ЛЕКЦИЯ 6 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИКИ План 6.1

ЛЕКЦИЯ 6
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИКИ
План
6.1. Природа звука. Источники звука. Физические характеристики
звука.
6.1. Физические основы звукового и слухового аппарата у животных.
6.1. Порог звукового ощущения. Закон Вебера - Фехнера.
6.4. Шум как стресс-фактор, его влияние на живой организм, на
продуктивность сельскохозяйственных животных. Борьба с шумом
при интенсивном ведении животноводства и птицеводства.
6.6. Ультразвук. Источники ультразвука и его физические свойства.
Действие ультразвука на живой организм.
6.6. Инфразвук и его свойства. Биологическое действие инфразвука.
6.7. Физические основы звуковых методов исследования в клинике.
6.8. Эффект Доплера в акустике.
6.1
Акустика – наука, изучающая упругие колебания среды и
распространяющиеся в среде механические волны.
Звук – колебательное движение частиц упругой среды,
распространяющееся в виде волн. Человек слышит звук в диапазоне 16 Гц –
20 кГц.
В звуковой волне чередуются последовательные фазы повышения
давления – сжатия и понижения давления – разрежения.
Источниками звука являются колеблющиеся системы.
источник
Рисунок 6.1 - Продольная механическая волна, распространяющаяся
в упругой среде
Физические характеристики звука.
1. Скорость звука - скорость распространения волны в пространстве или
фазовая скорость
    ,
(6.1)
где λ- длина волны,  - частота. Она зависит от свойств среды. Так, скорости
волн в твердых средах и в газах можно вычислить по формулам Лапласа:
 тв 
г   
G
;
(6.2)
R T
,
M
(6.3)

