La acústica es un campo de la física que estudia las vibraciones y ondas elásticas desde las frecuencias más bajas hasta las extremadamente altas (10 12 -10 13 Hz). La acústica moderna cubre una amplia gama de temas; incluye varias secciones: acústica física, que estudia las características de la propagación de ondas elásticas en diversos medios, acústica fisiológica, que estudia la estructura y el funcionamiento de los receptores y productores de sonido. órganos en humanos y animales, etc. En el sentido estricto de la palabra, bajo Acústica se entiende el estudio del sonido, es decir. sobre vibraciones y ondas elásticas en gases, líquidos y sólidos percibidas por el oído humano (frecuencias de 16 a 20.000 Hz).

8.1. NATURALEZA DEL SONIDO. CARACTERÍSTICAS FÍSICAS

Las vibraciones y ondas sonoras son un caso especial de vibraciones y ondas mecánicas. Sin embargo, debido a la importancia de los conceptos acústicos para evaluar las sensaciones auditivas, así como en relación con las aplicaciones médicas, es aconsejable examinar algunas cuestiones específicamente. Se acostumbra distinguir los siguientes sonidos:

1) tonos o sonidos musicales;

2) ruido;

3) explosiones sónicas.

se llama tonosonido,que es un proceso periódico. Si este proceso es armónico, entonces el tono se llama simple o limpio, y la onda de sonido plana correspondiente se describe mediante la ecuación (7.45). La principal característica física de un tono puro es la frecuencia. Anarmónico 1 corresponde a la fluctuación difícil tono. Un tono simple se produce, por ejemplo, mediante un diapasón, un tono complejo se crea mediante instrumentos musicales, el aparato del habla (sonidos de vocales), etc.

Un tono complejo se puede dividir en tonos simples. La frecuencia más baja ν ο de tal expansión corresponde a tono básico otros armónicos (tonos) tener frecuencias iguales a 2ν ο, 3ν ο, etc. Un conjunto de frecuencias que indican su intensidad relativa (amplitud A) llamado acústicamente

1 Anarmónico - vibración no armónica.

espectro del cielo(ver 6.4). El complejo espectro tonal está alineado; en la Fig. La Figura 8.1 muestra los espectros acústicos de la misma nota (ν 0 = 100 Hz), tomada con piano (a) y clarinete (b). Por tanto, el espectro acústico es una característica física importante de un tono complejo.

El ruido es un sonido que tiene una dependencia temporal compleja y no repetitiva.

Arroz. 8.1

El ruido incluye sonidos de vibración de máquinas, aplausos, ruido de la llama de un quemador, susurros, crujidos, sonidos consonantes del habla, etc.

Se puede considerar el ruido como una combinación de tonos complejos que varían aleatoriamente. Si intentamos, con cierto grado de convención, descomponer el ruido en un espectro, resulta que este espectro será continuo, por ejemplo, el espectro obtenido del ruido de combustión de un mechero de gas Bunsen (figura 8.2).

Un boom sónico es un impacto sonoro de corta duración: estallido, explosión, etc. No se debe confundir un boom sónico con una onda de choque.(ver 7.10).

1 Estrictamente hablando, en esta fórmula bajoR Se debe entender la amplitud promedio de la presión sonora.

8.2. CARACTERÍSTICAS DE LA SENSACIÓN AUDITIVA. MEDICIONES DE SONIDO

8.1 consideré características objetivas del sonido que podrían evaluarse mediante instrumentos apropiados independientemente del individuo. Sin embargo, el sonido es objeto de sensaciones auditivas y, por lo tanto, una persona lo evalúa subjetivamente.

Al percibir tonos, una persona los distingue por su tono.

Altura- una característica subjetiva determinada principalmente por la frecuencia del tono fundamental.

En mucha menor medida, el tono depende de la complejidad del tono y de su intensidad: un sonido de mayor intensidad se percibe como un sonido de tono más bajo.

Timbre El sonido está casi exclusivamente determinado por su composición espectral.

En la Fig. 8.1, diferentes espectros acústicos corresponden a diferentes timbres, aunque el tono fundamental y por tanto el tono son los mismos.

Volumen- otra valoración subjetiva del sonido, que caracteriza el nivel de sensación auditiva.

Aunque subjetiva, la sonoridad se puede cuantificar comparando la sensación auditiva de dos fuentes.

La base para crear una escala de nivel de volumen es un importante Ley psicofísica de Weber-Fechner: si aumenta la irritación en progresión geométrica (es decir, en la misma cantidad de veces), entonces la sensación de esta irritación aumenta en progresión aritmética (es decir, en la misma cantidad).

En relación con el sonido, esto significa que si la intensidad del sonido toma una serie de valores sucesivos, por ejemplo a1 0, a 2 1 0 y 3 1 0 (a es un coeficiente determinado, A>1), etc., luego las correspondientes sensaciones de volumen del sonido E 0, 2E 0, 3E 0, etc.

Matemáticamente, esto significa que el volumen de un sonido es proporcional al logaritmo de la intensidad del sonido.

Si hay dos estímulos sonoros con intensidades I y I 0, y I 0 es el umbral de audibilidad, entonces, según la ley de Weber-Fechner, el volumen relativo se relaciona con las intensidades de la siguiente manera:

mi= kg(yo/ yo,), (8.3)

Dónde k- un cierto coeficiente de proporcionalidad en función de la frecuencia y la intensidad.

Si el coeficiente k fuera constante, entonces de (8.1) y (8.3) se seguiría que la escala logarítmica de intensidades de sonido corresponde a la escala de sonoridad. En este caso, la sonoridad del sonido, así como la intensidad, se expresarían en belios o decibeles. Sin embargo, una fuerte dependencia k a partir de la frecuencia e intensidad del sonido no permite reducir la medición del volumen al simple uso de la fórmula (8.3).

Convencionalmente, se supone que a una frecuencia de 1 kHz las escalas de volumen e intensidad del sonido coinciden completamente, es decir k = 1 y E b = log(I/I 0), o, por analogía con (8.2):

mi f = 10 log(I/l0). (8.4)

Para distinguirlo de la escala de intensidad del sonido en la escala de sonoridad, los decibeles se llaman antecedentes(fondo).

El volumen en otras frecuencias se puede medir comparando el sonido de interés con un sonido de 1 kHz. Para hacer esto usando generador de sonido 1 Crea un sonido con una frecuencia de 1 kHz. La intensidad del sonido se cambia hasta que se produce una sensación auditiva similar a la sensación del volumen del sonido que se está estudiando. La intensidad de un sonido con una frecuencia de 1 kHz en decibeles, medida por el dispositivo, es igual al volumen de este sonido de fondo.

Para encontrar una correspondencia entre el volumen y la intensidad del sonido en diferentes frecuencias, utilice curvas de igual volumen (Fig. 8.4). Estas curvas se basan en los datos promedio obtenidos de personas con audición normal cuando se miden utilizando el método descrito anteriormente.

La curva inferior corresponde a las intensidades de los sonidos audibles más débiles: el umbral de audibilidad; para todas las frecuencias Eph = 0, para una intensidad de sonido de 1 kHz yo 0= 1pW/m2. De las curvas anteriores se puede ver que el oído humano promedio es más sensible a frecuencias de 2500-3000 Hz. Cada curva intermedia corresponde al mismo volumen, pero diferente intensidad de sonido para diferentes frecuencias. Utilizando una curva separada igual al volumen, se pueden encontrar las intensidades que, en determinadas frecuencias, provocan la sensación de este volumen. Usando un conjunto de curvas de igual volumen, se pueden encontrar para diferentes

1 Un generador de sonido es un dispositivo electrónico que genera vibraciones eléctricas en frecuencias dentro del rango de audio. Sin embargo, el generador de sonido en sí no es la fuente del sonido. Si la vibración que crea se aplica a un altavoz, aparece un sonido cuya tonalidad corresponde a la frecuencia del generador. El generador de sonido brinda la capacidad de cambiar suavemente la amplitud y frecuencia de las vibraciones.

frecuencias de volumen correspondientes a una determinada intensidad. Por ejemplo, supongamos que la intensidad de un sonido con una frecuencia de 100 Hz sea 60 dB. ¿Cuál es el volumen de este sonido? En la Fig. 8.2 encontramos un punto con coordenadas 100 Hz, 60 dB. Se encuentra en la curva correspondiente a un nivel de volumen de 30 von, que es la respuesta.

Para tener ciertas ideas sobre sonidos de diferente naturaleza, presentamos sus características físicas (Tabla 8.1).

Tabla 8.1

El método para medir la agudeza auditiva se llama audiometría. Durante la audiometría en un dispositivo especial. (audiómetro) determinar el umbral de sensación auditiva en diferentes frecuencias; la curva resultante se llama diagrama de audio. Comparar el audiograma de una persona enferma con una curva de umbral auditivo normal ayuda a diagnosticar una enfermedad auditiva.

Para medir objetivamente el nivel de volumen del ruido, se utiliza sonómetro Estructuralmente corresponde al diagrama mostrado en la Fig. 8.3. Las propiedades del sonómetro se aproximan a las del oído humano (véanse las curvas de sonoridad iguales en la figura 8.4), para ello se utilizan filtros eléctricos correctores para diferentes rangos de niveles de sonoridad.

8.3. BASES FÍSICAS DE LOS MÉTODOS DE INVESTIGACIÓN DEL SONIDO EN LA CLÍNICA

El sonido, como la luz, es una fuente de información y éste es su principal significado.

Los sonidos de la naturaleza, el habla de las personas que nos rodean, el ruido de las máquinas en funcionamiento nos dicen mucho. Para imaginar el significado del sonido para una persona, basta con privarse temporalmente de la capacidad de percibir el sonido: cerrar los oídos.

Naturalmente, el sonido también puede ser una fuente de información sobre el estado de los órganos internos de una persona. método de sonido común

diagnóstico de enfermedades - auscultación(escuchando) - conocido desde el siglo II. ANTES DE CRISTO. Utilizado para auscultación. estetoscopio o fonendoscopio. El fonendoscopio (fig. 8.5) consta de una cápsula hueca. 1 con una membrana transmisora ​​de sonido 2, aplicada al cuerpo del paciente, de ella salen tubos de goma 3 al oído del médico. En la cápsula hueca se produce una resonancia de la columna de aire, por lo que el sonido se intensifica y la au-cultación mejora.

Al auscultar los pulmones se escuchan ruidos respiratorios y diversas sibilancias características de las enfermedades. Por los cambios en los ruidos cardíacos y la aparición de soplos, se puede juzgar el estado de la actividad cardíaca. Mediante la auscultación, es posible determinar la presencia de peristaltismo del estómago y los intestinos y escuchar los latidos del corazón del feto.

Para escuchar simultáneamente a un paciente por parte de varios investigadores con fines educativos o durante una consulta, se utiliza un sistema que incluye un micrófono, un amplificador y un altavoz o varios teléfonos.

