Физиологични характеристики на шума. Физиологични характеристики на звука
Под „шум“ се разбира всеки неприятен или нежелан звук или комбинация от тях, който пречи на възприемането на полезни сигнали, нарушава тишината, влияе негативно на човешкия организъм и намалява неговата работоспособност.
Звуккато физическо явление, това са механични вибрации на еластична среда в диапазона на звуковите честоти. Звукът като физиологичен феномен е усещане, възприемано от органа на слуха при излагане на звукови вълни.
звукови вълнивинаги възникват, ако в еластична среда има вибриращо тяло или когато частици от еластична среда (газообразна, течна или твърда) вибрират поради въздействието на някаква възбуждаща сила върху тях. Въпреки това, не всички осцилаторни движения се възприемат от органа на слуха като физиологично усещане за звук. Човешкото ухо може да чуе само вибрации, чиято честота варира от 16 до 20 000 в секунда. Измерва се в херци (Hz). Трептенията с честота до 16 Hz се наричат инфразвук, повече от 20 000 Hz се наричат ултразвук и ухото не ги възприема. По-нататък ще говорим само за звукови вибрации, доловими с ухото.
Звуците могат да бъдат прости, състоящи се от едно синусоидално трептене (чисти тонове) или сложни, характеризиращи се с вибрации с различни честоти. Звуковите вълни, разпространявани във въздуха, се наричат въздушен звук. Вибрациите на звукови честоти, разпространяващи се в твърди тела, се наричат звукови вибрации или структурен звук.
Частта от пространството, в която се разпространяват звуковите вълни, се нарича звуково поле. Физическото състояние на средата в звуковото поле, или по-точно промяната в това състояние (наличието на вълни), се характеризира със звуково налягане (p). Това е излишно променливо налягане, което се появява в допълнение към атмосферното налягане в средата, където преминават звуковите вълни. Измерва се в нютони на квадратен метър (N/m2) или паскали (Pa).
Звуковите вълни, възникващи в среда, се разпространяват от мястото на тяхното появяване - източника на звук. Отнема определено време, докато звукът достигне друга точка. Скоростта на разпространение на звука зависи от естеството на средата и вида на звуковата вълна. Във въздуха при температура 20 °C и нормално атмосферно налягане скоростта на звука е 340 m/s. Скоростта на звука (c) не трябва да се бърка с вибрационната скорост на частиците (v) на средата, която е променлива величина и зависи както от честотата, така и от звуковото налягане.
Дължината на звуковата вълна (k) е разстоянието, на което се разпространява трептящото движение в средата за един период. В изотропни среди зависи от честотата и скоростта на звука, а именно:
Честота на трептенеопределя височината на звука. Общото количество енергия, което се излъчва от източник на звук в околната среда за единица време, характеризира потока на звукова енергия и се определя във ватове (W). Практически интерес представлява не целият поток от звукова енергия, а само тази част от него, която достига до ухото или до диафрагмата на микрофона. Частта от потока звукова енергия, която пада на единица площ, се нарича интензитет (сила) на звука и се измерва във ватове на 1 m2. Интензитетът на звука е право пропорционален на звуковото налягане и скоростта на вибрациите.
Звуково наляганеи интензитетът на звука варира в широк диапазон. Но човешкото ухо открива бързи и леки промени в налягането в определени граници. Има горна и долна граница на слуховата чувствителност на ухото. Минималната звукова енергия, която формира усещането за звук, се нарича праг на чуваемост или праг на възприятие за стандартен звук (тон), приет в акустиката с честота 1000 Hz и интензитет 10~12 W/m2. Звукова вълна с висока амплитуда и енергия има травматичен ефект, причинявайки дискомфорт и болка в ушите. Това е горната граница на слуховата чувствителност – прагът на болка. Реагира на звук с честота 1000 Hz с интензитет 102 W/m2 и звуково налягане 2 x 102 Pa. Способността на слуховия анализатор да възприема широк диапазон от звуково налягане се обяснява с факта, че той улавя не разликата, а множеството промени в абсолютните стойности, които характеризират звука. Следователно измерването на интензитет и звуково налягане в абсолютни (физични) единици е изключително трудно и неудобно.
В акустиката, за да се характеризира интензивността на звуците или шума, се използва специална система за измерване, която отчита почти логаритмичната връзка между дразненето и слуховото възприятие. Това е скала от белове (B) и децибели (dB), която съответства на физиологичното възприятие и дава възможност за рязко намаляване на диапазона от стойности на измерените стойности. В тази скала всяко следващо ниво на звукова енергия е 10 пъти по-голямо от предишното. Например, ако интензитетът на звука е 10, 100, 1000 пъти по-голям, тогава в логаритмична скала това съответства на увеличение от 1, 2, 3 единици. Логаритмичната единица, която отразява десетократното увеличение на интензитета на звука над прага на чувствителност, се нарича бяло, т.е. това е десетичният логаритъм от отношението на интензитета на звука.