где ρ – плотность среды, М – молярная масса, Т – температура, R –
универсальная газовая постоянная, G – модуль сдвига, γ – постоянная
адиабаты.
1. Интенсивность звука – энергия Е , переносимая звуковой волной за
единицу времени через единицу поверхности площади S , перпендикулярной
направлению распространения волны:
I
E
S t
(6.4)
1. Избыточное давление – это давление, создаваемое звуковой волной сверх
атмосферного давления.
р  2  I     ,
(6.5)
где ρ - плотность вещества,  - фазовая скорость звуковой волны.
4. Громкость (слышимость) – субъективная оценка силы звука,
воспринимаемая ухом. Для данной частоты громкость определяется
амплитудой колебаний.
6. Высота (бас, тенор) – субъективная характеристика, определяемая
частотой колебаний.
6. Тембр – субъективная характеристика оттенка (индивидуальности) звука,
определяемая наличием других частот.
6.2
Основные механизмы излучения звука в живой природе:
1. Фрикционный или стридуляционный. Издается трением подвижно
сочлененных органов (ракообразные, пауки, прямокрылые).
1. Тимбальный. Звуковой сигнал издается с помощью вибраций
специализированных мембран (цикады).
1. Пневматический. Воздух с шумом пропускается через отверстия (бабочка
Мертвая голова, копытные).
4. Ударный. Звуковой сигнал получается в результате удара частями тела о
субстрат (дятел, жук-точильщик).
У животных орган слуха развит неодинаково. Не все насекомые
воспринимают звук. Орган слуха обычно есть у тех насекомых, которые сами
издают звуки. У кузнечиков орган слуха расположен на голени передних ног,
у саранчи – по бокам брюшка, у дневных бабочек – у основания передних
крыльев.
Хорошо слышат птицы и звери. У некоторых животных слух
«заменяет» зрение. Издавая звуки, и чутко прислушиваясь к их отражению,
животные обнаруживают добычу, препятствия.
Слуховой аппарат животных приспособлен к восприятию сравнительно
тихих звуков, так как слишком громкие звуки в природе встречаются редко.
Специальными опытами на животных доказана возможность «акустического
шока» и «акустических судорог», иногда смертельных. В условиях
постоянного шума взрослые животные покидают места обитания, а молодые
теряются и гибнут.
6.3
Для того чтобы звуковая волна создала ощущение звука, необходимо,
чтобы сила звука превышала некоторую минимальную величину. Порогом
слышимости называется наименьшая сила звука данной частоты, которая
еще воспринимается ухом. Значение порога слышимости различно для
разных частот. Наиболее чувствительно человеческое ухо для колебаний с
частотами в пределах 1-3 кГц. Для этих частот порог слышимости у наиболее
чувствительного уха имеет величину порядка I 0  10 12
Вт
.
м2
Рисунок 6.2 – Оценка интенсивности слухового ощущения
Ощущение громкости не поддается точному количественному
измерению. Однако оценку интенсивности слухового ощущения можно
произвести на основе психофизического закона Вебера – Фехнера, согласно
которому изменение интенсивности ощущения пропорционально логарифму
отношения энергий раздражителей, вызывающих эти ощущения.
В применении к звуку закон Вебера – Фехнера позволяет дать
определение силы звукового ощущения как величины, пропорциональной
логарифму отношения силы звука к силе звука той же частоты на пороге
слышимости.
Уровень интенсивности звука определяется соотношением:
I
L  k  lg ,
I0
где k- коэффициент пропорциональности, зависящий от единиц измерения.
Если k=1, то единицей измерения уровня интенсивности звука является бел.
Так же используются единицы, в 10 раз меньшие, называемые децибелами,
тогда
I
L  10  lg .
(6.6)
I0
Порог слухового ощущения соответствует уровню интенсивности
звука 0 дБ. Уровень громкости, соответствующий разговорной речи,
примерно равен 60 дБ. Это означает, что при этом сила звука в 10 6 раз
превышает пороговую.
Уличный шум соответствует уровню громкости 70-80 дБ, резкий крик – 110 дБ.
Следует еще раз отметить, что уровень громкости только дает возможность
сравнения двух звуков по их громкости и не дает возможности точной количественной
оценки самой громкости, которая, к тому же, связана с субъективными ощущениями
человека. Так, например, один и тот же уровень громкости в 30 дБ, хорошо ощущаемый
нормальным ухом, может оказаться ниже порога слышимости для тугоухого человека.
Порог слышимости зависит от утомления уха внешними раздражителями, от
патологических изменений уха и т.п.
6.4
Шумом называют самые различные звуки, представляющие сочетание
множества различных тонов, частот, у которых форма, интенсивность и
продолжительность
беспорядочно
меняются.
Шум
может
быть
кратковременным (стук, скрип, хлопок) или длительным (при работе
различных машин, механизмов). Шум встречается в природных условиях,
сопровождая различные атмосферные явления (ветер, потоки воды).
Шум, производимый животными (движение, мычание), обычно не
превышает 45 дБ.
С развитием промышленного животноводства вырос уровень
механизации трудоемких процессов за счет применения доильных установок,
кормораздатчиков, навозоуборочных механизмов и машин, отопительновентиляционного оборудования, транспортных средств по доставке кормов,
перевозке животных, что приводит к увеличению производственных шумов.
