Что называется акустическим спектром сложного тона

Природа звука и его физические характеристики

Акустика

Акустика — область физики, исследующая упругие колебания и волны от самых низких частот до предельно высоких (

Звуковые колебания и волны — частный случай механических колебаний и волн. Однако в связи с важностью акустических по­нятий для оценки слуховых ощущений, а также и в связи с меди­цинскими приложениями, целесообразно некоторые вопросы разобрать специально.

Принято различать следующие звуки: 1) тоны, или музыкальные звуки; 2) шумы; 3) звуковые удары.

Тоном называется звук, являющийся периодическим про­цессом. Если этот процесс гармонический, то тон называется простым или чистым,а соответствующая плоская звуковая вол­на описывается уравнением (5.48). Основной физической харак­теристикой чистого тона является частота. Ангармоническому (негармоническому) колебанию соответствует сложный тон. Простой тон издает, на­пример, камертон, сложный тон создается музыкальными инструментами, аппаратом речи (гласные звуки) и т. п.

Сложный тон может быть разложен на простые. Наименьшая частота n₀ такого разложения соответствует основному тону, остальные гармоники (обертоны) имеют частоты, равные 2n₀, 3n₀ и т. д. Набор частот с указанием их относительной интенсивнос­ти (или амплитуды А) называется акустическим спектром (см. § 5.4). Спектр сложного тона линейчатый; на рис. 6.1 показа­ны акустические спектры одной и той же ноты (n₀ = 100 Гц), взя­той на рояле (а) и кларнете (б). Таким образом, акустический спектр — важная физическая характеристика сложного тона.

Шумом называют звук, отличающийся сложной неповто­ряющейся временной зависимостью.

К шуму относятся звуки от вибрации машин, аплодисменты, шум пламени горелки, шорох, скрип, согласные звуки речи и т. п.

Шум можно рассматривать как сочетание беспорядочно из­меняющихся сложных тонов. Если попытаться с некоторой степенью условности разложить шум в спектр, то окажется, что этот спектр будет сплошным, на­пример спектр, полученный от шума горения бунзеновской га­зовой горелки (рис. 6.2).

Энергетической характеристикой звука как механической вол­ны является интенсивность (см. § 5.8).

На практике для оценки звука удобнее использовать не интен­сивность, а звуковое давление, дополнительно возникающее при прохождении звуковых волн в жидкой или газообразной среде. Для плоской волны интенсивность связана со звуковым давлени­ем р зависимостью

где r — плотность среды, с — скорость звука.

а для звукового давления

При использовании децибел соответственно имеем

Измерение звукового давления в газах производится измери­тельным микрофоном, который состоит из датчика, преобразую­щего акустическую величину в электрический сигнал, электрон­ного усилителя и электрического измерительного прибора (рис. 6.3). Эта схема является частным случаем общей структурной схе­мы (см. § 17.1).

Источник

Акустический спектр

Сложный тон можно представить в виде суммы, простых тонов с кратными частотами и различными амплитудами. Такое пред­ставление называете?! разложением на составляющие тона. Тон наименьшей частоты называется основным, а остальные тона на­зывают обертонами, или гармониками. Обертоны имеют часто­ты, кратные частоте основного тона. Такое разложение однозначно описывается указанием частот всех составляющих тонов и их ам­плитуд.

Акустический спектр сложного тона — это набор частот с ука­занием их относительной интенсивности (амплитуды).

а) Высота, тембр, громкость звука. Воспринимая звуки, чело­
век различает их по высоте, тембру и громкости.

Высота тона обусловлена прежде всего частотой основного тона (чем больше частота, тем более высоким воспринимается звук). В меньшей степени высота зависит от интенсивности вол­ны (звук большей интенсивности воспринимается более низким).

Тембр звука определяется его гармоническим спектром. Раз­личные акустические спектры соответствуют разному тембру даже в том случае, когда основной тон у них одинаков.

Громкость звука — это субъективная оценка уровня его интенсивности.

