Исследование звуку. 
Основні властивості слуху людини

Исследование звуку. Основні властивості слуху человека".

Контрольная робота з дисципліни Введення у специальность Выполнила студентка групи № 7252:

Санкт-Петербургский Державний Університет Кіно і Телевидения Санкт-Петербург 2002 г.

Предисловие.

Звук — це що ширяться в пружних середовищах — газах, рідинах і твердих тілах — механічні коливання, що мисляться органами слуха.

Теперь трохи поміркуємо. Якщо, наприклад, серед стосів упав камінь, а поруч був нікого, хто міг би чути звук його падіння, існував звук чи ні? На питання можна відповісти і позитивно і негативно однаково, оскільки слово «звук» має двояке значення. Тому слід умовитися, що саме вважати звуком — фізичне явище як поширення звукових коливань повітря чи відчуття слухача. Перше сутнісно причина, друге наслідком, у своїй перше поняття про звуці - об'єктивне, друге — субъективное.

В першому випадку звук насправді становить собою потік енергії, поточної подібно річковому потоку. Такий звук може змінитися середу, якою він проходить, і саме змінюється нею. У другий випадок під звуком ми розуміємо ті відчуття, які виникають у слухача при вплив звуковий хвилі через слуховий апарат на мозок. Чуючи звук, то вона може відчувати різні почуття. Найбільш різноманітні емоції викликає в нас той складний комплекс нижченаведених звуків, який ми називаємо музикою. Звуки становлять основу промови, яка є головним засобом спілкування у суспільстві. І, нарешті, є така форма звуку, як шум. Аналіз звуку з позицій суб'єктивного сприйняття складніший, аніж за об'єктивної оценке.

Распространение звуку у просторі та її вплив на органи слуху человека.

При досягненні звуковий хвилею будь-якої точки простору, частки речовини, до того і не які виконували упорядкованих рухів, починають коливатися. Будь-яке рух тіло, зокрема і що вагалося, здатне здійснювати роботу, тобто воно має енергією. Отже, поширення звуковий хвилі супроводжується поширенням енергії. Джерелом цієї енергії є що вагалося тіло, що й випромінює в навколишнє пространство (вещество) енергію.

Органы слуху людини здатні сприймати коливання із частотою від 15−20 герц до 16−20 тисяч герц. Механічні коливання з зазначеними частотами називаються звуковими чи акустическими (акустика — вчення про звуке) Итак, звук — це хвильової коливальний процес, яке у пружною середовищі і викликає слухове відчуття. Проте сприйнятливість людини до звуках виборча, тому говоримо про чутних і нечутних звуках. Сукупність тих і інших загалом нагадує спектр сонячних променів, у якому видима область — від червоного до фіолетового кольору та дві невидимі - інфрачервона і ультрафіолетова. За аналогією з сонячним спектром звуки, які сприймаються людським вухом, називаються инфразвуками, ультразвуками і гиперзвуками.

Что відбувається органів слуху з різними системами і процесами перетворення слуху? Розглянемо будова слухового апарату человека.

Наружное вухо складається з вушний мушлі та слухового проходу, що з'єднують її з барабанним перетинкою. Основна функція зовнішнього вуха — визначення напрями на джерело звуку. Слуховий прохід що становить звужується всередину трубку довжиною удвічі сантиметри, охороняє внутрішні частини вуха і лише ж виконує функцію резонатора. Слуховий прохід закінчується барабанним перетинкою — мембраною, яка коливається під впливом звукових хвиль. Саме, зовнішньому кордоні середнього вуха, й відбувається перетворення об'єктивного звуку в суб'єктивний. За барабанним перетинкою розташовані три маленьких сполучених між собою кісточки: молоточок, ковадло і прагнучи, з допомогою яких коливання передаються внутрішньому уху.

