт - это ряд полостей, расположенных в плотной части височной кости; в нем различают три составляющие: полукружные каналы - один из источников нервных импульсов, отражающих положение тела в пространстве; преддверие; и улитку - орган слуха.
К огда звуковая волна доходит до нашего уха, она улавливается им – «влетает» в ушную раковину, или наружное ухо. Звук доходит до барабанной перепонки. Барабанная перепонка натянута сравнительно туго, и звук заставляет ее колебаться, вибрировать. За барабанной перепонкой находится среднее ухо – небольшая полость, заполненная воздухом. Когда давление в наружном ухе увеличивается, барабанная перепонка прогибается внутрь. Перепады давления в среднем ухе повторяют перепады давления в звуковой волне и передаются дальше, во внутреннее ухо. Внутреннее ухо – это полость, свернутое улиткой и заполненное жидкостью. Ухо имеет два порога слышимости: нижний и верхний. Натренированное ухо может слышать в полной тишине в лесу звук падающей листвы. Если перейти верхний порог громкости звука, то в ушах возникнет сильная боль.
В действии органов слуха большую роль играет резонанс. Основная мембрана, натянутая вдоль улитки - внутреннего уха, состоит из множества эластичных волокон, общее число которых достигает 24 000, у основания улитки они короткие (0,04мм), тонкие и натянутые, а у вершины длинные (до 0, 5) мм, более толстые и менее натянутые. Попавшие в ухо звуковые волны вызывают вынужденные колебания жидкости, заполняющей внутреннее ухо. И вследствие явления резонанса – дрожание волоконец определенной длины. Чем выше звук, тем более короткие волоконца резонируют с ним; чем сильнее звук, тем больше размах колебаний волоконец. Именно этим и объясняется способность человека воспринимать звуки. У человека диапазон воспринимаемых частот лежит в полосе от 16 Гц до 20 кГц. В то время как у кошки диапазон гораздо шире: от 60 Гц до 60 кГц. Довольно широка полоса слышимости у птиц, черепахи, лягушки, кузнечика. Чрезвычайно «тонким слухом» обладают ночные хищники.
К сожалению, не все люди могут слышать.
Нарушение слуха - полное (глухота ) или частичное (тугоухость) снижение способности обнаруживать и понимать звуки . Нарушением слуха может страдать любой организм , способный воспринимать звук . Звуковые волны различаются по частоте и амплитуде . Потеря способности обнаруживать некоторые (или все) частоты или неспособность различать звуки с низкой амплитудой , называется нарушением слуха.
http://ru.wikipedia.org/wiki/
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Рисунок 1.
Рисунок 2.
Рисунок 3.
Рисунок 4.
Приложение 2.
Таблица 1.
Источник шума, помещение | Уровень шума, дБ | Реакция организма на длительное акустическое воздействие |
Листва, прибой, Средний шум в квартире, классе | Успокаивает Гигиеническая норма |
|
Шум внутри здания на магистрали Телевизор Поезд (метро, на | Появляются чувство раздражения, утомляемость, головная боль |
музыка
спокойно
слегка двигаются
подпрыгивают
Riana
движения нет
движения нет
двигаются медленно
Kristina Agilera Not muself tonigt
двигаются чуть-чуть
слегка подпрыгивают
активно прыгают
Ladi Gaga Telephon
движения нет
движения нет
Движение появляется только при звучании басов
Реп
Eminem
нет движения
двигаются медленно
двигаются активно
Детская песня
Мама
движения нет
ползают
слегка подпрыгивают
Классика
Рихард Вагнер Дорога в Вальхаллу
ползают
активно подпрыгивают
Вальс Штрауса
ползают
ползают, слегка подпрыгивают
активно ползают и подпрыгивают
К наружному уху относятся ушная раковина, слуховой проход и барабанная перепонка, которая закрывает внутренний конец слухового прохода. Слуховой проход имеет неправильную изогнутую форму. У взрослого человека длина его составляет около 2,5 см, а диаметр около 8 мм. Поверхность слухового прохода покрыта волосками и содержит железы, выделяющие ушную серу, которая необходима для поддержания влажности кожи. Слуховой проход обеспечивает также постоянную температуру и влажность барабанной перепонки.
