Физиологические характеристики звука. Физические и физиологические характеристики звука Физические характеристики звука и звуковые ощущения

Физиологическими характеристиками звука называют субъективные характеристики слухового ощущения звука слуховым аппаратом человека. К физиологическим характеристикам звука относится минимальная и максимальная частоты колебаний, воспринимаемые данным человеком, порог слышимости и порог болевого ощущения, громкость, высота, тембр звука.

Минимальная и максимальная частоты колебаний, воспринимаемые данным человеком . Частоты звуковыхколебаний лежат в пределах 20-20000 Гц. Однако наименьшая воспринимаемая частота данным человеком обычно больше 20 Гц, а наибольшая - меньше 20000 Гц, что определяется индивидуальными особенностями строения слухового аппарата человека. Например:  мин =32 Гц,  макс =17900 Гц .

Порогом слышимости называется воспринимаемая человеческим ухом минимальная интенсивность I o . Считается, что I o =10 -12 Вт/м 2 при  =1000 Гц . Однако обычно для конкретного человека порог слышимости больше I o .

Порог слышимости зависит от частоты звукового колебания. На какой-то частоте (обычно 1000-3000 Гц) в зависимости от длины слухового канала слухового аппарата человека происходит резонансное усиление звука в человеческом ухе. При этом ощущение звука будет наилучшим, а порог слышимости будет минимальным. При уменьшении или увеличении частоты колебаний условие резонанса ухудшается (удаление по частоте от резонансной частоты) и порог слышимости соответственно повышается.

3. Порогом болевого ощущения называется испытываемое человеческим ухом болевое ощущение при интенсивностях звука выше некоторого значения I пор (звуковая волна при этом как звук не ощущается). Порог болевого ощущения I пор зависит от частоты (хотя и в меньшей степени, чем порог слышимости). На низких и высоких частотах порог болевого ощущения снижается, т.е. болевые ощущения наблюдаются при больших интенсивностях.

4. Громкостью звука называется уровень слухового ощущения человеком данного звука. Громкость зависит, прежде всего, от человека, воспринимающего звук. Например, при достаточной интенсивности на частоте 1000 Гц громкость может быть равна и нулю (для глухого человека).

Для данного конкретного человека, воспринимающего звук, громкость зависит от частоты, интенсивности звука. Как и для порога слышимости, громкость максимальна обычно на частоте 1-3 кГц, а с уменьшением или увеличением частоты громкость снижается.

Громкость звука зависит от интенсивности звука сложным образом. В соответствии с психофизическим законом Вебера-Фехнера громкость Е прямо пропорциональна уровню интенсивности:

E = k . lg(I/I 0 ), где k зависит от частоты и интенсивности звука.

Громкость звука измеряют в фонах . Считается, что громкость в фонах численно равна уровню интенсивности в децибелах на частоте 1000 Гц . Например, громкость звука Е=30 фон ; это означает, что данный человек по уровню восприятия ощущает указанный звук так же, как и звук, частотой 1000 Гц и уровнем силы звука 30 дБ . Графически (см. учебник) строят кривые равной громкости, которые индивидуальны для каждого конкретного человека.

С целью диагностики состояния слухового аппарата человека с помощью аудиометра снимают аудиограмму - зависимость порога слышимости от частоты.

5. Высотой звука называется ощущения человеком чистого тона. С повышением частоты увеличивается и высота тона. С повышением интенсивности высота тона незначительно снижается.

6. Тембром звука называется ощущение человеком данного сложного звукового колебания. Тембр звука - это окраска звука, по которой мы различаем голос того или иного человека. Тембр зависит от акустического спектра звука. Однако один и тот же акустический спектр воспринимается различными людьми по-разному. Так, если слуховой аппарат у двух человек поменять друг другу, а мозговой анализатор звука оставить тем же, то окраска звука от знакомых ему людей будет казаться другой, т.е. он может и не узнать голос знакомого человека или голос покажется измененным.

Звуки приносят человеку жизненно важную информацию - с их помощью мы общаемся, слушаем музыку, узнаем по голосу знакомых людей. Мир окружающих нас звуков разнообразен и сложен, однако мы достаточно легко ориентируемся в нем и можем безошибочно отличить пение птиц от шума городской улицы.

• Звуковая волна - упругая продольная волна, вызывающая у человека слуховые ощущения. Колебания источника звука (например, струн или голосовых связок) вызывают появление продольной волны. Достигнув человеческого уха, звуковые волны заставляют барабанную перепонку совершать вынужденные колебания с частотой, равной частоте колебаний источника. Свыше 20 тыс. нитевидных рецепторных окончаний, находящихся во внутреннем ухе, преобразуют механические колебания в электрические импульсы. При передаче импульсов по нервным волокнам в головной мозг у человека возникают определенные слуховые ощущения.

Таким образом, в процессе распространения звуковой волны меняются такие характеристики среды, как давление и плотность.

Звуковые волны, воспринимаемые органами слуха, вызывают звуковые ощущения.

Звуковые волны классифицируются по частоте следующим образом:

• инфразвук (ν < 16 Гц);
• слышимый человеком звук (16 Гц < ν < 20000 Гц);
• ультразвук (ν > 20000 Гц);
• гиперзвук (10 9 Гц < ν < 10 12 -10 13 Гц).

Человек не слышит инфразвук, но каким-то образом эти звуки воспринимает. Так как например, опыты показали, что инфразвук вызывает неприятные тревожные ощущения.

Многие животные могут воспринимать ульразвуковые частоты. Например, собаки могут слышать звуки до 50000 Гц, а летучие мыши - до 100000 Гц. Инфразвук, распространяясь в воде на сотни километров, помогает китам и многим другим морским животным ориентироваться в толще воды.

Физические характеристики звука

Одной из важнейших характеристик звуковых волн является спектр.

• Спектром называется набор различных частот, образующих данный звуковой сигнал. Спектр может быть сплошным или дискретным.