Следователно, за измерване на интензивността на звуците в хигиенната практика, те не използват абсолютни стойности на звуковата енергия или налягане, а относителни, които изразяват съотношението на енергията или налягането на даден звук към праговите стойности на енергия или натиск за слуха. Обхватът на енергията, която се възприема от ухото като звук, е 13-14 B. За удобство те използват не бяло, а единица, която е 10 пъти по-малка - децибел. Тези величини се наричат нива на звуков интензитет или нива на звуково налягане.
След стандартизиране на праговата стойност P0, нивата на звуково налягане, определени спрямо нея, станаха абсолютни, тъй като те ясно съответстват на стойностите на звуковото налягане.
Звукова енергия, излъчвани от източник на шум, се разпределят по честота. Следователно е необходимо да се знае как се разпределя нивото на звуковото налягане, т.е. честотният спектър на излъчването.
В момента хигиенните стандарти се изпълняват в звуковия честотен диапазон от 45 до 11 200 Hz.
Често трябва да добавите нивата на звуково налягане (звук) на два или повече източника на шум или да намерите средната им стойност. Извършете последователно добавяне на нивата на звуково налягане, като започнете от максимума. Първо се определя разликата между нивата на звуково налягане на двата компонента, след което членът се намира от разликата, определена с помощта на таблицата. Добавя се към по-високото ниво на звуково налягане на компонента. Подобни действия се извършват с определено количество от две нива и трето ниво и т.н.
Повечето шумове съдържат звуци от почти всички честоти на слуховия диапазон, но се различават по различното разпределение на нивата на звуково налягане по честотите и техните промени във времето. Шумовете, засягащи хората, се класифицират според техните спектрални и времеви характеристики.
По естеството на спектъраШумът се разделя на широколентов шум с непрекъснат спектър с ширина повече от една октава и тонален шум, в спектъра на който има чуваеми дискретни тонове.
По вид на спектъраШумът може да бъде нискочестотен (с максимално звуково налягане в честотния диапазон под 400 Hz), средночестотен (с максимално звуково налягане в честотния диапазон 400-1000 Hz) и високочестотен (с максимално звуково налягане в честотния диапазон над 1000 Hz). Когато са налице всички честоти, шумът условно се нарича бял.
Според времевата характеристикаШумът се разделя на постоянен (нивото на звука се променя във времето с не повече от 5 dBA) и непостоянен (нивото на звука се променя във времето с повече от 5 dBA).
За постоянноможе да се припише шум от постоянно работещи помпени или вентилационни агрегати, оборудване на промишлени предприятия (вентилатори, компресорни агрегати, различни стендове за изпитване).
Прекъснати шумове, от своя страна, се разделят на осцилаторни (нивото на звука се променя през цялото време), прекъсващи (нивото на звука рязко спада до нивото на фона няколко пъти през периода на наблюдение и продължителността на интервалите, през които нивото на шума остава постоянно и превишава нивото на фона е 1 s или повече ) и импулсен (състоящ се от един или няколко последователни удара с продължителност до 1 s), ритмичен и неритмичен.
Непостоянният шум включва шума от движението. Прекъснат шум е шум от работата на асансьорна лебедка, периодично включване на хладилни агрегати и някои инсталации на промишлени предприятия или работилници.
Да пулсирамогат да бъдат приписани шумове от пневматични чукове, ковашко оборудване, затръшване на врати и др.
Според нивото на звуково налягане шумът се разделя на слаб, среден, силен и много силен.
Методите за оценка на шума зависят преди всичко от естеството на шума. Постоянният шум се оценява в нива на звуково налягане (L) в децибели в октавни ленти със средни геометрични честоти от 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000 и 8000 Hz. Това е основният метод за оценка на шума.
За оценка на непостоянен шум, както и приблизителна оценка на постоянен шум, се използва терминът „ниво на звука“, т.е. общото ниво на звуково налягане, което се определя от шумомер с помощта на честотна корекция A, която характеризира честотата показатели за възприемане на шум от човешкото ухо1. Променливите шумове обикновено се оценяват чрез еквивалентни звукови нива. Еквивалентното (енергийно) ниво на звука (LA eq, dBA) на даден прекъснат шум е нивото на звука на постоянен широколентов неимпулсен шум, който има същото средно квадратично звуково налягане като дадения прекъснат шум през a определено време.
Звукът е обект на слухово усещане. То се оценява от човек субективно. Всички субективни характеристики на слуховото усещане са свързани с обективните (физически) характеристики на звуковата вълна.
Човек различава възприеманите звуци по тембър, височина, обем.
Тембър – « цвета" на звука и се определя от неговия хармоничен спектър. Различните акустични спектри съответстват на различни тембри, дори когато основният им тон е един и същ. Тембърът е качествена характеристика на звука.
