Звук как физическое явление характеризуется звуковым давлением P (Па), интенсивностью I (Вт/м 2) и частотой f (Гц).

Звук какфизиологическое явление характеризуется уровнем звука (фоны) и громкостью (сонны).

Распространение звуковых волн сопровождается переносом колебательной энергии в пространстве. Ее количество, проходящее через площадь
1 м 2 , расположенную перпендикулярно направлению распространения звуковой волны, обусловливает интенсивность или силу звука I ,

Вт/м 2 , (7.1)

где Е – поток звуковой энергии, Вт; S – площадь, м 2 .

Ухо человека чувствительно не к интенсивности звука, а к давлению Р , оказываемому звуковой волной, которое определяется по формуле

где F – нормальная сила, с которой звуковая волна действует на поверхность, Н; S – площадь поверхности, на которую падает звуковая волна, м 2 .

Величины интенсивности звука и уровни звукового давления, с которыми приходится иметь дело на практике, изменяются в широких пределах. Колебания звуковых частот могут восприниматься человеческим ухом только при определённой их интенсивности или звуковом давлении. Пороговыезначения звукового давления, при которых звук не воспринимается или звуковое ощущение переходит в болевое ощущение, называются соответственно порог слышимости и порог болевого ощущения.

Порогу слышимости при частоте 1000 Гц соответствует интенсивность звука 10 -12 Вт/м 2 и звуковое давление 2·10 -5 Па. При интенсивности звука 1 Вт/м 2 и звуковом давлении 2·10 1 Па (при частоте 1000 Гц) создается ощущение боли в ушах. Эти уровни называются порогом болевого ощущения и превышают порог слышимости в 10 12 и 10 6 раз, соответственно.

Для оценки шума удобно измерять не абсолютное значение интенсивности и давления, а относительный их уровень в логарифмических единицах, характеризуемый отношением фактически создаваемых интенсивности и давления к их значениям, соответствующим порогу слышимости. По логарифмической шкале увеличение интенсивности и давления звука в 10 раз соответствует приросту ощущения на 1 единицу, названную белом (Б):

, Бел, (7.3)

(9.3)

где I o и Р о - исходные значения интенсивности и звукового давления (интенсивность и давление звука на пороге слышимости).

За исходную цифру 0 (ноль) Бел принята пороговая для слуха величина звукового давления 2·10 -5 Па (порог слышимости или восприятия). Весь диапазон энергии, воспринимаемой слухом как звук, укладывается при этих условиях в 13-14 Б. Для удобства пользуются не белом, а единицей в 10 раз меньшей – децибелом (дБ), которая соответствует минимальному увеличению силы звука, различаемому ухом.

В настоящее время общепринято характеризовать интенсивность шума в уровнях звукового давления, определяемых по формуле

, дБ, (7.4)

где Р - среднеквадратичная величина звукового давления, Па; Р o - исходное значение звукового давления (в воздухе Р o = 2·10 -5 Па).

Третьей важной характеристикой звука, определяющей его высоту, является частота колебаний, измеряемая числом полных колебаний, совершенных в течение 1с (Гц). Частота колебаний определяет высоту звучания: чем больше частота колебаний, тем выше звук. Однако в реальной жизни, в том числе и в условиях производства, мы встречаемся чаще всего со звуками частотой от 50 до 5000 Гц. Орган слуха человека реагирует не на абсолютный, а на относительный прирост частот: возрастание частоты колебаний вдвое воспринимается как повышение тона на определенную величину, называемую октавой. Таким образом, октава – диапазон, в которой верхняя граничная частота равна удвоенной нижней частоте.

Такое допущение связано с тем, что при удвоении частоты высота звука изменяется на одну и ту же величину независимо от того, в каком частотном интервале происходит это изменение. Каждая октавная полоса характеризуется среднегеометрической частотой, определяемой по формуле

где f 1 – нижняя граничная частота, Гц; f 2 – верхняя граничная частота, Гц.

Весь диапазон частот слышимых человеком звуков разбит на октавы со среднегеометрическими частотами 31,5; 63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000 и 8000 Гц.

Распределение энергии по частотам шума представляет собой его спектральный состав. При гигиенической оценке шума измеряют как его интенсивность (силу), так и спектральный состав по частотам.