Para diagnosticar el estado de actividad cardíaca se utiliza un método similar a la auscultación y se llama fonocardiografía(FKG). Este método consiste en registrar gráficamente los ruidos y soplos cardíacos y su interpretación diagnóstica. El fonocardiograma se registra mediante un fonocardiógrafo (fig. 8.6), que consta de un micrófono, un amplificador, un sistema de filtros de frecuencia y un dispositivo de grabación. En la Fig. La figura 8.7 muestra un fonocardiograma normal.

Fundamentalmente diferente de los dos buenos métodos descritos anteriormente es percusión. En este método se escucha el sonido de partes individuales del cuerpo golpeándolas.

Imaginemos una cavidad cerrada llena de aire dentro de algún cuerpo. Si induces vibraciones sonoras en este cuerpo, entonces, a una determinada frecuencia del sonido, el aire de la cavidad comenzará a resonar, liberando y amplificando un tono correspondiente al tamaño y la posición de la cavidad.

Esquemáticamente, el cuerpo humano se puede representar como un conjunto de volúmenes llenos de gas (pulmones), líquido (órganos internos) y sólido (huesos). Al golpear la superficie de un cuerpo, se producen vibraciones cuyas frecuencias tienen un amplio rango. A partir de este rango, algunas vibraciones se desvanecerán con bastante rapidez, mientras que otras, coincidiendo con las vibraciones naturales de los vacíos, se intensificarán y, debido a la resonancia, serán audibles. Un médico experimentado determina el estado y la topografía de los órganos internos mediante el tono de los sonidos de percusión.

8.4. RESISTENCIA AL ONDA. REFLEJO DE ONDAS SONORAS. REVERBERACIÓN

Presión sonora R Depende de la velocidad υ de las partículas oscilantes del medio. Los cálculos muestran que

Tabla 8.2

Usamos (8.8) para calcular el coeficiente de penetración de una onda sonora del aire al concreto y al agua:

Estos datos son impresionantes: resulta que sólo una parte muy pequeña de la energía de la onda sonora pasa del aire al hormigón y al agua. En cualquier espacio cerrado, el sonido reflejado en paredes, techos, muebles, cae sobre otras paredes, suelos, etc., vuelve a reflejarse y absorberse y poco a poco se desvanece. Por lo tanto, incluso después de que la fuente de sonido se detiene, todavía hay ondas sonoras en la habitación que crean zumbidos. Esto se nota especialmente en pasillos grandes y espaciosos. El proceso de atenuación gradual del sonido en espacios cerrados después de apagar la fuente se llama reverberación.

La reverberación, por un lado, es útil porque la percepción del sonido se ve reforzada por la energía de la onda reflejada, pero, por otro lado, una reverberación excesivamente larga puede empeorar significativamente la percepción del habla y la música, ya que cada nueva parte de el texto se superpone a los anteriores. En este sentido, suelen indicar un tiempo de reverberación óptimo, que se tiene en cuenta a la hora de construir auditorios, teatros, salas de conciertos, etc. Por ejemplo, el tiempo de reverberación de una Sala de Columnas llena en la Casa de los Sindicatos de Moscú es de 1,70 s, y de un Teatro Bolshoi lleno es de 1,55 s. Para estas salas (vacías), el tiempo de reverberación es de 4,55 y 2,06 s, respectivamente.

8.5. FÍSICA DE LA AUDICIÓN

El sistema auditivo conecta el receptor directo de ondas sonoras con el cerebro.

Utilizando los conceptos de la cibernética, podemos decir que el sistema auditivo recibe, procesa y transmite información. De todo el sistema auditivo, para considerar la física de la audición, destacaremos el oído externo, medio e interno.

El oído externo está formado por la aurícula. 1 y conducto auditivo externo 2 (fig. 8.8).

Arroz. 8.9

La aurícula en humanos no juega un papel importante en la audición. Ayuda a determinar la localización de la fuente de sonido cuando se encuentra en el plano sagital. Expliquemos esto. El sonido de la fuente entra al oído. Dependiendo de la posición de la fuente en el plano vertical (fig. 8.9), las ondas sonoras se difractarán de forma diferente en el pabellón auricular debido a su forma específica. Esto también conducirá a diferentes cambios en la composición espectral de la onda sonora que ingresa al canal auditivo (los problemas de difracción se analizan con más detalle en 24.6). Como resultado de la experiencia, una persona ha aprendido a asociar cambios en el espectro de una onda sonora con la dirección hacia la fuente de sonido (direcciones A, B Y EN en la Fig. 8.9).

Al poseer dos receptores de sonido (oídos), los humanos y los animales pueden establecer la dirección hacia la fuente del sonido y en el plano horizontal (efecto binaural; Fig. 8.10). Esto se explica por el hecho de que el sonido recorre diferentes distancias desde la fuente hasta diferentes oídos y surge una diferencia de fase entre las ondas que entran en los oídos derecho e izquierdo. La relación entre la diferencia en estas distancias (δ) y la diferencia de fase (Δφ) se deriva en 24.1 para explicar la interferencia de la luz [ver (24.9)]. Si la fuente de sonido está ubicada directamente frente a la cara de una persona, entonces δ = 0 y Δφ = 0; si la fuente de sonido está ubicada en el lado opuesto a uno de los oídos, entonces entrará al otro oído con un retraso. Supongamos aproximadamente que en este caso δ es igual a la distancia entre las orejas. Usando la fórmula (24.9), la diferencia de fase se puede calcular para ν = 1 kHz y δ = 0,15 m. Es aproximadamente igual a 180°.

Diferentes direcciones hacia la fuente de sonido en el plano horizontal corresponderán a una diferencia de fase entre 0° y 180° (para los datos anteriores). Se cree que una persona con audición normal puede fijar la dirección de una fuente de sonido con una precisión de 3°; esto corresponde a una diferencia de fase de 6°. Por lo tanto, se puede suponer que las personas

Arroz. 8.10

el párpado es capaz de distinguir cambios en la diferencia de fase de las ondas sonoras que entran en sus oídos con una precisión de 6°.

Además de la diferencia de fase, el efecto binaural se ve facilitado por la diferencia en la intensidad del sonido en diferentes oídos, así como por la sombra acústica de la cabeza en un oído. En la Fig. La figura 8.10 muestra esquemáticamente que el sonido de una fuente ingresa al oído izquierdo como resultado de la difracción.

La onda sonora pasa a través del canal auditivo y se refleja parcialmente en el tímpano. 3. Como resultado de la interferencia de las ondas incidentes y reflejadas se puede producir resonancia acústica. Esto ocurre cuando la longitud de onda es cuatro veces la longitud del conducto auditivo externo. La longitud del canal auditivo en humanos es de aproximadamente 2,3 cm; por tanto, la resonancia acústica se produce a una frecuencia:

La parte más esencial del oído medio es el tímpano. 3 y huesecillos auditivos: martillo 4, yunque 5 y estribo 6 con sus correspondientes músculos, tendones y ligamentos. Los huesos transmiten vibraciones mecánicas desde el ambiente aéreo del oído externo al ambiente líquido del oído interno. El medio líquido del oído interno tiene una impedancia característica aproximadamente igual a la impedancia característica del agua. Como se mostró (ver 8.4), durante la transición directa de una onda sonora del aire al agua, solo se transmite el 0,122% de la intensidad incidente. Esto es muy poco. Por tanto, la principal finalidad del oído medio es ayudar a transmitir una mayor intensidad del sonido al oído interno. Usando lenguaje técnico, podemos decir que el oído medio coincide con la resistencia a las ondas del aire y el líquido del oído interno.

El sistema de huesecillos en un extremo está conectado mediante un martillo al tímpano (área S 1= 64 mm 2), por el otro - un estribo - con una ventana ovalada 7 oído interno (área S 2 = 3 mm 2).

La presión sonora p 1 actúa sobre el tímpano, lo que determina la fuerza.

en 8, llamado escalera vestibular. Otro canal proviene de la ventana redonda 9, se llama Escala timpánica 10. La escala vestibular y timpánica están conectadas en el área de la cúpula de la cóclea a través de una pequeña abertura: helicotrema 11. Por lo tanto, ambos canales representan de alguna manera un único sistema lleno de perilinfa. Oscilaciones del estribo 6 Transmitido a la membrana de la ventana oval. 7, desde allí hasta la perilinfa y "sobresalir" la membrana de la ventana redonda 9. El espacio entre la rampa vestibular y la rampa timpánica se llama canal coclear 12, está lleno de endolinfa. La membrana principal (basilar) corre entre el canal coclear y la rampa del tímpano a lo largo de la cóclea. 13. Contiene el órgano de Corti, que contiene células receptoras (ciliadas), y el nervio auditivo se extiende desde la cóclea (estos detalles no se muestran en la figura 8.9).

El órgano de Corti (órgano espiral) convierte las vibraciones mecánicas en una señal eléctrica.

La longitud de la membrana principal es de aproximadamente 32 mm, se ensancha y se adelgaza en la dirección desde la ventana ovalada en el vértice de la cóclea (de un ancho de 0,1 a 0,5 mm). La membrana principal es una estructura muy interesante para la física; tiene propiedades selectivas de frecuencia. Esto fue notado por Helmholtz, quien imaginó la membrana principal como análoga a una serie de cuerdas afinadas en un piano. El premio Nobel Bekesy estableció la falacia de esta teoría del resonador. El trabajo de Bekesy demostró que la membrana principal es una línea heterogénea de transmisión de excitación mecánica. Cuando se expone a un estímulo acústico, una onda se propaga a lo largo de la membrana principal. Dependiendo de la frecuencia, esta onda se atenúa de forma diferente. Cuanto menor sea la frecuencia, más lejos de la ventana oval viajará la onda a lo largo de la membrana principal antes de comenzar a atenuarse. Por ejemplo, una onda con una frecuencia de 300 Hz se propagará hasta aproximadamente 25 mm desde la ventana ovalada antes de que comience la atenuación, y una onda con una frecuencia de 100 Hz alcanza su máximo cerca de 30 mm.

A partir de estas observaciones se desarrollaron teorías según las cuales la percepción del tono está determinada por la posición de máxima vibración de la membrana principal. Así, en el oído interno se puede rastrear una determinada cadena funcional: oscilación de la membrana de la ventana ovalada - oscilación de la perilinfa - oscilaciones complejas de la membrana principal - irritación de las células ciliadas (receptores del órgano de Corti) - generación de una señal eléctrica señal.

Algunas formas de sordera están asociadas con daños al aparato receptor de la cóclea. En este caso, la cóclea no genera señales eléctricas.

terminales cuando se exponen a vibraciones mecánicas. Se puede ayudar a estas personas sordas implantando electrodos en la cóclea y aplicándoles señales eléctricas correspondientes a las que surgen cuando se exponen a un estímulo mecánico.