б) Закон Вебера—Фехнера, шкала громкости. Использование
логарифмической шкалы для оценки уровня интенсивности звука
хорошо согласуется с психофизическим законом ВЕБЕРА—ФЕХ­
НЕРА.

Если увеличивать раздражение в геометрической прогрес­сии (т. е. в одинаковое число раз), то ощущение этого раздра­жения возрастает в арифметической прогрессии (т. е. на оди­наковую величину).

На первый взгляд кажется, что громкость звука следует изме­рять в белах или децибелах. Действительно, при таком подходе увеличение интенсивности (раздражителя) в 10 раз вызовет уве­личение громкости (ощущения звукового раздражения) на 1 Б. Од­нако субъективное восприятие интенсивности звука связано не только с уровнем интенсивности, но и с частотой звука. Так, например, ухо человека не воспринимает ультразвук даже при большом уровне интенсивности. По этой причине при построении шкалы громкости следует учитывать восприимчивость уха «сред­него» человека к различным частотам.

Поступают следующим образом.

1. Для звука с частотой 1 кГц вводят единицу уровня громко­сти — фон, которая соответствует уровню интенсивности 1 дБ.

2. Для других частот уровень громкости также выражают в фо­нах по следующему правилу.

Громкость звука — это число, которое показывает уровень интенсивности звука (дБ) с частотой 1 кГц, вызывающего у «сред­него» человека такое же ощущение громкости, какое вызывает дан­ный звук.

Уровень громкости обозначают буквой Е, например, Е = 30 фон. Ниже приводится пример зависимости уровня громкости от частоты.

Эти кривые дают зависимость уровня интенсивности / от час­тоты п звука при постоянном уровне громкости.

Верхняя кривая показывает верхний предел чувствительности уха, когда слуховое ощущение переходит в ощущение боли (Е = 130 фон).

Каждая кривая соответствует одинаковой громкости, но разной интенсивности для разных частот. По отдельной кривой равной громкости можно найти интенсивности, которые при определен­ных частотах вызывают ощущение этой громкости.

Информативной для медиков кривой является нижняя кривая, соответствующая порогу слышимости. Она дает зависимость по­роговой интенсивности /₀ от частоты: /₀ = /(v).

У человека с нормальным слухом колебания с частотой ниже 16 Гц или выше 20000 Гц слухового ощущения не вызывают. При увеличении частоты, начиная с 16 Гц, чувствительность уха растет и порог слышимости снижается, в области частот 1000—5000 Гц чувствительность наибольшая, т. е. порог минимален. При даль­нейшем увеличении частоты чувствительность падает до нуля при 20000 Гц.

Для измерения уровня громкости применяется прибор — шумо-мер. Шумомер снабжен микрофоном, который превращает акусти­ческий сигнал в электрический. Уровень громкости (дБ) регист­рируется стрелочным измерительным прибором.

Дата добавления: 2015-07-24 ; просмотров: 2337 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Теория вопроса и метод выполнения работы

Лабораторная работа № 9

СНЯТИЕ СПЕКТРАЛЬНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ УХА НА ПОРОГЕ

СЛЫШИМОСТИ

Цель работы:

1. Ознакомиться с работой аудиометра.

2. Освоить метод определения порога слышимости с помощью аудиометра.

3. Построить аудиограмму воздушной проводимости для левого и для правого уха.

Оборудование: наушники, аудиометр.

Теория вопроса и метод выполнения работы

Звук представляет собой колебания с частотой от 16 Гц до 20 кГц, распространяющиеся в упругой среде. Источником звука может быть колеблющееся тело, частота колебаний которого лежит в диапазоне звуковых частот (камертон, звонок, струна и т. п.).

