Akustika je oblasť fyziky, ktorá študuje elastické vibrácie a vlny od najnižších frekvencií po extrémne vysoké (10 12 -10 13 Hz). Moderná akustika pokrýva širokú škálu problémov, zahŕňa niekoľko sekcií: fyzikálnu akustiku, ktorá študuje charakteristiky šírenia elastických vĺn v rôznych médiách, fyziologickú akustiku, ktorá študuje štruktúru a fungovanie prijímania a vytvárania zvuku. orgánov u ľudí a zvierat a pod.V užšom zmysle slova sa pod akustikou rozumie náuka o zvuku, t.j. o elastických vibráciách a vlnách v plynoch, kvapalinách a pevných látkach vnímaných ľudským uchom (frekvencie od 16 do 20 000 Hz).

8.1. POVAHA ZVUKU. FYZICKA CHARAKTERISTIKA

Zvukové vibrácie a vlny sú špeciálnym prípadom mechanických vibrácií a vĺn. Avšak vzhľadom na dôležitosť akustických konceptov pre hodnotenie sluchových vnemov, ako aj v súvislosti s medicínskymi aplikáciami, je vhodné preskúmať niektoré otázky špecificky. Je obvyklé rozlišovať nasledujúce zvuky:

1) tóny alebo hudobné zvuky;

2) hluk;

3) zvukové tresky.

Volá sa to tónzvuk,čo je periodický proces. Ak je tento proces harmonický, potom sa volá tón jednoduché alebo čistý, a príslušná rovinná zvuková vlna je opísaná rovnicou (7.45). Hlavnou fyzikálnou charakteristikou čistého tónu je frekvencia. Anharmonický 1 zodpovedá kolísaniu ťažké tón. Jednoduchý tón vytvára napríklad ladička, zložitý tón hudobné nástroje, rečový aparát (hlásky samohlásky) atď.

Komplexný tón možno rozdeliť na jednoduché. Najnižšia frekvencia ν ο takejto expanzie zodpovedá základný tón iné harmonické (podtóny) majú frekvencie rovné 2ν ο, 3ν ο atď. Súbor frekvencií označujúcich ich relatívnu intenzitu (amplitúda A) volal akusticky

1 Anharmonic - neharmonická vibrácia.

spektrum oblohy(pozri 6.4). Komplexné tónové spektrum je lemované; na obr. Obrázok 8.1 ukazuje akustické spektrá tej istej noty (ν 0 = 100 Hz), na klavíri (a) a klarinete (b). Akustické spektrum je teda dôležitou fyzikálnou charakteristikou komplexného tónu.

Hluk je zvuk, ktorý má zložitú, neopakujúcu sa časovú závislosť.

Ryža. 8.1

Hluk zahŕňa zvuky z vibrácií strojov, tlieskanie, hluk plameňa horáka, šušťanie, škrípanie, spoluhláskové zvuky reči atď.

Hluk si možno predstaviť ako kombináciu náhodne sa meniacich komplexných tónov. Ak sa pokúsime s určitou mierou konvencie rozložiť hluk na spektrum, ukáže sa, že toto spektrum bude spojité, napríklad spektrum získané zo hluku horenia Bunsenovho plynového horáka (obr. 8.2).

Sonický tresk je krátkodobý zvukový dopad: tresk, výbuch a pod. Sonický tresk by sa nemal zamieňať s rázovou vlnou(pozri 7.10).

1 Presne povedané, v tomto vzorci podR treba chápať priemernú amplitúdu akustického tlaku.

8.2. CHARAKTERISTIKY SLUCHOVÉHO VNÍMANIA. MERANIE ZVUKU

8.1 zvážiť objektívne charakteristiky zvuku, ktoré by bolo možné posúdiť vhodnými nástrojmi nezávisle od jednotlivca. Zvuk je však objektom sluchových vnemov, a preto ho človek posudzuje subjektívne.

Pri vnímaní tónov ich človek rozlišuje výškou.

Výška- subjektívna charakteristika určená predovšetkým frekvenciou základného tónu.

V oveľa menšej miere výška závisí od zložitosti tónu a jeho intenzity: zvuk väčšej intenzity je vnímaný ako zvuk nižšieho tónu.

Timbre zvuk je takmer výlučne určený jeho spektrálnym zložením.

Na obr. 8.1, rôznym timbrom zodpovedajú rôzne akustické spektrá, hoci základný tón a teda aj výška sú rovnaké.

Objem- iné subjektívne hodnotenie zvuku, ktoré charakterizuje úroveň sluchového vnemu.

Hoci je hlasitosť subjektívna, dá sa kvantifikovať porovnaním sluchového vnemu z dvoch zdrojov.

Základ pre vytvorenie stupnice úrovne hlasitosti je dôležitý Weberov-Fechnerov psychofyzikálny zákon: ak zvyšujete podráždenie v geometrickej progresii (t. j. o rovnaký počet ráz), potom sa pocit tohto podráždenia zvyšuje v aritmetickej progresii (t. j. o rovnakú hodnotu).

Vo vzťahu k zvuku to znamená, že ak intenzita zvuku nadobudne sériu po sebe nasledujúcich hodnôt, napríklad a1 0, a 2 1 0 a 3 1 0 (a je určitý koeficient, A>1) atď., potom zodpovedajúce vnemy hlasitosti E 0, 2E 0, 3E 0 atď.

Matematicky to znamená, že hlasitosť zvuku je úmerná logaritmu intenzity zvuku.

Ak sú dva zvukové podnety s intenzitami ja a I 0 a I 0 je prah počuteľnosti, potom, na základe Weber-Fechnerovho zákona, hlasitosť súvisiaca s ním súvisí s intenzitami takto:

E= klg(I/ I,), (8,3)

Kde k- určitý koeficient úmernosti v závislosti od frekvencie a intenzity.

Ak koeficient k bola konštantná, potom by z (8.1) a (8.3) vyplývalo, že logaritmická stupnica intenzít zvuku zodpovedá stupnici hlasitosti. V tomto prípade by bola hlasitosť zvuku, ako aj intenzita vyjadrená v beloch alebo decibeloch. Avšak silná závislosť k z frekvencie a intenzity zvuku neumožňuje zredukovať meranie hlasitosti na jednoduché použitie vzorca (8.3).

Bežne sa predpokladá, že pri frekvencii 1 kHz sa stupnice hlasitosti a intenzity zvuku úplne zhodujú, t.j. k = 1 a Eb = log(I/Io), alebo analogicky s (8.2):

E f = 10 log(I/10). (8,4)

Na odlíšenie od stupnice intenzity zvuku v stupnici hlasitosti sa nazývajú decibely pozadia(pozadie).

Hlasitosť pri iných frekvenciách možno merať porovnaním zvuku, ktorý nás zaujíma, so zvukom pri 1 kHz. Ak to chcete urobiť pomocou generátor zvuku 1 vytvoriť zvuk s frekvenciou 1 kHz. Intenzita zvuku sa mení, až kým nenastane sluchový vnem podobný pocitu hlasitosti študovaného zvuku. Intenzita zvuku s frekvenciou 1 kHz v decibeloch, meraná prístrojom, sa rovná hlasitosti tohto zvuku v pozadí.

Aby ste našli súlad medzi hlasitosťou a intenzitou zvuku pri rôznych frekvenciách, použite krivky rovnakej hlasitosti (obr. 8.4). Tieto krivky sú založené na priemerných údajoch získaných od ľudí s normálnym sluchom pri meraní pomocou vyššie opísanej metódy.

Spodná krivka zodpovedá intenzitám najslabších počuteľných zvukov – prahu počuteľnosti; pre všetky frekvencie Eph = 0, pre intenzitu zvuku 1 kHz ja 0= 1 pW/m2. Z vyššie uvedených kriviek je vidieť, že priemerné ľudské ucho je najcitlivejšie na frekvencie 2500-3000 Hz. Každá medzikrivka zodpovedá rovnakej hlasitosti, ale rôznej intenzite zvuku pre rôzne frekvencie. Pomocou samostatnej krivky rovnajúcej sa hlasitosti je možné nájsť intenzity, ktoré pri určitých frekvenciách spôsobujú pocit tejto hlasitosti. Pomocou sady kriviek rovnakej hlasitosti možno nájsť rôzne

1 Zvukový generátor je elektronické zariadenie, ktoré generuje elektrické vibrácie pri frekvenciách v audio rozsahu. Samotný generátor zvuku však nie je zdrojom zvuku. Ak sa vibrácia, ktorú vytvára, aplikuje na reproduktor, objaví sa zvuk, ktorého tonalita zodpovedá frekvencii generátora. Zvukový generátor poskytuje možnosť plynule meniť amplitúdu a frekvenciu vibrácií.

objemové frekvencie zodpovedajúce určitej intenzite. Nech je napríklad intenzita zvuku s frekvenciou 100 Hz 60 dB. Aká je hlasitosť tohto zvuku? Na obr. 8.2 nájdeme bod so súradnicami 100 Hz, 60 dB. Leží na krivke zodpovedajúcej úrovni hlasitosti 30 von, čo je odpoveď.

Aby sme mali určité predstavy o zvukoch rôzneho charakteru, uvádzame ich fyzikálne charakteristiky (tabuľka 8.1).

Tabuľka 8.1

Metóda na meranie ostrosti sluchu je tzv audiometria. Počas audiometrie na špeciálnom zariadení (audiometer) určiť prah sluchového vnemu pri rôznych frekvenciách; výsledná krivka sa nazýva audio diagram. Porovnanie audiogramu chorého človeka s normálnou krivkou sluchového prahu pomáha diagnostikovať ochorenie sluchu.

Používa sa na objektívne meranie hladiny hluku zvukomerŠtrukturálne zodpovedá schéme znázornenej na obr. 8.3. Vlastnosti zvukomeru sa približujú vlastnostiam ľudského ucha (pozri krivky rovnakej hlasitosti na obr. 8.4), na tento účel sa používajú korekčné elektrické filtre pre rôzne rozsahy úrovní hlasitosti.

8.3. FYZIKÁLNE ZÁKLADY ZVUKOVÝCH METÓD VÝSKUMU V KLINICE

Zvuk, podobne ako svetlo, je zdrojom informácií, a to je jeho hlavný význam.

Zvuky prírody, reč ľudí okolo nás, hluk prevádzkovaných strojov nám veľa napovedia. Aby ste si predstavili význam zvuku pre človeka, stačí sa dočasne zbaviť schopnosti vnímať zvuk - zavrieť uši.

Prirodzene, zvuk môže byť aj zdrojom informácií o stave vnútorných orgánov človeka. Bežná zvuková metóda

diagnostika chorôb - auskultácia(počúvanie) – známe už od 2. stor. BC. Používa sa na auskultáciu stetoskop alebo fonendoskop. Fonendoskop (obr. 8.5) pozostáva z dutého puzdra 1 s membránou prenášajúcou zvuk 2, aplikovanou na telo pacienta, z nej vychádzajú gumené hadičky 3 do ucha lekára. V dutej kapsule dochádza k rezonancii vzduchového stĺpca, v dôsledku čoho sa zvuk zintenzívni a zlepší sa aukultivácia.

Pri auskultácii pľúc sa ozývajú zvuky dýchania a rôzne pískanie charakteristické pre choroby. Podľa zmien srdcových zvukov a výskytu šelestov je možné posúdiť stav srdcovej činnosti. Pomocou auskultácie môžete určiť prítomnosť peristaltiky žalúdka a čriev a počúvať tlkot srdca plodu.

Na súčasné počúvanie pacienta niekoľkými výskumníkmi na vzdelávacie účely alebo počas konzultácie sa používa systém, ktorý obsahuje mikrofón, zosilňovač a reproduktor alebo niekoľko telefónov.