Височина на тона– субективна оценка на звуковия сигнал, в зависимост от честотата на звука и неговия интензитет. Колкото по-висока е честотата, главно на основния тон, толкова по-висока е височината на възприемания звук. Колкото по-голям е интензитетът, толкова по-ниска е възприеманата височина на звука.
Сила на звука – също субективна оценка, характеризираща степента на интензивност.
Силата на звука зависи главно от интензивността на звука. Възприемането на интензитета обаче зависи от честотата на звука. Звук с по-голям интензитет на една честота може да се възприеме като по-малко силен от звук с по-нисък интензитет на друга честота.
Опитът показва, че за всяка честота в обхвата на чуваемите звуци
(16 – 20.10 3 Hz) има така наречения праг на чуване. Това е минималният интензитет, при който ухото все още реагира на звук. Освен това за всяка честота има т. нар. праг на болка, т.е. стойността на интензитета на звука, който причинява болка в ухото. Колекциите от точки, съответстващи на прага на чуване и точки, съответстващи на прага на болка, образуват две криви на диаграмата (L,ν) (фиг. 1), които се екстраполират с пунктирана линия до пресичане.
Крива на прага на слуха (а), крива на прага на болка (б).
Областта, ограничена от тези криви, се нарича област на чуваемост. От горната диаграма по-специално става ясно, че по-малко интензивен звук, съответстващ на точка А, ще се възприема като по-силен от по-интензивен звук, съответстващ на точка Б, тъй като точка А е по-отдалечена от прага на чуваемост, отколкото точка Б.
4. Закон на Вебер-Фехнер.
Силата на звука може да бъде количествено определена чрез сравняване на слуховите усещания от два източника.
Създаването на скала за ниво на гръмкост се основава на психофизичния закон на Вебер-Фехнер. Ако увеличите дразненето в геометрична прогресия (т.е. същия брой пъти), тогава усещането за това дразнене се увеличава в аритметична прогресия (т.е. със същата стойност).
По отношение на звука това се формулира по следния начин: ако интензитетът на звука приеме поредица от последователни стойности, например a I 0 и 2 I 0,
a 3 I 0 ,….(a е определен коефициент, a > 1) и т.н., тогава те съответстват на усещанията за обем на звука E 0, 2 E 0, 3 E 0….. Математически това означава, че ниво на силата на звука, пропорционално на десетичния логаритъм на интензитета на звука. Ако има два звукови стимула с интензитет I и I 0, а I 0 е прагът на чуваемост, тогава според закона на Вебер-Фехнер нивото на силата на звука E и интензитетът I 0 са свързани по следния начин:
E= k log (I / I 0),
където k е коефициентът на пропорционалност.
Ако коефициентът k беше постоянен, би следвало, че логаритмичната скала на интензитетите на звука съответства на скалата на нивата на силата на звука. В този случай нивото на силата на звука, както и интензитетът, ще бъдат изразени в белове или децибели. Въпреки това, силната зависимост на k от честотата и интензитета на звука не позволява измерването на силата на звука да се сведе до просто използване на формулата: E = k log(I / I 0).
Традиционно се смята, че при честота от 1 kHz мащабите на нивата на силата на звука и интензивността на звука напълно съвпадат, т.е. k = 1 и E B = lg (I / I 0). За да се разграничат скалите на силата на звука и интензитета на звука, децибелите на скалата на нивото на силата на звука се наричат фонове (фон).
E f = 10 k log(I / I 0)
Силата на звука при други честоти може да бъде измерена чрез сравняване на звука, който се тества
с честота на звука 1 kHz.
Криви на еднаква сила на звука.Зависимостта на силата на звука от честотата на вибрациите в система за измерване на звука се определя на базата на експериментални данни с помощта на графики (фиг. 2), които се наричат криви на еднаква сила на звука. Тези криви характеризират зависимостта на нивото на интензивност Лот честотата ν звук при постоянно ниво на звука. Равни криви на гръмкост се наричат изофонемна.
Долният изофон съответства на прага на слуха (E = 0 фон). Горната крива показва горната граница на чувствителността на ухото, когато слуховото усещане се превръща в усещане за болка (E = 120 фон).
Всяка крива съответства на една и съща сила на звука, но различни интензитети, които при определени честоти предизвикват усещането за тази сила на звука.
Звукови измервания. За субективна оценка на слуха се използва методът на праговата аудиометрия.
Аудиометрия– метод за измерване на праговия интензитет на звуково възприятие за различни честоти. Специално устройство (аудиометър) определя прага на слухово усещане при различни честоти:
L p \u003d 10 lg (I p / I 0),
където I p е праговият интензитет на звука, който води до появата на слухово усещане в субекта. Получават се криви - аудиограми, които отразяват зависимостта на прага на възприемане от честотата на тона, т.е. Това е спектралната характеристика на ухото на прага на чуване.