Звуки делятся на тоны, шумы и звуковые удары. Различают простые и сложные тоны. Простой тон – это звуковое колебание, происходящее по гармоническому закону. Основной его характеристикой является частота. Если тон представляет собой негармоническое колебание, то он называется сложным. Простой тон дает камертон, сложный – музыкальные инструменты или голосовой аппарат. Сложный тон можно разложить на простые, при этом тон наименьшей частоты называется основным, а остальные – обертонами. Набор частот с указанием их интенсивности называется акустическим спектром сложного тона. Спектр сложного тона – линейчатый (рис. 1).

Рис. 1. Линейчатый спектр сложного тона Рис. 2. Сплошной спектр шума

Для оценки интенсивности звука применяют логарифмическую шкалу –

шкалу уровней интенсивности. Уровень интенсивности:

(Б) (1.1)

(дБ) (1.2)

Уровень интенсивности выражают в белах (Б) или децибелах (дБ). За 1 Б принимают уровень интенсивности звука, интенсивность которого в 10 раз больше .

Субъективной физиологической характеристикой звука является громкость ,которая характеризует уровень слухового ощущения. В основе измерения громкости лежит психофизический закон Вебера – Фехнера. Согласно этому закону, при увеличении раздражения в геометрической прогрессии ощущение этого раздражения возрастает в арифметической прогрессии. Из этого закона следует, что громкость звука пропорциональна логарифму отношения интенсивностей звуков:

(фон) (1.3)

где – некоторый коэффициент пропорциональности, зависящий от частоты и интенсивности.

Громкость выражают в фонах (фон). Принято считать, что на частоте 1 кГц шкалы громкости и уровня интенсивности совпадают.

В этом случае и 1 фон соответствует 1 дБ.

Громкость на других частотах измеряют сравнением исследуемой громкости звука с громкостью звука частотой 1 кГц.

Для нахождения соответствия между громкостью и интенсивностью звука на разных частотах используют кривые равной громкости (рис. 3).

Рис. 3. Кривые равномерной громкости

Метод измерения остроты слуха называют аудиометрией. При аудиометрии на приборе (аудиометре) определяют порог восприятия на разных частотах:

(дБ) (1.4)

где – пороговая интенсивность звука, которая приводит к возникновению слухового ощущения у испытуемого.

Полученная зависимость порога восприятия от частоты тона называется спектральной характеристикой уха на пороге слышимости или аудиограммой. При проведении аудиометрии отсчет порога восприятия ведется от нулевого уровня, который соответствует среднему порогу слышимости для молодых людей с нормальным слухом. Изменение порога восприятия по сравнению с нулевым уровнем указывает на отклонение слуха у испытуемого от среднестатистической нормы. Отклонения порога восприятия от нулевого уровня на ± 10 дБ считаются лежащими в пределах нормы.

В медицинской практике принято при построении аудиограмм ось направлять вниз (рис. 4), в этом случае отклонение кривых (● – левое ухо, × – правое ухо) от нулевого уровня наглядно характеризует снижение слуха у испытуемого. На рисунке 4 в качестве примера изображены аудиограммы человека, у которого наблюдается снижение слуха для правого уха на 40-60 дБ по сравнению с нормой, а левое ухо соответствует норме.

Рис. 4. Аудиограмма левого (верхняя кривая) и правого (нижняя кривая) уха

Источник

Биомеханика

mir.zavantag.com > Спорт > Учебник

12.5. Акустические воздействия

Под акустическими воздействиями чаще подразумевают воздействия механических волн.
Частота волны
При распространении волны частицы среды вовлекаются в колебательное движение. Частота этих колебаний называется частотой волны. Механические волны разделены на следующие частотные диапазоны, указанные в табл. 12.10.

Шкала механических волн

^ Скорость распространения волны
При распространении волны колебания охватывают все более широкую область среды. Поверхность, отделяющую область среды, охваченную колебательным движением, от области, где колебательное движение частиц еще не началось, называют фронтом волны.

Скоростью волны называется скорость перемещения ее фронта.

Скорость волны зависит от свойств среды, характера движения ее частиц и, в некоторой степени, от частоты.