Na diagnostiku stavu srdcovej činnosti sa používa a nazýva sa metóda podobná auskultácii fonokardiografia(FKG). Táto metóda spočíva v grafickom zaznamenávaní srdcových zvukov a šelestov a ich diagnostickej interpretácii. Fonokardiogram sa zaznamenáva pomocou fonokardiografu (obr. 8.6), pozostávajúceho z mikrofónu, zosilňovača, sústavy frekvenčných filtrov a záznamového zariadenia. Na obr. Obrázok 8.7 ukazuje normálny fonokardiogram.

V zásade sa líši od dvoch vyššie opísaných metód zvuku perkusie. Pri tejto metóde sa zvuk jednotlivých častí tela počúva poklepaním na ne.

Predstavme si uzavretú dutinu naplnenú vzduchom vo vnútri nejakého telesa. Ak v tomto tele vyvoláte zvukové vibrácie, tak pri určitej frekvencii zvuku začne vzduch v dutine rezonovať, pričom uvoľní a zosilní tón zodpovedajúci veľkosti a polohe dutiny.

Schematicky možno ľudské telo znázorniť ako súbor objemov naplnených plynom (pľúca), kvapalinou (vnútorné orgány) a pevnými (kosťami). Pri dopade na povrch telesa dochádza k vibráciám, ktorých frekvencie majú široký rozsah. Z tohto rozsahu niektoré vibrácie zmiznú pomerne rýchlo, zatiaľ čo iné, ktoré sa zhodujú s prirodzenými vibráciami dutín, sa zintenzívnia a vďaka rezonancii budú počuteľné. Skúsený lekár zisťuje stav a topografiu vnútorných orgánov podľa tónu bicích zvukov.

8.4. VLNÁM ODOLNOSŤ. ODRAZ ZVUKOVÝCH VLN. REVERBERATION

Akustický tlak R závisí od rýchlosti υ kmitajúcich častíc média. To ukazujú výpočty

Tabuľka 8.2

Na výpočet koeficientu prieniku zvukovej vlny zo vzduchu do betónu a do vody použijeme (8.8):

Tieto údaje sú pôsobivé: ukazuje sa, že len veľmi malá časť energie zvukovej vlny prechádza zo vzduchu do betónu a do vody. V akomkoľvek uzavretom priestore sa zvuk odrazený od stien, stropov, nábytku dopadá na iné steny, podlahy a pod., opäť odráža a pohlcuje a postupne doznieva. Preto aj po zastavení zdroja zvuku sú v miestnosti stále zvukové vlny, ktoré vytvárajú hukot. To je obzvlášť viditeľné vo veľkých priestranných halách. Proces postupného tlmenia zvuku v uzavretých priestoroch po vypnutí zdroja je tzv dozvuk.

Dozvuk je na jednej strane užitočný, pretože vnímanie zvuku je posilnené energiou odrazenej vlny, ale na druhej strane príliš dlhý dozvuk môže výrazne zhoršiť vnímanie reči a hudby, pretože každá nová časť text sa prekrýva s predchádzajúcimi. V tomto smere väčšinou udávajú nejakú optimálnu dobu dozvuku, s ktorou sa počíta pri budovaní hľadísk, divadelných a koncertných sál atď. Napríklad čas dozvuku zaplnenej siene stĺpov v Dome odborov v Moskve je 1,70 s a zaplneného Veľkého divadla 1,55 s. Pre tieto miestnosti (prázdne) je doba dozvuku 4,55 a 2,06 s.

8.5. FYZIKA SLUCHU

Sluchový systém spája priamy prijímač zvukových vĺn s mozgom.

Pomocou pojmov kybernetika môžeme povedať, že sluchový systém prijíma, spracováva a prenáša informácie. Z celého sluchového ústrojenstva, aby sme zvážili fyziku sluchu, vyčleníme vonkajšie, stredné a vnútorné ucho.

Vonkajšie ucho pozostáva z ušnice 1 a vonkajší zvukovod 2 (obr. 8.8).

Ryža. 8.9

Ušnica u ľudí nehrá významnú úlohu pri sluchu. Pomáha určiť lokalizáciu zdroja zvuku, keď sa nachádza v sagitálnej rovine. Poďme si to vysvetliť. Zvuk zo zdroja vstupuje do ucha. V závislosti od polohy zdroja vo vertikálnej rovine (obr. 8.9) sa zvukové vlny budú v ušnici odlišne difraktovať v dôsledku jej špecifického tvaru. To povedie aj k rôznym zmenám v spektrálnom zložení zvukovej vlny vstupujúcej do zvukovodu (otázka difrakcie je podrobnejšie diskutovaná v 24.6). V dôsledku skúseností sa človek naučil spájať zmeny v spektre zvukovej vlny so smerom k zdroju zvuku (smery A, B A IN na obr. 8.9).

Ľudia a zvieratá, ktorí majú dva prijímače zvuku (uši), dokážu určiť smer k zdroju zvuku a v horizontálnej rovine (binaurálny efekt; obr. 8.10). Vysvetľuje to skutočnosť, že zvuk sa šíri od zdroja k rôznym ušiam na rôzne vzdialenosti a pre vlny vstupujúce do pravého a ľavého ucha vzniká fázový rozdiel. Vzťah medzi rozdielom v týchto vzdialenostiach (δ) a fázovým rozdielom (Δφ) je odvodený v 24.1 pri vysvetľovaní interferencie svetla [pozri (24,9)]. Ak je zdroj zvuku umiestnený priamo pred tvárou osoby, potom δ = 0 a Δφ = 0; ak je zdroj zvuku umiestnený na strane oproti jednému z uší, potom vstúpi do druhého ucha s oneskorením. Predpokladajme približne, že v tomto prípade sa δ rovná vzdialenosti medzi ušami. Pomocou vzorca (24.9) možno vypočítať fázový rozdiel pre ν = 1 kHz a δ = 0,15 m. Približne sa rovná 180°.

Rôzne smery k zdroju zvuku v horizontálnej rovine budú zodpovedať fázovému rozdielu medzi 0° a 180° (pre vyššie uvedené údaje). Predpokladá sa, že osoba s normálnym sluchom dokáže určiť smer zdroja zvuku s presnosťou 3°, čo zodpovedá fázovému rozdielu 6°. Preto sa dá predpokladať, že ľudia

Ryža. 8.10

očné viečko je schopné rozlíšiť zmeny fázového rozdielu zvukových vĺn vstupujúcich do jeho uší s presnosťou 6°.

Okrem fázového rozdielu je binaurálny efekt uľahčený rozdielom v intenzite zvuku v rôznych ušiach, ako aj akustickým tieňom z hlavy pre jedno ucho. Na obr. Obrázok 8.10 schematicky ukazuje, že zvuk zo zdroja vstupuje do ľavého ucha v dôsledku difrakcie.

Zvuková vlna prechádza zvukovodom a čiastočne sa odráža od bubienka 3. V dôsledku interferencie dopadajúcich a odrazených vĺn môže dôjsť k akustickej rezonancii. K tomu dochádza, keď je vlnová dĺžka štyrikrát väčšia ako dĺžka vonkajšieho zvukovodu. Dĺžka zvukovodu u ľudí je približne 2,3 cm; preto sa akustická rezonancia vyskytuje pri frekvencii:

Najdôležitejšou časťou stredného ucha je bubienok 3 a sluchové kostičky: kladívko 4, inkus 5 a strmeň 6 so zodpovedajúcimi svalmi, šľachami a väzmi. Kosti prenášajú mechanické vibrácie zo vzdušného prostredia vonkajšieho ucha do tekutého prostredia vnútorného ucha. Kvapalné médium vnútorného ucha má charakteristickú impedanciu približne rovnakú ako charakteristická impedancia vody. Ako bolo ukázané (pozri 8.4), pri priamom prechode zvukovej vlny zo vzduchu do vody sa prenáša len 0,122 % intenzity dopadu. Toto je príliš málo. Preto je hlavným účelom stredného ucha napomáhať prenosu väčšej intenzity zvuku do vnútorného ucha. Pomocou odborného jazyka môžeme povedať, že stredné ucho zodpovedá vlnovému odporu vzduchu a tekutiny vnútorného ucha.

Systém kostičiek na jednom konci je spojený kladivom s ušným bubienkom (oblasť S 1= 64 mm 2), na druhej strane - strmeň - s oválnym okienkom 7 vnútorné ucho (plocha S 2 = 3 mm 2).

Akustický tlak p 1 pôsobí na bubienok, ktorý určuje silu

na 8, volal vestibulárne schodisko.Ďalší kanál pochádza z okrúhleho okna 9, je to tzv scala tympani 10. Vestibulárna a tympanická scala sú v oblasti kupoly kochley prepojené cez malý otvor - helicotrema 11. Oba tieto kanály teda určitým spôsobom predstavujú jeden systém vyplnený peri-lymfou. Kmity palíc 6 prenášané na membránu oválneho okienka 7, z nej do perilymfy a „vypučiť“ membránu okrúhleho okienka 9. Priestor medzi scala vestibular a scala tympani je tzv kochleárny kanál 12, je vyplnená endolymfou. Hlavná (bazilárna) membrána prebieha medzi kochleárnym kanálom a scala tympani pozdĺž kochley. 13. Obsahuje Cortiho orgán, ktorý obsahuje receptorové (vlasové) bunky, a sluchový nerv sa tiahne od slimáka (tieto detaily nie sú znázornené na obr. 8.9).

Cortiho orgán (špirálový orgán) premieňa mechanické vibrácie na elektrický signál.

Dĺžka hlavnej membrány je cca 32 mm, smerom od oválneho okienka na vrchole slimáka sa rozširuje a stenčuje (od šírky 0,1 až 0,5 mm). Hlavná membrána je pre fyziku veľmi zaujímavou štruktúrou, má frekvenčne selektívne vlastnosti. To si všimol Helmholtz, ktorý si predstavil hlavnú membránu ako analogickú sériu ladených strún na klavíri. Nositeľ Nobelovej ceny Bekesy potvrdil omyl tejto teórie rezonátora. Bekesyho práca ukázala, že hlavnou membránou je heterogénna línia prenosu mechanického budenia. Pri vystavení akustickému podnetu sa pozdĺž hlavnej membrány šíri vlna. V závislosti od frekvencie sa táto vlna rôzne tlmí. Čím je frekvencia nižšia, tým ďalej od oválneho okienka bude vlna postupovať pozdĺž hlavnej membrány, než začne tlmiť. Napríklad vlna s frekvenciou 300 Hz sa bude šíriť približne do 25 mm od oválneho okienka pred začiatkom útlmu a vlna s frekvenciou 100 Hz dosiahne svoje maximum blízko 30 mm.

Na základe týchto pozorovaní boli vyvinuté teórie, podľa ktorých je vnímanie výšky tónu určené polohou maximálnej vibrácie hlavnej membrány. Vo vnútornom uchu tak možno vysledovať určitý funkčný reťazec: kmitanie membrány oválneho okienka - kmitanie perilymfy - komplexné kmitanie hlavnej membrány - podráždenie vláskových buniek (receptorov Cortiho orgánu) - generovanie elektrický signál.

Niektoré formy hluchoty sú spojené s poškodením receptorového aparátu kochley. V tomto prípade kochlea negeneruje elektrické signály.

pri vystavení mechanickým vibráciám. Takýmto nepočujúcim ľuďom možno pomôcť implantáciou elektród do slimáka a aplikáciou elektrických signálov zodpovedajúcich tým, ktoré vznikajú pri vystavení mechanickému podnetu.

Takáto protetika pre hlavnú funkciu kochley (kochleárna protetika) sa vyvíja v mnohých krajinách. V Rusku bola vyvinutá a implementovaná kochleárna protetika na Ruskej lekárskej univerzite. Kochleárna protéza je znázornená na obr. 8.12, tu 1 - hlavné telo, 2 - háčik na ucho s mikrofónom, 3 - zástrčka elektrického konektora na pripojenie k implantovateľným elektródam.

8.6. ULTRAZVUKOVÉ A BGO APLIKÁCIE V MEDICÍNE

Ultrazvuk(US) sú mechanické vibrácie a vlny, ktorých frekvencia je vyššia ako 20 kHz.