Сплошной спектр означает, что в данном наборе присутствуют волны, частоты которых заполняют весь заданный спектральный диапазон.

Дискретный спектр означает наличие конечного числа волн с определенными частотами и амплитудами, которые образуют рассматриваемый сигнал.

По типу спектра звуки разделяются на шумы и музыкальные тона.

• Шум - совокупность множества разнообразных кратковременных звуков (хруст, шелест, шорох, стук и т.п.) - представляет собой наложение большого числа колебаний с близкими амплитудами, но различными частотами (имеет сплошной спектр). С развитием промышленности появилась новая проблема - борьба с шумом. Возникло даже новое понятие «шумовое загрязнение» среды обитания. Шум, особенно большой интенсивности, не просто надоедает и утомляет - он может и серьезно подорвать здоровье.

• Музыкальный тон создается периодическими колебаниями звучащего тела (камертон, струна) и представляет собой гармоническое колебание одной частоты.

С помощью музыкальных тонов создается музыкальная азбука - ноты (до, ре, ми, фа, соль, ля, си), которые позволяют воспроизводить одну и ту же мелодию на различных музыкальных инструментах.

• Музыкальный звук (созвучие) - результат наложения нескольких одновременно звучащих музыкальных тонов, из которых можно выделить основной тон, соответствующий наименьшей частоте. Основной тон называется также первой гармоникой. Все остальные тоны называются обертонами. Обертоны называются гармоническими, если частоты обертонов кратны частоте основного тона. Таким образом, музыкальный звук имеет дискретный спектр.

Любой звук, помимо частоты, характеризуется интенсивностью. Так реактивный самолет может создать звук интенсивностью порядка 10 3 Вт/м 2 , мощные усилители на концерте в закрытом помещении - до 1 Вт/м 2 , поезд метро - около 10 –2 Вт/м 2 .

Чтобы вызвать звуковые ощущения, волна должна обладать некоторой минимальной интенсивностью, называемой порогом слышимости. Интенсивность звуковых волн, при которой возникает ощущение давящей боли, называют порогом болевого ощущения или болевым порогом.

Интенсивность звука, улавливаемая ухом человека, лежит в широких пределах: от 10 –12 Вт/м 2 (порог слышимости) до 1 Вт/м 2 (порог болевого ощущения). Человек может слышать и более интенсивные звуки, но при этом он будет испытывать боль.

Уровень интенсивности звука L определяют по шкале, единицей которой является бел (Б) или, что гораздо чаще, децибел (дБ) (одна десятая бела). 1 Б - самый слабый звук, который воспринимает наше ухо. Эта единица названа в честь изобретателя телефона Александра Белла. Измерение уровня интенсивности в децибелах проще и поэтому принято в физике и технике.

Уровень интенсивности L любого звука в децибелах вычисляется через интенсивность звука по формуле

\(L=10\cdot lg\left(\frac{I}{I_0}\right),\)

где I - интенсивность данного звука, I 0 - интенсивность, соответствующая порогу слышимости.

В таблице 1 приведен уровень интенсивности различных звуков. Тем, кто при работе подвергается воздействию шума свыше 100 дБ, следует пользоваться наушниками.

Таблица 1

Уровень интенсивности (L ) звуков

Физиологические характеристики звука

Физическим характеристикам звука соответствуют определенные физиологические (субъективные) характеристики, связанные с восприятием его конкретным человеком. Это обусловлено тем, что восприятие звука - процесс не только физический, но и физиологический. Человеческое ухо воспринимает звуковые колебания определенных частот и интенсивностей (это объективные, не зависящие от человека характеристики звука) по-разному, в зависимости от «характеристик приемника» (здесь влияют субъективные индивидуальные черты каждого человека).

Основными субъективными характеристиками звука можно считать громкость, высоту и тембр.

• Громкость (степень слышимости звука) определяется, как интенсивностью звука (амплитудой колебаний в звуковой волне), так и различной чувствительностью человеческого уха на разных частотах. Наибольшей чувствительностью человеческое ухо обладает в диапазоне частот от 1000 до 5000 Гц. При увеличении интенсивности в 10 раз уровень громкости увеличивается на 10 дБ. Вследствие этого, звук в 50 дБ оказывается в 100 раз интенсивнее звука в 30 дБ.

• Высота звука определяется частотой звуковых колебаний, обладающих наибольшей интенсивностью в спектре.

• Тембр (оттенок звука) зависит от того, сколько обертонов присоединяются к основному тону и какова их интенсивность и частота. По тембру мы легко отличаем звуки скрипки и рояля, флейты и гитары, голоса людей (табл. 2).

Таблица 2

Частота ν колебаний различных источников звука

Скорость звука

Скорость звука зависит от упругих свойств, плотности и температуры среды. Чем больше упругие силы, тем быстрее передаются колебания частиц соседним частицам и тем быстрее распространяется волна. Поэтому скорость звука в газах меньше, чем в жидкостях, а в жидкостях, как правило, меньше чем в твердых телах (табл. 3). В вакууме звуковые волны, как и любые механические волны, не распространяются, так как там нет упругих взаимодействий между частицами среды.

Таблица 3.

Скорость звука в различных средах

Скорость звука в идеальных газах с ростом температуры растет пропорционально \(\sqrt{T},\) где T - абсолютная температура. В воздухе скорость звука υ = 331 м/с при температуре t = 0 °C и υ = 343 м/с при температуре t = 20 °C. В жидкостях и металлах скорость звука, как правило, уменьшается с ростом температуры (исключение - вода).

Впервые скорость распространения звука в воздухе была определена в 1640 г. французским физиком Мареном Мерсенном. Он измерял промежуток времени между моментами появления вспышки и звука при ружейном выстреле. Мерсенн определил, что скорость звука в воздухе равна 414 м/с.

Применение звука

Инфразвук в технике пока применять не научились. Зато широкое применение получил ультразвук.