Там, в слуховому нерві, вони перетворюються на електричні сигнали. Мала порожнину, де перебуває молоточок, ковадло і прагнучи, наповнена повітрям і з'єднана з порожниною рота евстахиевой трубою. Завдяки останньої підтримується однакове тиск на внутрішню й зовнішній бік барабанним перетинки. Зазвичай евстахиева труба закрита, а відкривається лише за раптовому зміні давления (при зевании, ковтанні) вирівнювання його. Якщо людина евстахиева труба закрита, наприклад, у зв’язку з простудним захворюванням, то тиск не вирівнюється, і достойна людина відчуває біль у ушах.

Далее коливання передаються від барабанним перетинки до овальному вікна, що є початком внутрішнього уха.

Сила, діюча на барабанну перетинку, дорівнює твору тиску площа барабанним перепонки.

Но справжні таїнства слуху розпочинаються з овального вікна. Звукові хвилі поширюються в рідини (перилимфе), якої наповнена равлик. Цей орган внутрішнього вуха, формою нагадує равлика, має довжину три сантиметри і з всієї довжині разделён перегородкою на частини. Звукові хвилі сягають перегородки, оминають неї і далі поширюються за напрямку до майже до того ж місцеві, де їх вперше торкнулися перегородки, але з інший стороны.

Перегородка равлики складається з основний мембрани, дуже товстої і тугий. Звукові коливання створюють її поверхні волнообразную рябизну, у своїй гребені для різною частоти лежать у цілком певних ділянках мембраны.

Механические коливання перетворюються на електричні у спеціальній органе (органе Корті), размещённом над верхньої частиною основний мембраны.

Над органом Корті розташована текториальная мембрана. Обидва ці органу занурені в рідина — эндолимфу і відділені від решти равлики мембраною Рейснера. Шерстинки, ростучі з органу Корті майже пронизують текториальную мембрану, і у разі виникнення звуку вони торкаються одна одної - відбувається перетворення звуку, нині він закодований як електричних сигналов.

Заметную роль посиленні нашій спроможності до сприйняття звуків грає шкірний покрив і кістки черепа, що з їх хорошу провідність. Наприклад, якщо докласти вухо до рейку, то рух яке поїзда можна знайти набагато раніше його появления.

Свойства звуку та її характеристики.

Основные фізичні характеристики звуку — частота і інтенсивність коливань. Вони і впливають на слухове сприйняття людей.

Периодом коливання називається час, протягом якого відбувається одне повне коливання. Можна навести для прикладу хитний маятник, що він з крайнього лівого становища переміщається в крайнє праве і повертається до знову на вихідне положение.

Частота коливань — їх кількість повних колебаний (периодов)за одну секунду. Цю одиницю називають герцем (гц). Чим більший частота коливань, тим паче високий звук ми чуємо, тобто звук має як високий тон. Відповідно до прийнятої міжнародної системою одиниць, 1000 гц називається килогерцем (кГц), а 1.000.000 — мегагерцем (МГц).

Распределение за частотами: чутні звуки — не більше 15Гц-20кГц, інфразвуки — нижче 15Гц; ультразвуки — не більше 1,5· 104 — 109 гц; гиперзвуки — не більше 109 — 1013Гц.

Ухо людини можна до звуках із частотою від 2000 до 5000 кГц. Найбільша гострота слуху зокрема у вік 15−20 років. З яким віком слух ухудшается.

С періодом, і частотою коливань пов’язано поняття про довжині хвилі. Довжиною звуковий хвилі називається відстань між двома послідовними згущеннями чи разрежениями середовища. Приклад хвиль, поширених лежить на поверхні води, — цей період між двома гребнями.

Звуки різняться також із тембру. Основний тон звуку супроводжується другорядними тонами, що завжди вищої частоте (обертона). Тембр — це якісна характеристика звуку. Чим більший обертонів накладається на основний тон, тим «соковитіше» звук в музичному отношении.

Вторая основна характеристика — амплітуда коливань. Це найбільше відхилення від становища рівноваги при гармонійних коливаннях. Приклад з маятником — максимальне відхилення їх у крайнє ліве становище, або у крайнє праве становище. Амплітуда визначає интенсивность (силу) звука.