Чрез сравняване на аудиограмата на пациента (фиг. 3, 2) с нормалната крива на прага на слухово усещане (фиг. 3, 1) се определя разликата в нивата на интензитет ∆L=L 1 –L 2. L 1 – ниво на интензитет на прага на чуване на нормално ухо. L 2 - ниво на интензитет на прага на слуха на тестваното ухо. Кривата за ∆L (фиг. 3, 3) се нарича загуба на слуха.
Аудиограмата, в зависимост от естеството на заболяването, има различен вид от аудиограмата на здраво ухо.
Звукомери– уреди за измерване на обемни нива. Звукомерът е оборудван с микрофон, който преобразува звуковия сигнал в електрически. Нивото на силата на звука се записва от циферблат или цифрово измервателно устройство.
5. Физика на слуха: звукопроводими и звукоприемни части на слуховия апарат. Теории на Хелмхолц и Бекеси.
Физиката на слуха е свързана с функциите на външното (1,2 фиг. 4), средното (3, 4, 5, 6 фиг. 4) и вътрешното ухо (7-13 фиг. 4).
Схематично представяне на основните елементи на слуховата система на човека: 1 - ушна мида, 2 - външен слухов канал, 3 - тъпанче, 4, 5, 6 - осикуларна система, 7 - овален прозорец (вътрешно ухо), 8 - scala vestibularis, 9 - кръгъл прозорец, 10 - scala tympani, 11 - helicotrema, 12 - кохлеарен канал, 13 - основна (базиларна) мембрана.
Въз основа на функциите, изпълнявани в човешкия слухов апарат, можем да различим звукопроводящи и звукоприемни части, основните елементи на които са представени на фиг. 5.
1 - ушна мида, 2 - външен слухов канал, 3 - тъпанче, 4 - костна система, 5 - кохлея, 6 - основна (базиларна мембрана, 7 - рецептори, 8 - разклонение на слуховия нерв.
Основната мембрана е много интересна структура, има честотно-селективни свойства. Това беше забелязано от Хелмхолц, който си представи основната мембрана като подобна на поредица от конструирани струни на пиано. Според Хелмхолц всеки участък от базиларната мембрана резонира с определена честота. Нобеловият лауреат Бекеси доказа, че тази резонансна теория е погрешна. Работата на Bekesy показа, че основната мембрана е хетерогенна линия на предаване на механично възбуждане. Когато е изложена на акустичен стимул, вълна се разпространява по основната мембрана. В зависимост от честотата, тази вълна затихва по различен начин. Колкото по-ниска е честотата, толкова по-далеч от овалния прозорец (7 Фиг. 4) вълната се разпространява по основната мембрана, преди да започне да затихва. Например вълна с честота 300 Hz, преди да започне затихването, се простира на приблизително 25 mm от овалния прозорец, а вълна с честота 100 Hz достига своя максимум близо до 30 mm.
Според съвременните концепции възприемането на височината се определя от позицията на максималните вибрации на основната мембрана. Тези вибрации, действайки върху рецепторните клетки на кортиевия орган, предизвикват възникването на потенциал на действие, който се предава по слуховите нерви към кората на главния мозък. Мозъкът най-накрая обработва входящите сигнали.
Ученикът трябва да знае : какво се нарича звук, природа на звука, източници на звук; физически характеристики на звука (честота, амплитуда, скорост, интензитет, ниво на интензитет, налягане, акустичен спектър); физиологични характеристики на звука (височина, сила, тембър, минимални и максимални честоти на вибрации, възприемани от даден човек, праг на чуваемост, праг на болка) връзката им с физическите характеристики на звука; слухова система на човека, теории за звуково възприятие; коефициент на звукоизолация; акустичен импеданс, абсорбция и отражение на звука, коефициенти на отражение и проникване на звукови вълни, реверберация; физически основи на звуковите методи за изследване в клиниката, понятието аудиометрия.
Студентът трябва да може да: с помощта на звуков генератор премахнете зависимостта на прага на слуха от честотата; определете минималната и максималната честота на вибрациите, които възприемате, направете аудиограма с помощта на аудиометър.
Кратка теория на звука. Физически характеристики на звука
Звуксе наричат механични вълни с честота на трептене на частици от еластична среда от 20 Hz до 20 000 Hz, възприемани от човешкото ухо.
Физическиназовават онези характеристики на звука, които съществуват обективно. Те не са свързани с особеностите на усещането на човек за звукови вибрации. Физическите характеристики на звука включват честота, амплитуда на вибрациите, интензитет, ниво на интензивност, скорост на разпространение на звукови вибрации, звуково налягане, акустичен спектър на звука, коефициенти на отражение и проникване на звукови вибрации и др. Нека ги разгледаме накратко.