• Способ ориентации или исследования окружающих объектов, основанный на излучении ультразвуковых импульсов с последующим восприятием отраженных импульсов (эха) от различных объектов, называется эхолокацией , а соответствующие приборы - эхолокаторами .

Хорошо известны животные, обладающие способностью к эхолокации - летучие мыши и дельфины. По своему совершенству эхолокаторы этих животных не уступают, а во многом и превосходят (по надежности, точности, энергетической экономичности) современные эхолокаторы, созданные человеком.

Эхолокаторы, используемые под водой, называются гидролокаторами или сонарами (название sonar образован из начальных букв трех английских слов: sound - звук; navigation - навигация; range - дальность). Сонары незаменимы при исследованиях морского дна (его профиля, глубины), для обнаружения и исследования различных объектов, движущихся глубоко под водой. При их помощи могут быть легко обнаружены как отдельные большие предметы или животные, так и стаи небольших рыб или моллюсков.

Волны ультразвуковых частот широко используются в медицине в диагностических целях. УЗИ-сканеры позволяют исследовать внутренние органы человека. Ультразвуковое излучение, в отличие от рентгеновского, безвредно для человека.

Литература

1. Жилко, В.В. Физика: учеб. пособие для 11 класса общеобразоват. шк. с рус. яз. обучения / В.В. Жилко, Л.Г. Маркович. - Минск: Нар. Асвета, 2009. - С. 57-58.
2. Касьянов В.А. Физика. 10 кл.: Учебн. для общеобразоват. учреждений. - М.: Дрофа, 2004. - С. 338-344.
3. Мякишев Г.Я., Синяков А.З. Физика: Колебания и волны. 11 кл.: Учеб. для углубленного изучения физики. - М.: Дрофа, 2002. - С. 184-198.

1. Характеристики слухового ощущения, их связь с физическими

характеристиками звука. Зависимость громкости от частоты.

Закон Вебера-Фехнера.

Звуковой тон характеризуется частотой (периодом), гармоническим спектром, интенсивностью или силой звука и звуковым давлением. Все эти характеристики звука являются физическими или объективными характеристиками. Однако звук является объектом слухового ощущения, поэтому оценивается человеком субъективно, т.е. звук имеет и физиологические характеристики, которые являются отражением его физических характеристик. Задачей системы звуковых измерений является - установить эту связь и таким образом дать возможность при исследовании слуха у различных людей единообразно сопоставить субъективную оценку слухового ощущения с данными объективных измерений.

Частота колебаний звуковой волны оценивается как высота звука (высота тона). Чем больше частота колебаний, тем более высоким воспринимается звук.

Другой физиологической характеристикой является тембр, который определяется спектральным составом сложного звука. Сложные тоны одинаковых основных частот могут отличатся по форме колебаний и соответственно по гармоничному спектру. Это различие воспринимается как тембр (окраска звука). Например, ухо различает одну и ту же мелодию, воспроизведенную на разных музыкальных инструментах.

Громкость – ещё одна субъективная оценка звука, которая характеризует уровень слухового ощущения. Она зависит, прежде всего, от интенсивности и частоты звука.

Рассмотрим вначале зависимость чувствительности уха от частоты. Ухо человека не одинаково чувствительно к различным частотам при одной и той же интенсивности. Диапазон частот воспринимаемый им – 16Гц-20кГц. Способность человека воспринимать высокочастотные звуки ухудшается с возрастом. Молодой человек может слышать звуки с частотой до 20 000 Гц, но уже в среднем возрасте тот же человек не способен воспринимать звуки с частотой выше 12-14 кГц. В пределах частоты 1 000-3 000 Гц чувствительность наибольшая. Она снижается к частотам 16 Гц и 20 кГц. Очевидно, что характер изменения порога слышимости обратен изменению чувствительности уха, т.е. при увеличении частоты от 16 Гц, он вначале снижается, в области частот 1000-3000 Гц остается почти неизменным, затем опять повышается. Это отражено на графике зависимости изменения порога слышимости от частоты (см. рис.1).

График построен в логарифмическом масштабе. Верхняя кривая на графике соответствует болевому порогу. Нижний график называют кривой порогового уровня громкости, т.е. J 0 = f(ν).

Громкость звука зависит от его интенсивности. Она является субъективной характеристикой звука. Эти два понятия являются неравнозначными. Зависимость громкости от интенсивности звука имеет сложный характер, обусловленный чувствительностью уха к действию звуковых волн. Человек может только приблизительно оценить абсолютную интенсивность ощущения. Однако он достаточно точно устанавливает разницу при сравнении двух ощущений различной интенсивности. Это вызвало появление сравнительного метода измерения громкости. При этом измеряют не абсолютную величину громкости, а соотношение ее с некоторой другой величиной, которая принята за начальный или нулевой уровень громкости.

Кроме этого условились при сравнении интенсивности и громкости звука исходить из тона, с частотой 1 000 Гц, т.е. считать громкость тона частотой 1 000 Гц эталоном для шкалы громкости. Как уже было сказано, сравнительный метод применяется и при измерении интенсивности (силы) звука. Поэтому имеются две шкалы: одна для измерения уровней интенсивности; вторая - для измерения уровней громкости. В основе создания шкалы уровней громкости лежит важный психофизический закон Вебера-Фехнера. Согласно этому закону, если увеличивать раздражение в геометрической прогрессии (т.е. в одинаковое число раз), то ощущение этого раздражения возрастает в арифметической прогрессии (на одинаковую величину). Например, если интенсивность звука принимает ряд последовательных значений: a J 0 , a 2 J 0 , a 3 J 0 (a>1 - некоторый коэффициент), то соответствующие им изменения громкости звука будут равны Е 0 , 2Е 0 , 3Е 0 . Математически это означает, что громкость звука прямопропорциональна логарифму интенсивности.