Сила звуку, або його інтенсивність, визначається кількістю акустичної енергії, плинною за секунду через площу перейменують на квадратний сантиметр. Отже, інтенсивність акустичних хвиль залежить від величини акустичного тиску, створюваного джерелом в среде.

С інтенсивністю звуку своєю чергою пов’язана гучність. Чим більший інтенсивність звуку, тим він голосніше. Але ці поняття не рівнозначні. Гучність — це міра сили слухового відчуття, викликаний звуком. Звук однаковою інтенсивності може створювати в різних людей неоднакове зі своєї гучності слухове сприйняття. Кожна розумна людина має своїм порогом слышимости.

Звуки дуже великі інтенсивності людина перестає чути і сприймає їх як відчуття тиску і навіть болю. Таку силу звуку називають порогом больового ощущения.

Шум. Музика. Речь.

С погляду сприйняття органами слуху звуків, їх можна розділити здебільшого три категорії: шум, музика і йшлося. Це різні ділянки звукових явищ, які мають специфічної в людини информацией.

Шум — це безсистемне поєднання великої кількості звуків, тобто злиття всіх цих звуків до одного нестрункий голос. Вважається, що шум — це категорія звуків, що заважає людині чи дратує.

Люди витримують лише певну дозу шуму. Але якщо проходить годину — інший, і галас точиться, то з’являється напруга, знервованість і навіть боль.

Звуком можна вбити людину. У середньовіччі було навіть така страту, коли людини саджали під дзвін й починали до нього бити. Поступово дзвін вбивав людини. Але це було середньовіччі. Нині з’явилися надзвукові літаки. Якщо такий літак пролетить над містом в розквіті 1000−1500 метрів, то будинках лопнуть стёкла.

Музыка — це особливе явище у світі звуків, але, на відміну промови, вона передає точних значеннєвих чи лінгвістичних значень. Емоційний насичення і приємні музичні асоціації починаються в ранньому дитинстві, коли в дитини ще словесного спілкування. Ритми і наспіви пов’язують його матері, а співи і танці є елементом спілкування в іграх. Роль музики життя настільки велика, що останні роки медицина приписує їй цілющі свойства.

С допомогою музики можна нормалізувати біоритми, забезпечити оптимальний рівень діяльності серцево-судинної системы.

А адже достатньо лише згадати, як солдати йдуть у бій. Із Віку століть пісня була неодмінним атрибутом солдатського марша.

Речь — найважливіше засіб мислення та спілкування людей. Йдеться становить понад більш-менш тривалих шумів і тонів, складових групи. Опанування промовою відбувається в дитячому віці, коли дитина поки лише слухає і намагається відтворити самі нескладні і легко проголошувані слова: «мама» і «папа».

Законы поширення звука.

К основним законам поширення звуку ставляться закони його відблиски і заломлення межах різних середовищ, і навіть дифракція звуку та її розсіювання за наявності перешкод і неоднородностей серед і межах розділу сред.

На дальність поширення звуку впливає чинник поглинання звуку, то є необоротний перехід енергії звуковий хвилі до інших види енергії, в частковості, в тепло. Важливим чинником є й спрямованість випромінювання та швидкість поширення звуку, яка від середовища проживання і її специфічного состояния.

От джерела звуку акустичні хвилі поширюються в різні боки. Якщо звукова хвиля проходить через порівняно невеличке отвір, вона поширюється в різні боки, а чи не йде спрямованим пучком. Наприклад, вуличні звуки, проникаючі через відкриту кватирку у кімнату, можна почути переважають у всіх її точках, а чи не тільки окна.

Характер поширення звукових хвиль у перешкоди залежить від співвідношень між розмірами перешкоди і хвилі. Якщо розміри перешкоди малі по порівнянню із довжиною хвилі, то хвиля обтікає ця перешкода, розповсюджуючись у все стороны.

Звуковые хвилі, проникаючи з однієї середовища до іншої, відхиляються від початкового напрями, тобто переломлюються. Кут заломлення може більше чи менше кута падіння. Це від цього, з якої середовища у яку проникає звук. Якщо швидкість звуку на другий середовищі більше, то кут заломлення буде більше кута падіння, і наоборот.