Восприятие звуков зависит от частоты колебаний. Звуки одинаковые по уровню интенсивности, но разные по частоте, воспринимаются на слух неодинаково громкими. При изменении частоты значительно изменяются уровни интенсивности звука, определяющие порог слышимости. Зависимость восприятия звуков различного уровня интенсивности от частоты иллюстрируют так называемые кривые равной громкости (рис.7.1). Для оценки уровня восприятия звуков разной частоты введено понятие уровня громкости звука,т.е. условное приведение звуков разной частоты, но одинаковой громкости к одному уровню при частоте 1000 Гц.

Рис. 7.1. Кривые равной громкости

Уровень громкости звука – уровень интенсивности (звукового давления) данного звука частотой 1000 Гц, равногромкого с ним на слух. Это означает, что каждой кривой равной громкости соответствует одно значение уровнягромкости (от уровня громкости, равного 0, соответствующего порогу слышимости до уровня громкости, равного 120, соответствующего порогу болевого ощущения). Уровень громкости измеряется во внесистемной безразмерной единице – фон.

Оценка звукового восприятия с помощью уровня громкости, измеряемого в фонах, не даёт полного физиологического представления о действии звука на слуховой аппарат, т.к. увеличение уровня звука на 10 дБ создаёт ощущение увеличения громкости в два раза.

Количественная связь между физиологическим ощущением громкости и уровнем громкости может быть получена из шкалы громкости. Шкала громкости легко образуется с учётом соотношения, что величина громкости в один сонсоответствует уровнюгромкости в 40 фон (рис. 7.2).

Рис. 7.2. Шкала громкости

Длительное воздействие шума высоких уровней интенсивности может влиять на снижение чувствительности слухового анализатора, а также вызывать расстройства нервной системы и оказывать влияние на другие функции организма (нарушает сон, мешает выполнять напряжённую умственную работу), поэтому для разных помещений и различных видов работ устанавливаются различные допустимые уровни шума.

Шум, не превышающий уровень 30-35 дБ, не ощущается как утомительный или заметный. Такой уровень шума является допустимым для читальных залов, больничных палат, жилых комнат ночью. Для конструкторских бюро, конторских помещений допускается уровень шума 50-60 дБ.

Классификация шумов

Производственный шум можно классифицировать по различным признакам.

По происхождению – аэродинамический, гидродинамический, металлический и т.д.

По частотной характеристике – низкочастотный (1-350 Гц), среднечастотный (350-800 Гц), высокочастотный (более 800 Гц).

По спектру – широкополосный (шум с непрерывным спектром шириной более 1 октавы), тональный (шум, в спектре которого имеются выраженные тоны). Широкополосный шум с одинаковой интенсивностью звуков по всем частотам условно обозначают как «белый». Тональный характер шума для практических целей устанавливается измерением в 1/3 октавных полосах частот по превышению уровня в одной полосе над соседними не менее чем на 10 дБ.

По временным характеристикам шумы разделяют на постоянный или стабильный и непостоянный. Постоянный шум – это шум, уровень звука которого за 8-часовой рабочий день или за время измерения в помещениях жилых и общественных зданий, на территории жилой застройки изменяется во времени не более чем на 5 дБА при измерениях на временной характеристике шумомера "медленно".

Непостоянный шум - это шум, уровень звука которого за 8-часовой рабочий день, за рабочую смену или во время измерения в помещениях жилых и общественных зданий, на территории жилой застройки изменяется во времени более чем на 5 дБА при измерениях на временной характеристике шумомера "медленно".

Непостоянный шум может быть колеблющимся, прерывистым и импульсным:

колеблющийся во времени шум – это шум, уровень звука которого непрерывно изменяется во времени;

прерывистый шум – это шум, уровень звука которого ступенчато изменяется (на 5 дБА и более), причем длительность интервалов, в течение которых уровень остается постоянным, составляет 1 с и более;

импульсный шум – это шум, состоящий из одного или нескольких звуковых сигналов, каждый длительностью менее 1 с, при этом уровни звука в дБАI и дБА, измеренные соответственно на временных характеристиках "импульс" и "медленно", отличаются не менее чем на 7 дБ.

Для двух последних видов шума (прерывистый и импульсный) характерно резкое изменение звуковой энергии во времени (свистки, гудки, удары кузнечного молота, выстрелы и пр.).

Характеристикой постоянного шума на рабочих местах являются уровни звукового давления в дБ в октавных полосах со среднегеометрическими частотами 31,5; 63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000; 8000 Гц, определяемые по формуле (7.4).