- Среднее ухо
Среднее ухо – это заполненная воздухом полость за барабанной перепонкой. Эта полость соединяется с носоглоткой посредством евстахиевой трубы – узкого хрящевого канала, который обычно находится в закрытом состоянии. Глотательные движения открывают евстахиеву трубу, что обеспечивает поступление воздуха в полость и выравнивание давления по обе стороны барабанной перепонки для ее оптимальной подвижности. В полости среднего уха находятся три миниатюрные слуховые косточки: молоточек, наковальня и стремя. Одним концом молоточек соединен с барабанной перепонкой, другой его конец связан с наковальней, которая, в свою очередь соединена со стременем, а стремя с улиткой внутреннего уха. Барабанная перепонка постоянно колеблется под действием улавливаемых ухом звуков, а слуховые косточки передают ее колебания во внутреннее ухо.
- Внутреннее ухо
Во внутреннем ухе содержится несколько структур, но к слуху отношение имеет только улитка, получившая свое название из-за спиральной формы. Улитка разделена на три канала, заполненные лимфатическими жидкостями. Жидкость в среднем канале отличается по составу от жидкости в двух других каналах. Орган, непосредственно ответственный за слух (Кортиев орган), находится в среднем канале. Кортиев орган содержит около 30000 волосковых клеток, которые улавливают колебания жидкости в канале, вызванные движением стремени, и генерируют электрические импульсы, которые по слуховому нерву передаются к слуховой зоне коры головного мозга. Каждая волосковая клетка реагирует на определенную звуковую частоту, причем высокие частоты улавливаются клетками нижней части улитки, а клетки, настроенные на низкие частоты, располагаются в верхней части улитки. Если волосковые клетки по каким-либо причинам гибнут, человек перестает воспринимать звуки соответствующих частот.
- Слуховые проводящие пути
Слуховые проводящие пути – это совокупность нервных волокон, проводящих нервные импульсы от улитки к слуховым центрам коры головного мозга, в результате чего возникает слуховое ощущение. Слуховые центры расположены в височных долях головного мозга. Время, потраченное на прохождение слухового сигнала от внешнего уха к слуховым центрам мозга, составляет около 10 миллисекунд.
Как устроено ухо человека (рисунок предоставлен фирмой Siemens)
Восприятие звука
Ухо последовательно преобразует звуки в механические колебания барабанной перепонки и слуховых косточек, затем в колебания жидкости в улитке и, наконец, в электрические импульсы, которые по проводящим путям центральной слуховой системы передаются в височные доли мозга для распознавания и обработки.
Мозг и промежуточные узлы слуховых проводящих путей извлекают не только информацию о высоте и громкости звука, но и другие характеристики звука, например, интервал времени между моментами улавливания звука правым и левым ухом – на этом основана способность человека определять направление, по которому приходит звук. При этом мозг оценивает как информацию, полученную от каждого уха в отдельности, так и объединяет всю полученную информацию в единое ощущение.
В нашем мозгу хранятся «шаблоны» окружающих нас звуков – знакомых голосов, музыки, опасных звуков и т.д. Это помогает мозгу в процессе обработки информации о звуке быстрее отличить знакомые звуки от незнакомых. При снижении слуха мозг начинает получать искаженную информацию (звуки становятся более тихими), что приводит к ошибкам в интерпретации звуков. С другой стороны, нарушения в работе мозга в результате старения, травмы головы или неврологических болезней и расстройств могут сопровождаться симптомами, похожими на симптомы снижения слуха, например, невнимательность, отрешенность от окружения, неадекватная реакция. Для того чтобы правильно слышать и понимать звуки, необходима согласованная работа слухового анализатора и мозга. Таким образом, без преувеличения можно сказать, что человек слышит не ушами, а мозгом!