Скорость распространения механических волн, в частности, ультразвуковых широко используется для оценки механических свойств биологических тканей. В табл. 12.11 представлена скорость распространения ультразвука в некоторых тканях человека.

Скорость распространения ультразвука в тканях человека

Скорость распространения механических волн в биологических объектах зависит от их строения и состава. Очевидно, что процесс тренировки сказывается на мышечной ткани. Звуковые измерения позволили обнаружить, что тренировочный процесс приводит к заметным изменениям и в свойствах костной ткани. В табл. 12.12 приведена скорость распространения ультразвука с частотой 125 кГц по медиальной поверхности большеберцовых костей спортсменов на различных этапах тренировки.

Скорость распространения ультразвука на различных этапах тренировки

^ Звук, виды звука
Звук в широком смысле — упругие колебания и волны, распространяющиеся в некоторой среде; в узком смысле — явление, субъективно воспринимаемое органом слуха человека и животных. В норме ухо человека слышит звук в диапазоне частот от 16 Гц до 20 кГц.

Верхняя граница частоты колебаний, воспринимаемая ухом человека изменяется с возрастом, что показано ниже в таблице 12.13.

Возрастная зависимость верхней границы частоты воспринимаемого звука

Существующие в природе звуки разделяют на несколько видов.

• Тон — это звук, представляющий собой периодический процесс. Основной характеристикой тона является частота. Тон может быть простым, характеризующимся одной частотой (например, издаваемый камертоном, звуковым генератором) и сложным (издаваемый, например, аппаратом речи, музыкальным инструментом).

• Шум — это звук, имеющий сложную, неповторяющуюся временную структуру, сочетание беспорядочно изменяющихся сложных тонов (шорох, скрип).
^ Акустический спектр
Сложный тон можно представить в виде суммы простых тонов с кратными частотами и различными амплитудами. Такое представление называется разложением на составляющие тона. Тон наименьшей частоты называется основным, а остальные тона называют обертонами, или гармониками. Обертоны имеют частоты, кратные частоте основного тона. Такое разложение однозначно описывается указанием частот всех составляющих тонов и их амплитуд.

Акустический спектр сложного тона — это набор частот с указанием их относительной интенсивности (амплитуды).

Наибольшую амплитуду в спектре обычно имеет основной тон, а его частота воспринимается ухом как высота звука (см. ниже).
^ Физические характеристики звука
а) Скорость (v). Звук распространяется в любой среде, кроме вакуума. Скорость его распространения зависит от упругости, плотности и температуры среды. Скорость звука в воздухе при нормальных условиях равна 330 м / с. Скорость звука в воде равна 1500 м / с; близкое значение имеет скорость звука и в мягких тканях организма.

б) Интенсивность (I). Это энергетическая характеристика звука. По определению — это плотность потока энергии звуковой волны. Для уха человека важны два значения интенсивности (на частоте 1 кГц):

в) ^ Звуковое давление. Распространение звуковой волны обусловливает возникновение звукового давления, которое является избыточным по отношению к среднему давлению в среде. Звуковое давление простого тона изменяется по гармоническому закону и характеризуется эффективным и амплитудным значениями

Физиологически звуковое давление проявляется как давление на барабанную перепонку. Для человека важны два значения этого параметра:

• эффективное звуковое давление на пороге болевого ощущения — Р_макс =60 Па.

Между интенсивностью ( ^ I) и звуковым давлением (Р) существует связь, которая для плоской волны записывается так:

где р — плотность среды, v — скорость звука в среде.

г) Волновое сопротивление среды (R_а). Важнейшей характеристикой среды, определяющей условия отражения и преломления звука (как плоской волны) на ее границе, является волновое сопротивление, равное произведению плотности среды (р) на скорость распространения звука:
R_a=p·v. (12.34)

Единицей измерения уровня интенсивности является бел [Б].

Логарифмический характер зависимости уровня интенсивности от самой интенсивности означает, что при увеличении интенсивности в 10 раз уровень возрастает на 1 Б.