Если действует звуковой раздражитель с интенсивностью J, то на основании закона Вебера-Фехнера уровень громкости Е связан с уровнем интенсивности следующим образом:

Е = КL = Кlg , (1)

где - относительная сила раздражения, К - некоторый коэффициент пропорциональности, зависящий от частоты и интенсивности, принятый равный единице для ν =1000 Гц. Следовательно, если принять К=1 на всех частотах, то в соответствии с формулой (1) мы получим шкалу уровней интенсивностей; при К≠1 - шкалу громкости, где единицей измерения будет уже не децибел, а фон . Учитывая, что на частоте 1кГц шкалы громкости и интенсивности совпадают, значит Е ф =10 .

Зависимость громкости от интенсивности и частоты колебаний в системе звуковых измерений определяется на основании экспериментальных данных при помощи графиков, которые называются кривыми равной громкости, т.е. J=f(ν) при Е = const. Нами была построена кривая нулевого уровня громкости или порога слышимости . Эта кривая является основной (нулевой уровень громкости - Е ф =0).

Если построить аналогичные кривые для различных уровней громкостей, например, ступенями через 10 фонов, то получится система графиков (рис.2), которая дает возможность найти зависимость уровня интенсивности от частоты при любом уровне громкости. Эти кривые построены на основании средних данных, которые были получены у людей с нормальным слухом. Нижняя кривая соответствует порогу слышимости, т.е. для всех частот Е ф =0 (для частоты ν=1кГц интенсивность J 0 = Вт/м 2). Исследование остроты слуха называется аудиометрией. При аудинометрии на специальном приборе аудиометре определяют у обследуемого порог слухового ощущения на разных частотах. Полученный график называют аудиограммой. Потеря слуха определяется путем сравнения ее с нормальной кривой порога слышимости.

2. Звуковые методы исследования в клинике.

Звуковые явления сопровождают ряд процессов, происходящих в организме, например, работа сердца, дыхание и т.д. Непосредственное выслушивание звуков, возникающих внутри организма, составляют один из важнейших приемов клинического исследования и называются аускультацией (выслушивание). Этот метод известен еще со 2-го века до н. э. Для этой цели используют стетоскоп - прибор в виде прямой деревянной или пластмассовой трубки с небольшим раструбом на одном конце и плоским основанием на другом для прикладывания уха. Звук от поверхности тела к уху проводится как самим столбом воздуха, так и стенками трубки.

Для аускультации используют фонендоскоп, состоящий из полой капсулы с мембраной, прикладываемой к телу больного. От капсулы идут две резиновых трубки, которые вставляются в уши врача. Резонанс столба воздуха в капсуле усиливает звук.

Для диагностики состояния сердечно-сосудистой системы применяется метод - фонокардиография (ФКГ) - графическая регистрация тонов и шумов сердца с целью их диагностической интерпретации. Запись производится с помощью фонокардиографа, состоящего из микрофона, усилителя, системы частотных фильтров и регистрирующего устройства.

Отличным от двух указанных методов является перкуссия - метод исследования внутренних органов посредством постукивания по поверхности тела и анализа возникающих при этом звуков. Характер этих звуков зависит от способа постукивания и свойств (упругости, плотности) тканей, находящихся вблизи места, по которому производится постукивание. Постукивание может производится специальным молоточком с резиновой головкой, пластинкой из упругого материала, называемой плессиметром, или постукиванием кончиком согнутого пальца одной руки по фаланге пальца другой, наложенной на тело человека. При ударе по поверхности тела возникают колебания, частоты которых имеют широкий диапазон. Одни колебания быстро будут затухать, другие, вследствие резонанса, усилятся и будут слышны. По тону перкуторных звуков определяют состояние и топографию внутренних органов.

3. Ультразвук (УЗ), источники УЗ. Особенности распространения ультразвуковых волн.

Ультразвуком называют звуковые колебания, частота которых занимает диапазон от 20 кГц до 10 10 Гц. Верхний предел принят совершенно условно из таких соображений, что длина волны в веществе и тканях для такой частоты оказывается соизмерима с межмолекулярными расстояниями с учетом того, что скорость распространения УЗ в воде и тканях одинакова. Смещение в УЗ волне описывается ранее рассмотренным уравнением волны.

Наибольшее распространение как в технике, так и в медицинской практике получили пьезоэлектрические излучатели УЗ. Пьезоэлектрическим излучателями служат кристаллы кварца, титаната бария, сегнетовой соли и др. Пьезоэффектом (прямым) называют явление возникновения на поверхностях упомянутых кристаллических пластинок противоположных по знаку зарядов под действием механических деформаций (рис.3а). После снятия деформации заряды исчезают.

Существует и обратный пьезоэффект, который нашел применение и в медицинской практике для получения высокочастотного УЗ. Если на посеребренные грани поверхности пластинки пьезоэлемента (рис.3б) подать переменное напряжение от генератора, то кварцевая пластинка придет в колебание в такт переменного напряжения генератора. Амплитуда колебаний будет максимальной, когда собственная частота кварцевой пластинки (ν 0) совпадает с частотой генератора (ν г), т.е. наступит резонанс (ν 0 = ν г). Приемник УЗ можно создать на основе прямого пьезоэлектрического эффекта. При этом под воздействием УЗ-волн происходит деформация кристалла, что приводит к появлению переменного напряжения, которое может быть измерено или зафиксировано на экране электронного осциллографа после предварительного его усиления.

Ультразвук может получатся с помощью аппаратов, основанных на явлении магнитострикции (для получения низких частот), которая заключается в изменении длины (удлинении и укорочении) ферромагнитного стержня, помещенного в высокочастотное магнитное поле. Торцы этого стержня будут излучать низкочастотный УЗ. Кроме указанных источников УЗ имеются механические источники (сирены, свистки), в которых механическая энергия преобразуется в энергию УЗ колебаний.

По своей природе УЗ, как и звук, является механической волной, распространяющейся в упругой среде. Скорости распространения звуковых и ультразвуковых волн примерно одинаковы. Однако длина волны УЗ значительно меньше, чем звука. Это позволяет легко сфокусировать УЗ колебания.