En varios países se están desarrollando prótesis de este tipo para la función principal de la cóclea (prótesis cocleares). En Rusia, las prótesis cocleares se desarrollaron e implementaron en la Universidad Médica Rusa. La prótesis coclear se muestra en la Fig. 8.12, aquí 1 - cuerpo principal, 2 - gancho para la oreja con micrófono, 3 - enchufe conector eléctrico para conexión a electrodos implantables.

8.6. APLICACIONES DE ULTRASONIDO Y BGO EN MEDICINA

Ultrasonido(US) son vibraciones y ondas mecánicas cuyas frecuencias son superiores a 20 kHz.

Se puede considerar que el límite superior de las frecuencias ultrasónicas es 10 9 -10 10 Hz. Este límite está determinado por las distancias intermoleculares y, por tanto, depende del estado de agregación de la sustancia en la que se propaga la onda ultrasónica.

Para generar ultrasonidos se utilizan unos dispositivos llamados emisores de ultrasonidos. Los más extendidos son los emisores electromecánicos basados ​​​​en el fenómeno del efecto piezoeléctrico inverso (ver 14.7). El efecto piezoeléctrico inverso es

Ocurre en la deformación mecánica de cuerpos bajo la influencia de un campo eléctrico. La parte principal de dicho emisor (Fig. 8.13, a) es una placa o varilla 1 hecha de una sustancia con propiedades piezoeléctricas bien pronunciadas (cuarzo, sal de Rochelle, material cerámico a base de titanato de bario, etc.). Los electrodos 2 se aplican a la superficie de la placa en forma de capas conductoras. Si se aplica un voltaje eléctrico alterno de un generador a los electrodos 3, entonces la placa, gracias al efecto piezoeléctrico inverso, comenzará a vibrar, emitiendo una onda mecánica de la frecuencia correspondiente.

El mayor efecto de la radiación de ondas mecánicas se produce cuando se cumple la condición de resonancia (ver 7.6). Así, para placas de 1 mm de espesor, la resonancia se produce para el cuarzo a una frecuencia de 2,87 MHz, la sal de Rochelle - 1,5 MHz y el titanato de bario - 2,75 MHz.

Se puede crear un receptor de ultrasonido basándose en el efecto piezoeléctrico (efecto piezoeléctrico directo). En este caso, bajo la influencia de una onda mecánica (onda ultrasónica), se produce la deformación del cristal (Fig. 8.13, b), que, con el efecto piezoeléctrico, conduce a la generación de un campo eléctrico alterno; Se puede medir el voltaje eléctrico correspondiente.

El uso de la ecografía en medicina está asociado a las peculiaridades de su distribución y propiedades características. Consideremos esta pregunta.

Por su naturaleza física, el ultrasonido, como el sonido, es una onda mecánica (elástica). Sin embargo, la longitud de onda del ultrasonido es significativamente menor que la longitud de onda del sonido. Por ejemplo, en el agua las longitudes de onda son 1,4 m (1 kHz, sonido), 1,4 mm (1 MHz, ultrasonido) y 1,4 μm (1 GHz, ultrasonido). La difracción de ondas (ver 24.5) depende significativamente de la relación entre la longitud de onda y el tamaño de los cuerpos sobre los que se difracta la onda. Un cuerpo "opaco" que mide 1 m no será un obstáculo para una onda sonora de 1,4 m de longitud, pero se convertirá en un obstáculo para una onda ultrasónica de 1,4 mm de longitud y aparecerá una sombra ultrasónica. Esto permite en algunos casos no tener en cuenta la difracción de las ondas ultrasónicas, considerando estas ondas como rayos durante la refracción y la reflexión (similar a la refracción y reflexión de los rayos de luz).

La reflexión del ultrasonido en el límite de dos medios depende de la relación de sus impedancias de onda (ver 8.4). Por tanto, la ecografía se refleja bien en los límites músculo-periostio-hueso, en la superficie de los órganos huecos, etc.

Por tanto, es posible determinar la ubicación y el tamaño de inclusiones, cavidades, órganos internos, etc. no homogéneos. (Localización ultrasónica). La localización por ultrasonido utiliza radiación continua y pulsada. En el primer caso se estudia una onda estacionaria que surge de la interferencia de ondas incidentes y reflejadas desde la interfaz. En el segundo caso, se observa el pulso reflejado y se mide el tiempo de propagación del ultrasonido al objeto en estudio y de regreso. Conociendo la velocidad de propagación del ultrasonido, se determina la profundidad del objeto.

La resistencia a las olas de los medios biológicos es 3000 veces mayor que la resistencia a las olas del aire. Por lo tanto, si se aplica un emisor de ultrasonidos al cuerpo humano, los ultrasonidos no penetrarán en el interior, sino que se reflejarán debido a una fina capa de aire entre el emisor y el objeto biológico (ver 8.4). Para eliminar la capa de aire, la superficie del emisor ultrasónico se cubre con una capa de aceite.

La velocidad de propagación de las ondas ultrasónicas y su absorción dependen significativamente del estado del medio; Esta es la base para el uso de ultrasonido para estudiar las propiedades moleculares de una sustancia. La investigación de este tipo es el tema de la acústica molecular.

Como puede verse en (7.53), la intensidad de la onda es proporcional al cuadrado de la frecuencia circular, por lo que es posible obtener ondas ultrasónicas de intensidad significativa incluso con una amplitud de oscilación relativamente pequeña. La aceleración de las partículas que oscilan en una onda ultrasónica también puede ser grande [ver. (7.12)], lo que indica la presencia de fuerzas significativas que actúan sobre las partículas en los tejidos biológicos durante la irradiación ultrasónica.

Las compresiones y rarefacciones creadas por el ultrasonido conducen a la formación de discontinuidades en la continuidad del líquido: cavitaciones.

Las cavitaciones no duran mucho y colapsan rápidamente, mientras que en pequeños volúmenes se libera una cantidad significativa de energía, se produce el calentamiento de la sustancia, así como la ionización y disociación de las moléculas.

Los procesos físicos provocados por la influencia de los ultrasonidos provocan los siguientes efectos principales en los objetos biológicos:

Microvibraciones a nivel celular y subcelular;

Destrucción de biomacromoléculas;

Reestructuración y daño a las membranas biológicas, cambios en la permeabilidad de las membranas (ver Capítulo 13);

Acción térmica;

Las aplicaciones biomédicas de los ultrasonidos se pueden dividir principalmente en dos áreas: métodos de diagnóstico e investigación y métodos de exposición.

La primera dirección incluye métodos de localización y el uso de radiación pulsada. Este ecoencefalografía- determinación de tumores y edema cerebral (la figura 8.14 muestra ecoencefalografía"Eco-12"); cardiografía por ultrasonido- medición del tamaño del corazón en dinámica; en oftalmología - ubicación ultrasónica para determinar el tamaño de la media ocular. Utilizando el efecto de ultrasonido Doppler, se estudia el patrón de movimiento de las válvulas cardíacas y se mide la velocidad del flujo sanguíneo. Para fines de diagnóstico, la densidad del hueso fusionado o dañado se determina mediante la velocidad del ultrasonido.

La segunda dirección se refiere Fisioterapia con ultrasonido. En la Fig. La Figura 8.15 muestra el aparato UTP-ZM utilizado para estos fines. El paciente se somete a ultrasonidos mediante un cabezal radiante especial del dispositivo. Por lo general, con fines terapéuticos se utiliza ultrasonido con una frecuencia de 800 kHz, su intensidad promedio es de aproximadamente 1 W/cm 2 o menos.

El mecanismo principal de la terapia con ultrasonido son los efectos mecánicos y térmicos sobre el tejido.

Durante las operaciones, el ultrasonido se utiliza como un “bisturí ultrasónico”, capaz de cortar tanto el tejido blando como el óseo.

La capacidad del ultrasonido para triturar cuerpos colocados en líquido y crear emulsiones se utiliza en la industria farmacéutica en la fabricación de medicamentos. En el tratamiento de enfermedades como la tuberculosis, el asma bronquial, el catarro del tracto respiratorio superior, se utilizan aerosoles de diversas sustancias medicinales obtenidas mediante ultrasonido.

Actualmente, se ha desarrollado un nuevo método para "soldar" tejido óseo dañado o trasplantado mediante ultrasonidos. (osteosíntesis ultrasónica).

Para la esterilización se utiliza el efecto destructivo de la ultrasonido sobre los microorganismos.

Es interesante el uso de la ecografía para personas ciegas. Gracias a la localización ultrasónica mediante el dispositivo portátil Orientir, es posible detectar objetos y determinar su naturaleza a una distancia de hasta 10 m.

Los ejemplos enumerados no agotan todas las aplicaciones médicas y biológicas del ultrasonido; la perspectiva de expandir estas aplicaciones es realmente enorme. Así, podemos esperar, por ejemplo, la aparición de métodos de diagnóstico fundamentalmente nuevos con la introducción de la holografía ultrasónica en la medicina (ver Capítulo 24).

8.7. INFRASONIDO

Infrasonido es el nombre que reciben las ondas mecánicas (elásticas) con frecuencias inferiores a las percibidas por el oído humano (20 Hz).

Las fuentes de infrasonidos pueden ser tanto objetos naturales (mar, terremotos, rayos, etc.) como artificiales (explosiones, automóviles, máquinas herramienta, etc.).

Los infrasonidos suelen ir acompañados de ruidos audibles, por ejemplo en un coche, por lo que surgen dificultades a la hora de medir y estudiar las propias vibraciones del infrasonido.

El infrasonido se caracteriza por una débil absorción por diversos medios, por lo que recorre una distancia considerable. Esto permite detectar una explosión a gran distancia de la fuente mediante la propagación del infrasonido en la corteza terrestre, predecir un tsunami basándose en las ondas de infrasonido medidas, etc. Dado que la longitud de onda del infrasonido es más larga que la de los sonidos audibles, las ondas de infrasonido se difractan mejor y penetran en las habitaciones, evitando obstáculos.

El infrasonido tiene un efecto adverso sobre el estado funcional de varios sistemas del cuerpo: fatiga, dolor de cabeza, somnolencia, irritación, etc. Se supone que el principal mecanismo de acción del infrasonido en el cuerpo es de naturaleza resonante. La resonancia se produce en valores cercanos de la frecuencia de la fuerza impulsora y la frecuencia de las oscilaciones naturales (ver 7.6). La frecuencia de las vibraciones naturales del cuerpo humano en posición acostada (3-4 Hz), de pie (5-12 Hz), la frecuencia de las vibraciones naturales del pecho (5-8 Hz), la cavidad abdominal (3-4 Hz ), etc. corresponden a la frecuencia de los infrasonidos.

Reducir el nivel de intensidad de los infrasonidos en locales residenciales, industriales y de transporte es una de las tareas de higiene.

8.8. VIBRACIONES

En tecnología, las vibraciones mecánicas de diversas estructuras y máquinas se denominan vibraciones

También afectan a una persona que entra en contacto con objetos que vibran. Este efecto puede ser perjudicial y, en determinadas condiciones, provocar enfermedades vibratorias, o beneficioso y terapéutico (terapia vibratoria y masaje vibratorio).