Za hornú hranicu ultrazvukových frekvencií možno považovať 10 9 -10 10 Hz. Táto hranica je určená medzimolekulovými vzdialenosťami a závisí teda od stavu agregácie látky, v ktorej sa ultrazvuková vlna šíri.

Na generovanie ultrazvuku sa používajú zariadenia nazývané ultrazvukové žiariče. Najrozšírenejšie sú elektromechanické žiariče založené na fenoméne inverzného piezoelektrického javu (pozri 14.7). Reverzný piezoelektrický efekt je

vzniká pri mechanickej deformácii telies vplyvom elektrického poľa. Hlavnou časťou takéhoto žiariča (obr. 8.13, a) je doska alebo tyč 1 vyrobená z látky s dobre vyjadrenými piezoelektrickými vlastnosťami (kremeň, Rochellova soľ, keramický materiál na báze titaničitanu bárnatého atď.). Na povrch platne sú vo forme vodivých vrstiev nanesené elektródy 2. Ak je na elektródy privedené striedavé elektrické napätie z generátora 3, potom doštička vďaka inverznému piezoelektrickému javu začne vibrovať a vyžarovať mechanické vlnenie zodpovedajúcej frekvencie.

Najväčší účinok žiarenia mechanických vĺn nastáva pri splnení podmienky rezonancie (pozri 7.6). Pri platniach s hrúbkou 1 mm teda nastáva rezonancia pre kremeň pri frekvencii 2,87 MHz, Rochellova soľ - 1,5 MHz a titaničitan bárnatý - 2,75 MHz.

Ultrazvukový prijímač môže byť vytvorený na základe piezoelektrického javu (priamy piezoelektrický efekt). V tomto prípade pod vplyvom mechanickej vlny (ultrazvuková vlna) dochádza k deformácii kryštálu (obr. 8.13, b), čo s piezoelektrickým efektom vedie k vytvoreniu striedavého elektrického poľa; je možné merať zodpovedajúce elektrické napätie.

Použitie ultrazvuku v medicíne je spojené so zvláštnosťami jeho distribúcie a charakteristických vlastností. Zvážme túto otázku.

Svojou fyzikálnou podstatou je ultrazvuk, podobne ako zvuk, mechanická (elastická) vlna. Vlnová dĺžka ultrazvuku je však podstatne menšia ako vlnová dĺžka zvuku. Napríklad vo vode sú vlnové dĺžky 1,4 m (1 kHz, zvuk), 1,4 mm (1 MHz, ultrazvuk) a 1,4 μm (1 GHz, ultrazvuk). Difrakcia vlnenia (pozri 24.5) výrazne závisí od pomeru vlnovej dĺžky a veľkosti telies, na ktorých sa vlnenie difraktuje. „Nepriehľadné“ teleso s rozmermi 1 m nebude prekážkou pre zvukovú vlnu s dĺžkou 1,4 m, ale stane sa prekážkou pre ultrazvukovú vlnu s dĺžkou 1,4 mm a objaví sa ultrazvukový tieň. To umožňuje v niektorých prípadoch nebrať do úvahy difrakciu ultrazvukových vĺn, pričom tieto vlny považujú za lúče počas lomu a odrazu (podobne ako lom a odraz svetelných lúčov).

Odraz ultrazvuku na rozhraní dvoch médií závisí od pomeru ich vlnových impedancií (pozri 8.4). Ultrazvuk sa teda dobre odráža na hraniciach svalov, periostu a kostí, na povrchu dutých orgánov atď.

Preto je možné určiť umiestnenie a veľkosť nehomogénnych inklúzií, dutín, vnútorných orgánov atď. (Ultrazvuková lokalizácia). Lokalizácia ultrazvukom využíva kontinuálne aj pulzné žiarenie. V prvom prípade sa študuje stojatá vlna, ktorá vzniká interferenciou dopadajúcich a odrazených vĺn z rozhrania. V druhom prípade sa pozoruje odrazený impulz a meria sa čas šírenia ultrazvuku na skúmaný objekt a späť. Pri znalosti rýchlosti šírenia ultrazvuku sa určí hĺbka objektu.

Vlnový odpor biologických médií je 3000-krát väčší ako vlnový odpor vzduchu. Preto, ak sa na ľudské telo aplikuje ultrazvukový žiarič, ultrazvuk neprenikne dovnútra, ale bude sa odrážať v dôsledku tenkej vrstvy vzduchu medzi žiaričom a biologickým objektom (pozri 8.4). Na odstránenie vzduchovej vrstvy je povrch ultrazvukového žiariča pokrytý vrstvou oleja.

Rýchlosť šírenia ultrazvukových vĺn a ich absorpcia výrazne závisí od stavu média; To je základ pre použitie ultrazvuku na štúdium molekulárnych vlastností látky. Výskum tohto druhu je predmetom molekulárnej akustiky.

Ako vidno z (7.53), intenzita vlny je úmerná druhej mocnine kruhovej frekvencie, preto je možné získať ultrazvukové vlny významnej intenzity aj pri relatívne malej amplitúde kmitov. Veľké môže byť aj zrýchlenie častíc kmitajúcich v ultrazvukovej vlne [viď. (7.12)], čo poukazuje na prítomnosť významných síl pôsobiacich na častice v biologických tkanivách pri ožarovaní ultrazvukom.

Kompresie a zriedenie vytvorené ultrazvukom vedú k vzniku diskontinuít v kontinuite kvapaliny - kavitácií.

Kavitácie netrvajú dlho a rýchlo sa zrútia, pričom sa v malých objemoch uvoľňuje významná energia, dochádza k zahrievaniu látky, ako aj k ionizácii a disociácii molekúl.

Fyzikálne procesy spôsobené vplyvom ultrazvuku spôsobujú v biologických objektoch tieto hlavné účinky:

Mikrovibrácie na bunkovej a subcelulárnej úrovni;

Zničenie biomakromolekúl;

Reštrukturalizácia a poškodenie biologických membrán, zmeny priepustnosti membrán (pozri kapitolu 13);

Tepelné pôsobenie;

Biomedicínske aplikácie ultrazvuku možno rozdeliť najmä do dvoch oblastí: diagnostické a výskumné metódy a expozičné metódy.

Prvý smer zahŕňa lokalizačné metódy a použitie pulzného žiarenia. Toto echoencefalografia- stanovenie nádorov a mozgového edému (obr. 8.14 echoencefalograf"Echo-12"); ultrazvuková kardiografia- meranie veľkosti srdca v dynamike; v oftalmológii - ultrazvukové umiestnenie na určenie veľkosti očného média. Pomocou Dopplerovho ultrazvukového efektu sa študuje pohybový vzorec srdcových chlopní a meria sa rýchlosť prietoku krvi. Na diagnostické účely sa hustota zrastenej alebo poškodenej kosti určuje rýchlosťou ultrazvuku.

Druhý smer sa týka ultrazvuková fyzioterapia. Na obr. Obrázok 8.15 zobrazuje prístroj UTP-ZM používaný na tieto účely. Pacient je vystavený ultrazvuku pomocou špeciálnej vyžarovacej hlavice prístroja. Zvyčajne sa na terapeutické účely používa ultrazvuk s frekvenciou 800 kHz, jeho priemerná intenzita je asi 1 W/cm 2 alebo menej.

Primárnym mechanizmom ultrazvukovej terapie sú mechanické a tepelné účinky na tkanivo.

Počas operácií sa ultrazvuk používa ako „ultrazvukový skalpel“, ktorý je schopný rezať mäkké aj kostné tkanivo.

Schopnosť ultrazvuku rozdrviť telesá umiestnené v kvapaline a vytvárať emulzie sa využíva vo farmaceutickom priemysle pri výrobe liečiv. Pri liečbe ochorení ako tuberkulóza, bronchiálna astma, katary horných dýchacích ciest sa používajú aerosóly rôznych liečivých látok získané pomocou ultrazvuku.

V súčasnosti bola vyvinutá nová metóda na „zváranie“ poškodeného alebo transplantovaného kostného tkaniva pomocou ultrazvuku. (ultrazvuková osteosyntéza).

Na sterilizáciu sa využíva deštruktívny účinok ultrazvuku na mikroorganizmy.

Zaujímavé je využitie ultrazvuku pre nevidiacich. Vďaka ultrazvukovej lokalizácii pomocou prenosného zariadenia Orientir môžete detekovať predmety a určiť ich povahu na vzdialenosť až 10 m.

Uvedené príklady nevyčerpávajú všetky medicínske a biologické aplikácie ultrazvuku, perspektíva rozšírenia týchto aplikácií je skutočne obrovská. Môžeme teda očakávať napríklad vznik zásadne nových diagnostických metód so zavedením ultrazvukovej holografie do medicíny (pozri kapitolu 24).

8.7. INFRASOUND

Infrazvuk je názov pre mechanické (elastické) vlny s frekvenciami nižšími ako sú tie, ktoré vníma ľudské ucho (20 Hz).

Zdrojmi infrazvuku môžu byť prírodné objekty (more, zemetrasenie, výboje blesku a pod.), ako aj umelé (výbuchy, autá, obrábacie stroje atď.).

Infrazvuk je často sprevádzaný počuteľným hlukom, napríklad v aute, takže ťažkosti vznikajú pri meraní a štúdiu samotných infrazvukových vibrácií.

Infrazvuk sa vyznačuje slabou absorpciou rôznymi médiami, takže sa pohybuje na značnú vzdialenosť. To umožňuje detekovať výbuch vo veľkej vzdialenosti od zdroja šírením infrazvuku v zemskej kôre, predpovedať cunami na základe nameraných infrazvukových vĺn atď. Keďže vlnová dĺžka infrazvuku je dlhšia ako vlnová dĺžka počuteľných zvukov, infrazvukové vlny sa lepšie difraktujú a prenikajú do miestností a obchádzajú prekážky.

Infrazvuk nepriaznivo pôsobí na funkčný stav mnohých telesných systémov: únava, bolesť hlavy, ospalosť, podráždenie a pod. Predpokladá sa, že primárny mechanizmus pôsobenia infrazvuku na organizmus je rezonančného charakteru. Rezonancia nastáva pri blízkych hodnotách frekvencie hnacej sily a frekvencie vlastných kmitov (pozri 7.6). Frekvencia prirodzených vibrácií ľudského tela v ľahu (3-4 Hz), v stoji (5-12 Hz), frekvencia prirodzených vibrácií hrudníka (5-8 Hz), brušnej dutiny (3-4 Hz) ), atď. zodpovedajú frekvencii infrazvukov.

Znižovanie úrovne intenzity infrazvukov v obytných, priemyselných a dopravných priestoroch je jednou z hygienických úloh.

8.8. VIBRÁCIE

V technike sa nazývajú mechanické vibrácie rôznych štruktúr a strojov vibrácie

Postihujú aj človeka, ktorý prichádza do kontaktu s vibrujúcimi predmetmi. Tento účinok môže byť škodlivý a za určitých podmienok viesť k ochoreniu z vibrácií, ako aj prospešný a terapeutický (vibračná terapia a vibračná masáž).

Hlavné fyzikálne charakteristiky vibrácií sa zhodujú s charakteristikami mechanických vibrácií telies, sú to:

Oscilačná frekvencia alebo harmonické spektrum anharmonickej vibrácie;

Amplitúda, amplitúda rýchlosti a amplitúda zrýchlenia;

Energia a priemerný výkon kmitov.

Okrem toho, aby sme pochopili vplyv vibrácií na biologický objekt, je dôležité predstaviť si šírenie a tlmenie vibrácií v tele. Pri štúdiu tejto problematiky sa používajú modely pozostávajúce zo zotrvačných hmôt, elastických a viskóznych prvkov (pozri 10.3).

Vibrácie sú zdrojom počuteľných zvukov, ultrazvukov a infrazvukov.