Допускается в качестве характеристики постоянного широкополосного шума на рабочих местах принимать уровень звука в дБА, измеренный на временной характеристике "медленно" шумомера, определяемый по формуле:

, дБА, (7.6)

где Р (А) – среднеквадратичная величина звукового давление с учетом коррекции "А" шумомера, Па

Характеристикой непостоянного шума на рабочих местах является эквивалентный (по энергии) уровень звука в дБА.

Эквивалентный (по энергии) уровень звука, L А(экв) , в дБА данного непостоянного шума – уровень звука постоянного широкополосного шума, который имеет то же самое среднее квадратическое звуковое давление, что и данный непостоянный шум в течение определенного интервала времени и который определяют по формуле

, дБА, (7.7)

где р А(t) – текущее значение среднего квадратического звукового давления с учетом коррекции "А " шумомера, Па; p 0 – исходное значение звукового давления (в воздухе p 0 = 2 · 10 -5 Па); T – время действия шума, ч.

Студент должен знать : что называется звуком, природу звука, источники звука; физические характеристики звука (частота, амплитуда, скорость, интенсивность, уровень интенсивности, давление, акустический спектр); физиологические характеристики звука (высота, громкость, тембр, минимальная и максимальная частоты колебаний, воспринимаемые данным человеком, порог слышимости, порог болевого ощущения) их связь с физическими характеристиками звука; слуховой аппарат человека, теории восприятия звука; коэффициент звукоизоляции; акустический импеданс, поглощение и отражение звука, коэффициенты отражения и проникновения звуковых волн, реверберация; физические основы звуковых методов исследования в клинике, понятие об аудиометрии.

Студент должен уметь: с помощью звукового генератора снимать зависимость порога слышимости от частоты; определять минимальную и максимальную, воспринимаемые Вами частоты колебаний, снимать аудиограмму с помощью аудиометра.

Краткая теория Звук. Физические характеристики звука

Звуком называются механические волны с частотой колебаний частиц упругой среды от 20 Гц до 20000 Гц, воспринимаемые человеческим ухом.

Физическими называют те характеристики звука, которые существуют объективно. Они не связаны с особенностями ощущения человеком звуковых колебаний. К физическим характеристикам звука относятся частота, амплитуда колебаний, интенсивность, уровень интенсивности, скорость распространения звуковых колебаний, звуковое давление, акустический спектр звука, коэффициенты отражения и проникновения звуковых колебаний и др. Кратко рассмотрим их.

Частота колебаний . Частотой звуковых колебаний называется число колебаний частиц упругой среды (в которой распространяются звуковые колебания) в единицу времени. Частота звуковых колебаний лежит в пределах 20 - 20000 Гц. Каждый конкретный человек воспринимает определенный диапазон частот (обычно несколько выше 20 Гц и ниже 20000 Гц).

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

Интенсивностью звуковой волны (или силой звука ) называется физическая величина, численно равная отношению энергии, переносимой звуковой волной в единицу времени через единицу площади поверхности, ориентированной перпендикулярно вектору скорости звуковой волны, то есть:

где W - энергия волны, t - время переноса энергии через площадку площадью S .

Единица интенсивности: [I ] = 1Дж/(м 2 с) = 1Вт/м 2 .

Обратим внимание на то, что энергия и соответственно интенсивность звуковой волны прямо пропорциональны квадрату амплитуды «А » и частоты «ω » звуковых колебаний:

W ~ A 2 иI ~ A 2 ;W ~ ω 2 иI ~ ω 2 .

4. Скоростью звука называется скорость распространения энергии звукового колебания. Для плоской гармонической волны фазовая скорость (скорость распространения фазы колебания (фронта волны), например, максимума или минимума, т.е. сгустка или разряжения среды) равна скорости волны. Для сложного колебания (по теореме Фурье можно представить в виде суммы гармонических колебаний) вводится понятие групповой скорости – скорость распространения группы волн, с которой переносится энергия данной волной.

Скорость звука в любой среде можно найти по формуле:

, (2)

где Е - модуль упругости среды (модуль Юнга),  - плотность среды.

С увеличением плотности среды (например, в 2 раза) модуль упругости Е возрастает в большей степени (более чем в 2 раза), поэтому с увеличением плотности среды скорость звука возрастает. Например, скорость звука в воде равна ≈ 1500 м/с, в стали - 8000 м/с.