Встречая на своєму шляху перешкода, звукові хвилі відбиваються від цього по суворо визначеному правилу — кут відображення дорівнює розі падіння — з цим пов’язано поняття відлуння. Якщо звук відбивається і від кількох поверхонь, що є на різних відстанях, виникає багаторазове эхо.

Звук поширюється як розбіжної сферичної хвилі, яка заповнює все більший обсяг. Зі збільшенням відстані, коливання частинок середовища слабшають, і звук розсіюється. Відомо, що з збільшення дальності передачі звук необхідно концентрувати в заданому напрямі. Коли хочемо, наприклад, щоб нас почули, ми докладаємо долоні до роті чи користуємося рупором.

Большое впливом геть дальність поширення звуку надає дифракція, тобто викривлення звукових променів. Чим разнороднее середовище, тим більше коштів викривляється звуковий промінь і, тим менше дальність поширення звука.

Инфразвук, ультразвук, гиперзвук.

Инфразвук — пружні хитання й хвилі з частотами, лежать нижче області чутних людиною частот. Зазвичай за верхню межу инфразвукового діапазону приймають 15−4- гц; таке визначення умовно, оскільки за достатньої інтенсивності слухове сприйняття і його на частотах в одиниці гц, хоча заодно зникає тональний характер відчуття, і робляться помітними лише окремі цикли коливань. Нижня частотна кордон інфразвуку неопределённа. У цей час область вивчення простирається вниз приблизно до 0,001 гц. Таким чином діапазон инфразвуковых частот охоплює близько 15-ти октав.

Инфразвуковые хвилі поширюються в повітряної і водної середовищі, соціальній та земної корі(в цьому випадку їхні називають сейсмічними та його вивчає сейсмологія). До инфразвукам ставляться також низькочастотні коливання великогабаритних конструкцій, в частковості транспортних засобів, зданий.

Основная особливість інфразвуку, обумовлена його низькою частотою, — це мале поглинання. При поширенні у глибокому морі й у атмосфері лише на рівні землі інфра-звукові хвилі частоти 10−20 гц загасають з відривом 1000 км трохи більше ніж кілька Дб (децибелл). Через великий довжини хвилі на инфразвуковых частотах замало, й розсіювання звуку у природних середовищах; помітне розсіювання створюють лише дуже великі об'єкти — пагорби, гори, великі будівлі і ін. У результаті малого поглинання і розсіювання інфразвук може поширюватися на дуже великі відстані. Відомо, що звуки виверження вулканів, атомних вибухів можуть багаторазово обходити навколо земної кулі, сейсмічні хвилі можуть перетинати всю товщу Землі. З цих самих причин інфразвук майже неможливо ізолювати, і всі звуковбирні матеріали втрачають свою ефективність на инфразвуковых частотах.

Источниками інфразвуку, пов’язані з людської діяльністю, є вибухи, гарматні постріли, ударні хвилі від надзвукових літаків, акустичне випромінювання реактивних двигунів та інших. Кожен дуже гучний звук несе з собою, як правило, і инфразвуковую енергію. Характерно, що випромінюванням інфразвуку супроводжується процес речеобразования. Суттєвий внесок у инфразвуковое забруднення середу дають транспортні шуми як аеродинамічного, і вібраційного происхождения.

Установлено, що інфразвук із високим рівнем интенсивности (120Дб і більше) надає шкідливе впливом геть людський організм. Ще більш шкідливими є інфра-звукові вібрації, оскільки за їх вплив можуть бути небезпечні резонансні явища окремих органів. Потужний інфразвук може викликати руйнація і ушкодження конструкцій, устаткування. Разом про те інфразвук внаслідок великий дальності поширення знаходить корисне практичне застосування при дослідженні океанічній середовища, верхніх шарів атмосфери, щодо місця виверження чи вибуху. Інфра-звукові хвилі, випромінювані при підводних виверженнях, дозволяють передбачити виникнення цунамі.