18. februára 2016

Svet domácej zábavy je dosť pestrý a môže zahŕňať: sledovanie filmov na dobrom systéme domáceho kina; vzrušujúce a vzrušujúce hranie alebo počúvanie hudby. Spravidla si v tejto oblasti každý nájde to svoje, prípadne skombinuje všetko naraz. Ale bez ohľadu na ciele človeka pri organizovaní voľného času a do akéhokoľvek extrému, všetky tieto prepojenia sú pevne spojené jedným jednoduchým a zrozumiteľným slovom - „zvuk“. Skutočne, vo všetkých vyššie uvedených prípadoch nás bude viesť zvuk. Táto otázka však nie je taká jednoduchá a triviálna, najmä v prípadoch, keď existuje túžba dosiahnuť vysokokvalitný zvuk v miestnosti alebo v iných podmienkach. Na to nie je vždy potrebné kupovať drahé hi-fi alebo hi-end komponenty (aj keď to bude veľmi užitočné), ale postačia dobré znalosti fyzikálnej teórie, ktoré môžu eliminovať väčšinu problémov, ktoré nastanú pre každého. ktorý si kladie za cieľ získať kvalitný hlasový prejav.

Ďalej sa budeme zaoberať teóriou zvuku a akustiky z hľadiska fyziky. V tomto prípade sa to pokúsim čo najviac sprístupniť pochopeniu každého človeka, ktorý možno ani zďaleka nepozná fyzikálne zákony či vzorce, no napriek tomu vášnivo sníva o realizácii sna o vytvorení dokonalého akustického systému. Neodvažujem sa tvrdiť, že na to, aby ste v tejto oblasti dosiahli dobré výsledky doma (alebo napríklad v aute), musíte tieto teórie dôkladne poznať, ale pochopenie základov vám umožní vyhnúť sa mnohým hlúpym a absurdným chybám. , a tiež vám umožní dosiahnuť maximálny zvukový efekt zo systému akejkoľvek úrovne.

Všeobecná teória zvuku a hudobná terminológia

Čo je to zvuk? Toto je vnem, ktorý vníma sluchový orgán "ucho"(samotný jav existuje bez účasti „ucha“ v procese, ale je to ľahšie pochopiteľné), ku ktorému dochádza, keď je ušný bubienok vzrušený zvukovou vlnou. Ucho v tomto prípade funguje ako „prijímač“ zvukových vĺn rôznych frekvencií.
Zvuková vlna ide v podstate o sekvenčný rad zhutňovania a vypúšťania média (za normálnych podmienok najčastejšie vzduchového média) rôznych frekvencií. Charakter zvukových vĺn je oscilačný, spôsobený a produkovaný vibráciou akéhokoľvek telesa. Vznik a šírenie klasickej zvukovej vlny je možné v troch elastických prostrediach: plynnom, kvapalnom a pevnom. Keď sa v jednom z týchto typov priestoru vyskytne zvuková vlna, v samotnom médiu sa nevyhnutne vyskytnú určité zmeny, napríklad zmena hustoty alebo tlaku vzduchu, pohyb častíc vzdušnej hmoty atď.

Pretože zvuková vlna má oscilačnú povahu, má takú charakteristiku, ako je frekvencia. Frekvencia merané v hertzoch (na počesť nemeckého fyzika Heinricha Rudolfa Hertza) a označuje počet oscilácií za časové obdobie rovnajúce sa jednej sekunde. Tie. napríklad frekvencia 20 Hz označuje cyklus 20 oscilácií za jednu sekundu. Od frekvencie zvuku závisí aj subjektívne poňatie jeho výšky. Čím viac zvukových vibrácií sa vyskytne za sekundu, tým „vyšší“ sa zvuk objaví. Zvuková vlna má aj ďalšiu dôležitú charakteristiku, ktorá má názov - vlnová dĺžka. Vlnová dĺžka Je zvykom brať do úvahy vzdialenosť, ktorú zvuk určitej frekvencie prekoná za čas rovnajúci sa jednej sekunde. Napríklad vlnová dĺžka najnižšieho zvuku v ľudskom počuteľnom rozsahu pri frekvencii 20 Hz je 16,5 metra a vlnová dĺžka najvyššieho zvuku pri frekvencii 20 000 Hz je 1,7 centimetra.

Ľudské ucho je konštruované tak, že je schopné vnímať vlny len v obmedzenom rozsahu, približne 20 Hz - 20 000 Hz (v závislosti od vlastností konkrétneho človeka, niekto je schopný počuť trochu viac, niekto menej) . To teda neznamená, že zvuky pod alebo nad týmito frekvenciami neexistujú, ľudské ucho ich jednoducho nevníma a presahuje počuteľný rozsah. Zvuk nad počuteľný rozsah je tzv ultrazvuk, nazýva sa zvuk pod počuteľným rozsahom infrazvuk. Niektoré zvieratá sú schopné vnímať ultra a infra zvuky, niektoré dokonca využívajú tento rozsah na orientáciu v priestore (netopiere, delfíny). Ak zvuk prechádza cez médium, ktoré nie je v priamom kontakte s ľudským sluchovým orgánom, potom takýto zvuk nemusí byť počuť alebo môže byť následne značne oslabený.

V hudobnej terminológii zvuku existujú také dôležité označenia ako oktáva, tón a podtón zvuku. Oktáva znamená interval, v ktorom je pomer frekvencií medzi zvukmi 1 ku 2. Oktáva je zvyčajne sluchom veľmi dobre rozlíšiteľná, zatiaľ čo zvuky v tomto intervale si môžu byť navzájom veľmi podobné. Oktávou možno nazvať aj zvuk, ktorý v rovnakom časovom úseku vibruje dvakrát viac ako iný zvuk. Napríklad frekvencia 800 Hz nie je nič iné ako vyššia oktáva 400 Hz a frekvencia 400 Hz je zase ďalšia oktáva zvuku s frekvenciou 200 Hz. Oktáva sa zase skladá z tónov a presahov. Premenlivé vibrácie v harmonickej zvukovej vlne rovnakej frekvencie vníma ľudské ucho ako hudobný tón. Vysokofrekvenčné vibrácie možno interpretovať ako vysoké zvuky, zatiaľ čo nízkofrekvenčné vibrácie možno interpretovať ako nízkofrekvenčné zvuky. Ľudské ucho je schopné zreteľne rozlíšiť zvuky s rozdielom jedného tónu (v rozsahu až 4000 Hz). Napriek tomu hudba používa extrémne malý počet tónov. Je to vysvetlené úvahami o princípe harmonickej súzvuku, všetko je založené na princípe oktáv.

Uvažujme o teórii hudobných tónov na príklade struny napnutej určitým spôsobom. Takáto struna sa v závislosti od napínacej sily „naladí“ na jednu konkrétnu frekvenciu. Keď je táto struna vystavená niečomu s jednou špecifickou silou, čo spôsobí jej vibráciu, bude dôsledne pozorovaný jeden špecifický tón zvuku a budeme počuť požadovanú frekvenciu ladenia. Tento zvuk sa nazýva základný tón. Frekvencia tónu „A“ prvej oktávy je oficiálne akceptovaná ako základný tón v hudobnom poli, rovná sa 440 Hz. Väčšina hudobných nástrojov však nikdy sama nereprodukuje čisté základné tóny, nevyhnutne ich sprevádzajú podtóny tzv podtóny. Tu je vhodné pripomenúť dôležitú definíciu hudobnej akustiky, pojem zvukový timbre. Timbre- to je vlastnosť hudobných zvukov, ktorá dáva hudobným nástrojom a hlasom ich jedinečnú, rozpoznateľnú špecifickosť zvuku, a to aj pri porovnávaní zvukov rovnakej výšky a hlasitosti. Zafarbenie každého hudobného nástroja závisí od rozloženia zvukovej energie medzi podtóny v momente, keď sa zvuk objaví.

Alikvoty tvoria špecifické zafarbenie základného tónu, pomocou ktorého vieme jednoducho identifikovať a rozoznať konkrétny nástroj, ako aj jasne odlíšiť jeho zvuk od iného nástroja. Existujú dva typy podtónov: harmonické a neharmonické. Harmonické podtóny podľa definície sú násobky základnej frekvencie. Naopak, ak podtóny nie sú násobky a citeľne sa odchyľujú od hodnôt, tak sa volajú neharmonické. V hudbe je prevádzka s viacerými podtónmi prakticky vylúčená, preto sa tento výraz redukuje na pojem „podtón“, čo znamená harmonický. Pri niektorých nástrojoch, napríklad pri klavíri, sa základný tón ani nestihne sformovať, v krátkom čase sa zvuková energia podtónov zvýši a potom rovnako rýchlo ubúda. Mnoho nástrojov vytvára to, čo sa nazýva efekt „prechodového tónu“, kde je energia určitých podtónov najvyššia v určitom časovom bode, zvyčajne na úplnom začiatku, ale potom sa náhle zmení a prejde k iným podtónom. Frekvenčný rozsah každého nástroja možno posudzovať samostatne a je zvyčajne obmedzený na základné frekvencie, ktoré je daný konkrétny nástroj schopný produkovať.

V teórii zvuku existuje aj taký pojem ako HLUČNÝ HLUK. Hluk- ide o akýkoľvek zvuk, ktorý vzniká kombináciou zdrojov, ktoré sú navzájom nekonzistentné. Každý pozná zvuk listov stromov, ktoré sa hojdajú vetrom atď.

Čo určuje hlasitosť zvuku? Je zrejmé, že takýto jav priamo závisí od množstva energie prenášanej zvukovou vlnou. Na určenie kvantitatívnych ukazovateľov hlasitosti existuje pojem - intenzita zvuku. Intenzita zvuku je definovaný ako tok energie prechádzajúci cez určitú oblasť priestoru (napríklad cm2) za jednotku času (napríklad za sekundu). Pri bežnej konverzácii je intenzita približne 9 alebo 10 W/cm2. Ľudské ucho je schopné vnímať zvuky v pomerne širokom rozsahu citlivosti, pričom citlivosť frekvencií je v rámci zvukového spektra heterogénna. Takto sa najlepšie vníma frekvenčný rozsah 1000 Hz - 4000 Hz, ktorý najviac pokrýva ľudskú reč.

Pretože zvuky sa veľmi líšia v intenzite, je vhodnejšie si to predstaviť ako logaritmickú veličinu a merať ju v decibeloch (podľa škótskeho vedca Alexandra Grahama Bella). Dolný prah citlivosti sluchu ľudského ucha je 0 dB, horný 120 dB, nazývaný aj „prah bolesti“. Hornú hranicu citlivosti ľudské ucho tiež vníma nie rovnako, ale závisí od konkrétnej frekvencie. Nízkofrekvenčné zvuky musia mať oveľa väčšiu intenzitu ako vysokofrekvenčné zvuky, aby spustili prah bolesti. Napríklad prah bolesti pri nízkej frekvencii 31,5 Hz nastáva pri hladine intenzity zvuku 135 dB, keď pri frekvencii 2000 Hz sa pocit bolesti objaví pri 112 dB. Existuje aj pojem akustický tlak, ktorý vlastne rozširuje zaužívané vysvetlenie šírenia zvukovej vlny vo vzduchu. Akustický tlak- ide o premenlivý pretlak, ktorý vzniká v elastickom médiu v dôsledku prechodu zvukovej vlny cez neho.

Vlnová povaha zvuku

Pre lepšie pochopenie systému generovania zvukových vĺn si predstavte klasický reproduktor umiestnený v potrubí naplnenom vzduchom. Ak reproduktor urobí prudký pohyb dopredu, vzduch v bezprostrednej blízkosti difúzora sa na chvíľu stlačí. Vzduch sa potom roztiahne, čím sa oblasť stlačeného vzduchu posunie pozdĺž potrubia.
Tento vlnový pohyb sa následne zmení na zvuk, keď dosiahne sluchový orgán a „vzruší“ ušný bubienok. Keď sa v plyne vyskytne zvuková vlna, vytvorí sa nadmerný tlak a nadmerná hustota a častice sa pohybujú konštantnou rýchlosťou. Pri zvukových vlnách je dôležité pamätať na skutočnosť, že látka sa nepohybuje spolu so zvukovou vlnou, ale dochádza len k dočasnému narušeniu vzdušných hmôt.