Для газов формулу (2) можно преобразовать и получить в следующем виде:

(3)

где  = С Р / С V - отношение молярных или удельных теплоемкостей газа при постоянном давлении (С Р ) и при постоянном объеме (С V ).

R - универсальная газовая постоянная (R=8,31 Дж/моль·К );

Т - абсолютная температура по шкале Кельвина (T=t o C+273 );

М - молярная масса газа (для нормальной смеси газов воздуха

М=29  10 -3 кг/моль ).

Для воздуха при Т=273К и нормальном атмосферном давлении скорость звука равна υ=331,5  332 м/с . Следует заметить, что интенсивность волны (векторная величина) часто выражают через скорость волны:

или
, (4)

где S  l - объем, u=W/ S  l - объемная плотность энергии. Вектор в уравнении (4) называютвектором Умова .

5. Звуковым давлением называется физическая величина, численно равная отношению модуля силы давления F колеблющихся частиц среды, в которой распространяется звук, к площади S перпендикулярно ориентированной площадки по отношению к вектору силы давления.

P = F/S [P ]= 1Н/м 2 = 1Па (5)

Интенсивность звуковой волны прямо пропорциональна квадрату звукового давления:

I = Р 2 /(2  υ) , (7)

где Р - звуковое давление,  - плотность среды, υ - скорость звука в данной среде.

6.Уровень интенсивности . Уровнем интенсивности (уровнем силы звука) называется физическая величина, численно равная:

L=lg(I/I 0 ) , (8)

где I - интенсивность звука, I 0 =10 -12 Вт/м 2 - наименьшая интенсивность, воспринимаемая человеческим ухом на частоте 1000 Гц.

Уровень интенсивности L , исходя из формулы (8), измеряют в белах (Б). L = 1 Б , если I=10I 0 .

Максимальная интенсивность, воспринимаемая человеческим ухом I max =10 Вт/м 2 , т.е. I max / I 0 =10 13 или L max =13 Б.

Чаще уровень интенсивности измеряют в децибелах (дБ ):

L дБ =10 lg(I/I 0 ) ,L=1 дБ приI=1,26I 0 .

Уровень силы звука можно находить через звуковое давление.

Так как I ~ Р 2 , то L(дБ) = 10lg(I/I 0 ) = 10 lg(P/P 0 ) 2 = 20 lg(P/P 0 ) , где P 0 = 2  10 -5 Па (при I 0 =10 -12 Вт/м 2 ).

7.Тоном называется звук, являющийся периодическим процессом (периодические колебания источника звука совершаются не обязательно по гармоническому закону). Если источник звука совершает гармоническое колебание x=ASinωt , то такой звук называют простым или чистым тоном. Негармоническому периодическому колебанию соответствует сложный тон, который можно по теореме Фурье представить в виде совокупности простых тонов с частотами  о (основной тон) и 2  о , 3  о и т.д., называемых обертонами с соответствующими амплитудами.

8.Акустическим спектром звука называется совокупность гармонических колебаний с соответствующими частотами и амплитудами колебаний, на которые можно разложить данный сложный тон. Спектр сложного тона линейчатый, т.е. частоты  о, 2  о и т.д.

9. Шумом (звуковым шумом) называют звук, который представляет собой сложные, неповторяющиеся во времени колебания частиц упругой среды. Шум представляет собой сочетание беспорядочно изменяющихся сложных тонов. Акустический спектр шума состоит практически из любых частот звукового диапазона, т.е. акустический спектр шума - сплошной.

Звук может быть и в виде звукового удара. Звуковой удар - это кратковременное (обычно интенсивное) звуковое воздействие (хлопок, взрыв и т.п.).

10.Коэффициенты проникновения и отражения звуковой волны. Важной характеристикой среды, определяющей отражение и проникновение звука является волновое сопротивление (акустический импеданс) Z=  υ , где  - плотность среды, υ - скорость звука в среде.

Если плоская волна падает, например, нормально к границе раздела двух сред, то звук частично проходит во вторую среду, а часть звука отражается. Если падает звук интенсивностью I 1 , проходит - I 2 , отражается I 3 =I 1 - I 2 , то:

1) коэффициентом проникновения звуковой волны  называется  =I 2 /I 1 ;

2) коэффициентом отражения  называется:

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

Релей показал, что  =

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

Если Z 2 >>Z 1 или υ 2  2 >> υ 1  1 , то   4 υ 1  1 / υ 2  2 . Так, например, если звук падает из воздуха в воду, то  =4(440/1440000)=0,00122 или 0,122% интенсивности падающего звука проникает из воздуха в воду.