В отдельных случаях он достигает 95-100 дБ.
Шум является вредным явлением: длительное действие шума вызывает
ослабление чувствительности уха, может привести к частичной или полной
потере слуха. Действуя на нервную систему, шум вызывает повышенную
утомляемость,
снижение
работоспособности,
различные
нервные
заболевания. Вредность шума зависит от его громкости и спектрального
состава.
В зависимости от пределов частоты колебаний, на которые приходится
максимальная интенсивность, по спектру шумы различают на низкочастотные,
среднечастотные и высокочастотные. Последние имеют наибольшую вредность.
Предельно допустимые уровни шума:
-низкочастотный шум (0-300 Гц) – 90-100 дБ;
-среднечастотный шум (300-800 Гц) – 85-90 дБ;
-высокочастотный шум (свыше 800 Гц) – 75-80 дБ.
Нормально допустимым уровнем шума считается 40-50 дБ.
Под влиянием постоянно действующих шумовых раздражителей у
животных происходят изменения клинико-физиологических показателей и
обменных процессов: повышается температура тела, учащаются пульс и
дыхание, уменьшается количество жвачек, снижается в крови уровень
гемоглобина и эритроцитов, общего белка и альбуминов. Например, при шуме
65 дБ температура тела повышается на 0,8 0С, учащаются пульс на 8,9%, дыхание – на
21,1% и увеличивается электропроводность кожи на 85%.
В результате нарушаются газоэнергетический обмен, функциональное
состояние сердца и нервной системы, снижается молочная продуктивность. В
помещениях с плохой акустикой шум в 40-60 дБ вызывает беспокойство у
животных, влияет на поедаемость корма и продолжительность отдыха.
Продуктивность животных снижается, если интенсивность шума превышает
60-70 дБ.
Из домашних животных птица наиболее чувствительна к шуму.
Продолжительное действие (53 дня) шума вызвало у цыплят изменения
высшей нервной деятельности и поведения. Наиболее вредное влияние на
яйценосность кур оказывает шум частотой 16-250 Гц.
Борьба с шумом ведется путем устранения самих источников шума,
ослабления шума от них с помощью различных амортизаторов или
глушителей, а так же путем облицовки стен помещения звукопоглощающими
материалами или устройства в них специальных поглотителей звука. Степень
поглощения звука зависит от его частоты: чем выше частота, тем звук
поглощается сильнее; а также от физических свойств среды (упругость,
плотность, вязкость и т.д.).
6.5
Ультразвук (УЗ) – упругие волны, частота которых превышает 20 кГц.
Малость длины волны определяет лучевой характер распространения
УЗ-овых волн. Вблизи излучателя волны распространяются в виде пучков,
поперечный размер которых сохраняется близким к размеру излучателя.
Попадая на крупные препятствия такой пучок (УЗ луч) испытывает
отражение и преломление. При попадании луча на малые препятствия
возникает рассеянная волна, что позволяет обнаруживать в среде малые
неоднородности (порядка десятых и сотых долей мм.). Отражение и
рассеяние УЗ-а на неоднородностях среды позволяют формировать в
оптически непрозрачных средах звуковые изображения предметов, используя
звуковые фокусирующие системы, подобно тому, как это делается с
помощью световых лучей.
В природе УЗ встречается как в качестве компоненты многих
естественных шумов (в шуме ветра, водопада, дождя, в шуме гальки,
перекатываемой морским прибоем, в звуках, сопровождающих грозовые
разряды, и т.д.), так и среди звуков животного мира. Некоторые животные
пользуются УЗ-овыми волнами для обнаружения препятствий, ориентировки
в пространстве.
Излучатели ультразвука можно подразделить на две большие группы. К первой
относятся излучатели-генераторы: колебания в них возбуждаются из-за наличия
препятствий на пути постоянного потока – струи газа или жидкости. Вторая группа
излучателей – электроакустические преобразователи: они преобразуют уже заданные
колебания электрического напряжения или тока в механическое колебание твердого тела,
которое и излучает в окружающую среду акустические волны.
Многообразные применения УЗ-а, при которых используются
различные его особенности, можно условно разбить на три направления.
Первое связано с получением информации посредством УЗ-овых волн,
второе – с активным воздействием на вещество и третье – с обработкой и
передачей сигналов. При каждом конкретном применении используется УЗ
определенного частотного диапазона. Например: применение ультразвука
позволяет значительно ускорить смешивание различных жидкостей и
получить устойчивые эмульсии (даже таких как вода и ртуть); воздействуя
УЗ-овыми колебаниями большой интенсивности на жидкости, можно
получать тонкодисперсные аэрозоли высокой плотности.
6.6
Инфразвук (ИЗ) – упругие волны, частота которых не превышает 16 Гц.
Природные источники мощного инфразвука – ураганы, извержения
вулканов, электрические разряды и резкие колебания давления в атмосфере.
Встреча двух поездов, движение поездов в тоннеле сопровождается
появлением инфразвукового шлейфа. Инфразвуковые шумы, производимые
градирнями теплоэлектроцентралей, различными устройствами всасывания
воздуха или выпуска отработавших газов, мощные виброплощадки,
дробилки, транспортеры и т.п.
Инфразвук способен проходить без заметного ослабления через стекла и
даже сквозь стены. Длина инфразвуковой волны весьма велика (на частоте