Ak si predstavíme piest zavesený vo voľnom priestore na pružine a vykonávajúci opakované pohyby „tam a späť“, potom takéto kmity budeme nazývať harmonické alebo sínusové (ak si vlnu predstavíme ako graf, potom v tomto prípade dostaneme čistý sínusoida s opakovanými poklesmi a vzostupmi). Ak si predstavíme reproduktor v potrubí (ako v príklade popísanom vyššie), ktorý vykonáva harmonické kmity, potom v momente, keď sa reproduktor pohybuje „vpred“, dosiahne sa známy efekt kompresie vzduchu a keď sa reproduktor posunie „dozadu“, dochádza k opačnému účinku riedenia. V tomto prípade sa bude potrubím šíriť vlna striedavého stláčania a riedenia. Zavolá sa vzdialenosť pozdĺž potrubia medzi susednými maximami alebo minimami (fázami). vlnová dĺžka. Ak častice kmitajú rovnobežne so smerom šírenia vlny, potom sa vlna nazýva pozdĺžne. Ak kmitajú kolmo na smer šírenia, potom sa vlna nazýva priečne. Zvukové vlny v plynoch a kvapalinách sú zvyčajne pozdĺžne, ale v pevných látkach sa môžu vyskytnúť vlny oboch typov. Priečne vlny v pevných látkach vznikajú v dôsledku odporu voči zmene tvaru. Hlavný rozdiel medzi týmito dvoma typmi vĺn je v tom, že priečne vlnenie má vlastnosť polarizácie (kmitanie prebieha v určitej rovine), zatiaľ čo pozdĺžne vlnenie nie.

Rýchlosť zvuku

Rýchlosť zvuku priamo závisí od vlastností média, v ktorom sa šíri. Je určená (závislá) dvoma vlastnosťami média: elasticitou a hustotou materiálu. Rýchlosť zvuku v pevných látkach priamo závisí od typu materiálu a jeho vlastností. Rýchlosť v plynnom prostredí závisí len od jedného typu deformácie média: kompresia-zriedkavosť. Zmena tlaku vo zvukovej vlne nastáva bez výmeny tepla s okolitými časticami a nazýva sa adiabatická.
Rýchlosť zvuku v plyne závisí najmä od teploty – s rastúcou teplotou sa zvyšuje a s klesajúcou teplotou klesá. Rýchlosť zvuku v plynnom médiu tiež závisí od veľkosti a hmotnosti samotných molekúl plynu - čím menšia je hmotnosť a veľkosť častíc, tým väčšia je „vodivosť“ vlny a tým väčšia je rýchlosť.

V kvapalnom a pevnom prostredí je princíp šírenia a rýchlosť zvuku podobný, ako sa šíri vlna vo vzduchu: kompresiou-výbojom. Ale v týchto prostrediach je okrem rovnakej závislosti od teploty dosť dôležitá aj hustota média a jeho zloženie/štruktúra. Čím nižšia je hustota látky, tým vyššia je rýchlosť zvuku a naopak. Závislosť od zloženia média je zložitejšia a určuje sa v každom konkrétnom prípade s prihliadnutím na umiestnenie a interakciu molekúl/atómov.

Rýchlosť zvuku vo vzduchu pri t, °C 20: 343 m/s
Rýchlosť zvuku v destilovanej vode pri t, °C 20: 1481 m/s
Rýchlosť zvuku v oceli pri t, °C 20: 5000 m/s

Stojaté vlny a rušenie

Keď reproduktor vytvára zvukové vlny v obmedzenom priestore, nevyhnutne dochádza k efektu odrazu vĺn od hraníc. V dôsledku toho sa to najčastejšie vyskytuje interferenčný efekt- keď sa dve alebo viac zvukových vĺn navzájom prekrývajú. Špeciálnymi prípadmi interferenčných javov je vznik: 1) bicích vĺn alebo 2) stojatých vĺn. Údery vĺn- to je prípad, keď dôjde k pridaniu vĺn s podobnými frekvenciami a amplitúdami. Obrázok výskytu úderov: keď sa dve vlny podobných frekvencií navzájom prekrývajú. V určitom časovom bode, s takýmto prekrytím, sa vrcholy amplitúdy môžu zhodovať „vo fáze“ a poklesy sa môžu zhodovať aj v „antifáze“. Takto sa charakterizujú zvukové údery. Je dôležité si uvedomiť, že na rozdiel od stojatých vĺn sa fázové koincidencie vrcholov nevyskytujú neustále, ale v určitých časových intervaloch. Pre ucho je tento vzor úderov rozlíšený celkom jasne a je počuť ako periodické zvyšovanie a znižovanie hlasitosti. Mechanizmus, ktorým sa tento efekt vyskytuje, je mimoriadne jednoduchý: keď sa vrcholy zhodujú, objem sa zväčšuje a keď sa údolia zhodujú, objem sa zmenšuje.

Stojaté vlny vznikajú v prípade superpozície dvoch vĺn rovnakej amplitúdy, fázy a frekvencie, keď sa takéto vlny „stretnú“ jedna sa pohybuje v smere dopredu a druhá v opačnom smere. V oblasti priestoru (kde sa vytvorila stojatá vlna) sa objaví obraz superpozície dvoch frekvenčných amplitúd so striedajúcimi sa maximami (tzv. antinody) a minimami (takzvané uzly). Pri výskyte tohto javu je mimoriadne dôležitá frekvencia, fáza a koeficient útlmu vlny v mieste odrazu. Na rozdiel od postupujúcich vĺn nedochádza k prenosu energie v stojatej vlne v dôsledku skutočnosti, že dopredné a spätné vlny, ktoré tvoria túto vlnu, prenášajú energiu v rovnakých množstvách v smere dopredu aj v opačnom smere. Aby sme jasne pochopili výskyt stojatej vlny, predstavme si príklad z domácej akustiky. Povedzme, že máme stojace reproduktorové sústavy v nejakom obmedzenom priestore (miestnosti). Nech zahrajú niečo s množstvom basov, skúsme zmeniť umiestnenie poslucháča v miestnosti. Čiže poslucháč, ktorý sa ocitne v zóne minima (odčítania) stojatej vlny, pocíti efekt, že basov je veľmi málo a ak sa poslucháč ocitne v zóne maxima (sčítania) frekvencií, tak naopak. sa dosiahne efekt výrazného zvýšenia basovej oblasti. V tomto prípade je účinok pozorovaný vo všetkých oktávach základnej frekvencie. Napríklad, ak je základná frekvencia 440 Hz, potom fenomén „sčítania“ alebo „odčítania“ bude pozorovaný aj pri frekvenciách 880 Hz, 1760 Hz, 3520 Hz atď.

Rezonančný jav

Väčšina pevných látok má prirodzenú rezonančnú frekvenciu. Tento efekt je celkom ľahké pochopiť na príklade obyčajnej rúry, ktorá je otvorená len na jednom konci. Predstavme si situáciu, že na druhý koniec potrubia je pripojený reproduktor, ktorý dokáže hrať jednu konštantnú frekvenciu, ktorá sa dá aj neskôr zmeniť. Takže potrubie má svoju vlastnú rezonančnú frekvenciu, jednoducho povedané - to je frekvencia, pri ktorej potrubie „rezonuje“ alebo vydáva svoj vlastný zvuk. Ak sa frekvencia reproduktora (v dôsledku nastavenia) zhoduje s rezonančnou frekvenciou potrubia, dôjde k niekoľkonásobnému zvýšeniu hlasitosti. Stáva sa to preto, že reproduktor vybudí vibrácie vzduchového stĺpca v potrubí so značnou amplitúdou, kým sa nenájde rovnaká „rezonančná frekvencia“ a nenastane efekt sčítania. Výsledný jav možno opísať nasledovne: fajka v tomto príklade „pomáha“ reproduktoru tým, že rezonuje na určitej frekvencii, ich úsilie sa sčítava a „výsledkom je“ počuteľný hlasný efekt. Na príklade hudobných nástrojov je tento jav ľahko viditeľný, pretože dizajn väčšiny nástrojov obsahuje prvky nazývané rezonátory. Nie je ťažké uhádnuť, čo slúži na zvýraznenie určitej frekvencie alebo hudobného tónu. Napríklad: telo gitary s rezonátorom vo forme otvoru zodpovedajúceho hlasitosti; Konštrukcia flautovej trubice (a všetkých rúr vo všeobecnosti); Valcový tvar tela bubna, ktorý je sám o sebe rezonátorom určitej frekvencie.

Frekvenčné spektrum zvuku a frekvenčná odozva

Pretože v praxi prakticky neexistujú vlny rovnakej frekvencie, je potrebné rozložiť celé zvukové spektrum počuteľného rozsahu na podtóny alebo harmonické. Pre tieto účely existujú grafy, ktoré zobrazujú závislosť relatívnej energie zvukových vibrácií od frekvencie. Tento graf sa nazýva graf zvukového frekvenčného spektra. Frekvenčné spektrum zvuku Existujú dva typy: diskrétne a kontinuálne. Diskrétny graf spektra zobrazuje jednotlivé frekvencie oddelené prázdnymi medzerami. Spojité spektrum obsahuje všetky zvukové frekvencie naraz.
V prípade hudby alebo akustiky sa najčastejšie používa bežný graf Amplitúdovo-frekvenčné charakteristiky(skrátene „AFC“). Tento graf ukazuje závislosť amplitúdy zvukových vibrácií od frekvencie v celom frekvenčnom spektre (20 Hz - 20 kHz). Pri pohľade na takýto graf je ľahké pochopiť napríklad silné alebo slabé stránky konkrétneho reproduktora alebo akustického systému ako celku, najsilnejšie oblasti energetického výstupu, poklesy a vzostupy frekvencie, útlm a tiež vysledovať strmosť. poklesu.

Šírenie zvukových vĺn, fáza a antifáza

Proces šírenia zvukových vĺn prebieha vo všetkých smeroch od zdroja. Najjednoduchším príkladom na pochopenie tohto javu je kamienok hodený do vody.
Od miesta, kde kameň dopadol, sa po hladine vody začnú šíriť vlny na všetky strany. Predstavme si však situáciu s reproduktorom v určitej hlasitosti, povedzme uzavretou skrinkou, ktorá je napojená na zosilňovač a hrá nejaký hudobný signál. Je ľahké si všimnúť (najmä ak použijete silný nízkofrekvenčný signál, napríklad basový bubon), že reproduktor urobí rýchly pohyb „dopredu“ a potom rovnaký rýchly pohyb „dozadu“. Zostáva pochopiť, že keď sa reproduktor pohybuje dopredu, vydáva zvukovú vlnu, ktorú počujeme neskôr. Čo sa však stane, keď sa reproduktor posunie dozadu? A paradoxne sa deje to isté, reproduktor vydáva rovnaký zvuk, len v našom príklade sa šíri celý v rámci objemu boxu, bez toho, aby prekročil jeho limity (box je zatvorený). Vo všeobecnosti možno vo vyššie uvedenom príklade pozorovať pomerne veľa zaujímavých fyzikálnych javov, z ktorých najvýznamnejší je koncept fázy.

Zvuková vlna, ktorú reproduktor vydáva v smere k poslucháčovi, je „vo fáze“. Spätná vlna, ktorá prechádza do objemu krabice, bude zodpovedajúcim spôsobom protifázová. Zostáva len pochopiť, čo tieto pojmy znamenajú? Signálna fáza– toto je hladina akustického tlaku v aktuálnom čase v určitom bode priestoru. Najjednoduchší spôsob, ako pochopiť fázu, je na príklade reprodukcie hudobného materiálu konvenčným stojacim stereo párom domácich reproduktorových systémov. Predstavme si, že v určitej miestnosti sú nainštalované dva takéto stojanové reproduktory a hrajú. V tomto prípade oba akustické systémy reprodukujú synchrónny signál premenlivého akustického tlaku a akustický tlak jedného reproduktora sa pripočítava k akustickému tlaku druhého reproduktora. K podobnému efektu dochádza v dôsledku synchronicity reprodukcie signálu z ľavého a pravého reproduktora, inými slovami, vrcholy a minimá vĺn vyžarovaných ľavým a pravým reproduktorom sa zhodujú.