На практике используют более мелкую единицу уровня интенсивности — децибел [дБ]: 1 дБ = 0,1Б (1 дБ соответствует двум уровням, интенсивности которых отличаются в 1,26 раза). Уровень интенсивности в децибелах выражается по следующим формулам:

При действии нескольких источников складываются мощности, т. е. интенсивности, а затем определяется уровень интенсивности результирующего сигнала.
^ Характеристики слухового ощущения, звуковые измерения
Звук является объектом слухового ощущения и оценивается человеком субъективно. Однако субъективные характеристики слухового ощущения связаны с объективными характеристиками звуковой волны.

а) ^ Высота, тембр, громкость звука. Воспринимая звуки, человек различает их по высоте, тембру и громкости.

Высота тона обусловлена прежде всего частотой основного тона (чем больше частота, тем более высоким воспринимается звук). В меньшей степени высота зависит от интенсивности волны (звук большей интенсивности воспринимается более низким).

^ Тембр звука определяется его гармоническим спектром. Различные акустические спектры соответствуют разному тембру даже в том случае, когда основной тон у них одинаков.

Громкость звука — это субъективная оценка уровня его интенсивности.

б) ^ Закон Вебера—Фехнера, шкала громкости. Использование логарифмической шкалы для оценки уровня интенсивности звука хорошо согласуется с психофизическим законом 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 одинаковую величину).

На первый взгляд кажется, что громкость звука следует измерять в белах или децибелах. Действительно, при таком подходе увеличение интенсивности (раздражителя) в 10 раз вызовет увеличение громкости (ощущения звукового раздражения) на 1 Б. Однако субъективное восприятие интенсивности звука связано не только с уровнем интенсивности, но и с частотой звука. Так, например, ухо человека не воспринимает ультразвук даже при большом уровне интенсивности. По этой причине при построении шкалы громкости следует учитывать восприимчивость уха «среднего» человека к различным частотам.

Поступают следующим образом.

1. Для звука с частотой 1 кГц вводят единицу уровня громкости — фон, которая соответствует уровню интенсивности 1 дБ.

2. Для других частот уровень громкости также выражают в фонах по следующему правилу.

Громкость звука — это число, которое показывает уровень интенсивности звука (дБ) с частотой 1 кГц, вызывающего у «среднего» человека такое же ощущение громкости, какое вызывает данный звук.

Уровень громкости обозначают буквой Е, например, Е = 30 фон. Ниже приводится пример зависимости уровня громкости от частоты.

^ Зависимость громкости от частоты звука при уровне интенсивности 60 дБ

в) ^ Кривые равной громкости. Зависимость громкости от частоты колебаний в системе звуковых измерений определяется на основании экспериментальных данных при помощи графиков, которые называются кривыми равной громкости (рис. 12.9).

Рис. 12.9. Кривые равной громкости
Эти кривые дают зависимость уровня интенсивности / от частоты п звука при постоянном уровне громкости.

Верхняя кривая показывает верхний предел чувствительности уха, когда слуховое ощущение переходит в ощущение боли (Е = 130 фон).

Каждая кривая соответствует одинаковой громкости, но разной интенсивности для разных частот. По отдельной кривой равной громкости можно найти интенсивности, которые при определенных частотах вызывают ощущение этой громкости.

Информативной для медиков кривой является нижняя кривая, соответствующая порогу слышимости. Она дает зависимость пороговой интенсивности I₀ от частоты: I₀ = f(v).

У человека с нормальным слухом колебания с частотой ниже 16 Гц или выше 20000 Гц слухового ощущения не вызывают. При увеличении частоты, начиная с 16 Гц, чувствительность уха растет и порог слышимости снижается, в области частот 1000—5000 Гц чувствительность наибольшая, т. е. порог минимален. При дальнейшем увеличении частоты чувствительность падает до нуля при 20000Гц.