1.5 Гц она равна 100 метрам), проникновение в ткани тела также велико.
Фигурально говоря, человек слышит инфразвук всем телом.
Ритмы характерные для большинства систем организма человека лежат
в инфразвуковом диапазоне: сокращения сердца 1-2 Гц; дельта-ритм мозга
(состояние сна) 0,5-3,5 Гц; альфа-ритм мозга (состояние покоя) 8-13 Гц;
бета-ритм мозга (умственная работа) 14-35 Гц. Внутренние органы
вибрируют тоже с инфразвуковыми частотами. В инфразвуковом диапазоне
находится ритм кишечника.
Воздействие инфразвука приводит к механическому резонансу органов.
Самым опасным здесь считается промежуток от 6 до 9 Гц. Значительные
психотропные эффекты сильнее всего ощущаются на частоте 7 Гц, созвучной
альфа - ритму природных колебаний мозга, причем любая умственная работа
в этом случае делается невозможной, поскольку кажется, что голова вот-вот
разорвется на мелкие кусочки. Звук малой интенсивности вызывает тошноту
и звон в ушах, а также ухудшение зрения и безотчетный страх. Звук средней
интенсивности расстраивает органы пищеварения и мозг, рождая паралич,
общую слабость, а иногда слепоту. Мощный инфразвук способен повредить,
и даже полностью остановить сердце. Обычно неприятные ощущения
начинаются со 120 дБ, травмирующие - со 130 дБ. Инфра - частоты около 12
Гц при уровне интенсивности ИЗ в 85-110 дБ наводят приступы морской
болезни и головокружение, а колебания частотой 15-18 Гц при той же
интенсивности внушают чувства беспокойства, неуверенности и, наконец,
панического страха.
Оригинальный глушитель инфразвукового шума компрессоров и других машин: в
коробе этого глушителя одна из стенок сделана податливой, и это позволяет выравнивать
низкочастотные переменные давления в потоке воздуха, идущего через глушитель и
трубопровод. Площадки виброформовочных машин могут являться мощным источником
низкочастотного звука. В системах всасывания и распыления воздуха следует избегать
резких изменений сечения, неоднородностей на пути движения потока, чтобы исключить
возникновение низкочастотных колебаний.
6.7
Звук является источником информации, и в этом главное его значение.
Звук может быть и источником информации о состоянии внутренних органов
человека, так как звуковые явления сопровождают целый ряд процессов,
происходящих в организме, например дыхание, работу сердца и т.д.
Распространенный звуковой метод диагностики заболеваний –
аускультация (выслушивание). Для аускультации используют фонендоскоп.
Фонендоскоп состоит из полой капсулы с передающей звук мембраной,
прикладываемой к телу больного, от нее идут резиновые трубки к уху врача.
В полой капсуле возникает резонанс столба воздуха, вследствие чего
усиливается звучание и улучшается аускультация.
При аускультации легких выслушивают дыхательные шумы, разные
хрипы, характерные для заболеваний. При изменении тонов сердца и
появлению шумов можно судить о состоянии сердечной деятельности.
Используя аускультацию, можно установить наличие перистальтики желудка
и кишечника, прослушать сердцебиение плода.
Для диагностики состояний сердечной деятельности применяется метод,
называемый фонокардиографией (ФКГ). Этот метод заключается в
графической регистрации тонов и шумов сердца и их диагностической
интерпретации.
Принципиальные отличия имеет метод перкуссии. В этом методе
выслушивают звучание отдельных частей тела при их простукивании.
Представим замкнутую полость внутри какого-нибудь тела,
заполненную воздухом. Если вызвать в этом теле звуковые колебания, то при
определенной частоте звука в полости начнет резонировать, выделяя и
усиливая тон, соответствующий размеру и положению полости. Схематично
тело человека можно представить как совокупность газонаполненных
(легкие), жидких (внутренние органы) и твердых (кость) объемов. При ударе
по поверхности тела возникают колебания, частоты которых имеют широкий
диапазон. Из этого диапазона одни колебания погаснут довольно быстро,
другие же, совпадающие с собственными колебаниями пустот, усилятся и
вследствие резонанса будут слышимы. Опытный врач по тону перкуторных
звуков определяет состояние и топографию внутренних органов.
6.8
Эффектом Доплера называется изменение частоты колебаний,
воспринимаемой приемником, при движении источника этих колебаний и
приемника друг относительно друга. Например, из опыта известно, что тон
гудка поезда повышается по мере его приближения к платформе и
понижается при удалении, т. е. движение источника колебаний (гудка)
относительно приемника (уха) изменяет частоту принимаемых колебаний.
Для рассмотрения эффекта Доплера предположим, что источник и
приемник звука движутся вдоль соединяющей их прямой; υист и υпр –
соответственно скорости движения источника и приемника, причем они
положительны, если источник (приемник) приближается к приемнику
(источнику), и отрицательны, если удаляется. Частота колебаний источника
равна v0.
1). Источник и приемник покоятся относительно среды, т. е. υист=υпр=0.
Если υ – скорость распространения звуковой волны в рассматриваемой среде,
то длина волны   Т   /  0 . Распространяясь в среде, волна достигнет
приемника и вызовет колебания его звукочувствительного элемента с
частотой