Честота на трептене. Честотата на звуковите вибрации е броят на вибрациите на частиците на еластична среда (в която се разпространяват звукови вибрации) за единица време. Честотата на звуковите вибрации е в диапазона 20 - 20 000 Hz. Всеки индивид възприема определен диапазон от честоти (обикновено малко над 20 Hz и под 20 000 Hz).
Амплитудазвукова вибрация е най-голямото отклонение на трептящите частици на средата (в която се разпространява звуковата вибрация) от равновесното положение.
Интензитет на звуковата вълна(или силата на звука) е физическа величина, която числено е равна на съотношението на енергията, пренесена от звукова вълна за единица време през единица повърхностна площ, ориентирана перпендикулярно на вектора на скоростта на звуковата вълна, т.е.
Където У- вълнова енергия, T- време на пренос на енергия през площта на платформата С.
Единица за интензитет: [ аз] = 1J/(m 2 s) = 1W/m 2 .
Нека обърнем внимание на факта, че енергията и съответно интензивността на звуковата вълна е право пропорционална на квадрата на амплитудата " А"и честоти" ω » звукови вибрации:
W~A 2 И I~A 2 ;W ~ω 2 И аз ~ω 2 .
4. Скорост на звукасе нарича скоростта на разпространение на енергията на звуковите вибрации. За плоска хармонична вълна фазовата скорост (скоростта на разпространение на фазата на трептене (фронт на вълната), например максимум или минимум, т.е. съсирек или разреждане на средата) е равна на скоростта на вълната. За сложно трептене (според теоремата на Фурие то може да бъде представено като сума от хармонични трептения) се въвежда понятието групова скорост– скоростта на разпространение на група вълни, с която енергията се пренася от дадена вълна.
Скорост на звука във всяка среда може да се намери с помощта на формулата:
, (2)
Където д- модул на еластичност на средата (модул на Юнг), - плътност на средата.
С увеличаване на плътността на средата (например 2 пъти), модулът на еластичност дсе увеличава в по-голяма степен (повече от 2 пъти), следователно с увеличаване на плътността на средата скоростта на звука се увеличава. Например, скоростта на звука във вода е ≈ 1500 m/s, в стомана - 8000 m/s.
За газовете формула (2) може да се преобразува и да се получи в следния вид:
(3)
където = СЪС Р /СЪС V- отношението на моларния или специфичния топлинен капацитет на газ при постоянно налягане ( СЪС Р) и при постоянен обем ( СЪС V).
Р- универсална газова константа ( R=8,31 J/mol К);
T- абсолютна температура по скалата на Келвин ( T=t о С+273);
М- моларна маса на газа (за нормална смес от въздушни газове
М=29 10 -3 kg/mol).
За въздух при T=273Kи нормално атмосферно налягане, скоростта на звука е υ=331,5 332 m/s. Трябва да се отбележи, че интензитетът на вълната (векторно количество), често изразено като скорост на вълната :
или
,
(4)
Където С л- сила на звука, u=W/S л- обемна енергийна плътност. вектор в уравнение (4) се нарича Умов вектор.
5.Звуково наляганее физическа величина, която числено е равна на отношението на модула на силата на натиск Евибриращи частици от средата, в която звукът се разпространява в областта Сперпендикулярно на ориентираната площ спрямо вектора на силата на натиска.
P = F/S [П]= 1N/m 2 = 1Pa (5)
Интензитетът на звуковата вълна е право пропорционален на квадрата на звуковото налягане:
Аз = П 2 /(2 υ) , (7)
Където Р- звуково налягане, - плътност на средата, υ - скорост на звука в дадена среда.
6.Ниво на интензивност. Нивото на интензитет (ниво на интензитет на звука) е физическа величина, която числено е равна на:
L=lg(I/I 0 ) , (8)
Където аз- интензитет на звука, аз 0 =10 -12 W/m 2 - най-ниската интензивност, възприемана от човешкото ухо при честота от 1000 Hz.
Ниво на интензивност Л, въз основа на формула (8), се измерва в белове ( Б). L = 1 B, Ако I=10I 0 .
Максимална интензивност, възприемана от човешкото ухо аз макс =10 W/m 2 , т.е. аз макс /И 0 =10 13 или Л макс =13 Б.
По-често нивото на интензивност се измерва в децибели ( dB):
Л dB =10 log(I/I 0 ) ,L=1dB при I=1.26I 0 .
Нивото на интензитета на звука може да се намери чрез звуковото налягане.
защото аз~ Р 2 , Че L(dB) = 10lg(I/I 0 ) = 10 log(P/P 0 ) 2 = 20 lg(P/P 0 ) , Където П 0 = 2 10 -5 татко (при И 0 =10 -12 W/m 2 ).