11. Понятие о реверберации . Что представляет собой реверберация? В закрытом помещении звук многократно отражается от потолка, стен, пола и т. п. с постепенно уменьшающейся интенсивностью. Поэтому после прекращения действия источника звука в течение некоторого времени слышен звук за счет многократного отражения (гул).

Реверберацией называется процесс постепенного затухания звука в закрытых помещениях после прекращения излучения источником звуковых волн. Временем реверберации называется время, в течение которого интенсивность звука при реверберации снижается в 10 6 раз. При проектировании учебных аудиторий, концертных залов и т.п. учитывают необходимость получения определенного времени (интервала времени) реверберации. Так, например, для Колонного зала Дома Союзов и Большого театра г. Москвы время реверберации для пустых помещений соответственно равно 4,55 с и 2,05 с, для заполненных – 1,70 с и 1,55 с.

Звук- это механические колебания частиц в упругой среде, распространяющиеся в форме продольных волн, частота которых лежит в пределах воспринимаемых человеческим ухом, в среднем от 16 до 20000 Гц.

Звуки, встречающиеся в природе, разделяют на несколько видов.

Тон -это звук, представляющий собой периодический процесс. Основной характеристикой тона является частота. Простой тон создается телом, колеблющимся по гармоническому закону (например, камертоном). Сложный тон создается периодическими колебаниями, которые не являются гармоническими (например, звук музыкального инструмента, звук, создаваемый речевым аппаратом человека).

Шум- это звук, имеющий сложную неповторяющуюся временную зависимость и представляющий собой сочетание беспорядочно изменяющихся сложных тонов (шелест листьев).

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

Сложный тон, как периодический процесс, можно представить в виде суммы простых тонов (разложить на составляющие тоны). Такое разложение называется спектром.

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

Наименьшая частота в спектре (н) соответствует основному тону, а остальные частоты называют обертонами или гармониками. Обертоны имеют частоты, кратные основной частоте: 2н, 3н, 4н, ... Акустический спектр шума является сплошным.

Физические характеристики звука

1. Скорость(v). Звук распространяется в любой среде, кроме вакуума. Скорость его распространения зависит от упругости, плотности и температуры среды, но не зависит от частоты колебаний. Скорость звука в газе зависит от его молярной массы (М) и абсолютной температуры (Т):

где R - универсальная газовая постоянная: г - отношение теплоемкостей газа при постоянном давлении и постоянном объеме.

От давления скорость звука не зависит.

Для воздуха (М=0,029 кг/моль, г = 1,4) в интервале температур -50 °С- + 50 °С можнос пользоваться приблежонной формулой

Скорость звука в воде равна 1500 м/с; близкое значение имеет скорость звука и в мягких тканях организма.

2. Звуковое давление. Распространение звука сопровождается изменением давления в среде.

Именно изменения давления вызывают колебания барабанной перепонки, которые и определяют начало такого сложного процесса, как возникновение слуховых ощущений.

Звуковое давление(ДС)-это амплитуда тех изменений давления в среде, которые возникают при прохождении звуковой волны.

3. Интенсивность звука(I). Распространение звуковой волны сопровождается переносом энергии.

Интенсивность звука - это плотность потока энергии, переносимой звуковой волной.

В однородной среде интенсивность звука, испущенного в данном направлении, убывает по мере удаления от источника звука. При использовании волноводов можно добиться и увеличения интенсивности. Типичным примером такого волновода в живой природе является ушная раковина.

Связь между интенсивностью (I) и звуковым давлением (ДС) выражается следующей формулой:

где с - плотность среды; v- скорость звука в ней.

Минимальные значения звукового давления и интенсивности звука, при которых у человека возникают слуховые ощущения, называются порогом слышимости.

Рассмотрим основные характеристики звука:

• 1)Субъективные характеристики звука - характеристики, зависящие от свойств приемника:
  • - громкость. Громкость звука определяется амплитудой колебаний в звуковой волне.
  • - тон (высота тона). Определяется частотой колебаний.
  • - тембр (окраска звука).

Закон Вебера-Фехнера - эмпирический психофизиологический закон, заключающийся в том, что интенсивность ощущения пропорциональна логарифму интенсивности стимула. Если разряжение увеличивать в геометрической последовательности, то ощущение увеличится в арифметической.