Ультразвуковая волна обладает значительно большей интенсивностью, чем звуковая, вследствие большой частоты она может достигать нескольких Ватт на квадратный сантиметр (Вт/см 2), а при фокусировке можно получить УЗ с интенсивностью 50 Вт/см 2 и более.

Распространение УЗ в среде отличается (благодаря малой длине волны) и другой особенностью - жидкости и твердые тела представляют собой хорошие проводники УЗ, а воздух и газ - плохие. Так, в воде при прочих равных условиях УЗ затухает в 1 000 раз слабее, чем в воздухе. При распространении УЗ в неоднородной среде возникает отражение его и преломление. Отражение УЗ на границе двух сред зависит от соотношения их волновых сопротивлений. Если УЗ в среде с w 1 = r 1 J 1 падает перпендикулярно на плоскую поверхность второй среды с w 2 = r 2 J 2 , то часть энергии пройдет через граничную поверхность, а часть отразится. Коэффициент отражения будет равен нулю, если r 1 J 1 = r 2 J 2 т.е. УЗ-энергия не будет отражаться от границы раздела поверхностей, а будет переходить из одной среды в другую без потерь. Для границ раздела воздух-жидкость, жидкость-воздух, твердое тело-воздух и наоборот коэффициент отражения будет равен почти 100%. Объясняется это тем, что воздух имеет очень малое акустическое сопротивление.

Вот поэтому во всех случаях связи излучателя УЗ с облучаемой средой, например, с телом человека, необходимо строго следить, чтобы между излучателями и тканью не было даже минимального воздушного слоя (волновое сопротивление биологических сред в 3000 раз больше волнового сопротивления воздуха). Чтобы исключить воздушный слой, поверхность УЗ излучателя покрывается слоем масла или оно наносится тонким слоем на поверхность тела.

При распространении УЗ в среде возникает звуковое давление, которое колеблется, принимая положительное значение в области сжатия и отрицательное в следующей за ней области разряжения. Так, например, при интенсивности ультразвука 2 Вт/см 2 в тканях человека создается давление в области сжатия + 2,6 атм., которое в следующей области переходит в разряжение - 2,6 атм. (рис.4). Сжатие и разряжение, создаваемые ультразвуком, приводят к образованию разрывов сплошной жидкости с образованием микроскопических полостей (кавитация). Если этот процесс происходит в жидкости, то пустоты заполняются парами жидкости или растворенными в ней газами. Затем на месте полости образуется участок сжатия вещества, полость быстро захлопывается, выделяется значительное количество энергии в малом объеме, что приводит к разрушению микроструктур вещества.

4. Медико-биологическое применение ультразвука.

Медико-биологическое действие УЗ весьма разнообразно. До настоящего времени нельзя еще дать исчерпывающего объяснения действия УЗ на биологические объекты. Не всегда легко выделить из многочисленных эффектов, вызываемых УЗ, основные. Тем не менее, показано, что при облучении УЗ биологических объектов необходимо считаться в основном со следующими действиями УЗ:

тепловое; механическое действие; косвенное, в большинстве случаев, физико-химическое действие.

ТЕПЛОВОЕ ДЕЙСТВИЕ УЗ имеет важное значение, т.к. процессам обмена веществ в биологических объектах свойственна значительная температурная зависимость. Тепловой эффект определяется поглощенной энергией. При этом используются небольшие интенсивности УЗ (около 1 Вт/см 2). Тепловой эффект вызывает расширение тканей, кровеносных сосудов в результате чего усиливается обмен веществ, наблюдается усиление кровотока. Благодаря тепловому действию сфокусированного ультразвука его можно использовать в качестве скальпеля для резки не только мягких тканей, но и костной ткани. В настоящее время разработан метод "сваривания" поврежденных или трансплантируемых костных тканей.

МЕХАНИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ. Механические колебания частиц вещества в ультразвуковом поле могут вызвать положительный биологический эффект (микромассаж тканевых структур). К этому виду воздействия относится и микровибрация на клеточном и субклеточном уровне, разрушение биомакромолекул, разрушение микроорганизмов грибков, вирусов, разрушение злокачественных опухолей, камней в мочевом пузыре и почках. Ультразвук используется для дробления веществ, например, при изготовлении коллоидных растворов, высокодисперсных лекарственных эмульсий, аэрозолей. Путем разрушения растительных и животных клеток из них выделяют биологически активные вещества (ферменты, токсины). УЗ вызывает повреждения и перестройку клеточных мембран, изменение их проницаемости.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАЗВУКА. Действие ультразвука можно ускорить некоторые химические реакции. Считают, что это связано с активацией УЗ молекул воды, которые затем распадаются, образуя активные радикалы Н + и ОН - .

Медико-биологическое приложение УЗ можно разделить в основном на два направления: диагностика и терапия. К первому относится локационные методы с использованием главным образом импульсного излучения. Это эхоэнцефалография – определение опухолей и отеков мозга.

Локационные методы основаны на отражении УЗ от границы раздела сред с различной плотностью. К этому методу относится и ультразвуковая кардиография – измерение размеров сердца в динамике. УЗ локация используется и в офтальмологии для определения размеров глазных сред. Ультразвуковой эффект Доплера используется для изучения характера движения сердечных клапанов и скорости кровотока.

Весьма большое будущее ультразвуковых голографических методов получения изображения таких органов как почек, сердца, желудка и др.

Ко второму направлению относится ультразвуковая терапия. Обычно применяются УЗ с частотой 800 кГц и интенсивностью 1 Вт/см 2 и меньше. Причем первичными механизмами действия являются механическое и тепловое действие на ткань. Для целей ультразвуковой терапии используется аппарат УТП-ЗМ и др.

5. Инфразвук (ИЗ), особенности его распространения.

Действие инфразвуков на биологические объекты.