7.тонсе нарича звук, който е периодичен процес (периодичните трептения на източника на звук не се случват непременно според хармоничен закон). Ако източникът на звук извършва хармонично трептене x=ASinωt, тогава този звук се нарича простоили чистатон. Нехармоничното периодично трептене съответства на сложен тон, който може да бъде представен, съгласно теоремата на Фурие, като набор от прости тонове с честоти О(основен тон) и 2 О , 3 Ои др., т.нар обертоновесъс съответните амплитуди.
8.Акустичен спектързвукът е съвкупност от хармонични вибрации със съответните честоти и амплитуди на вибрациите, на които може да се разложи даден сложен тон. Спектърът на сложен тон е облицован, т.е. честоти О, 2 Ои т.н.
9. Шум (звуков шум ) наречен звук, който представлява сложни, неповтарящи се вибрации на частици от еластична среда. Шумът е комбинация от произволно променящи се сложни тонове. Акустичният спектър на шума се състои от почти всяка честота в звуковия диапазон, т.е. акустичният спектър на шума е непрекъснат.
Звукът може да бъде и под формата на звуков бум. звуков удар- това е краткотрайно (обикновено интензивно) звуково въздействие (пляскане, експлозия и др.).
10.Коефициенти на проникване и отражение на звукова вълна.Важна характеристика на средата, която определя отражението и проникването на звука, е вълновият импеданс (акустичен импеданс) Z= υ , Където - плътност на средата, υ - скорост на звука в средата.
Ако плоска вълна пада, например, нормално на интерфейса между две среди, тогава звукът частично преминава във втората среда и част от звука се отразява. Ако интензитетът на звука спадне аз 1 , преминава - аз 2 , отразено аз 3 =Аз 1 -Аз 2 , Че:
1) коефициент на проникване на звукова вълна Наречен =Аз 2 /И 1 ;
2) коефициент на отражение Наречен:
= аз 3 /И 1 =(Аз 1 -Аз 2 )/ аз 1 =1-I 2 /И 1 =1- .
Рейли показа това
=
Ако υ 1 1 = υ 2 2 , Че =1 (максимална стойност), докато =0 , т.е. отразената вълна отсъства.
Ако З 2 >>З 1 или υ 2 2 >> υ 1 1 , Че 4 υ 1 1 / υ 2 2 . Например, ако звукът преминава от въздух във вода, тогава =4(440/1440000)=0,00122 или 0,122% интензитетът на инцидентния звук прониква от въздуха във водата.
11. Концепцията за реверберация. Какво е реверберация? В затворено пространство звукът се отразява многократно от тавана, стените, пода и др. с постепенно намаляващ интензитет. Следователно, след спиране на източника на звук, известно време се чува звук поради множество отражения (бръмчене).
Реверберацияе процесът на постепенно затихване на звука в затворени пространства след прекратяване на излъчването от източника на звукови вълни. Време на реверберацияе времето, през което интензивността на звука при реверберация намалява 10 6 пъти. При проектиране на класни стаи, концертни зали и др. вземете предвид необходимостта от получаване на определено време (времеви интервал) на реверберация. Така, например, за Колонната зала на Дома на съюзите и Болшой театър в Москва, времето на реверберация за празни стаи е съответно 4,55 s и 2,05 s, за пълни стаи - 1,70 s и 1,55 s.
физически характеристикизвуковите вълни са обективни по природа и могат да бъдат измерени с подходящи инструменти в стандартни единици - Това интензивност, честота и спектър на звука.
Сила на звука - ъъъенергийна характеристика на звукова вълна, е енергията на звукова вълна, удряща повърхността на единица площ за единица време, и се измерва в W/m2. Интензивността на звука определя физиологичните характеристики на слуховото усещане - сила на звука.
Честота на звукови вибрации(Hz) - определя физиологичната характеристика на звуковото усещане, която се нарича стъпка.
Способността на човешкия слухов апарат да оценява височината е свързана с продължителността на звука. Ухото не е в състояние да прецени височината, ако времето на експозиция на звука е по-малко от 1/20 от секундата.
Спектрален състав на звуковите трептения(акустичен спектър), - броят на хармоничните компоненти на звука и съотношението на техните амплитуди, определя звуков тембър, физиологична характеристика на слуховото усещане.
Диаграма на слуха.
За да се формира слухово усещане, интензитетът на звуковите вълни трябва да надвишава определена минимална стойност, т.нар. праг на чуване. Той има различни стойности за различните честоти в аудио диапазона (долната крива на фигура 17.1 1). Това означава, че слуховият апарат не е еднакво чувствителен към звук с различни честоти. Човешкото ухо има максимална чувствителност в честотния диапазон 1000-3000 Hz. Тук праговата стойност на интензитета на звука е минимална и възлиза на 10–12 W/m2.
С увеличаване на интензивността на звука се увеличава и усещането за сила. Но звуковите вълни с интензитет около 1-10 W/m2 вече предизвикват усещане за болка. Максималната стойност на интензитета, над която възниква болка, се нарича праг на болка.