Las principales características físicas de las vibraciones coinciden con las características de las vibraciones mecánicas de los cuerpos, estas son:

Frecuencia de oscilación o espectro armónico de vibración anarmónica;

Amplitud, amplitud de velocidad y amplitud de aceleración;

Energía y potencia media de las oscilaciones.

Además, para comprender el efecto de las vibraciones en un objeto biológico, es importante imaginar la propagación y atenuación de las vibraciones en el cuerpo. Al estudiar este tema se utilizan modelos formados por masas inerciales, elementos elásticos y viscosos (ver 10.3).

Las vibraciones son la fuente de sonidos audibles, ultrasonidos e infrasonidos.

18 de febrero de 2016

El mundo del entretenimiento en casa es bastante variado y puede incluir: ver películas en un buen sistema de cine en casa; juego emocionante y emocionante o escuchar música. Como regla general, cada uno encuentra algo propio en este ámbito o combina todo a la vez. Pero cualesquiera que sean los objetivos de una persona para organizar su tiempo libre y cualquier extremo al que llegue, todos estos vínculos están firmemente conectados por una palabra simple y comprensible: "sonido". De hecho, en todos los casos anteriores, el sonido nos llevará de la mano. Pero esta pregunta no es tan simple y trivial, especialmente en los casos en que se desea lograr un sonido de alta calidad en una habitación o en cualquier otra condición. Para ello no siempre es necesario comprar costosos componentes de alta fidelidad o alta gama (aunque será muy útil), pero sí basta con un buen conocimiento de la teoría física, que puede eliminar la mayoría de los problemas que le surgen a cualquier persona. quien se propone obtener una actuación de voz de alta calidad.

A continuación, se considerará la teoría del sonido y la acústica desde el punto de vista de la física. En este caso, intentaré hacerlo lo más accesible posible a la comprensión de cualquier persona que, quizás, esté lejos de conocer leyes o fórmulas físicas, pero que sin embargo sueña apasionadamente con hacer realidad el sueño de crear un sistema acústico perfecto. No pretendo decir que para lograr buenos resultados en esta área en casa (o en el automóvil, por ejemplo), sea necesario conocer a fondo estas teorías, pero comprender los conceptos básicos le permitirá evitar muchos errores estúpidos y absurdos. , y también le permitirá lograr el máximo efecto de sonido del sistema en cualquier nivel.

Teoría general del sonido y terminología musical.

Qué es sonido? Esta es la sensación que percibe el órgano auditivo. "oreja"(el fenómeno en sí existe sin la participación del "oído" en el proceso, pero esto es más fácil de entender), que ocurre cuando el tímpano es excitado por una onda sonora. El oído en este caso actúa como un "receptor" de ondas sonoras de diversas frecuencias.
Onda de sonido Es esencialmente una serie secuencial de compactaciones y descargas del medio (más a menudo el medio aéreo en condiciones normales) de varias frecuencias. La naturaleza de las ondas sonoras es oscilatoria, causada y producida por la vibración de cualquier cuerpo. La aparición y propagación de una onda sonora clásica es posible en tres medios elásticos: gaseoso, líquido y sólido. Cuando se produce una onda sonora en uno de estos tipos de espacio, inevitablemente se producen algunos cambios en el propio medio, por ejemplo, un cambio en la densidad o presión del aire, el movimiento de partículas de masa de aire, etc.

Dado que una onda sonora tiene una naturaleza oscilatoria, tiene una característica como la frecuencia. Frecuencia medido en hercios (en honor al físico alemán Heinrich Rudolf Hertz), y denota el número de oscilaciones durante un período de tiempo igual a un segundo. Aquellos. por ejemplo, una frecuencia de 20 Hz indica un ciclo de 20 oscilaciones en un segundo. El concepto subjetivo de su altura depende también de la frecuencia del sonido. Cuantas más vibraciones sonoras se produzcan por segundo, más “alto” aparecerá el sonido. Una onda sonora también tiene otra característica importante, que tiene un nombre: longitud de onda. Longitud de onda Se acostumbra considerar la distancia que recorre un sonido de una determinada frecuencia en un período igual a un segundo. Por ejemplo, la longitud de onda del sonido más bajo en el rango audible humano a 20 Hz es de 16,5 metros, y la longitud de onda del sonido más alto a 20.000 Hz es de 1,7 centímetros.

El oído humano está diseñado de tal manera que es capaz de percibir ondas sólo en un rango limitado, aproximadamente 20 Hz - 20.000 Hz (dependiendo de las características de cada persona en particular, algunas pueden oír un poco más, otras menos). . Por lo tanto, esto no significa que los sonidos por debajo o por encima de estas frecuencias no existan, simplemente no son percibidos por el oído humano y van más allá del rango audible. El sonido por encima del rango audible se llama ultrasonido, el sonido por debajo del rango audible se llama infrasonido. Algunos animales son capaces de percibir sonidos ultra e infrarrojos, algunos incluso utilizan este rango para orientarse en el espacio (murciélagos, delfines). Si el sonido pasa a través de un medio que no está en contacto directo con el órgano auditivo humano, es posible que dicho sonido no se escuche o se debilite considerablemente posteriormente.

En la terminología musical del sonido, existen designaciones tan importantes como octava, tono y armónico del sonido. Octava significa un intervalo en el que la relación de frecuencia entre los sonidos es de 1 a 2. Una octava suele ser muy distinguible de oído, mientras que los sonidos dentro de este intervalo pueden ser muy similares entre sí. También se puede llamar octava a un sonido que vibra el doble que otro sonido en el mismo periodo de tiempo. Por ejemplo, la frecuencia de 800 Hz no es más que una octava superior de 400 Hz, y la frecuencia de 400 Hz a su vez es la siguiente octava de sonido con una frecuencia de 200 Hz. La octava, a su vez, se compone de tonos y armónicos. El oído humano percibe las vibraciones variables en una onda sonora armónica de la misma frecuencia como tono musical. Las vibraciones de alta frecuencia se pueden interpretar como sonidos agudos, mientras que las vibraciones de baja frecuencia se pueden interpretar como sonidos graves. El oído humano es capaz de distinguir claramente sonidos con una diferencia de un tono (en el rango de hasta 4000 Hz). A pesar de esto, la música utiliza una cantidad extremadamente pequeña de tonos. Esto se explica considerando el principio de consonancia armónica; todo se basa en el principio de octavas.

Consideremos la teoría de los tonos musicales usando el ejemplo de una cuerda estirada de cierta manera. Una cuerda de este tipo, dependiendo de la fuerza de tensión, se "sintonizará" a una frecuencia específica. Cuando esta cuerda se expone a algo con una fuerza específica, que la hace vibrar, se observará constantemente un tono de sonido específico y escucharemos la frecuencia de afinación deseada. Este sonido se llama tono fundamental. Se acepta oficialmente como tono fundamental en el ámbito musical la frecuencia de la nota “La” de la primera octava, igual a 440 Hz. Sin embargo, la mayoría de los instrumentos musicales nunca reproducen tonos fundamentales puros por sí solos; van inevitablemente acompañados de armónicos llamados matices. Conviene recordar aquí una definición importante de la acústica musical: el concepto de timbre sonoro. Timbre- esta es una característica de los sonidos musicales que da a los instrumentos musicales y a las voces su especificidad de sonido única y reconocible, incluso cuando se comparan sonidos del mismo tono y volumen. El timbre de cada instrumento musical depende de la distribución de la energía sonora entre armónicos en el momento en que aparece el sonido.

Los armónicos forman una coloración específica del tono fundamental, mediante la cual podemos identificar y reconocer fácilmente un instrumento específico, así como distinguir claramente su sonido de otro instrumento. Hay dos tipos de armónicos: armónicos y no armónicos. matices armónicos por definición son múltiplos de la frecuencia fundamental. Por el contrario, si los armónicos no son múltiples y se desvían notablemente de los valores, entonces se llaman no armónico. En música, el funcionamiento con múltiples armónicos está prácticamente excluido, por lo que el término se reduce al concepto de “armónico”, que significa armónico. En algunos instrumentos, como el piano, el tono fundamental ni siquiera tiene tiempo de formarse; en un corto período de tiempo, la energía sonora de los armónicos aumenta y luego disminuye con la misma rapidez. Muchos instrumentos crean lo que se llama un efecto de "tono de transición", donde la energía de ciertos armónicos es más alta en un momento determinado, generalmente al principio, pero luego cambia abruptamente y pasa a otros armónicos. El rango de frecuencia de cada instrumento se puede considerar por separado y generalmente se limita a las frecuencias fundamentales que ese instrumento en particular es capaz de producir.

En la teoría del sonido también existe el concepto de RUIDO. Ruido- es cualquier sonido creado por una combinación de fuentes que son inconsistentes entre sí. Todo el mundo está familiarizado con el sonido de las hojas de los árboles meciéndose con el viento, etc.

¿Qué determina el volumen del sonido? Obviamente, este fenómeno depende directamente de la cantidad de energía transferida por la onda sonora. Para determinar los indicadores cuantitativos del volumen, existe un concepto: la intensidad del sonido. Intensidad del sonido se define como el flujo de energía que pasa a través de algún área del espacio (por ejemplo, cm2) por unidad de tiempo (por ejemplo, por segundo). Durante una conversación normal, la intensidad es de aproximadamente 9 o 10 W/cm2. El oído humano es capaz de percibir sonidos en un rango de sensibilidad bastante amplio, mientras que la sensibilidad de las frecuencias es heterogénea dentro del espectro sonoro. De esta manera se percibe mejor el rango de frecuencia de 1000 Hz a 4000 Hz, que cubre con mayor amplitud el habla humana.

Debido a que los sonidos varían mucho en intensidad, es más conveniente pensar en ellos como una cantidad logarítmica y medirlos en decibelios (en honor al científico escocés Alexander Graham Bell). El umbral inferior de sensibilidad auditiva del oído humano es de 0 dB, el superior es de 120 dB, también llamado "umbral del dolor". El oído humano tampoco percibe el límite superior de sensibilidad de la misma manera, sino que depende de la frecuencia específica. Los sonidos de baja frecuencia deben tener una intensidad mucho mayor que los sonidos de alta frecuencia para activar el umbral del dolor. Por ejemplo, el umbral del dolor a una frecuencia baja de 31,5 Hz se produce a un nivel de intensidad sonora de 135 dB, mientras que a una frecuencia de 2000 Hz la sensación de dolor aparecerá a 112 dB. También existe el concepto de presión sonora, que en realidad amplía la explicación habitual de la propagación de una onda sonora en el aire. Presión sonora- Se trata de un exceso de presión variable que surge en un medio elástico como consecuencia del paso de una onda sonora a través de él.

Naturaleza ondulatoria del sonido.