 

 0 .
 T
(6.7)
Следовательно, частота v звука, которую зарегистрирует приемник, равна
частоте v0, с которой звуковая волна излучается источником.
2). Приемник приближается к источнику, а источник покоится, т. е.
υпр>0, υист=0. В данном случае скорость распространения волны
относительно приемника станет равной υ+υпр. Так как длина волны при этом
не меняется, то
  пр   пр (  пр )0



,
(6.8)

vT
v
(v  vпр )
т. е. частота колебаний, воспринимаемых приемником, в
раз больше
v
частоты колебаний источника.
3). Источник приближается к приемнику, а приемник покоится, т. е.
υист>0, υпр=0.
Рисунок 6.3 – К определению эффекта Доплера
Скорость распространения колебаний зависит лишь от свойств среды,
поэтому за время, равное периоду колебаний источника, излученная им
волна пройдет в направлении к приемнику расстояние υT (равное длине
волны λ) независимо от того, движется ли источник или покоится. За это же
время источник пройдет в направлении волны расстояние υ^T (рис. 6.3), т. е.
длина волны в направлении движения сократится и станет равной
 '     истТ  (   ист )Т , тогда

 0


,


 ' (   ист )Т    ист
(6.9)
т. е. частота ν колебаний, воспринимаемых приемником, увеличится в

раз.
   ист
В случаях 2) и 3), если υпр<0, υист<0, знак будет обратным.
4). Источник и приемник движутся относительно друг друга. Используя
результаты, полученные для случаев 2) и 3), можно записать выражение для
частоты колебаний, воспринимаемых приемником:
(   пр ) 0
,
(6.10)

   ист
причем верхний знак берется, если при движении источника или приемника
происходит их сближение, нижний знак – в случае их взаимного удаления.
Из приведенных формул следует, что эффект Доплера различен в
зависимости от того, движется ли источник или приемник. Если направления
скоростей υпр и υист не совпадают с проходящей через источник и приемник
прямой, то вместо этих скоростей в формуле надо брать их проекции на
направление этой прямой.
Вопросы для самоконтроля
1. Что изучает акустика?
2. Что такое звук?
6. Что является источником звука?
4. Перечислите физические характеристики звука.
5. Как изменяется скорость звука с изменением плотности среды?
6. Дайте определение интенсивности звука.
7. Укажите формулу для расчета избыточного давления при
распространении звука.
8. Что такое громкость звука и чем она определяется?
9. Что такое высота звука и чем она определяется?
10. Что такое тембр звука и чем он определяется?
11. Укажите основные механизмы излучения звука в живой природе.
11. Расскажите об органе слуха различных животных.
11. Дайте определение порога слышимости.
14. К каким частотам наиболее чувствительно ухо человека и какое
значение имеет порог слышимости для этих частот?
16. Сформулируйте закон Вебера – Фехнера для звука и укажите
формулу, его выражающую.
16. Назовите уровни громкости различных звуков.
17. Что такое шум?
18. Как шум влияет на живой организм? Приведите примеры.
19. Что такое ультразвук? Что является его источником в природе?
20. Назовите свойства ультразвука.
21. Расскажите о применении ультразвука.
21. Что такое инфразвук? Что является его источником в природе?
21. Расскажите о биологическом действии инфразвука.
24. Перечислите звуковые методы исследования в клинике.
26. Что такое аускультация?
26. Что такое фонокардиография?
27. Что такое перкуссия?
Задачи для самостоятельного решения
1. Интенсивность звука I = 1 Вт/м1. Определить среднюю объемную
плотность <ω> энергии звуковой волны, если звук распространяется в сухом
воздухе при нормальных условиях.
2. Определить уровень интенсивности звука в птичнике в децибелах, если
интенсивность его равна а) ночью 200 пДж/м2; б) днем 50 мВт/м1.
6. Работающая в помещении животноводческого комплекса электродоилка
создает уровень шума в 50 дБ. Определить уровень шума, когда в помещении
будут включены три электродоильные установки.
4. Звук частотой ν = 200 Гц походит некоторое расстояние в поглощающей
среде. Интенсивность звука при этом уменьшается с J1=10-4 Вт/м2 до J2=10-8
Вт/м1. На сколько при этом уменьшился уровень громкости.
5. Шум на улице достигает уровня 65 дБ. Такой шум приводит к ухудшению
физиологического состояния коров и, в частности, к падению их молочной
продуктивности. Во сколько раз надо уменьшить интенсивность звука в
коровнике (за счет звукоизоляции) по сравнению с улицей, чтобы уровень
шума был не более 45 дБ.