Ультразвук — пружні хвилі з частотами приблизно від (1,5 — 2)· 104Гц (15 — 20 кГц) до 109 Гц (1ГГц); область частотних хвиль від 109 до 1012 — 1013 гц прийнято називати гиперзвуком. По частоті ультразвук зручно підрозділяти на 3 діапазону: ультразвук низьких частот (1,5· 104 — 105Гц), ультразвук середніх частот (105 — 107Гц), область високих частот ультразвука (107 — 109Гц). Кожен з цих діапазонів характеризується своїми специфічними особливостями генерації, прийому, поширення і применения.

По фізичну природу ультразвук є пружні хвилі, й у не відрізняється від звуку, тому частотна межа між звуковими і ультразвуковими хвилями умовна. Проте завдяки вищим частотах і, отже, малим длинам хвиль, має місце ряд особливостей поширення ультразвука.

Ввиду малої довжини хвилі ультразвуку, характер його визначається передусім молекулярної структурою середовища. Ультразвук в газі, і зокрема повітря, поширюється з великим загасанням. Рідини і твёрдые тіла представляють собою, зазвичай, хороші провідники ультразвуку, — згасання у яких значно менше. Тому галузі використання ультразвуку середніх і високих частот ставляться майже до рідинам і твердим тілах, а повітрі й садити в газах застосовують ультразвук лише низьких частот.

Ультразвуковым хвилях знайшли найбільше застосування під багатьох областях людської діяльності: у промисловості, до медицини, у побуті, ультразвук використовували для буріння нафтових свердловин тощо. Від штучних джерел можна було одержати ультразвук інтенсивністю у кількасот Вт/см2.

Ультразвуки можуть видавати сприймати такі тварини, як собаки, кішки, дельфіни, мурахи, кажани та інших. Кажани під час польоту видають короткі звуки підвищеного тону. У своєму польоті вони керуються відображеннями цих звуків від предметів, можна зустріти по дорозі; можуть навіть ловити комах, керуючись лише луною від міста своєї дрібної видобутку. Кішки і собаки можуть чути дуже високі свистячі звуки (ультразвуки).

Гиперзвук — це пружні хвилі з частотами від 109 до 1012 — 1013 гц. По фізичну природу гиперзвук нічим не відрізняється від звукових і ультразвукових хвиль. Завдяки вищим частотах і, отже, меншою, ніж у області ультразвуку, длинам хвиль значно більше суттєвими стають взаємодії гиперзвука з квазичастицами серед — з електронами провідності, тепловими фононами та інших. Гиперзвук також часто сьогодні як потік квазичастиц — фононов.

Область частот гиперзвука відповідає частотах електромагнітних коливань дециметрового, сантиметрового і міліметрового диапазонов (так звані надвисокі частоты).Частота 109 гц повітря нормального атмосферному тиску і кімнатної температурі мусить бути однотипні із довжиною вільного пробігу молекул повітря за цих умовах. Проте пружні хвилі можуть поширюватися серед лише за умови, що й довжина хвилі помітно більше довжини вільного пробігу частинок в газах чи більше межатомных відстаней в рідинах і твердих тілах. Тож у газах (зокрема у повітрі) при нормальному атмосферному тиску гиперзвуковые хвилі поширюватися що неспроможні. У рідинах згасання гиперзвука дуже велика і дальність поширення мала. Порівняно добре гиперзвук поширюється в твердих тілах — монокристаллах, особливо в низької температури. Але навіть у такі умови гиперзвук здатний пройти відстань лише 1, максимум 15 сантиметров.

Список литературы

1.Хорбенко Іване Григоровичу: «За межами слышимого»; 2-е издание, 1986 г.

2.Клюкин Ігоре Івановичу: «Дивний світ звука»; 2-е видання, 1986 г.

3. Кошкін М. І., Ширкевич М. Г.: «Довідник по елементарної фізиці»; 10-те вид., 1988 г.

4. Інтернет: онлайн-библиотека Мошкова (internet Науково-популярна література, Фізика — онлайн-энциклопедия в розмірі 5 томах, «З», ультразвук, інфразвук, гиперзвук. internet.