Para comprender mejor el sistema de generación de ondas sonoras, imaginemos un altavoz clásico situado en un tubo lleno de aire. Si el altavoz hace un movimiento brusco hacia adelante, el aire que se encuentra en las inmediaciones del difusor se comprime momentáneamente. Luego, el aire se expandirá, empujando así la región de aire comprimido a lo largo de la tubería.
Este movimiento ondulatorio se convertirá posteriormente en sonido cuando llegue al órgano auditivo y “excite” el tímpano. Cuando se produce una onda de sonido en un gas, se crea un exceso de presión y densidad y las partículas se mueven a una velocidad constante. Respecto a las ondas sonoras, es importante recordar el hecho de que la sustancia no se mueve junto con la onda sonora, sino que sólo se produce una perturbación temporal de las masas de aire.

Si imaginamos un pistón suspendido en el espacio libre sobre un resorte y haciendo movimientos repetidos "hacia adelante y hacia atrás", entonces tales oscilaciones se llamarán armónicas o sinusoidales (si imaginamos la onda como una gráfica, en este caso obtendremos una onda pura). sinusoide con repetidas subidas y bajadas). Si imaginamos un altavoz en un tubo (como en el ejemplo descrito anteriormente) realizando oscilaciones armónicas, entonces en el momento en que el altavoz se mueve “hacia adelante” se obtiene el conocido efecto de compresión del aire, y cuando el altavoz se mueve “hacia atrás” se obtiene el conocido efecto de compresión del aire. Se produce el efecto contrario de rarefacción. En este caso, una onda de compresión y rarefacción alternas se propagará a través de la tubería. La distancia a lo largo de la tubería entre máximos o mínimos (fases) adyacentes se llamará longitud de onda. Si las partículas oscilan paralelamente a la dirección de propagación de la onda, entonces la onda se llama longitudinal. Si oscilan perpendicularmente a la dirección de propagación, entonces la onda se llama transverso. Normalmente, las ondas sonoras en gases y líquidos son longitudinales, pero en los sólidos pueden ocurrir ondas de ambos tipos. Las ondas transversales en los sólidos surgen debido a la resistencia al cambio de forma. La principal diferencia entre estos dos tipos de ondas es que una onda transversal tiene la propiedad de polarización (las oscilaciones se producen en un determinado plano), mientras que una onda longitudinal no.

velocidad del sonido

La velocidad del sonido depende directamente de las características del medio en el que se propaga. Está determinado (dependiente) por dos propiedades del medio: elasticidad y densidad del material. La velocidad del sonido en los sólidos depende directamente del tipo de material y de sus propiedades. La velocidad en medios gaseosos depende de un solo tipo de deformación del medio: compresión-rarefacción. El cambio de presión en una onda sonora se produce sin intercambio de calor con las partículas circundantes y se denomina adiabático.
La velocidad del sonido en un gas depende principalmente de la temperatura: aumenta al aumentar la temperatura y disminuye al disminuir la temperatura. Además, la velocidad del sonido en un medio gaseoso depende del tamaño y la masa de las propias moléculas de gas: cuanto menor es la masa y el tamaño de las partículas, mayor es la "conductividad" de la onda y, en consecuencia, mayor es la velocidad.

En medios líquidos y sólidos, el principio de propagación y la velocidad del sonido son similares a cómo se propaga una onda en el aire: por compresión-descarga. Pero en estos ambientes, además de la misma dependencia de la temperatura, la densidad del medio y su composición/estructura son bastante importantes. Cuanto menor sea la densidad de la sustancia, mayor será la velocidad del sonido y viceversa. La dependencia de la composición del medio es más compleja y se determina en cada caso concreto, teniendo en cuenta la ubicación e interacción de las moléculas/átomos.

Velocidad del sonido en el aire a t, °C 20: 343 m/s
Velocidad del sonido en agua destilada a t, °C 20: 1481 m/s
Velocidad del sonido en acero a t, °C 20: 5000 m/s

Ondas estacionarias e interferencias.

Cuando un altavoz crea ondas sonoras en un espacio reducido, inevitablemente se produce el efecto de ondas reflejadas desde los límites. Como resultado, esto ocurre con mayor frecuencia. efecto de interferencia- cuando dos o más ondas sonoras se superponen. Casos especiales de fenómenos de interferencia son la formación de: 1) ondas batientes o 2) ondas estacionarias. Latidos de olas- este es el caso cuando se produce la suma de ondas con frecuencias y amplitudes similares. La imagen de la aparición de latidos: cuando dos ondas de frecuencias similares se superponen. En algún momento, con tal superposición, los picos de amplitud pueden coincidir "en fase" y las disminuciones también pueden coincidir en "antifase". Así se caracterizan los ritmos sonoros. Es importante recordar que, a diferencia de las ondas estacionarias, las coincidencias de fase de los picos no ocurren constantemente, sino en ciertos intervalos de tiempo. Para el oído, este patrón de latidos se distingue con bastante claridad y se escucha como un aumento y una disminución periódicos del volumen, respectivamente. El mecanismo por el que se produce este efecto es sumamente sencillo: cuando los picos coinciden, el volumen aumenta, y cuando los valles coinciden, el volumen disminuye.

Ondas estacionarias Surgen en el caso de superposición de dos ondas de la misma amplitud, fase y frecuencia, cuando al “encontrarse” dichas ondas una se mueve hacia adelante y la otra en dirección opuesta. En la zona del espacio (donde se formó la onda estacionaria), aparece una imagen de la superposición de dos amplitudes de frecuencia, con máximos (los llamados antinodos) y mínimos (los llamados nodos) alternos. Cuando ocurre este fenómeno, la frecuencia, la fase y el coeficiente de atenuación de la onda en el lugar de reflexión son extremadamente importantes. A diferencia de las ondas viajeras, en una onda estacionaria no hay transferencia de energía debido al hecho de que las ondas hacia adelante y hacia atrás que forman esta onda transfieren energía en cantidades iguales tanto en la dirección directa como en la opuesta. Para comprender claramente la aparición de una onda estacionaria, imaginemos un ejemplo de acústica doméstica. Digamos que tenemos sistemas de altavoces de suelo en un espacio (habitación) limitado. Haciéndoles tocar algo con mucho bajo, intentemos cambiar la ubicación del oyente en la sala. Por lo tanto, un oyente que se encuentra en la zona de mínima (resta) de una onda estacionaria sentirá el efecto de que hay muy pocos graves, y si el oyente se encuentra en una zona de máximo (suma) de frecuencias, entonces sucederá lo contrario. Se obtiene el efecto de un aumento significativo en la región de los graves. En este caso, el efecto se observa en todas las octavas de la frecuencia base. Por ejemplo, si la frecuencia base es 440 Hz, entonces el fenómeno de "suma" o "resta" también se observará en frecuencias de 880 Hz, 1760 Hz, 3520 Hz, etc.

Fenómeno de resonancia

La mayoría de los sólidos tienen una frecuencia de resonancia natural. Es bastante fácil entender este efecto usando el ejemplo de una tubería común, abierta solo por un extremo. Imaginemos una situación en la que se conecta un altavoz al otro extremo del tubo, que puede reproducir una frecuencia constante, que también se puede cambiar más adelante. Entonces, la tubería tiene su propia frecuencia de resonancia, en términos simples: esta es la frecuencia a la que la tubería "resuena" o emite su propio sonido. Si la frecuencia del altavoz (como resultado del ajuste) coincide con la frecuencia de resonancia del tubo, se producirá el efecto de aumentar el volumen varias veces. Esto sucede porque el altavoz excita vibraciones de la columna de aire en la tubería con una amplitud significativa hasta que se encuentra la misma "frecuencia de resonancia" y se produce el efecto de suma. El fenómeno resultante se puede describir de la siguiente manera: el tubo en este ejemplo "ayuda" al altavoz resonando en una frecuencia específica, sus esfuerzos se suman y "resultan" en un efecto fuerte audible. En el ejemplo de los instrumentos musicales, este fenómeno se puede ver fácilmente, ya que el diseño de la mayoría de los instrumentos contiene elementos llamados resonadores. No es difícil adivinar qué sirve para realzar una determinada frecuencia o tono musical. Por ejemplo: el cuerpo de una guitarra con un resonador en forma de agujero que se acopla con el volumen; El diseño del tubo de flauta (y de todos los tubos en general); La forma cilíndrica del cuerpo del tambor, que a su vez es un resonador de cierta frecuencia.

Espectro de frecuencia del sonido y respuesta de frecuencia.

Dado que en la práctica prácticamente no existen ondas de la misma frecuencia, se hace necesario descomponer todo el espectro sonoro del rango audible en sobretonos o armónicos. Para estos fines, existen gráficos que muestran la dependencia de la energía relativa de las vibraciones del sonido con la frecuencia. Este gráfico se llama gráfico de espectro de frecuencias del sonido. Espectro de frecuencia del sonido. Hay dos tipos: discretos y continuos. Un gráfico de espectro discreto muestra frecuencias individuales separadas por espacios en blanco. El espectro continuo contiene todas las frecuencias de sonido a la vez.
En el caso de la música o la acústica, lo más habitual es utilizar el gráfico habitual. Características de amplitud-frecuencia(abreviado como "AFC"). Este gráfico muestra la dependencia de la amplitud de las vibraciones del sonido con la frecuencia en todo el espectro de frecuencia (20 Hz - 20 kHz). Al observar un gráfico de este tipo, es fácil comprender, por ejemplo, las fortalezas o debilidades de un altavoz en particular o del sistema acústico en su conjunto, las áreas más fuertes de producción de energía, las caídas y aumentos de frecuencia, la atenuación y también rastrear la pendiente. del declive.

Propagación de ondas sonoras, fase y antifase.

El proceso de propagación de ondas sonoras ocurre en todas direcciones desde la fuente. El ejemplo más sencillo para entender este fenómeno es un guijarro arrojado al agua.
Desde el lugar donde cayó la piedra, las olas comienzan a extenderse por la superficie del agua en todas direcciones. Sin embargo, imaginemos una situación en la que se utiliza un altavoz de cierto volumen, digamos una caja cerrada, que está conectado a un amplificador y reproduce algún tipo de señal musical. Es fácil notar (especialmente si aplica una señal potente de baja frecuencia, por ejemplo, un bombo) que el altavoz hace un movimiento rápido "hacia adelante" y luego el mismo movimiento rápido "hacia atrás". Lo que queda por entender es que cuando el altavoz avanza, emite una onda sonora que escuchamos más tarde. Pero, ¿qué sucede cuando el hablante retrocede? Y paradójicamente sucede lo mismo, el altavoz emite el mismo sonido, sólo que en nuestro ejemplo se propaga íntegramente dentro del volumen de la caja, sin traspasar sus límites (la caja está cerrada). En general, en el ejemplo anterior se pueden observar muchos fenómenos físicos interesantes, el más significativo de los cuales es el concepto de fase.