Инфразвуком (ИЗ) называют звуковые колебания, верхний диапазон которых не превышает 16 – 20 Гц. Нижний диапазон 10 -3 Гц. Большой интерес представляют ИЗ частотой 0,1 и даже 0,01 Гц. ИЗ входят в состав шумов. Источниками ИЗ являются движение (штормовое) морской или речной воды, шум леса, ветра, грозовые разряды, землетрясение и обвалы, колебания фундаментов зданий, станков, дорог от движущегося транспорта. ИЗ возникает во время вибраций механизмов, при обдувании ветром зданий, деревьев, столбов, при движении человека и животных.

Характерным свойством ИЗ является его малая поглощаемость средами. Поэтому он распространяется на большие расстояния. ИЗ хорошо распространяется в ткани организма человека, особенно в костной ткани. Скорость ИЗ-волн в воздухе 1200 км/ч, в воде 6000 км/ч.

Малая поглощаемость ИЗ позволяет по распространению его в земной коре обнаружить взрывы и землетрясения на большом расстоянии от источника. По измеренным ИЗ колебаниям прогнозируют цунами. В настоящее время разработаны чувствительные приемники ИЗ, с помощью которых, например, удается предсказать шторм за много часов до его наступления.

ИЗ колебания обладают биологической активностью, которая объясняется совпадением их частоты с альфа ритмом головного мозга.

ИЗ частотой 1-7 Гц с интенсивностью в 70 Дб в течение 8-10 мин. облучения вызывают: головокружение, тошноту, затруднение дыхания, чувство угнетения, головную боль, удушье. Все эти факторы усиливаются при повторном воздействии ИЗ. ИЗ определенной частоты может привести к смертельному исходу.

Вибрации механизмов являются источником ИЗ. В связи с неблагоприятным действием вибрации и ИЗ на организм человека, возникает вибрационная болезнь (ВБ). ВБ возникает при длительном воздействии указанных факторов на определенный участок ткани или органа человека и приводит к утомляемости не только отдельных органов, но и всего организма человека. Она приводит вначале к атрофированию мышц рук и других органов, к понижению чувствительности к механическим вибрациям, к появлению судорог пальцев рук, ног и других органов.

Предполагают, что первичный механизм действия ИЗ на организм имеет резонансную природу. Внутренние органы человека имеют собственную частоту колебаний. При воздействии ИЗ с частотой, равной собственной, возникает резонанс, который и вызывает указанные неприятные ощущения, а в некоторых случаях может привести к тяжелым последствиям: остановке сердца или разрыву кровеносных сосудов.

Частота собственных колебаний тела человека в положении лежа – (3 – 4 Гц), стоя – (5 – 12 Гц), грудной клетки – (5 –8 Гц), брюшной полости – (3 – 4 Гц) и других органов соответствуют частоте ИЗ.

Шум – это совокупность звуков различной частоты и интенсивности (силы), возникающих в результате колебательного движения частиц в упругих средах (твердых, жидких, газообразных).
Процесс распространения колебательного движения в среде называется звуковой волной, а область среды, в которой распространяются звуковые волны – звуковым полем.
Различают ударный, механический, аэрогидродинамический шум. Ударный шум возникает при штамповке, клепке, ковке и т.д.
Механический шум возникает при трении и биении узлов и деталей машин и механизмов (дробилки, мельницы, электродвигатели, компрессоры, насосы, центрифуги и др.).
Аэродинамический шум возникает в аппаратах и трубо-проводах при больших скоростях движения воздуха, газа или жидкости и при резких изменениях направления их движения и давления.
Основные физические характеристики звука :
– частота f (Гц),
– звуковое давление Р (Па),
– интенсивность или сила звука I (Вт/м2),
– звуковая мощность? (Вт).
Скорость распространения звуковых волн в атмосфере при 20°С равна 344 м/с.
Органы слуха человека воспринимают звуковые колебания в интервале частот от 16 до 20000 Гц. Колебания с частотой ниже 16 Гц (инфразвуки) и с частотой выше 20000 (ультразвуки) не воспринимаются органами слуха.
При распространении звуковых колебаний в воздухе периодически появляются области разрежения и повышенного давления. Разность давлений в возмущенной и невозмущенной средах называется звуковым давлением Р, которое измеряется в паскалях (Па).
Распространение звуковой волны сопровождается и переносом энергии. Количество энергии, переносимое звуковой волной за единицу времени через единицу поверхности, ориентированную перпендикулярно направлению распространения волны, называется интенсивностью или силой звука I и измеряется в Вт/м 2 .
Произведение называется удельным акустическим сопротивлением среды, которое характеризует степень отражения звуковых волн при переходе из одной среды в другую, а также звукоизолирующие свойства материалов.
Минимальная интенсивность звука , которая воспринимается ухом, называется порогом слышимости. В качестве стандартной частоты сравнения принята частота 1000 Гц. При этой частоте порог слышимости I 0 = 10-12 Вт/м 2 , а соответствующее ему звуковое давление Р 0 = 2*10 -5 Па. Максимальная интенсивность звука , при которой орган слуха начинает испытывать болевое ощущение, называется порогом болевого ощущения, равным 10 2 Вт/м 2 , а соответствующее ему звуковое давление Р = 2*10 2 Па.
Так как изменения интенсивности звука и звукового давления слышимых человеком, огромны и составляют соответственно 10 14 и 10 7 раз, то пользоваться для оценки звука абсолютными значениями интенсивности звука или звукового давления крайне неудобно.
Для гигиенической оценки шума принято измерять его интенсивность и звуковое давление не абсолютными физическими величинами, а логарифмами отношений этих величин к условному нулевому уровню, соответствующему порогу слышимости стандартного тона частотой 1000 Гц. Эти логарифмы отношений называют уровнями интенсивности и звукового давления, выраженные в белах (Б). Так как орган слуха человека способен различать изменение уровня интенсивности звука на 0,1 бела, то для практического использования удобнее единица в 10 раз меньше – децибел (дБ).
Уровень интенсивности звука L в децибелах определяется по формуле

L=10Lg(I/I o) .