Контрольно-измерительные приборы.

Средства индивидуальной защиты от вибрации.

Организационные мероприятия по защите от воздействия вибрации.

Они предполагают применение специальных режимов труда и отдыха для работников виброопасных профессий. В соответствие с ГОСТ 12.1.012-90 допускается увеличение уровня вибрации при условии сокращения времени воздействия на работающих, которое должно составить

t = 480 (V 480 /V ф) 2 ,

где V 480 - нормативное значение виброскорости для 8-ми часового рабочего дня,

V ф - фактическое значение виброскорости.

Во всех случаях время работы с общей вибрацией не должно быть боле 10 мин и локальной — 30мин.

В качестве средств индивидуальной защиты от вибрации при работе с ручным механизированным инструментом применяются рукавицы, перчатки и вкладыши по ГОСТ 12.4 002-74.

Рукавицы изготавливают из хлопчатобумажных и льняных тканей. Ладонная часть изнутри дублируется поролоном. Для защиты от общих вибраций применяют спец обувь по ГОСТ 12.4.024-76 (полу сапоги мужские и женские антивибрационные, которые имеют многослойную резиновую подошву).

Виброизмерительный комплект ИВШ-1 включает: виброизмерительный преобразователь (датчик), измерительный усилитель, полосовые фильтры, регистрирующий прибор. Измерение колебательной скорости проводят на поверхностях рабочего места или на поверхности ручной машины. Измерение общих вибраций проводится по ГОСТ 12.1.043-84, а локальной - по ОСТ 12.1.042-84.

Звук - это упругие колебания в твердой, жидкой или газообразной среде, возникающие вследствие воздействия на эти среды возмущающей силы и воспринимаемые органами слуха живого организма.

Шум - это беспорядочное колебания различной физической природы, отличающиеся сложностью временной и спектральной структурой. В быту под шумом понимают различного рода нежелательные акустические колебания, возникающие в процессе выполнения различного рода работ, и мешающие воспроизведению или восприятию речи, нарушающие процесс отдыха и т.д.

Слуховой орган человека (приемник звуковых раздражений) состоит из трех частей: внешнее ухо, среднее ухо и внутреннее ухо.

Звуковые колебания, поступая в наружный слуховой проход и достигая барабанной перепонки, вызывают синхронные ее колебания, которые воспринимаются окончанием слухового нерва. Возникающие в клетках возбуждения затем распространяются по нервам и поступают в центральную нервную систему. Интенсивность ощущений (Ln o)при приеме звука или шума (чувствительность) зависит от интенсивности раздражителя (Ln. р).

Ln o = 10 Ln. р

Так, например, в условиях полной тишины чувствительность слуха максимальна, но она снижается при наличии дополнительного шумового воздействия. Умеренное понижение слуховой чувствительности позволяет организму приспосабливаться к условиям внешней среды и играет защитную роль против сильных и продолжительно действующих шумов.

Заглушение одного звука другим называется маскировкой , которое часто используется на практике для выделения полезного сигнала или подавление нежелательного шума (маскировка посылаемого сигнала на высокочастотных линиях, прием сигналов от искусственных спутников.)

К физическим характеристикам звука относятся: частота, интенсивность (сила звука) и звуковое давление.

Частота колебаний (f=1/T =w/2п) где Т период колебания, w — круговая частота. Единица измерения (Гц).

Ухо человека воспринимает колебательные движения упругой среды как слышимые в диапазоне частот от 20 до 20 000 Гц.

Весь слышимый диапазон частот разбит на 8 октавных полос. Октава--полоса, в которой значение верхней граничной частоты (f1) в два раза больше значения нижней граничной частоты (f2) т.е. f1/f2 = 2. Третьоктавная полоса частот это полоса частот, в которой это соотношение равно f1/f2 = 1,26. Для каждой октавной полосы устанавливается значение среднегеометрической частоты:

Ряд среднегеометрических частот в октавных полосах имеет вид:

63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000; 8000 Гц.

Различают :

Низкочастотный спектр -до 300Гц;

Среднечастотным - 300-800Гц;

Высокочастотным свыше 800Гц.

Согласно ГОСТ12.1.003-83 "ССБТ. Шум. Общие требования безопасности" шумы принято классифицировать по спектральным и временным характеристикам.

По характеру спектра шумы подразделяются на:

- широкополосные, с непрерывным спектром шириной более одной октавы;

Тональные,в спектре которых имеются слышимые дискретные тона.