La onda sonora que el hablante, estando en el volumen, emite en dirección al oyente está “en fase”. La onda inversa, que entra en el volumen de la caja, será correspondientemente antifase. ¿Solo queda entender qué significan estos conceptos? Fase de señal– este es el nivel de presión sonora en el momento actual en algún punto del espacio. La forma más sencilla de comprender esta fase es con el ejemplo de la reproducción de material musical mediante un par de sistemas de altavoces domésticos estéreo convencionales de suelo. Imaginemos que dos de estos altavoces de suelo están instalados en una habitación determinada y suenan. En este caso, ambos sistemas acústicos reproducen una señal síncrona de presión sonora variable, y la presión sonora de un altavoz se suma a la presión sonora del otro altavoz. Un efecto similar ocurre debido a la sincronicidad de la reproducción de la señal de los altavoces izquierdo y derecho, respectivamente, es decir, los picos y valles de las ondas emitidas por los altavoces izquierdo y derecho coinciden.

Ahora imaginemos que las presiones sonoras siguen cambiando de la misma manera (no han sufrido cambios), pero ahora son opuestas entre sí. Esto puede suceder si conecta un sistema de altavoces de dos con polaridad inversa (el cable "+" del amplificador al terminal "-" del sistema de altavoces y el cable "-" del amplificador al terminal "+" del sistema de altavoces). En este caso, la señal opuesta provocará una diferencia de presión, que se puede representar en números de la siguiente manera: el altavoz izquierdo creará una presión de “1 Pa” y el altavoz derecho creará una presión de “menos 1 Pa”. Como resultado, el volumen total del sonido en la ubicación del oyente será cero. Este fenómeno se llama antifase. Si miramos el ejemplo con más detalle para comprenderlo, resulta que dos parlantes que suenan "en fase" crean áreas idénticas de compactación y rarefacción del aire, ayudándose así entre sí. En el caso de una antifase idealizada, el área de espacio de aire comprimido creada por un hablante irá acompañada de un área de espacio de aire enrarecido creado por el segundo hablante. Esto se parece aproximadamente al fenómeno de la cancelación mutua y sincrónica de ondas. Es cierto que en la práctica el volumen no baja a cero y escucharemos un sonido muy distorsionado y debilitado.

La forma más accesible de describir este fenómeno es la siguiente: dos señales con las mismas oscilaciones (frecuencia), pero desplazadas en el tiempo. En vista de esto, es más conveniente presentar estos fenómenos de desplazamiento usando el ejemplo de un reloj redondo ordinario. Imaginemos que hay varios relojes redondos idénticos colgados en la pared. Cuando las manecillas de los segundos de este reloj funcionan sincrónicamente, en un reloj 30 segundos y en el otro 30, entonces este es un ejemplo de una señal que está en fase. Si las manecillas de los segundos se mueven con un cambio, pero la velocidad sigue siendo la misma, por ejemplo, en un reloj son 30 segundos y en otro son 24 segundos, entonces este es un ejemplo clásico de cambio de fase. De la misma forma, la fase se mide en grados, dentro de un círculo virtual. En este caso, cuando las señales se desplazan entre sí 180 grados (medio período), se obtiene la antifase clásica. En la práctica se producen a menudo pequeños cambios de fase, que también pueden determinarse gradualmente y eliminarse con éxito.

Las ondas son planas y esféricas. Un frente de onda plano se propaga en una sola dirección y rara vez se encuentra en la práctica. Un frente de onda esférico es un tipo simple de onda que se origina en un solo punto y viaja en todas direcciones. Las ondas sonoras tienen la propiedad difracción, es decir. Capacidad para sortear obstáculos y objetos. El grado de flexión depende de la relación entre la longitud de onda del sonido y el tamaño del obstáculo o agujero. La difracción también ocurre cuando hay algún obstáculo en el camino del sonido. En este caso, son posibles dos escenarios: 1) Si el tamaño del obstáculo es mucho mayor que la longitud de onda, entonces el sonido se refleja o se absorbe (dependiendo del grado de absorción del material, el espesor del obstáculo, etc.). ), y se forma una zona de “sombra acústica” detrás del obstáculo. 2) Si el tamaño del obstáculo es comparable a la longitud de onda o incluso menor, entonces el sonido se difracta en cierta medida en todas direcciones. Si una onda de sonido, mientras se mueve en un medio, golpea la interfaz con otro medio (por ejemplo, un medio aéreo con un medio sólido), entonces pueden ocurrir tres escenarios: 1) la onda se reflejará desde la interfaz 2) la onda puede pasar a otro medio sin cambiar de dirección 3) una onda puede pasar a otro medio con un cambio de dirección en el límite, esto se llama "refracción de onda".

La relación entre el exceso de presión de una onda sonora y la velocidad volumétrica oscilatoria se llama resistencia de la onda. En palabras simples, impedancia de onda del medio Se puede llamar la capacidad de absorber ondas sonoras o "resistirlas". Los coeficientes de reflexión y transmisión dependen directamente de la relación de las impedancias de onda de los dos medios. La resistencia a las olas en un medio gaseoso es mucho menor que en agua o sólidos. Por lo tanto, si una onda sonora en el aire golpea un objeto sólido o la superficie de aguas profundas, el sonido se refleja desde la superficie o se absorbe en gran medida. Esto depende del espesor de la superficie (agua o sólido) sobre la que cae la onda sonora deseada. Cuando el espesor de un medio sólido o líquido es pequeño, las ondas sonoras “pasan” casi por completo, y viceversa, cuando el espesor del medio es grande, las ondas se reflejan con mayor frecuencia. En el caso de la reflexión de las ondas sonoras, este proceso se produce según una ley física bien conocida: "El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión". En este caso, cuando una onda de un medio de menor densidad choca con el límite de un medio de mayor densidad, se produce el fenómeno. refracción. Consiste en la curvatura (refracción) de una onda sonora después de “encontrarse” con un obstáculo, y va necesariamente acompañada de un cambio de velocidad. La refracción también depende de la temperatura del medio en el que se produce la reflexión.

En el proceso de propagación de las ondas sonoras en el espacio, su intensidad inevitablemente disminuye, podemos decir que las ondas se atenúan y el sonido se debilita. En la práctica, encontrar un efecto similar es bastante simple: por ejemplo, si dos personas se encuentran en un campo a cierta distancia (un metro o más cerca) y comienzan a decirse algo. Si posteriormente aumenta la distancia entre las personas (si comienzan a alejarse unas de otras), el mismo nivel de volumen de conversación será cada vez menos audible. Este ejemplo demuestra claramente el fenómeno de una disminución en la intensidad de las ondas sonoras. ¿Por qué está pasando esto? La razón de esto son varios procesos de intercambio de calor, interacción molecular y fricción interna de ondas sonoras. En la práctica, la mayoría de las veces la energía sonora se convierte en energía térmica. Estos procesos surgen inevitablemente en cualquiera de los 3 medios de propagación del sonido y pueden caracterizarse como absorción de ondas sonoras.

La intensidad y el grado de absorción de las ondas sonoras depende de muchos factores, como la presión y la temperatura del medio. La absorción también depende de la frecuencia del sonido específica. Cuando una onda sonora se propaga a través de líquidos o gases se produce un efecto de fricción entre diferentes partículas, lo que se llama viscosidad. Como resultado de esta fricción a nivel molecular, se produce el proceso de conversión de una onda de sonido a calor. En otras palabras, cuanto mayor sea la conductividad térmica del medio, menor será el grado de absorción de las ondas. La absorción del sonido en medios gaseosos también depende de la presión (la presión atmosférica cambia al aumentar la altitud en relación con el nivel del mar). En cuanto a la dependencia del grado de absorción de la frecuencia del sonido, teniendo en cuenta las dependencias de viscosidad y conductividad térmica mencionadas anteriormente, cuanto mayor es la frecuencia del sonido, mayor es la absorción del sonido. Por ejemplo, a temperatura y presión normales del aire, la absorción de una onda con una frecuencia de 5000 Hz es de 3 dB/km, y la absorción de una onda con una frecuencia de 50.000 Hz será de 300 dB/m.

En medios sólidos, se conservan todas las dependencias anteriores (conductividad térmica y viscosidad), pero a esto se le añaden varias condiciones más. Están asociados a la estructura molecular de los materiales sólidos, que pueden ser diferentes, con sus propias faltas de homogeneidad. Dependiendo de esta estructura molecular sólida interna, la absorción de ondas sonoras en este caso puede ser diferente y depende del tipo de material específico. Cuando el sonido atraviesa un cuerpo sólido, la onda sufre una serie de transformaciones y distorsiones, lo que a menudo conduce a la dispersión y absorción de la energía sonora. A nivel molecular, puede producirse un efecto de dislocación cuando una onda sonora provoca un desplazamiento de planos atómicos, que luego regresan a su posición original. O bien, el movimiento de las dislocaciones provoca una colisión con dislocaciones perpendiculares a ellas o defectos en la estructura cristalina, lo que provoca su inhibición y, como consecuencia, cierta absorción de la onda sonora. Sin embargo, la onda sonora también puede resonar con estos defectos, lo que provocará una distorsión de la onda original. La energía de una onda sonora en el momento de la interacción con los elementos de la estructura molecular del material se disipa como resultado de procesos de fricción interna.

En este artículo intentaré analizar las características de la percepción auditiva humana y algunas de las sutilezas y características de la propagación del sonido.

El sonido es un fenómeno que ha excitado la mente humana desde la antigüedad. De hecho, un mundo de diversos sonidos surgió en la Tierra mucho antes de que aparecieran los seres humanos. Los primeros sonidos se escucharon durante el nacimiento de nuestro planeta. Fueron causados ​​por fuertes impactos, vibraciones de la materia y el hervor de materia caliente.

Sonido en el entorno natural.

Cuando los primeros animales aparecieron en el planeta, con el tiempo desarrollaron una necesidad urgente de recibir la mayor cantidad de información posible sobre la realidad circundante. Y dado que el sonido es uno de los principales portadores de información, los representantes de la fauna comenzaron a sufrir cambios evolutivos en el cerebro, que gradualmente llevaron a la formación de órganos auditivos.

Ahora los animales primitivos podían recibir, captando vibraciones sonoras, la información necesaria sobre el peligro, que a menudo emanaba de objetos invisibles a los ojos. Posteriormente, los seres vivos aprendieron a utilizar los sonidos para otros fines. El ámbito de aplicación de la información de audio creció en el proceso de evolución de los propios animales. Las señales sonoras comenzaron a servir como medio de comunicación primitiva entre ellos. Con sonidos comenzaron a advertirse unos a otros sobre el peligro, y esto también sirvió como un llamado a la unidad para las criaturas con instinto de manada.

El hombre es el maestro de los sonidos.

Pero sólo el hombre logró aprender a utilizar plenamente el sonido para sus propios fines. En un momento, las personas se enfrentaron a la necesidad de transferir conocimientos entre sí y de generación en generación. El hombre subordinó a estos objetivos la variedad de sonidos que con el tiempo aprendió a producir y percibir. De esta multitud de sonidos surgió posteriormente el habla. El sonido también se ha convertido en un elemento de relleno del tiempo libre. La gente descubrió la eufonía del silbido de la cuerda del arco al soltarse y la energía del golpe rítmico de los objetos de madera entre sí. Así surgieron los primeros y más sencillos instrumentos musicales y, por tanto, el propio arte de la música.