Так как интенсивность звука пропорциональна квадрату звукового давления, то эту формулу можно записать также в виде^

L=10Lg(P 2 /P o 2)=20Lg(P/P o) , дБ.

Использование логарифмической шкалы для измерения уровня шума позволяет укладывать большой диапазон значений I и P в сравнительно небольшом интервале логарифмических величин от 0 до 140 дБ.
Пороговое значение звукового давления Р 0 соответствует порогу слышимости L = 0 дБ, порог болевого ощущения 120-130 дБ. Шум, даже когда он невелик (50-60 дБ) создает значительную нагрузку на нервную систему, оказывая психологическое воздействие. При действии шума более 140-145 дБ возможен разрыв барабанной перепонки.
Суммарный уровень звукового давления L, создаваемый несколькими источниками звука с одинаковым уров-нем звукового давления Li , рассчитываются по формуле

L=L i +10Lgn , дБ,

где n – число источников шума с одинаковым уровнем звукового давления.
Так, например, если шум создают два одинаковых источника шума, то их суммарный шум на 3 дБ больше, чем каждого из них в отдельности.
По уровню интенсивности звука еще нельзя судить о физиологическом ощущении громкости этого звука, так как наш орган слуха неодинаково чувствителен к звукам различных частот; звуки равные по силе, но разной частоты, кажутся неодинаково громкими. Например, звук частотой 100 Гц и силой 50 дБ воспринимается как равногромкий звуку частотой 1000 Гц и силой 20 дБ. Поэтому для сравнения звуков различных частот, наряду с понятием уровня интенсивности звука, введено понятие уровня громкости с условной единицей – фон. Один фон – громкость звука при частоте 1000 Гц и уровне интенсивности в 1 дБ. На частоте 1000 Гц уровни громкости приняты равными уровням звукового давления.
На рис. 1 показаны кривые равной громкости звуков, полученные по результатам изучения свойств органа слуха оценивать звуки различной частоты по субъективному ощущению громкости. Из графика видно, что наибольшей чувствительностью наше ухо обладает на частотах 800-4000 Гц, а наименьшей – при 20-100 Гц.

Обычно параметры шума и вибраций оценивают в октавных полосах. За ширину полосы принята октава, т.е. интервал частот, в котором высшая частота f 2 в два раза больше низшей f 1 . В качестве частоты, характеризующей полосу в целом, берут среднегеометрическую частоту. Среднегеометрические частоты октавных полос стандартизованы ГОСТ 12.1.003-83 "Шум. Общие требования безопасности " и составляют 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000 и 8000 Гц при соответствующих им граничным частотам 45-90, 90-180, 180-355, 355-710, 710-1400, 1400-2800, 2800-5600, 5600-11200.
Зависимость величин, характеризующих шум от его частоты, называется частотным спектром шума. Для удобства физиологической оценки воздействия шума на человека различают низкочастотный (до 300 Гц), среднечастотный (300-800 Гц) и высокочастотный (выше 800 Гц) шум.
ГОСТ 12.1.003-83 и СН 9-86 РБ 98 "Шум на рабочих местах. Предельно допустимые уровни " классифицирует шум по характеру спектра и по времени действия.
По характеру спектра :
– широкополосный, если он имеет непрерывный спектр шириной более одной октавы,
–тональный, если в спектре имеются выраженные дискретные тона. При этом тональный характер шума для практических целей устанавливается измерением в третьоктавных полосах частот (для третьоктавной полосы по пре-вышению уровня звукового давления в одной полосе над соседними не менее чем на 10 дБ.
По временным характеристикам :
– постоянный, уровень звука которых за 8-часовой рабо-чий день изменяется во времени не более чем на 5 дБ,
– непостоянный, уровень звука которых за 8-часовой ра-бочий день изменяется во времени более чем на 5 дБ.
Непостоянные шумы делятся на :
колеблющиеся во времени, уровень звука которых непрерывно изменяется во времени;
прерывистые, уровень звука которых ступенчато изменяется (на 5 дБ и более);
импульсные, состоящие из одного или нескольких звуковых сигналов, каждый длительностью менее 1 с.
Наибольшую опасность для человека представляют то-нальные, высокочастотные и непостоянные шумы.
Ультразвук по способу распространения подразделяется на :
– распространяемый воздушным путем (воздушный ультразвук);
– распространяемый контактным путем при соприкосновении с твердыми и жидкими средами (контактный ультразвук).
Ультразвуковой диапазон частот подразделяется на:
– низкочастотные колебания (1,12*10 4 - 1*10 5 Гц);
– высокочастотные (1*10 5 - 1*10 9 Гц).
Источниками ультразвука является производственное оборудование, в котором генерируются ультразвуковые колебания для выполнения технологического процесса, технического контроля и измерений, а также оборудование, при эксплуатации которого ультразвук возникает как сопутствующий фактор.
Характеристикой воздушного ультразвука на рабочем месте в соответствии с ГОСТ 12.1.001 "Ультразвук. Общие требования безопасности " и СН 9-87 РБ 98 "Ультразвук, передающийся воздушным путем. Предельно допустимые уровни на рабочих местах " являются уровни звукового давления в третьоктавных полосах со среднегеометрическими частотами 12,5; 16,0; 20,0; 25,0; 31,5; 40,0; 50,00; 63,0; 80,0; 100,0 кГц.
Характеристикой контактного ультразвука в соответствии с ГОСТ 12.1.001 и СН 9-88 РБ 98 "Ультразвук, передающийся контактным путем. Предельно допустимые уровни на рабочих местах " являются пиковые значения виброскорости или уровни виброскорости в октавных полосах со среднегеометрическими частотами 8; 16; 31,5; 63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000; 8000; 16000; 31500 кГц.
Вибрации – это колебания твердых тел – частей аппаратов, машин, оборудования, сооружений, воспринимаемые организмом человека как сотрясения. Часто вибрации сопровождаются слышимым шумом.
По способу передачи на человека вибрация подразделяется на локальную и общую .
Общая вибрация передается через опорные поверхности на тело стоящего или сидящего человека. Наиболее опасная частота общей вибрации лежит в диапазоне 6-9 Гц, поскольку она совпадает с собственной частотой колебаний внутренних органов человека, в результате чего может возникнуть резонанс.
Локальная (местная) вибрация передается через руки человека. К локальной вибрации может быть отнесена и вибрация, воздействующая на ноги сидящего человека и на предплечья, контактирующие с вибрирующими поверхностями рабочих столов.
Источниками локальной вибрации, передающейся на работающих, могут быть: ручные машины с двигателем или ручной механизированный инструмент; органы управления машинами и оборудованием; ручной инструмент и обрабатываемые детали.
Общая вибрация в зависимости от источника ее возникновения подразделяется на:
общую вибрацию 1 категории – транспортную, воздействующую на человека на рабочем месте в самоходных и прицепных машинах, транспортных средствах при движении по местности, дорогам и агрофонам;
общую вибрацию 2 категории –- транспортно-технологическую, воздействующую на человека на рабочих местах в машинах, перемещающихся по специально подготовленным поверхностям производственных помещений, промышленных площадок, горных выработок;
общую вибрацию 3 категории – технологическую, воздействующую на человека на рабочем месте у стационарных машин или передающуюся на рабочие места, не имеющие источников вибрации.
Общая вибрация категории 3 по месту действия подразделяется на следующие типы:
3а – на постоянных рабочих местах производственных помещений предприятий;
3б – на рабочих местах на складах, в столовых, бытовых, дежурных и других вспомогательных производственных помещений, где нет машин, генерирующих вибрацию;
3в – на рабочих местах в административных и служебных помещениях заводоуправления, конструкторских бюро, лабораториях, учебных пунктах, вычислительных центрах, здравпунктах, конторских помещениях и других помещениях работников умственного труда.
По временным характеристикам вибрация подразделяется на :
– постоянную, для которой спектральный или корректированный по частоте нормируемый параметр за время наблюдения (не менее 10 минут или время технологического цикла) изменяются не более чем в 2 раза (6 дБ) при измерении с постоянной времени 1 с;
– непостоянную вибрацию, для которой спектральный или корректированный по частоте нормируемый параметр за время наблюдения (не менее 10 минут или время технологического цикла) изменяются более чем в 2 раза (6 дБ) при измерении с постоянной времени 1 с.
Основные параметры, характеризующие вибрацию:
– частота f (Гц);
– амплитуда смещения А (м) (величина наибольшего от-клонения колеблющейся точки от положения равновесия);
– колебательная скорость v (м/с); колебательное ускорение а (м/с 2).
Так же как и для шума, весь спектр частот вибраций, вос-принимаемых человеком, разделен на октавные полосы со среднегеометрическими частотами 1, 2, 4, 8, 16, 32, 63, 125, 250, 500, 1000, 2000 Гц.
Поскольку диапазон изменения параметров вибрации от пороговых значений, при которых она не опасна, до действительных – большой, то удобнее измерять недействительные значения этих параметров, а логарифм отношения действительных значений к пороговым. Такую величину называют логарифмическим уровнем параметра, а единицу ее измерения – децибел (дБ).