Teraz si predstavme, že akustické tlaky sa stále menia rovnakým spôsobom (neprešli zmenami), ale až teraz sú proti sebe. To sa môže stať, ak pripojíte jeden reproduktorový systém z dvoch v obrátenej polarite („+“ kábel zo zosilňovača do „-“ konektora reproduktorového systému a „-“ kábel zo zosilňovača do „+“ konektora na reproduktorový systém). V tomto prípade opačný signál spôsobí tlakový rozdiel, ktorý môže byť vyjadrený v číslach nasledovne: ľavý reproduktor vytvorí tlak „1 Pa“ a pravý reproduktor vytvorí tlak „mínus 1 Pa“. V dôsledku toho bude celková hlasitosť zvuku v mieste poslucháča nulová. Tento jav sa nazýva antifáza. Ak sa pozrieme na príklad podrobnejšie, aby sme pochopili, ukázalo sa, že dva reproduktory hrajúce „vo fáze“ vytvárajú identické oblasti zhutňovania a riedenia vzduchu, čím si vlastne navzájom pomáhajú. V prípade idealizovanej protifázy bude oblasť stlačeného vzduchu vytvorená jedným reproduktorom sprevádzaná oblasťou zúženého vzdušného priestoru vytvoreného druhým reproduktorom. Vyzerá to približne ako fenomén vzájomného synchrónneho rušenia vĺn. Pravda, v praxi hlasitosť neklesne na nulu a budeme počuť značne skreslený a oslabený zvuk.

Najdostupnejší spôsob, ako opísať tento jav, je nasledovný: dva signály s rovnakými osciláciami (frekvenciou), ale posunuté v čase. Vzhľadom na to je vhodnejšie predstaviť si tieto javy posunutia na príklade obyčajných okrúhlych hodín. Predstavme si, že na stene visí niekoľko rovnakých okrúhlych hodín. Keď sekundové ručičky týchto hodiniek bežia synchrónne, na jedných 30 sekúnd a na druhých 30, potom je to príklad signálu, ktorý je vo fáze. Ak sa sekundové ručičky pohybujú s posunom, ale rýchlosť je stále rovnaká, napríklad na jedných hodinkách je to 30 sekúnd a na iných 24 sekúnd, potom ide o klasický príklad fázového posunu. Rovnakým spôsobom sa fáza meria v stupňoch vo virtuálnom kruhu. V tomto prípade, keď sú signály voči sebe posunuté o 180 stupňov (pol periódy), získa sa klasická protifáza. V praxi sa často vyskytujú menšie fázové posuny, ktoré je možné určiť aj v stupňoch a úspešne ich eliminovať.

Vlny sú rovinné a sférické. Čelo rovinnej vlny sa šíri len jedným smerom a v praxi sa s ním stretávame len zriedka. Sférická vlna je jednoduchý typ vlny, ktorá vychádza z jedného bodu a šíri sa všetkými smermi. Zvukové vlny majú vlastnosť difrakcia, t.j. schopnosť obchádzať prekážky a predmety. Stupeň ohybu závisí od pomeru vlnovej dĺžky zvuku k veľkosti prekážky alebo otvoru. K difrakcii dochádza aj vtedy, keď je v ceste zvuku nejaká prekážka. V tomto prípade sú možné dva scenáre: 1) Ak je veľkosť prekážky oveľa väčšia ako vlnová dĺžka, potom sa zvuk odrazí alebo pohltí (v závislosti od stupňa absorpcie materiálu, hrúbky prekážky atď.). ) a za prekážkou sa vytvorí zóna „akustického tieňa“. 2) Ak je veľkosť prekážky porovnateľná s vlnovou dĺžkou alebo dokonca menšia, potom sa zvuk do určitej miery ohýba vo všetkých smeroch. Ak zvuková vlna pri pohybe v jednom médiu narazí na rozhranie s iným médiom (napríklad vzduchové médium s pevným médiom), potom môžu nastať tri scenáre: 1) vlna sa odrazí od rozhrania 2) vlna môže prejsť do iného prostredia bez zmeny smeru 3) vlna môže prejsť do iného prostredia so zmenou smeru na hranici, nazýva sa to „lom vĺn“.

Pomer pretlaku zvukovej vlny k oscilačnej objemovej rýchlosti sa nazýva vlnový odpor. jednoduchými slovami, vlnová impedancia média možno nazvať schopnosťou absorbovať zvukové vlny alebo im „odolať“. Koeficienty odrazu a priepustnosti priamo závisia od pomeru vlnových impedancií dvoch médií. Odolnosť voči vlnám v plynnom prostredí je oveľa nižšia ako vo vode alebo pevných látkach. Ak teda zvuková vlna vo vzduchu zasiahne pevný predmet alebo hladinu hlbokej vody, zvuk sa buď odrazí od hladiny, alebo vo veľkej miere pohltí. To závisí od hrúbky povrchu (vodného alebo pevného), na ktorý dopadá požadovaná zvuková vlna. Keď je hrúbka pevného alebo tekutého média nízka, zvukové vlny takmer úplne „prechádzajú“ a naopak, keď je hrúbka média veľká, vlny sa častejšie odrážajú. V prípade odrazu zvukových vĺn tento proces prebieha podľa známeho fyzikálneho zákona: „Uhol dopadu sa rovná uhlu odrazu“. V tomto prípade, keď vlna z média s nižšou hustotou narazí na hranicu s médiom s vyššou hustotou, nastáva jav lom. Spočíva v ohybe (refrakcii) zvukovej vlny po „stretnutí“ s prekážkou a je nevyhnutne sprevádzaná zmenou rýchlosti. Lom závisí aj od teploty prostredia, v ktorom dochádza k odrazu.

V procese šírenia zvukových vĺn v priestore ich intenzita nevyhnutne klesá, dá sa povedať, že vlnenie sa tlmí a zvuk slabne. V praxi je stretnutie s podobným efektom celkom jednoduché: napríklad ak dvaja ľudia stoja na poli v určitej vzdialenosti (meter alebo bližšie) a začnú si niečo hovoriť. Ak následne zväčšíte vzdialenosť medzi ľuďmi (ak sa začnú od seba vzďaľovať), rovnaká úroveň hlasitosti konverzácie bude čoraz menej počuteľná. Tento príklad jasne demonštruje jav poklesu intenzity zvukových vĺn. Prečo sa to deje? Dôvodom sú rôzne procesy výmeny tepla, molekulárnej interakcie a vnútorného trenia zvukových vĺn. Najčastejšie sa v praxi zvuková energia premieňa na tepelnú energiu. Takéto procesy nevyhnutne vznikajú v ktoromkoľvek z 3 médií šírenia zvuku a možno ich charakterizovať ako absorpcia zvukových vĺn.

Intenzita a stupeň absorpcie zvukových vĺn závisí od mnohých faktorov, ako je tlak a teplota média. Absorpcia závisí aj od konkrétnej frekvencie zvuku. Keď sa zvuková vlna šíri kvapalinami alebo plynmi, dochádza k efektu trenia medzi rôznymi časticami, ktorý sa nazýva viskozita. V dôsledku tohto trenia na molekulárnej úrovni dochádza k procesu premeny vlny zo zvuku na teplo. Inými slovami, čím vyššia je tepelná vodivosť média, tým nižší je stupeň absorpcie vĺn. Absorpcia zvuku v plynných médiách závisí aj od tlaku (atmosférický tlak sa mení s rastúcou nadmorskou výškou vzhľadom na hladinu mora). Čo sa týka závislosti stupňa pohltivosti od frekvencie zvuku, berúc do úvahy vyššie uvedené závislosti viskozity a tepelnej vodivosti, čím vyššia je frekvencia zvuku, tým vyššia je pohltivosť zvuku. Napríklad pri normálnej teplote a tlaku vo vzduchu je absorpcia vlny s frekvenciou 5000 Hz 3 dB/km a absorpcia vlny s frekvenciou 50 000 Hz bude 300 dB/m.

V tuhých médiách sú všetky vyššie uvedené závislosti (tepelná vodivosť a viskozita) zachované, ale k tomu sa pridáva niekoľko ďalších podmienok. Sú spojené s molekulárnou štruktúrou pevných materiálov, ktoré môžu byť rôzne, s vlastnými nehomogenitami. V závislosti od tejto vnútornej pevnej molekulárnej štruktúry môže byť absorpcia zvukových vĺn v tomto prípade rôzna a závisí od typu konkrétneho materiálu. Pri prechode zvuku pevným telesom dochádza vo vlne k množstvu premien a skreslení, čo najčastejšie vedie k rozptylu a pohlcovaniu zvukovej energie. Na molekulárnej úrovni môže dôjsť k dislokačnému efektu, keď zvuková vlna spôsobí posunutie atómových rovín, ktoré sa potom vrátia do svojej pôvodnej polohy. Alebo pohyb dislokácií vedie ku kolízii s dislokáciami na ne kolmými alebo defektmi v kryštálovej štruktúre, čo spôsobuje ich inhibíciu a v dôsledku toho určitú absorpciu zvukovej vlny. Zvuková vlna však môže rezonovať aj s týmito defektmi, čo povedie k skresleniu pôvodnej vlny. Energia zvukovej vlny v momente interakcie s prvkami molekulárnej štruktúry materiálu sa rozptýli v dôsledku procesov vnútorného trenia.

V tomto článku sa pokúsim analyzovať črty ľudského sluchového vnímania a niektoré jemnosti a črty šírenia zvuku.

Zvuk je fenomén, ktorý vzrušuje ľudské mysle už od staroveku. V skutočnosti svet rôznych zvukov vznikol na Zemi dávno predtým, ako sa na nej objavili ľudské bytosti. Prvé zvuky bolo počuť pri zrode našej planéty. Spôsobili ich silné nárazy, vibrácie hmoty a kypenie horúcej hmoty.

Zvuk v prírodnom prostredí

Keď sa na planéte objavili prvé zvieratá, postupom času sa u nich vyvinula naliehavá potreba prijímať čo najviac informácií o okolitej realite. A keďže zvuk je jedným z hlavných nosičov informácií, u predstaviteľov fauny začali v mozgu prebiehať evolučné zmeny, ktoré postupne viedli k vytvoreniu sluchových orgánov.

Teraz primitívne zvieratá mohli prijímať pomocou zachytenia zvukových vibrácií potrebné informácie o nebezpečenstve, ktoré často vychádzali z predmetov pre oči neviditeľných. Neskôr sa živé bytosti naučili používať zvuky na iné účely. Rozsah aplikácie zvukovej informácie rástol v procese evolúcie samotných zvierat. Zvukové signály začali slúžiť ako prostriedok primitívnej komunikácie medzi nimi. Zvukmi sa začali navzájom varovať pred nebezpečenstvom a tvorom so stádovými inštinktmi to slúžilo aj ako výzva k jednote.

Človek je majstrom zvukov

Ale len človek sa dokázal naučiť naplno využívať zvuk pre svoje účely. V istom momente ľudia čelili potrebe odovzdávať si poznatky medzi sebou a z generácie na generáciu. Človek týmto cieľom podriadil rozmanitosť zvukov, ktoré sa časom naučil produkovať a vnímať. Z tohto množstva zvukov následne vznikla reč. Zvuk sa stal aj výplňou voľného času. Ľudia objavili eufóniu píšťalky uvoľňovanej tetivy luku a energiu rytmického udierania drevených predmetov o seba. Tak vznikli prvé, najjednoduchšie hudobné nástroje, a teda aj samotné hudobné umenie.