Sin embargo, la comunicación humana y la música no son los únicos sonidos que aparecieron en la Tierra con la aparición del hombre. Numerosos procesos laborales también iban acompañados de sonidos: la producción de diversos objetos en piedra y madera. Y con la llegada de la civilización, con la invención de la rueda, la gente se encontró por primera vez con el problema del ruido fuerte. Se sabe que ya en el mundo antiguo, el ruido de las ruedas en las carreteras pavimentadas con piedra a menudo provocaba problemas de sueño entre los habitantes de las casas al borde de la carretera. Para combatir este ruido, se inventó el primer medio para reducirlo: se colocó paja sobre la acera.

Problema de ruido creciente

Cuando la humanidad conoció los beneficios del hierro, el problema del ruido empezó a adquirir proporciones globales. Al inventar la pólvora, el hombre creó una fuente de sonido de tal potencia que era suficiente para causar daños notables a su propio audífono. En la era de la revolución industrial, entre los efectos secundarios negativos como la contaminación ambiental y el agotamiento de los recursos naturales, el problema del ruido industrial de gran volumen no ocupa el menor lugar.

anécdota de la vida

Sin embargo, incluso hoy en día no todos los fabricantes de equipos industriales prestan al menos cierta atención a esta cuestión. La dirección de todas las plantas y fábricas no se preocupa por mantener una audición sana entre sus subordinados.

A veces escuchas historias como esta. El ingeniero jefe de una de las grandes empresas industriales ordenó instalar micrófonos en los talleres más ruidosos, conectados a altavoces situados en el exterior de los edificios. En su opinión, de esta forma los micrófonos absorberán parte del ruido. Por supuesto, por muy cómica que sea esta historia, te hace pensar en las razones de tal analfabetismo en materia de reducción y aislamiento acústico. Y solo hay una razón para esto: en las instituciones educativas de educación superior, secundaria vocacional y secundaria especializada, solo en las últimas décadas han comenzado a introducir cursos especiales en acústica.

La ciencia del sonido

Los primeros intentos de comprender la naturaleza del sonido los realizó Pitágoras, quien estudió las vibraciones de una cuerda. Después de Pitágoras, durante muchos siglos esta zona no despertó ningún interés entre los investigadores. Por supuesto, varios científicos antiguos se dedicaron a construir sus propias teorías acústicas, pero estas investigaciones científicas no se basaban en cálculos matemáticos, sino que se parecían más bien a razonamientos filosóficos dispares.

Y sólo después de más de mil años Galileo sentó las bases de una nueva ciencia del sonido: la acústica. Los pioneros más destacados en este ámbito fueron Rayleigh y Helmholtz. Crearon la base teórica de la acústica moderna en el siglo XIX. Hermann Helmholtz es famoso principalmente por sus estudios sobre las propiedades de los resonadores, y Rayleigh recibió el premio Nobel por su trabajo fundamental sobre la teoría del sonido.

Principales direcciones de la acústica moderna.

Algún tiempo después se publicaron numerosos trabajos científicos sobre el estudio de la naturaleza del ruido y las cuestiones de la reducción y el aislamiento acústico. Los primeros trabajos en este ámbito se centraron principalmente en el ruido producido por los aviones y el transporte terrestre. Pero con el tiempo, los límites de estos estudios se han ampliado significativamente. Actualmente, la mayoría de los países industrializados tienen sus propios institutos de investigación que se dedican a desarrollar soluciones a estos problemas.

Hoy en día, las siguientes secciones de la acústica son las más conocidas: general, geométrica, arquitectónica, de construcción, psicológica, musical, biológica, eléctrica, aviación, transporte, médica, ultrasónica, cuántica, del habla, digital. Los siguientes capítulos examinarán algunas de estas áreas de la ciencia sólida.

Provisiones generales

En primer lugar, debemos definir la ciencia que se analiza en este artículo. La acústica es el campo del conocimiento sobre la naturaleza del sonido. Esta ciencia estudia fenómenos como la aparición, propagación, sensación del sonido y los diversos efectos que produce el sonido en los órganos de la audición. Como todas las demás ciencias, la acústica tiene su propio aparato conceptual.

La acústica es una ciencia considerada una de las ramas de la ciencia física. Al mismo tiempo, también es un campo interdisciplinario, es decir, tiene estrechas conexiones con otras áreas del conocimiento. La interacción de la acústica con la mecánica, la arquitectura, la teoría musical, la psicología, la electrónica y las matemáticas es más claramente visible. Las fórmulas más importantes de la acústica se refieren a las propiedades de propagación de las ondas sonoras en un medio elástico: ecuaciones de ondas planas y estacionarias, fórmulas para calcular la velocidad de las ondas.

Aplicación en música

La acústica musical es una rama que estudia los sonidos musicales desde una perspectiva física. Esta industria también es interdisciplinaria. Los trabajos científicos sobre acústica musical utilizan activamente los logros de las ciencias matemáticas, la teoría musical y la psicología. Los conceptos básicos de esta ciencia: tono, dinámica y matices tímbricos de los sonidos utilizados en la música. Esta sección de acústica está dirigida principalmente a estudiar las sensaciones que surgen cuando el ser humano percibe sonidos, así como las características de la entonación musical (reproducción de sonidos de un determinado tono). Uno de los temas de investigación más extensos en acústica musical es el tema de los instrumentos musicales.

Aplicación en la práctica

Los teóricos de la música han aplicado la investigación sobre acústica musical para construir conceptos de música basados ​​en las ciencias naturales. Los físicos y psicólogos han estudiado cuestiones de percepción musical. Los científicos nacionales que trabajaron en este campo trabajaron tanto en el desarrollo de una base teórica (N. Garbuzov es conocido por su teoría de las zonas de percepción musical) como en la aplicación de los logros en la práctica (L. Termen, A. Volodin, E. Murzin se dedicaba al diseño de instrumentos musicales eléctricos).

En los últimos años han comenzado a aparecer cada vez más trabajos científicos interdisciplinarios, en los que se examinan de forma exhaustiva las peculiaridades de la acústica de edificios pertenecientes a diferentes estilos y épocas arquitectónicas. Los datos obtenidos de la investigación en esta área se utilizan para desarrollar métodos para desarrollar el oído musical y técnicas de afinación de instrumentos musicales. Por tanto, podemos concluir que la acústica musical es una rama de la ciencia que no ha perdido su relevancia en la actualidad.

Ultrasonido

No todos los sonidos pueden ser percibidos por el oído humano. La acústica ultrasónica es una rama de la acústica que estudia las vibraciones del sonido en un rango de veinte kHz. Los sonidos de esta frecuencia están más allá de la percepción humana. El ultrasonido se divide en tres tipos: baja frecuencia, media frecuencia y alta frecuencia. Cada tipo tiene su propia reproducción específica y aplicación práctica. Los ultrasonidos se pueden crear no sólo de forma artificial. A menudo se encuentran en la vida silvestre. Así, el ruido producido por el viento se compone en parte de ultrasonidos. Además, algunos animales reproducen estos sonidos y son captados por sus órganos auditivos. Todo el mundo sabe que el murciélago es una de estas criaturas.

La acústica ultrasónica es una rama de la acústica que ha encontrado aplicación práctica en la medicina, en diversos experimentos e investigaciones científicas y en la industria militar. En particular, a principios del siglo XX en Rusia se inventó un dispositivo para detectar icebergs submarinos. El funcionamiento de este dispositivo se basó en la generación y captura de ondas ultrasónicas. De este ejemplo queda claro que la acústica ultrasónica es una ciencia cuyos logros se han utilizado en la práctica durante más de cien años.

Colocación de acento: ACÚSTICA

ACÚSTICA (griego akustikos - auditivo) - el estudio del sonido; Rama de la física que estudia las propiedades, aparición, propagación y recepción de ondas elásticas en medios gaseosos, líquidos o sólidos.

A., una de las áreas más antiguas de la física, surgió en relación con la necesidad de explicar los fenómenos de la audición y el habla. Así, Empédocles (490-430 a. C.) explicó la propagación y percepción de los sonidos mediante los movimientos de una sustancia especial (sutil) que emana del cuerpo sonoro y entra en el oído. Aristóteles (384-322 aC) ya entendía que un cuerpo sonoro provoca la compresión y enrarecimiento del aire, y supo explicar el proceso de aparición del eco. Distinguió claramente entre altura, fuerza y ​​timbre del sonido y los asoció con diferencias en la velocidad y cantidad de aire en movimiento y con la estructura del aparato vocal. Pitágoras (siglo VI a.C.) fue el primero en formular las leyes de la vibración de las cuerdas.

Un hito en el desarrollo de la acústica fue el trabajo de Galileo y Mersenne (siglo XVII), quienes establecieron las leyes cuantitativas de vibración de las cuerdas y fueron los primeros en determinar la velocidad del sonido en el aire. Gassendi (siglo XVII) estableció que la velocidad del sonido no depende de su altura. Los hermanos Weber (1825) y Savard (1820) demostraron que la propagación del sonido en líquidos y cuerpos elásticos sigue las mismas leyes que en el aire. En 1863 se publicó el libro de Helmholtz "La doctrina de las sensaciones sonoras", y en 1877-1878. - La obra de Rayleigh "Teoría del sonido".

Helmholtz explicó la naturaleza física de los sonidos basándose en el método que desarrolló para analizar los sonidos (resonadores de Helmholtz) y explicó la percepción del sonido mediante las leyes de la física.

Una nueva etapa en el desarrollo de la acústica comenzó en relación con el desarrollo de la tecnología electrónica, la creación de amplificadores electrónicos y el descubrimiento de nuevas formas de generar sonidos de hasta frecuencias muy altas (millones de vibraciones por segundo). A. comenzó a desarrollarse de manera especialmente intensa en relación con el problema de la radiodifusión y la televisión.

La arquitectura moderna se puede dividir en general o teórica, fisiológica, médica, musical, arquitectónica, técnica y atmosférica; También se distinguen la electroacústica y la hidroacústica.

General, oteórico, acústica estudia (teórica y experimentalmente) los procesos de aparición y difusión sonido(ver), así como métodos de mediciones acústicas.

Un cuerpo oscilante (fuente de oscilaciones) crea en el entorno zonas de aumento y disminución alternas de presión, propagándose en diferentes direcciones en forma de oscilaciones elásticas (ondas) con velocidades determinadas por las propiedades del medio en el que se propagan. Por ejemplo, la velocidad de propagación de ondas elásticas en el aire a t° 0° es 331 m/seg, en agua - 1440-1500 m/seg, en tejido óseo - 3380 m/seg. Las vibraciones elásticas se caracterizan por la frecuencia de vibración (f), la longitud de onda (λ) y la intensidad de la vibración (I). La frecuencia de oscilación se determina en hercios ( Hz); 1 Hz igual a una vibración por segundo. Si la frecuencia de las vibraciones elásticas está en el rango de 16-20000 Hz, luego son percibidos por el órgano auditivo humano en forma de sonido, cuya altura está determinada por la frecuencia de las vibraciones; en este caso, las frecuencias más altas corresponden a sonidos más altos.