По временным характеристикам шумы подразделяются на:

Постоянные, уровни которых во времени изменяются не более чем на 5дБА (насосные, вентиляционные установки, производственное оборудование);

- непостоянные, уровни которых за восьмичасовой рабочий день изменяются во времени более чем на 5 дБА.

Непостоянные шумы подразделяются на:

Колеблющие во времени, шумы, уровни которых непрерывно меняются во времени;

Прерывистые, шумы, уровни которых резко падают до уровня фонового шума, причем длительность интервалов. в течение которых уровень остается постоянным и превышающим фоновый уровень, составляет 1сек и более;

Импульсные, состоящие из одного или нескольких звуковых сигналов, каждый длительностью менее 1 сек. (сигнал искусственного спутника).

Звук является объектом слухового ощущения. Он оценивается человеком субъективно. Все субъективные характеристики слухового ощущения связаны с объективными (физическими) характеристиками звуковой волны.

Воспринимаемые звуки человек различает их по тембру, высоте, громкости.

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

Высотатона – субъективная оценка звукового сигнала, зависящая от частоты звука и его интенсивности. Чем больше частота, главным образом, основного тона, тем больше высота воспринимаемого звука. Чем больше интенсивность, тем ниже высота воспринимаемого звука.

Громкость – также субъективная оценка, характеризующая уровень интенсивности.

Громкость главным образом зависит от интенсивности звука. Однако восприятие интенсивности зависит от частоты звука. Звук большей интенсивности одной частоты может восприниматься как менее громкий, чем звук меньшей интенсивности другой частоты.

Опыт показывает, что для каждой частоты в области слышимых звуков

(16 – 20 . 10 3 Гц) имеется так называемый порог слышимости. Это минимальная интенсивность, при которой ухо еще реагирует на звук. Кроме того, для каждой частоты имеется так называемый порог болевых ощущений, т.е. то значение интенсивности звука, которое вызывает боль в ушах. Совокупности точек, отвечающих порогу слышимости, и точек, соответствующих порогу болевых ощущений, образуют на диаграмме (L,ν) две кривые (рис.1), которые пунктиром экстраполированы до пересечения.

Кривая порога слышимости (а), кривая порога боли (б).

Область, ограниченная этими кривыми, называется областью слышимости. Из приведенной диаграммы, в частности, видно, что менее интенсивный звук, соответствующий точке А, будет восприниматься более громким, чем звук более интенсивный, соответствующий точке В, так как точка А более удалена от порога слышимости, чем точка В.

4. Закон Вебера-Фехнера .

Громкость может быть оценена количественно путем сравнения слуховых ощущений от двух источников.

В основе создания шкалы уровней громкости лежит психофизический закон Вебера-Фехнера. Если увеличивать раздражение в геометрической прогрессии (т.е. в одинаковое число раз), то ощущение этого раздражения возрастает в арифметической прогрессии (т.е. на одинаковое значение).

Применительно к звуку это формулируется так: если интенсивность звука принимает ряд последовательных значений, например, а I 0 , а 2 I 0,

а 3 I 0 ,….(а - некоторый коэффициент, а > 1) и т.д., то им соответствуют ощущения громкости звука Е 0 , 2 Е 0 , 3 Е 0 ….. Математически это означает, что уровень громкости звука пропорционален десятичному логарифму интенсивности звука. Если действуют два звуковых раздражителя с интенсивностями I и I 0, причем I 0 – порог слышимости, то согласно закону Вебера-Фехнера уровень громкости Е и интенсивность I 0 связаны следующим образом:

Е= k lg (I / I 0),

где k – коэффициент пропорциональности.

Если бы коэффициент k был постоянным, то следовало бы, что логарифмическая шкала интенсивностей звука соответствует шкале уровней громкостей. В этом случае уровень громкости звука так же, как и интенсивность, выражалась бы в белах или децибелах. Однако сильная зависимость k от частоты и интенсивности звука не позволяет измерение громкости свести к простому использованию формулы: Е= k lg(I / I 0).

Условно считают, что на частоте 1 кГц шкалы уровней громкости и интенсивности звука полностью совпадают, т.е. k = 1 и Е Б = lg (I / I 0). Чтобы различить шкалы громкости и интенсивности звука, децибелы шкалы уровней громкости называют фонами (фон).