Ľudská komunikácia a hudba však nie sú jediné zvuky, ktoré sa objavili na Zemi so vznikom ľudí. Početné pracovné procesy sprevádzali aj zvuky: výroba rôznych predmetov z kameňa a dreva. A s príchodom civilizácie, s vynálezom kolesa, sa ľudia prvýkrát stretli s problémom veľkého hluku. Je známe, že už v staroveku spôsoboval zvuk kolies na cestách dláždených kameňom často zlý spánok medzi obyvateľmi domov pri ceste. Na boj proti tomuto hluku bol vynájdený prvý prostriedok na zníženie hluku: slama bola položená na chodník.

Problém narastajúceho hluku

Keď ľudstvo spoznalo výhody železa, problém hluku začal nadobúdať globálne rozmery. Vynájdením pušného prachu človek vytvoril zdroj zvuku takej sily, že stačil na citeľné poškodenie vlastného načúvacieho prístroja. V ére priemyselnej revolúcie, medzi takými negatívnymi vedľajšími účinkami, akými sú znečistenie životného prostredia a vyčerpávanie prírodných zdrojov, nie je na poslednom mieste problém veľkoobjemového priemyselného hluku.

Anekdota zo života

Napriek tomu ani v súčasnosti nie všetci výrobcovia priemyselných zariadení venujú tejto problematike aspoň určitú pozornosť. Vedenie nie všetkých závodov a tovární sa stará o udržanie zdravého sluchu medzi svojimi podriadenými.

Niekedy počujete takéto príbehy. Hlavný inžinier jedného z veľkých priemyselných podnikov nariadil inštaláciu mikrofónov v najhlučnejších dielňach, pripojených k reproduktorom umiestneným mimo budov. Podľa jeho názoru týmto spôsobom mikrofóny odsajú časť hluku. Samozrejme, akokoľvek je tento príbeh komický, núti vás zamyslieť sa nad dôvodmi takejto negramotnosti v záležitostiach týkajúcich sa znižovania hluku a zvukovej izolácie. A má to jediný dôvod - vo vzdelávacích inštitúciách vyšších, stredných odborných a stredných odborných stupňov vzdelávania až v posledných desaťročiach začali zavádzať špeciálne kurzy akustiky.

Veda o zvuku

Prvé pokusy pochopiť podstatu zvuku urobil Pytagoras, ktorý študoval vibrácie struny. Po Pytagoras toto územie dlhé storočia nevzbudzovalo medzi bádateľmi žiaden záujem. Samozrejme, niekoľko starovekých vedcov sa zaoberalo budovaním svojich vlastných akustických teórií, ale tieto vedecké výskumy neboli založené na matematických výpočtoch, ale boli skôr ako nesúrodé filozofické úvahy.

A až po viac ako tisíc rokoch Galileo položil základy novej vedy o zvuku – akustiky. Najvýznamnejšími priekopníkmi v tejto oblasti boli Rayleigh a Helmholtz. Teoretický základ modernej akustiky vytvorili v devätnástom storočí. Hermann Helmholtz sa preslávil najmä svojimi štúdiami vlastností rezonátorov a Rayleigh sa stal laureátom Nobelovej ceny za zásadnú prácu o teórii zvuku.

Hlavné smery modernej akustiky

O niečo neskôr bolo publikovaných množstvo vedeckých prác o štúdiu povahy hluku a problematike znižovania hluku a zvukovej izolácie. Prvé práce v tejto oblasti sa týkali najmä hluku produkovaného lietadlami a pozemnou dopravou. Postupom času sa však hranice týchto štúdií výrazne rozšírili. V súčasnosti má väčšina priemyselných krajín svoje vlastné výskumné ústavy, ktoré sa zaoberajú vývojom riešení týchto problémov.

Dnes sú najznámejšie tieto sekcie akustiky: všeobecná, geometrická, architektonická, stavebná, psychologická, hudobná, biologická, elektrická, letecká, dopravná, medicínska, ultrazvuková, kvantová, rečová, digitálna. Nasledujúce kapitoly budú skúmať niektoré z týchto oblastí zvukovej vedy.

Všeobecné ustanovenia

V prvom rade je potrebné definovať vedu diskutovanú v tomto článku. Akustika je oblasť vedomostí o povahe zvuku. Táto veda študuje javy, ako je výskyt, šírenie, vnímanie zvuku a rôzne účinky zvuku na orgány sluchu. Ako všetky ostatné vedy, aj akustika má svoj vlastný pojmový aparát.

Akustika je veda považovaná za jeden z odborov fyzikálnych vied. Zároveň je to aj interdisciplinárny odbor, to znamená, že má úzke prepojenie s inými oblasťami poznania. Najzreteľnejšie je viditeľná interakcia akustiky s mechanikou, architektúrou, hudobnou teóriou, psychológiou, elektronikou a matematikou. Najdôležitejšie vzorce akustiky sa týkajú vlastností šírenia zvukových vĺn v elastickom prostredí: rovnice rovinných a stojatých vĺn, vzorce na výpočet rýchlosti vĺn.

Aplikácia v hudbe

Hudobná akustika je odbor, ktorý študuje hudobné zvuky z hľadiska fyziky. Toto odvetvie je tiež interdisciplinárne. Vedecké práce o hudobnej akustike aktívne využívajú výdobytky matematickej vedy, hudobnej teórie a psychológie. Základné pojmy tejto vedy: výška, dynamické a timbrálne odtiene zvukov používaných v hudbe. Táto sekcia akustiky je primárne zameraná na štúdium vnemov, ktoré vznikajú, keď človek vníma zvuky, ako aj charakteristiky hudobnej intonácie (reprodukcia zvukov určitej výšky). Jednou z najrozsiahlejších výskumných tém v hudobnej akustike je téma hudobných nástrojov.

Aplikácia v praxi

Hudobní teoretici aplikovali výskum hudobnej akustiky na zostavenie konceptov hudby na základe prírodných vied. Fyzici a psychológovia študovali otázky hudobného vnímania. Domáci vedci, ktorí pracovali v tejto oblasti, pracovali tak na vývoji teoretickej základne (N. Garbuzov je známy svojou teóriou zón hudobného vnímania), ako aj na aplikácii úspechov v praxi (L. Termen, A. Volodin, E. Murzin sa zaoberal návrhom elektrických hudobných nástrojov).

V posledných rokoch sa čoraz viac začínajú objavovať interdisciplinárne vedecké práce, v ktorých sa komplexne skúmajú zvláštnosti akustiky budov patriacich do rôznych architektonických štýlov a období. Údaje získané z výskumu v tejto oblasti sa využívajú na vývoj metód vývoja hudobného sluchu a techník ladenia hudobných nástrojov. Preto môžeme konštatovať, že hudobná akustika je vedným odvetvím, ktoré dnes nestratilo svoj význam.

Ultrazvuk

Nie všetky zvuky dokáže ľudský sluch vnímať. Ultrazvuková akustika je odvetvie akustiky, ktoré študuje zvukové vibrácie s rozsahom dvadsať kHz. Zvuky tejto frekvencie sú mimo ľudské vnímanie. Ultrazvuk sa delí na tri typy: nízkofrekvenčný, stredofrekvenčný, vysokofrekvenčný. Každý typ má svoju špecifickú reprodukciu a praktické uplatnenie. Ultrazvuky môžu byť vytvorené nielen umelo. Často sa vyskytujú vo voľnej prírode. Hluk produkovaný vetrom teda čiastočne pozostáva z ultrazvuku. Také zvuky reprodukujú niektoré zvieratá a zachytávajú ich sluchové orgány. Každý vie, že netopier je jedným z týchto tvorov.

Ultrazvuková akustika je odvetvie akustiky, ktoré našlo praktické uplatnenie v medicíne, pri rôznych vedeckých experimentoch a výskumoch a vo vojenskom priemysle. Najmä na začiatku dvadsiateho storočia v Rusku bolo vynájdené zariadenie na detekciu podvodných ľadovcov. Prevádzka tohto zariadenia bola založená na generovaní a zachytávaní ultrazvukových vĺn. Z tohto príkladu je zrejmé, že ultrazvuková akustika je veda, ktorej úspechy sa v praxi využívajú už viac ako sto rokov.

Umiestnenie akcentu: AKUSTIKA

AKUSTIKA (grécky akustikos - sluchový) - náuka o zvuku; odbor fyziky, ktorý študuje vlastnosti, výskyt, šírenie a príjem elastických vĺn v plynnom, kvapalnom alebo pevnom prostredí.

A. - jedna z najstarších oblastí fyziky - vznikla v súvislosti s potrebou vysvetliť javy sluchu a reči. Tak Empedokles (490-430 pred Kr.) vysvetlil šírenie a vnímanie zvukov pohybmi zvláštnej (jemnej) látky vychádzajúcej zo znejúceho tela a vstupujúcej do ucha. Už Aristoteles (384-322 pred Kr.) pochopil, že znejúce teleso spôsobuje stláčanie a riedenie vzduchu a dokázal vysvetliť proces vzniku ozveny. Jasne rozlišoval medzi výškou, silou a zafarbením zvuku a spájal ich s rozdielmi v rýchlosti a množstve pohybujúceho sa vzduchu a so stavbou hlasového aparátu. Pytagoras (6. storočie pred Kristom) ako prvý sformuloval zákony vibrácie strún.

Medzníkom vo vývoji akustiky bola práca Galilea a Mersenna (17. storočie), ktorí stanovili kvantitatívne zákony kmitania strún a ako prví určili rýchlosť zvuku vo vzduchu. Gassendi (17. storočie) zistil, že rýchlosť zvuku nezávisí od jeho výšky. Bratia Weber (1825) a Savard (1820) ukázali, že šírenie zvuku v kvapalinách a pružných telesách sa riadi rovnakými zákonmi ako vo vzduchu. V roku 1863 vyšla Helmholtzova kniha „The Doctrine of Sound Sensations“ a v rokoch 1877-1878. - Rayleighova práca "Teória zvuku".

Helmholtz vysvetlil fyzikálnu podstatu zvukov na základe metódy, ktorú vyvinul na analýzu zvukov (Helmholtzove rezonátory), a vysvetlil vnímanie zvuku fyzikálnymi zákonmi.

Nová etapa vo vývoji akustiky sa začala v súvislosti s vývojom elektronických technológií, vytvorením elektronických zosilňovačov a objavením nových spôsobov generovania zvukov až do veľmi vysokých frekvencií (milióny vibrácií za sekundu). A. sa začal zvlášť intenzívne rozvíjať v súvislosti s problémom rozhlasového a televízneho vysielania.

Modernú architektúru môžeme rozdeliť na všeobecnú, čiže teoretickú, fyziologickú, medicínsku, hudobnú, architektonickú, technickú a atmosférickú; Rozlišuje sa aj elektroakustika a hydroakustika.

generál, aleboteoretická, akustikaštuduje (teoreticky a experimentálne) procesy vzniku a šírenia zvuk(pozri), ako aj metódy akustických meraní.

Kmitavé teleso (zdroj kmitov) vytvára v prostredí zóny striedavého zvyšovania a znižovania tlaku, šíriace sa rôznymi smermi vo forme pružných kmitov (vĺn) s rýchlosťami určenými vlastnosťami prostredia, v ktorom sa šíria. Napríklad rýchlosť šírenia elastických vĺn vo vzduchu pri t° 0 ° je 331 m/s, vo vode - 1440-1500 m/s, v kostnom tkanive - 3380 m/s. Elastické vibrácie sú charakterizované frekvenciou vibrácií (f), vlnovou dĺžkou (λ) a intenzitou vibrácií (I). Frekvencia oscilácií sa určuje v hertzoch ( Hz); 1 Hz rovná jednej vibrácii za sekundu. Ak je frekvencia elastických vibrácií v rozmedzí 16-20000 Hz, potom sú vnímané ľudským sluchovým orgánom vo forme zvuku, ktorého výška je určená frekvenciou vibrácií; v tomto prípade vyššie frekvencie zodpovedajú vyšším zvukom.