Через слух человек получает около 8 % информации.

Шум -- хаотическое сочетание различных по частоте и интенсивности звуков, неблагоприятно воздействующих на организм человека.

Источники шума. Например, в судостроение практически все процессы обработки исходного материала и конечной продукции сопровождаются высоким уровнем шума (на уровне болевого порога и выше) 90…120 дБ (и выше).

Шум прибоя, работа гребных винтов, главных и вспомогательных двигателей и др.

Характеристики звуковых колебаний

Звук -- механические колебания, распространяющиеся в упругих средах (в безвоздушном пространстве не распространяются). Звуковая волна характеризуется:

частотой f, Гц;

скоростью распространения с, м/с;

звуковым давлением Р, Па;

интенсивностью звука I, Вт/м 2 .

Скорость распространения звука в различных средах не одинакова и зависит от плотности материала, температуры, упругости и других свойств.

с стали = 4500…5000 м/с;

с жидк ~ 1500 м/с (в зависимости от солености);

с возд = 340 м/с (при температуре 20°С), 330 м/с (при температуре 0°С)

Звуковое давление -- силовая характеристика, например, для камертона С=Р max sin(2рft + ц 0). Здесь звуковое давление чистого (гармонического) тона.

Интенсивность звука -- энергетическая характеристика, определяется как средняя энергия E в единицу времени ф, отнесенная к единице площади S поверхности, перпендикулярной к направлению распространения волны:

где с плотность воздушной среды кг/м 3 ;

c скорость распространения звука м/с.

Источник звуковых колебаний характеризуется мощностью W, Вт.

Влияние шума на организм человека и его последствия

Шум -- общефизиологический раздражитель с наиболее изученным влиянием.

Интенсивный шум при постоянном воздействии приводит к профессиональному заболеванию -- тугоухости.

Наибольшее влияние шум оказывает при частоте f = 1…4 кГц.

Шум влияет на органы слуха, головной мозг, нервную систему, вызывает повышенную утомляемость, ослабление памяти, следовательно падает производительность труда и создаются предпосылки для возникновения несчастных случаев.

По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) наиболее чувствительны к шуму операции сбора информации, мышления, слежения.

Физиологические характеристики шума

Звук частотой от 20 Гц…11 кГц называется слышимый звук, звук меньше 20 Гц называется инфразвук, а звук более 11 кГц называется ультразвук.

Шум бывает: широкополосный (спектр частоты больше одной октавы) и тональный, где имеет место дискретная частота. Октава- это полоса звука у которой конечная частота в два раза больше начальной.

По временным характеристикам шум бывает: постоянный (изменении уровня звукового давления в течении рабочей смены не более 3дБ) и не постоянной, которая в свою очередь подразделяется на колеблющийся, прерывистый и импульсный. Наиболее опасным по действию на организм человека является тональный и импульсный шум.