Е ф = 10 k lg(I / I 0)

Громкость на других частотах можно измерить, сравнивая исследуемый звук

со звуком частотой 1 кГц.

Кривые равной громкости. Зависимость громкости от частоты колебаний в системе звуковых измерений определяется на основании экспериментальных данных при помощи графиков (рис. 2), которые называются кривыми равной громкости. Эти кривые характеризуют зависимость уровня интенсивности L от частоты ν звука при постоянном уровне громкости. Кривые равной громкости называют изофонамим.

Нижняя изофона соответствует порогу слышимости (Е = 0 фон). Верхняя кривая показывает верхний предел чувствительности уха, когда слуховое ощущение переходит в ощущение боли (Е = 120 фон).

Каждая кривая соответствует одинаковой громкости, но разной интенсивности, которые при определенных частотах вызывают ощущение этой громкости.

Звуковые измерения . Для субъективной оценки слуха применяется метод пороговой аудиометрии.

Аудиометрия – метод измерения пороговой интенсивности восприятия звука для разных частот. На специальном приборе (аудиометре) определяется порог слухового ощущения на разных частотах:

L п = 10 lg (I п /I 0),

где I п – пороговая интенсивность звука, которая приводит к возникновению слухового ощущения у испытуемого. Получают кривые – аудиограммы, которые отражают зависимость порога восприятия от частоты тона, т.е. это спектральная характеристика уха на пороге слышимости.

Сравнивая аудиограмму пациента (рис. 3, 2) с нормальной кривой порога слухового ощущения (рис. 3, 1), определяют разность уровней интенсивности ∆L=L 1 –L 2 . L 1 – уровень интенсивности на пороге слышимости нормального уха. L 2 - уровень интенсивности на пороге слышимости исследуемого уха. Кривая для ∆L (рис3, 3) называется потерей слуха.

Аудиограмма в зависимости от характера заболевания имеет вид, отличный от аудиограммы здорового уха.

Шумомеры – приборы для измерения уровня громкости. Шумомер снабжен микрофоном, который превращает акустический сигнал в электрический. Уровень громкости регистрируется стрелочным или цифровым измерительным прибором.

5. Физика слуха: звукопроводящая и звукопринимающая части слухового аппарата. Теории Гельмгольца и Бекеши.

Физика слуха связана с функциями наружного (1,2 рис.4), среднего (3, 4, 5, 6 рис.4) и внутреннего уха (7-13 рис. 4).

Схематическое представление основных элементов слухового аппарата человека: 1 – ушная раковина, 2 – наружный слуховой проход, 3 – барабанная перепонка, 4, 5, 6 – система косточек, 7 – овальное окно (внутреннего уха), 8 – вестибулярная лестница, 9 – круглое окно, 10 – барабанная лестница, 11 – геликотрема, 12 - улитковый канал, 13 - основная (базилярная) мембрана.

По выполняемым функциям в слуховом аппарате человека можно выделить звукопроводящую и звукопринимающую части, основные элементы которых представлены на рис.5.

1 – ушная раковина, 2 – наружный слуховой проход, 3 – барабанная перепонка, 4– система косточек, 5 – улитка, 6 – основная (базилярная мембрана, 7 – рецепторы, 8 – разветвление слухового нерва.

Основная мембрана весьма интересная структура, она обладает частотно-избирательными свойствами. На это обратил внимание еще Гельмгольц, который представлял основную мембрану аналогично ряду построенных струн пианино. По Гельмгольцу, каждый участок базилярной мембраны резонировал на определенную частоту. Лауреат Нобелевской премии Бекеши установил ошибочность этой резонансной теории. В работах Бекеши было показано, что основная мембрана является неоднородной линией передачи механического возбуждения. При воздействии акустическим стимулом по основной мембране распространяется волна. В зависимости от частоты эта волна по-разному затухает. Чем меньше частота, тем дальше от овального окна (7 рис.4) распространяется волна по основной мембране, прежде чем она начнет затухать. Так, например, волна с частотой 300 Гц до начала затухания распространяется приблизительно на 25 мм от овального окна, а волна с частотой 100 Гц достигает своего максимума вблизи 30 мм.

Согласно современным представлениям восприятие высоты тона определяется положением максимума колебаний основной мембраны. Эти колебания, воздействуя на рецепторные клетки кортиева органа, вызывают возникновение потенциала действия, который по слуховым нервам передается в кору головного мозга. Головной мозг окончательно обрабатывает поступающие сигналы.