Sila zvuku je určená intenzitou zvuku alebo množstvom zvukovej energie prúdiacej cez 1 cm 2 za 1 sek. Intenzita vibrácií je maximálna pri zdroji vibrácií a so vzdialenosťou klesá.

Výkyvy pod 16 a nad 20 000 Hz(s odchýlkami v jednom alebo druhom smere) nie sú vnímané ľudským uchom vo forme zvukov a sú tzv infrazvuk(masové médiá ultrazvuky(cm). Zároveň je človek cez kosti lebky schopný vnímať ultrazvuk s frekvenciou asi 100 000-150 000 Hz. Infrazvukové vibrácie môže telo vnímať vibrotaktilne (pozri. Vibrácie). Hranice vnímania zvukových vĺn zvieratami sa výrazne líšia od uvedených hodnôt (napríklad morčatá, škrečky a niektoré iné zvieratá vnímajú zvuky s frekvenciou až 100 000 Hz).

Fyziologická akustika študuje fyziku a biofyziku orgánov sluchu a reči, ako aj dôsledky pôsobenia elastických vibrácií, pretože elastické vibrácie sú schopné mechanicky, tepelne a fyzikálno-chemicky pôsobiť na biologické objekty (vrátane tela napr. celý). vplyv. Dôležitá je intenzita a frekvencia zvukovej energie. Takže napríklad pri intenzite zvuku rádovo 10 -4 W/cm 2 vzniká bolestivý pocit. Intenzívne zvuky aj pod prahom bolesti majú škodlivý vplyv na zdravie a výkonnosť. Dlhodobé vystavenie silnému hluku môže spôsobiť strata sluchu(pozri), niekedy až hluchota(pozri) alebo špecifické poškodenie sluchového orgánu v dôsledku vystavenia zvukom nadmernej sily (pozri. Akustická trauma). Zároveň citlivosť ľudského ucha na zvuky rôznych výšok nie je rovnaká. Ucho je najcitlivejšie na tóny 1000-3000 Hz.

Elastické vibrácie rôznych frekvenčných rozsahov spôsobujú špecifické efekty, ale všetky frekvenčné rozsahy majú v povahe ich pôsobenia niečo spoločné: 1) pri nízkych intenzitách zvukový efekt na biologickom substráte prakticky chýba; 2) pri stredných intenzitách vplyv elastických vibrácií spôsobuje mechanické, tepelné a fyzikálno-chemické. zmeny; 3) pri vysokých intenzitách dochádza v biologickom substráte k nezvratným zmenám, ktoré niekedy vedú k smrti organizmu (viď. Zvuk biologický účinok zvukov s vysokou intenzitou).

Lekárska akustika, pomocou techník a metód fyziologickej vibrácie skúma a hľadá možnosti využitia elastických vibrácií v praktickej medicíne (diagnostika, terapia, chirurgia).

Osobitná pozornosť sa venuje štúdiu elastických vibrácií, ktoré sa vyskytujú v ľudskom tele pri činnosti jeho vnútorných orgánov a obehového systému (napríklad mechanická činnosť srdca, pľúc, pulzné vlny atď.). Tieto štúdie, vykonávané za normálnych a patologických podmienok, slúžia ako základ pre vytvorenie akustických nástrojov a zariadení, ako aj určitých výskumných metód (napríklad auskultácia, pneumografia, fonokardiografia). Na diagnostiku ochorení sluchového orgánu, ako aj na vyšetrenie sluchového analyzátora sa používa externý zvukový generátor (viď. Audiometria, audiometer).

Jednou z oblastí využitia zvukových vibrácií v medicíne sú prístroje na protetiku hlasového aparátu a korekciu sluchu pacienta (viď. Sluchové pomôcky).

Obzvlášť široko používaný je ultrazvuk. Používa sa na terapiu, poskytuje vysokú terapeutickú účinnosť a stále viac sa používa na diagnostické účely, ako doplnok rádiografie. Ultrazvuk našiel uplatnenie v chirurgii, vďaka ľahkému získaniu výkonných ultrazvukov, v prípade potreby vo forme tenkých lúčov so schopnosťou zaostriť ich ako optické lúče. To sa využíva pri liečbe niektorých ochorení mozgu, kedy je potrebné lokálne nekrotizovať tkanivo (intenzita každého z ultrazvukových lúčov smerujúcich do daného bodu je nedostatočná na to, aby spôsobila akúkoľvek patologickú zmenu, ale v ohnisku je ich celková intenzita dostatočné na nekrotizáciu tkaniva).

Ultrazvuk má výrazné baktericídne vlastnosti, ktoré našli uplatnenie napríklad pri sterilizácii mlieka, konzerv a pod. Ultrazvuk sa používa aj na čistenie nástrojov (na základe fenoménu kavitácie), najmä chirurgických a predovšetkým dutých ihiel na injekcie (viac Podrobnosti o použití ultrazvuku v medicíne pozri Ultrazvuk).

Jedným z aspektov praktickej aplikácie výsledkov výskumu v oblasti A. je dôstojnosť. prídelový hluk(cm). Hladina hluku a jeho spektrálna analýza sa meria pomocou zvukomerov a analyzátorov zvukového spektra. Na základe špeciálnych prác, ktoré zohľadňujú škodlivé účinky hluku na ľudský organizmus, boli vypracované maximálne prípustné normy hluku pre rôzne podmienky. Podobné práce sa vykonali v oblasti hygienických predpisov. vibrácie(cm).

Hlavné využitie akustiky v lekárskej praxi nájdete vyššie.

Architektonická akustikaštuduje zvukové procesy v uzavretých priestoroch z hľadiska zabezpečenia dobrej počuteľnosti reči a hudby na všetkých miestach, kde sa môžu nachádzať poslucháči atď.

Atmosférická akustika sa zaoberá Ch. arr. štúdium zákonitostí šírenia zvuku vo voľnej atmosfére.

Technická akustika uvažuje hlavne o praktickej možnosti aplikácie A. na technológiu prenosu jednotlivých zvukov, reči a hudby, ktorá súvisí s Ch. arr. s problémami premeny zvukovej energie na elektrickú energiu; Preto sa technické inžinierstvo často nazýva elektroakustika. Technická analýza sa spolu so všeobecnou alebo teoretickou analýzou zaoberá tvorbou meracích, prijímacích a vysielacích zariadení.

Špeciálnou sekciou technického inžinierstva je hydroakustika, ktorá študuje šírenie zvukových vĺn a lúčov v kvapalnom prostredí a predovšetkým vo vode.

Bibliografia.: Beránek L. Akustické merania, trans. z angličtiny, M., 1952; Krasilnikov V.A. Zvuk a ultrazvukové vlny vo vzduchu, vode a pevných látkach, M., 1960; Baránok G. Dynamická teória zvuku, trans. z angličtiny, M., 1960; Pavol R. V. Mechanika, akustika a náuka o teple, trans. z nemčiny, M., 1971; Strett D. W. (Rayleigh D. V.), Teória zvuku, prel. z angličtiny, zväzok 1 - 2, M., 1955; Skuchik E. Základy akustiky, prel. z nemčiny, zväzok 1 - 2, M., 19 58 - 1959; Morse P.M. a. Ingard K.U. Teoretická akustika, N.Y. a. o., 1968.

L. A. Vodolazsky, A. A. Čevnenko.

Zdroje:

1. Veľká lekárska encyklopédia. Zväzok 1/Šéfredaktor akademik B.V.Petrovský; vydavateľstvo "Sovietska encyklopédia"; Moskva, 1974.- 576 s.

I. Predmet fyziky. Jej úlohy. Zvuk a jeho vlastnosti.

fyzika - náuka o vlastnostiach a formách existencie hmoty.

Biofyzika - lekárska a biologická veda, ktorá študuje fyzikálne procesy a javy v živých systémoch, a to aj pod rôznymi vonkajšími vplyvmi.

Ciele aúlohyKurz lekárskej a biologickej fyziky:

Zoznámte sa s fyzikálnymi a biofyzikálnymi mechanizmami vyskytujúcimi sa v tkanivách, orgánoch a systémoch tela.

Študovať fyzikálne a biofyzikálne vlastnosti orgánov a tkanív a fyzikálne princípy ich fungovania.

Oboznámiť sa s fyzikálnymi základmi diagnostických a liečebných metód.

Oboznámte sa s fyzikálnym základom spôsobov obsluhy zdravotníckych zariadení.

Študovať vplyv vonkajších faktorov na telo.

Vlastnosti modernej fyziky.

a) Moderná fyzika má hraničné oblasti s inými vedami.

b) Fyzika je rozdelená do niekoľkých úzkych oblastí podľa rôznych kritérií:

podľa rozsahu výskumu;

podľa predmetov výskumu.

Zvyšuje sa úloha fyziky pre ostatné vedy, dáva im teórie, princípy, sústavy jednotiek, experimentálne výsledky, vytvára základ pre návrh medicínskych zariadení, vysvetľuje rôzne fyzikálne a biologické procesy.

Vlastnosti biofyziky:

Je to hraničná veda.

Má úzke oblasti:

všeobecné a súkromné;

teoretické, experimentálne a aplikované;

študuje biofyziku rastlín, zvierat a ľudí;

kvantová biofyzika;

molekulárna, bunková, biofyzika tkanív, orgánov, systémov, populácií.

Zvuk, jeho vlastnosti.

Akustika je veda o produkcii, šírení a vlastnostiach mechanických vĺn a interakcii týchto vĺn s fyzikálnymi a biofyzikálnymi objektmi.

Druhy akustiky:

Technická- študuje príjem a distribúciu zvuku, rozvíja metódy výskumu zvuku.

Architektonický- skúma otázky dosiahnutia dobrej počuteľnosti alebo ochrany priestorov (napríklad pred hlukom).

Biologické- skúma tvorbu a využitie zvuku živými organizmami.

Lekárska- skúma fyziku a biofyziku sluchu a reči, možnosti využitia zvuku na diagnostiku a liečbu. Je potrebné rozlišovať medzi použitím počuteľného zvuku a ultrazvuku.

Hlavné úlohy lekárskej akustiky :

vývoj hygienických noriem pre použitie zvuku vo vede a priemysle;

vývoj spoľahlivých diagnostických a liečebných metód;

vývoj ultrazvukových diagnostických a liečebných metód.

Zvuk ako fyzikálny jav.

Zvuk- druh mechanických kmitov šíriacich sa v elastickom prostredí prevažne vo forme pozdĺžnych vĺn. Zvuk sa nešíri vo vákuu.

Zvuková vlna- mechanické rušenie šíriace sa v elastickom prostredí.

Zvukové vibrácie- mechanické vibrácie konvenčných častíc média.

Podmienené častice- objemy média, ktoré sú pomerne malé v porovnaní s vlnovou dĺžkou.

Zvukové pole- časť priestoru, v ktorej sa šíri zvuková vlna.

Klasifikácia zvukových vĺn:

1. Podľa frekvencie

infrazvuk (v< 16Гц)

počuteľný zvuk (16Hz< v < 20000Гц)

ultrazvuk (20 000 Hz< v <100МГц)

hyperzvuk (v > 100 MHz)

(všetky hranice sú podmienené)

Sluchový analyzátor nevníma infrazvuk, ultrazvuk a hyperzvuk.

V smere posunu častíc média:

Pozdĺžne - vlny, v ktorých dochádza k vibráciám častíc média v smere šírenia vlny.

Priečne - vlny, pri ktorých dochádza k vibráciám častíc média v smere kolmom na smer šírenia vlny.

V kvapalinách a plynoch vznikajú elastické sily len pri objemových zmenách, tvoria sa v nich len pozdĺžne vlny.

V pevných látkach vznikajú elastické sily tak pri objemových zmenách, ako aj pri zmene tvaru, vytvárajú sa v nich pozdĺžne aj priečne vlny a rýchlosť pozdĺžnych vĺn je približne polovičná oproti rýchlosti priečnych vĺn.

3. Podľa tvaru vibrácií:

Harmonické spektrum