Для измерения уровня громкости применяется прибор — шумомер. Шумомер снабжен микрофоном, который превращает акустический сигнал в электрический. Уровень громкости (дБ) регистрируется стрелочным измерительным прибором.
Вибрация
При соприкосновении с колеблющимся (сотрясающимся) объектом весь организм включается в общую систему сотрясений. Костная система, нервные структуры, вся сосудистая система являются хорошими проводниками и резонаторами вибрации (от лат. vibratio — колебание).

Вибрация может оказывать на организм различное действие. В некоторых случаях это влияние может быть благотворным — стимулирующее действие на функции различных органов и систем, но, в основном, это вредный фактор. Ниже перечислены основные отрицательные воздействия вибрации на организм

1. Вибрация влияет на вестибулярный аппарат.

2. Вибрирующие системы не дают «правильных» колебаний, к которым организм может приспособиться, а дают колебания с постоянно меняющейся частотой, амплитудой, ускорением.

3. Биологическая реакция организма зависит в основном от частоты: чем выше частота, тем больше повреждающее действие. Особенно вредны частоты 35—250 Гц.

4. Степень чувствительности человека к воздействию вибрации зависит от положения тела в пространстве. В положении стоя очень вредное влияние на организм оказывает вертикально направленная вибрация.

5. Повреждающее действие зависит от силы обратного удара, например, на ладонь, удерживающую вибрирующий элемент. Чем больше амплитуда, чем тяжелее элемент, тем сильнее травмати-ация.

6. Неблагоприятное воздействие вибрации на организм в значительной степени зависит от внешних условий. Особенно отрицательное действие оказывают низкая температура и высокая влажность.

7. Вибрация может передаваться на тело человека через нижние конечности, через все тело одновременно (сидя), через верхние конечности.

8. Колебательные движения в тканях приводят к перемещению тканевых структур относительно друг друга, что является мощным раздражителем для воспринимающих рецепторов.

9. Вибрации сказываются и на костном аппарате. Даже при незначительных, но длительных вибрациях рентгенологически подтверждаются изменения в мелких костях, например, кисти.

10. Смещение тканей при вибрации действует на периферические нервы, на костный аппарат и вызывает сильное раздражение, передающееся в ЦНС. Это приводит к сильному возбуждению вегетативных центров. Постоянный поток раздражений, идущих с периферии, вызывает изменения в функциональном состоянии не только периферических нервных рецепторов, но и центров спинного и головного мозга. Степень чувствительности организма к вибрации зависит от функционального состояния коры больших полушарий.
^ Действие шума на организм человека
Действие шума на организм человека определяется следующими факторами:

• близость от источника шума;

Длительное воздействие шума вызывает сложный симптоматический комплекс функциональных и органических изменений в организме (и не только органа слуха).

1. Воздействие на ЦНС, проявляющееся в замедлении всех нервных реакций, сокращении времени активного внимания, снижении работоспособности.

2. Расстройство функции вегетативной нервной системы. После длительного действия шума изменяется ритм дыхания, ритм

сердечных сокращений, возникает усиление тонуса сосудистой системы, что приводит к повышению систолического и диастолического уровня кровяного давления. Изменяется двигательная и секреторная деятельность желудочно-кишечного тракта, гиперсекреция отдельных желез внутренней секреции. Имеет место повышение потливости, особенно стоп и кистей.

3. Нарушение обмена веществ, особенно липидного. В крови повышается содержание липидов, резко возрастает уровень холестерина, что ускоряет развитие атеросклероза и развитие гипертонической болезни.

4. Угнетение иммунных реакций организма, снижение его защитных функций.

5. Отмечается подавление психических функций, особенно памяти.

Специфическое действие оказывает шум на функции органа слуха. Ухо, как и все органы чувств, способно адаптироваться к шуму. При этом под действием шума порог слышимости повышается на 10—15 дБл. После прекращения шумового воздействия нормальное значение порога слышимости восстанавливается только через 3—5 минут.

Источник