Той също зависи от честотата на звука (горната крива на фигура 1), но в по-малка степен от прага на чуване.
Областта на звуковите честоти и интензитети, ограничена от горната и долната крива на фигура 1, се нарича звукова зона.
Нива на интензитет и нива на звука
Закон на Вебер-Фехнер.
Вече беше отбелязано, че обективната физическа характеристика на звуковата вълна е интензивностопределя субективна физиологична характеристика - сила на звука . Установява се количествена зависимост между тях Закон на Вебер-Фехнер : ако интензитетът на стимула се увеличава в геометрична прогресия, тогава физиологичното усещане нараства в аритметична прогресия.
Закон на Вебер-Фехнерможе да се перифразира с други думи: физиологичен отговор(в такъв случай сила на звука) към стимула(интензивностзвук) пропорционална на логаритъма на интензитета на стимула.
Във физиката и техниката се нарича логаритъм от съотношението на два интензитета ниво на интензивност , следователно, стойност, пропорционална на десетичния логаритъм от отношението на интензитета на някакъв звук (аз) до интензивност на прага на чуваемост аз 0 = 10 -12 W/m2: наречено ниво на звуков интензитет (L):
(1)
Коефициент нвъв формула (1) определя единицата за измерване на нивото на интензитета на звука Л . Ако н =1, след това мерната единица Л е Bel(B). На практика обикновено се приема н =10, тогава Л измерено в децибели (dB) (1 dB = 0,1 B). На прага на слуха (аз = аз 0) ниво на интензивност на звука L=0 , и на прага на болката ( аз = 10 W/m2)– Л = 130 dB.
Силата на звука, в съответствие със закона на Вебер-Фехнер, е право пропорционална на нивото на интензивност Л:
E = kL,(2)
Където к-коефициент на пропорционалност, който зависи от честотата и интензитета на звука.
Ако коефициентът к във формула (2) беше постоянен, тогава нивото на звука ще съвпадне с нивото на интензитета и може да бъде измерено в децибели.
Но зависи както от честотата, така и от интензитета на звуковата вълна, така че силата на звука се измерва в други единици - фонове . Беше решено, че честота 1000 Hz 1 фон = 1 dB , т.е. нивото на интензитет в децибели и нивото на звука във фоновете съвпадат (във формула (2) коеф. к = 1 при 1000 Hz). При други честоти, за да се премине от децибели към фонове, е необходимо да се въведат подходящи корекции, които могат да бъдат определени с помощта на криви на равна сила на звука (виж Фиг. 1).
Определение праг на чуванепри различни честоти е в основата на методите за измерване на остротата на слуха. Получената крива се нарича спектрална характеристика на ухото на прага на чуванеили аудиограма.Чрез сравняване на прага на слуха на пациента със средната норма може да се прецени степента на развитие на слуховите увреждания.
Работен ред
Спектралните характеристики на ухото при прага на слуха се измерват с помощта на генератор на синусоидален сигнал SG-530 и слушалки.
Основните органи за управление на генератора са разположени на предния панел (фиг. 3). Има и изходен жак за свързване на слушалки. Задният панел на генератора съдържа превключвателя на захранването, захранващия кабел и клемата за заземяване.
Ориз. 3. Преден панел на генератора:
1-изходен конектор; 2 - LCD; 3 - енкодер.
Генераторът се управлява с помощта на няколко менюта, които се показват на течнокристален дисплей (LCD). Системата от менюта е организирана в пръстеновидна структура. Кратко натискане на бутона на енкодера ви позволява да „обикаляте“ между менютата; дълго натискане на който и да е елемент от менюто води до преход към главното меню. Всяко действие за придвижване между елементите на менюто се придружава от звуков сигнал.
С помощта на системата от менюта можете да зададете изходната честота на генератора, изходната амплитуда, стойността на затихване на атенюатора, да прочетете или запишете предварително зададена честота и да изключите или включите изходния сигнал. Увеличаването или намаляването на стойността на избрания параметър се извършва чрез завъртане на енкодера съответно по посока на часовниковата стрелка (надясно) или обратно на часовниковата стрелка (наляво).
В първоначалното състояние на генератора на индикатора се показва главното меню, което показва текущата стойност на честотата, амплитудата и състоянието на атенюатора. Когато завъртите енкодера или натиснете бутона на енкодера, отивате в менюто за настройка на честотата (фиг. 4).
Еднократно завъртане на енкодера надясно или наляво променя честотата с една стъпка.
Ако честотата не се регулира за около 5 секунди, автоматично се връща към главното меню, с изключение на менюто за калибриране на честотата и амплитудата.
Натискането на бутона на енкодера в менюто за настройка на честотата води до преход към менюто за настройка на амплитудата (фиг. 4a, b). Стойността на амплитудата се показва във волтове със запетая, разделяща десети от волта, ако стойността е по-голяма от 1 V, или без запетая в миливолта, ако стойността е по-малка от 1 V. На фиг. 17.4, bпоказва пример за индикация на амплитуда от 10 V, а на фиг. 17.4, V- амплитуда 10 mV.