La fuerza del sonido está determinada por la intensidad del sonido o la cantidad de energía sonora que fluye a través de 1 cm 2 en 1 seg. La intensidad de la vibración es máxima en la fuente de vibración y disminuye con la distancia.

Fluctuaciones por debajo de 16 y por encima de 20000 Hz(con desviaciones en una dirección u otra) no son percibidos por el oído humano en forma de sonidos y se denominan infrasonido(medios de comunicación en masa ultrasonidos(cm.). Al mismo tiempo, una persona a través de los huesos del cráneo puede percibir ultrasonidos con una frecuencia de aproximadamente 100.000-150.000 Hz. El cuerpo puede percibir las vibraciones infrasónicas de forma vibrotáctil (ver. Vibración). Los límites de percepción de las ondas sonoras por parte de los animales difieren significativamente de las cifras indicadas (por ejemplo, los conejillos de indias, los hámsters y algunos otros animales perciben sonidos con una frecuencia de hasta 100.000 Hz).

La acústica fisiológica estudia la física y biofísica de los órganos de la audición y el habla, así como las consecuencias de la acción de las vibraciones elásticas, ya que estas últimas son capaces de ejercer efectos mecánicos, térmicos y físico-químicos sobre los objetos biológicos (incluido el cuerpo como entero). impacto. La intensidad de la energía del sonido y la frecuencia son importantes. Así, por ejemplo, con una intensidad de sonido del orden de 10 -4 anchos/cm 2 se produce una sensación dolorosa. Los sonidos intensos, incluso por debajo del umbral del dolor, tienen un efecto perjudicial sobre la salud y el rendimiento. La exposición prolongada a ruidos fuertes puede causar pérdida de la audición(ver), a veces para sordera(ver) o daño específico al órgano de la audición como resultado de la exposición a sonidos de fuerza excesiva (ver. trauma acústico). Al mismo tiempo, la sensibilidad del oído humano a sonidos de diferentes tonos no es la misma. El oído es más sensible a los tonos 1000-3000. Hz.

Las vibraciones elásticas de diferentes rangos de frecuencia provocan efectos específicos, pero todos los rangos de frecuencia tienen algo en común en la naturaleza de su acción: 1) a bajas intensidades, el efecto del sonido sobre el sustrato biológico está prácticamente ausente; 2) a intensidades medias, el impacto de vibraciones elásticas provoca vibraciones mecánicas, térmicas y físico-químicas. cambios; 3) a altas intensidades, se producen cambios irreversibles en el sustrato biológico, que a veces conducen a la muerte del organismo (ver. Sonido, efecto biológico de los sonidos de alta intensidad).

Acústica médica, utilizando las técnicas y métodos de vibración fisiológica, explora y busca las posibilidades del uso de vibraciones elásticas en la medicina práctica (diagnóstico, terapia, cirugía).

Se presta especial atención al estudio de las vibraciones elásticas que se producen en el cuerpo humano durante el funcionamiento de sus órganos internos y del sistema circulatorio (por ejemplo, la actividad mecánica del corazón, los pulmones, las ondas del pulso, etc.). Estos estudios, realizados en condiciones normales y patológicas, sirven de base para la creación de instrumentos y dispositivos acústicos, así como para determinados métodos de investigación (por ejemplo, auscultación, neumografía, fonocardiografía). Para diagnosticar enfermedades del órgano auditivo, así como para examinar el analizador auditivo, se utiliza un generador de sonido externo (ver. Audiometria, audiómetro).

Una de las áreas de uso de las vibraciones sonoras en medicina son los dispositivos para prótesis del aparato vocal y corrección de la audición del paciente (ver. Audífonos).

El ultrasonido se usa especialmente. Se utiliza con fines terapéuticos, proporcionando una alta eficacia terapéutica, y cada vez más con fines diagnósticos, complementando la radiografía. El ultrasonido ha encontrado aplicación en cirugía, debido a la facilidad de obtener ultrasonidos potentes, si es necesario en forma de haces delgados con la capacidad de enfocarlos como haces ópticos. Se utiliza en el tratamiento de determinadas enfermedades cerebrales, cuando es necesario necrosar localmente el tejido (la intensidad de cada uno de los rayos ultrasónicos dirigidos a un punto determinado es insuficiente para provocar cualquier cambio patológico, pero en el punto focal su intensidad total es suficiente para necrosar el tejido).

Los ultrasonidos tienen propiedades bactericidas pronunciadas, que han encontrado aplicación, por ejemplo, en la esterilización de leche, alimentos enlatados, etc. Los ultrasonidos también se utilizan en la limpieza de instrumentos (basados ​​en el fenómeno de la cavitación), en particular los quirúrgicos, y principalmente en agujas huecas. para inyecciones (más Para obtener detalles sobre el uso de ultrasonido en medicina, consulte Ultrasonido).

Uno de los aspectos de la aplicación práctica de los resultados de la investigación en el campo de A. es la dignidad. racionamiento ruido(cm.). El nivel de ruido y su análisis espectral se miden mediante sonómetros y analizadores de espectro sonoro. A partir de un trabajo especial que tiene en cuenta los efectos nocivos del ruido en el cuerpo humano, se han desarrollado estándares de ruido máximos permitidos para diversas condiciones. Se ha realizado un trabajo similar en el campo de la regulación sanitaria. vibraciones(cm.).

Consulte más arriba los principales usos de la acústica en la práctica médica.

Acústica arquitectónica estudia los procesos sonoros en espacios cerrados desde el punto de vista de garantizar una buena audibilidad del habla y la música en todos los puntos donde se encuentren los oyentes, etc.

Acústica atmosférica trata del cap. Arr. estudiar los patrones de propagación del sonido en una atmósfera libre.

Acústica técnica considera principalmente la posibilidad práctica de aplicar A. a la tecnología de transmisión de sonidos, habla y música individuales, que está relacionada con el Cap. Arr. con problemas para convertir la energía sonora en energía eléctrica; Por lo tanto, la ingeniería técnica a menudo se llama electroacústica. El análisis técnico, junto con el análisis general o teórico, se ocupa de la creación de equipos de medición, recepción y transmisión.

Una sección especial de ingeniería técnica es hidroacústica, que estudia la propagación de ondas y rayos sonoros en un medio líquido, y principalmente en agua.

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L. A. Vodolazsky, A. A. Chevnenko.

Fuentes:

1. Gran enciclopedia médica. Volumen 1/Editor en Jefe Académico B.V. Petrovsky; editorial "Enciclopedia Soviética"; Moscú, 1974.- 576 p.

I. Materia de física. Sus tareas. El sonido y sus características.

Física - la ciencia de las propiedades y formas de existencia de la materia.

Biofísica - ciencia médica y biológica que estudia procesos y fenómenos físicos en los sistemas vivos, incluso bajo diversas influencias externas.

Metas ytareascurso de física médica y biológica:

Familiarizarse con los mecanismos físicos y biofísicos que ocurren en los tejidos, órganos y sistemas del cuerpo.

Estudiar las características físicas y biofísicas de órganos y tejidos y los principios físicos de su funcionamiento.

Familiarizarse con las bases físicas de los métodos de diagnóstico y tratamiento.

Familiarizarse con las bases físicas de los métodos de funcionamiento de los equipos médicos.

Estudiar la influencia de factores externos en el organismo.

Características de la física moderna.

a) La física moderna tiene zonas fronterizas con otras ciencias.

b) La física se divide en una serie de áreas estrechas según diferentes criterios:

por alcance de la investigación;

por sujetos de investigación.

El papel de la física para otras ciencias es cada vez mayor: les proporciona teorías, principios, sistemas de unidades, resultados experimentales, crea la base para el diseño de equipos médicos y explica diversos procesos físicos y biológicos.

Características de la biofísica:

Es una ciencia de frontera.

Tiene áreas estrechas:

generales y privados;

teórico, experimental y aplicado;

estudia la biofísica de plantas, animales y humanos;

biofísica cuántica;

molecular, celular, biofísica de tejidos, órganos, sistemas, poblaciones.

Sonido, sus características.

Acústica es la ciencia de la producción, propagación y propiedades de las ondas mecánicas y la interacción de estas ondas con objetos físicos y biofísicos.

Tipos de acústica:

Técnico- estudia la recepción y distribución del sonido, desarrolla métodos de investigación del sonido.

Arquitectónico- explora cuestiones relacionadas con la obtención de una buena audibilidad o la protección de las instalaciones (por ejemplo, del ruido).

Biológico- explora la producción y el uso del sonido por los organismos vivos.

Médico- explora la física y biofísica de la audición y el habla, las posibilidades de utilizar el sonido para el diagnóstico y el tratamiento. Debe hacerse una distinción entre el uso de sonido audible y ultrasonido.

Principales tareas de la acústica médica. :

desarrollo de normas higiénicas para el uso del sonido en la ciencia y la industria;

desarrollo de métodos sólidos de diagnóstico y tratamiento;

desarrollo de métodos de diagnóstico y tratamiento por ultrasonido.

El sonido como fenómeno físico.

Sonido- un tipo de vibraciones mecánicas que se propagan en medios elásticos principalmente en forma de ondas longitudinales. El sonido no viaja en el vacío.

Onda de sonido- perturbación mecánica propagada en un medio elástico.

Vibraciones sonoras- vibraciones mecánicas de partículas convencionales del medio.

Partículas condicionales- volúmenes del medio que son bastante pequeños en comparación con la longitud de onda.

Campo de sonido- parte del espacio en el que se propaga una onda sonora.

Clasificación de ondas sonoras:

1. Por frecuencia

infrasonido (v< 16Гц)

sonido audible (16Hz< v < 20000Гц)

ultrasonido (20000Hz< v <100МГц)

hipersonido (v > 100 MHz)

(todos los límites son condicionales)

El analizador auditivo no percibe infrasonidos, ultrasonidos ni hipersonidos.

En la dirección del desplazamiento de partículas medianas.:

Longitudinal: ondas en las que se producen vibraciones de las partículas del medio a lo largo de la dirección de propagación de la onda.

Transversales: ondas en las que se producen vibraciones de las partículas del medio en una dirección perpendicular a la dirección de propagación de la onda.

En líquidos y gases, las fuerzas elásticas surgen solo cuando cambia el volumen, en ellos solo se forman ondas longitudinales.

En los sólidos, las fuerzas elásticas surgen tanto cuando cambia el volumen como cuando cambia la forma, en ellos se forman ondas longitudinales y transversales, y la velocidad de las ondas longitudinales es aproximadamente la mitad de la velocidad de las ondas transversales.

3. Según la forma de vibración:

Espectro armónico