Акустика. Елементи фізики слуху. Основи аудіометрії

Акустика – наука про звук. Предметом акустики є вив­чен­ня фізичної природи звуку, механізмів його генерації, розповсюдження (заломлення, відбиття, поглинання) і прак­тич­ного використання.

Як відомо, звук являє собою частинний випадок меха­ніч­них хвиль з частотою в інтервалі від 16 до 20000 Гц. Хвилі з частотою n < 16 Гц відповідають інфразвуку, з час­то­тою 20×10³ < n < 10⁹ Гц – ультразвуку, а з частотою n > 10⁹ Гц – гіперзвуку. Для лікарів вчення про звук має значний інтерес у зв’язку з широкою областю його використання у медичній практиці. Добре відомо, що звукові сигнали мо­жуть бути важливим джерелом інформації про стан внут­ріш­ніх органів. Достатньо згадати такі традиційні акустичні методи діагностики, як аускультація та перкусія. Для діаг­ностики серцевої діяльності поряд з електрокардіографією широко використовується фонокардіографія – реєстрація тонів та шумів серця з їх подальшим аналізом. Область застосування ультразвуку в медицині охоплює як методи діагности­ки, так і методи впливу.

3.5.1. Природа звуку, його основні характеристики (об’єктивні і суб’єктивні)

Як відомо, всі звуки поділяються на тони, або музи­кальні звуки, шуми та звукові удари. Тони, або музи­кальні звуки обумовлені коли­ван­нями джерела з постійними амплі­тудою та частотою, або такими, що закономірно змі­ню­ються з часом. Розрізняють прості тони, що викликані гармонічними коливаннями джерел, та складні, викликані ангармонічними коливаннями. Прикладом простого тону є звук камертона, а складного – голос людини, звуки музич­них інструмен­тів тощо.

Основною характеристикою простого тону є частота. Склад­ний тон може бути розкладений на прості тони. Простий тон, що входить до складного і має найменшу частоту n ₀, зветься основним тоном. Прості тони, що входять до склад­ного і мають частоти, кратні частоті основного тону (n = nn ₀, де n = 1, 2, …), називають обер­то­нами. Таким чином, складний тон має лінійчастий акустич­ний спектр (мал. 3.30а).

Мал. 3.30. Види звукових спектрів.

Шум являє собою складний аперіодичний звук, що має неперервний спектр. Шуми можуть відрізнятися між собою спектра­ми. Наприклад, низько- та високочастотні шуми ма­ють різні амплі­ту­ди у відповідних областях спектра (мал. 3.30б).

Звуковий удар – це короткочастотний звук, що має непе­рервний спектр, наприклад, вибух.

Основними характеристиками звуку як механічної хвилі є: інтенсивність або сила звуку І, частота та частотний спектр. Ці характеристики є об’єктивними характеристи­ками звуку, бо вони можуть бути виміря­ні відповідними приладами незалежно від людини.

Інтенсивність звуку – густина потоку енергії, що її приносить звукова хвиля, тобто

, . (3.63)

Інтенсивність звуку називають також силою звуку, тому що інтенсивність визначає надлишковий звуковий тиск D Р (а, отже, і силу звукового тиску), що виникає у ділянках згущення частинок при розповсюдженні звукової хвилі:

, (3.64)

де rυ; – так званий акустичний опір середовища (r – густина середовища, υ; – швидкість звуку).

Людське вухо здатне сприймати досить широкий діапа­зон інтенсивностей звукової хвилі. На частоті n = 1 кГц най­менша інтен­сив­ність, що сприймається, в середньому становить І _min = I ₀ = 10^–12 Вт / м ² (поріг чутності), а найбіль­ша І _мах = 10 Вт / м ² (поріг больового відчут­тя). Таким чином, значення порогових інтенсивностей відрізняються в 10¹³ разів. Для порівняння інтенсивностей звуку зручно користу­ва­­ти­ся логарифмічною шкалою, тобто порівнювати не інтен­сив­ності звуку, а їхні логарифми. Ця шкала зветься шка­лою рівнів інтенсив­ності звуку. За нульовий рівень інтен­сив­ності приймають рівень інтенсивності звуку, що відпо­відає порогу чутності . Тоді рівень L інтенсивності звуку визначається за формулою

, (3.65)

де І – інтенсивність звуку, І ₀ – інтенсивність звуку на порозі чут­нос­ті. Одиниця шкали рівнів інтенсивності – 1 Бел (Б), який відповідає зміні інтенсивності звуку в 10 разів. Дійсно, нехай L = 1 Б = lg , звідки = 10 або І = 10 І ₀. Таким чи­ном, перехід від рівнів інтенсивності до шкали інтенсив­ності здійснюють через значення інтенсивності, що відпо­ві­дає нульовому рівню, тобто через І ₀ = 10^–12 Вт / м ². На­при­клад, шум в аудиторії може мати рівень інтенсивності L = 6 Б. Визначимо інтенсивність цього шуму.

= 6 Б.

Звідки = 10⁶ або І = І ₀×10⁶ = 10^–6 .

Інакше кажучи, шум в 6 Б перевищує порогове значення інтенсивності звуку у мільйон разів. Співвідношення між шкалами інтенсивності і рівнів інтенсивності наочно подано на мал. 3.31. Поряд з Белом використовують одиницю шкали рівнів інтенсив­ності 1 децибел (дБ): 1 дБ = 10^–1 Б. Децибел відповідає зміні інтенсивності звуку в разів.