Натискането на бутона на енкодера в менюто за настройка на амплитудата води до преход към менюто за настройка на затихването на атенюатора. Възможните стойности на затихване на атенюатора са 0, -20, -40, -60 dB.
Натискането на бутона на енкодера в менюто за настройка на затихването на атенюатора води до преход към менюто за настройка на стъпката на честотата. Стъпката на промяна на стойността на честотата може да бъде 0,01 Hz... 10 KHz. Натискането на бутона на енкодера в менюто за настройка на стъпката на промяна на честотата води до преход към менюто за настройка на стъпката на промяна на стойността на амплитудата (фиг. 5). Стъпката на промяна на стойността на амплитудата може да има значение 1 mV... 1 IN.
Редът на работата.
1. Свържете се с мрежата ( 220V. 50 Hz) захранващ кабел на генератора SG-530с едно натискане на бутон "МОЩНОСТ"на задния панел;
2. Натиснете бутона на енкодера веднъж - ще преминете от главното меню към менюто за настройка на честотата "FREQUENCY" - и завъртете енкодера, за да зададете първата стойност на честотата ν =100 Hz;
3. Натиснетебутони на енкодера в менюто честотни настройкиводи до преход към менюто за настройка на амплитудата "АМПЛИТУДА"- Инсталирай амплитудна стойност Ugen =300 mV;
4. Свържете сеслушалки към генератора;
5. Като намалите стойността на амплитудата до 100 mV, уверете се, че няма шум в слушалките;
6. Ако при минимална амплитуда (100 mV) звукът все още може да се чуе в слушалките чрез натискане на бутоненкодер отидете в менюто за настройка на затихването на атенюатора "АТЕНУАТОР"и инсталирайте минимално затихване L (например -20dB),при което звукът изчезва;
7. Запишете получените честотни стойности ν , амплитуди Ugenи отслабване Лв таблицата с резултатите от измерването (Таблица 1 ) ;
8. По същия начин се уверете, че няма звук за всяка от предложените честоти ν ;
9. Изчислете амплитудата на изхода на генератора Uoutспоред формулата Uout = Ugen ∙ K,където е коефициентът на затихване Копределя се от степента на затихване Лот таблица2;
10. Определете минималната стойност на амплитудата на изхода на генератора Uout минкато най-малката от съвкупността от всички получени стойности на амплитудата на изхода на генератора Uoutза всички честоти;
11. Изчислете силата на звука при прага на чуване E, като използвате формулата E=20lg Uout/ Uout мин;
12. Начертайте графика на зависимостта на силата на звука от прага на чуваемост дот стойността на логаритъма на честотата лог ν. Получената крива ще представлява прага на слуха.
маса 1. Резултати от измерването.
ν, Hz | лог ν | Ugen, mV | L, dB | Коефициент на затихване, К | U out = K U ген mV | Ниво на интензивност ( dB) д=20 lg (Uout/Uout min) |
2,0 | ||||||
2,3 | ||||||
2,7 | ||||||
3,0 | ||||||
3,3 | ||||||
3,5 | ||||||
3,7 | ||||||
4,0 | ||||||
4,2 |
Таблица 2.Връзка между показанията на атенюатора L (0, -20, -40, -60 dB) и коефициента на затихване на напрежението K (1, 0.1, 0.01, 0.001).
Контролни въпроси:
1. Природата на звука. Скорост на звука. Класификация на звуците (тонове, шумове).
2. Физически и физиологични характеристики на звука (честота, интензитет, спектрален състав, височина, сила на звука, тембър).
3. Диаграма на слуха (праг на чуване, праг на болка, говорна зона).
4. Закон на Вебер-Фехнер. Нива на интензивност и сила на звука, връзката между тях и мерните единици.
5. Методика за определяне на прага на слуха (спектрални характеристики на ухото на прага на слуха)
Решавам проблеми:
1. Интензитетът на звука с честота 5 kHz е 10 -9 W/m 2. Определете интензитета и нивата на звука на този звук.
2. Нивото на интензитета на звука от определен източник е 60 dB. Какво е общото ниво на звуков интензитет от десет такива източника на звук при едновременното им действие?
3. Нивото на звука на звук с честота 1000 Hz след преминаване през стената намалява от 100 на 20 von. Колко пъти е намалял интензитетът на звука?
Литература:
1. В. Г. Лещенко, Г. К. Илич. Медицинска и биологична физика - Мн.: Нови знания. 2011 г.
2. Г.К.Илич. Трептения и вълни, акустика, хемодинамика. полза. – Мн.: BSMU, 2000.
3. А.Н. Ремизов. Медицинска и биологична физика.- М.: Vyssh. училище 1987 г.