25. Звук. Природа на звука. Физически характеристики на звука. Звукът като психофизично явление.

25.1. Природа на звука.

Механичните трептения и вълни, които възникват във веществена среда, с честота от 16 Hz до 20 000 Hz (20 kHz), и предизвикват физиологично усещане в човешкото ухо, се наричат звукови или звук. Трептения и вълни с честота под 16 Hz се наричат инфразвук, а тези с честоти над 20 000 Hz – ултразвук. Това деление е направено на базата на човешкото възприятие за звук, а не от някакви физически съображения.

Източник на звук е всяко тяло, което трепти под действието на периодична сила, удар, сътресение и т.н. Това могат да бъдат струни, свирки, камертони, гласови органи и др. Чрез въздушната среда, в която тези трептения се разпространяват под формата на надлъжни вълни, те достигат до ухото и предизвикват физиологичното усещане за звук. Скоростта на разпространение на звуковите вълни зависи от еластичните свойства на средата, от плътността и температурата и.

В течности и газове звукът се разпространява като надлъжни вълни, а в твърди тела – като надлъжни и напречни вълни.

Звуковете характеризираме като тонове и шумове. Тон е звуково трептение, което се извършва по периодичен закон. Тоновете можем да разделим на прости тонове и сложни тонове. Прост тон е звуково трептение, което е хармонично, т.е. се извършва по синусов закон. Основна характеристика на простия тон е неговата честота. Прост тон издава например камертона. Звуково трептение, което е периодично, но не е хармонично, се нарича сложен тон.  Сложни тонове издават музикалните инструменти и гласовите органи на човека и животните. Сложният тон можем да разложим на съставящите го прости тонове. Трептението с най-малка честота v₀ се нарича основен тон, а трептения с честоти, кратни на основния тон (2v_0, 3v_0, 4v₀ и т. н.) - обертонове. Съвкупността от трептения с различни честоти, които съставят сложния тон, заедно с тяхната относителна интензивност, се нарича акустичен спектър на сложния тон. Следователно сложните тонове имат линеен спектър.

 Шумът е непериодично звуково трептение, което можем да разглеждаме като съвкупност от множество сложни тонове, чиято интензивност и честота се променят безпорядъчно.  Шумовете имат непрекъснат спектър.

25.2. Физически характеристики на звука.

Звуковите вълни могат да се опишат чрез величините, с които описваме една вълна – период T, честота ν, амплитуда A, дължина на вълната λ. Като всяка вълна, така и звуковата пренася енергия. Затова можем да характеризираме звука чрез величината интензитет. Това е енергията, пренесена от вълната за единица време през единица площ, перпендикулярна на посоката на разпространение на вълната.

Единицата за интензитет е W/m². Интензитетът можем да изразим и чрез параметрите на средата и на звука - , където е v е скоростта на разпространение на вълната, ρ е плътността на средата, ω е кръговата честота и А е  амплитудата на трептенията.

Друга величина, с която характеризираме звука, е звуково или акустично налягане. В областите на сгъстяване на средата при разпространение на звуковата вълна  се създава допълнителното налягане. За мярка на това допълнително налягане се взема ефективната му стойност. Максималната стойност на акустичното налягане е , където А е амплитудата на вълната, ω е кръговата честота, v_зв е скоростта на разпространение на звука и ρ е плътността на веществото. Интензитетът на плоска синусова вълна може да се изрази чрез акустичното налягане чрез зависимостта

Произведението ρ.v_зв се нарича специфично вълново или акустично съпротивление на средата и характеризира загубите на енергия на звуковата вълна. Тази величина е важна характеристика на акустичните свойства на средата и определя поведението на вълната на границата на различни среди. При падане на звукова вълна на границата на две среди, една част ще се отрази, а друга ще се пречупи. Коефициентът на отражение ρ зависи от акустичното съпротивление чрез следната зависимост: . Колкото повече се различават акустичните съпротивления на средите, толкова по-малка част от звуковата енергия ще преминава от едната в другата среда. Например от въздух във вода интензитетът на преминалия звук ще бъде само 0.12% от този на падащия звук, т.е. ще имаме практически пълно отражение.

При разпространение на звука във веществена среда той затихва. Затихването е свързано с няколко процеса - отражение на звука на границите на среди с различно акустично съпротивление, разсейване и поглъщане на звука. При затихване, дължащо се на разсейване и поглъщане на звука, интензитетът му намалява по експоненциален закон , където I е интензитетът на вълната на разтояние от източника, I_о е интензитетът на източника, т.е. при =0, а δ е коефициентът на затихване. Коефициентът на затихване от своя страна зависи от свойствата на средата (коефициента на динамичен вискозитет η, плътността на средата ρ и скоростта на разпространение на звука v_зв) и от дължината на звуковата вълна λ.

25.3. Психофизически характеристики на звука.

При възприемане на звука, човек различава три негови качества – височина, тембър и гръмкост.

Височината на звука е свързана с честота на основния тон. По-висок звук е този с по-голяма честота.

Сложните тонове с еднаква основна честота се отличават по акустичния си спектър. Затова  различно звучи един и същи тон, изпълнен на различен музикален енструмент или от различен човек. Следователно тембърът на звука зависи от неговия акустичен спектър.

Гръмкостта характеризира нивото на звуковото усещане.

За да се получи в човешкото ухо усещане за звук, интензитетът на звука трябва да надвишава определена стойност. Най-малкият интензитет на звука, който човешкото ухо е в състояние да възприеме, се нарича праг на чуване. Тъй като човешкото ухо има различна чувствителност при различните честоти, то и прагът на чуване ще зависи от честотата на звука. При честота 1000Hz прагът на чуване е I₀ = 10^-12 W/m². Ако човек можеше да възприема звукове с един-два порядъка по-малък интензитет, то щяхме да чуваме постоянен шум от ударите на молекулите в тъпънчето. Интензитетът на звука, над който в ухото се предизвиква усещане за болка, се нарича праг на болка. При честота 1000Hz прагът на болка е I_m = 10 W/m², т.е. човешкото ухо може да възприема звукови вълни с много голям обхват от стойности – 10¹³ или 13 порядъка. За величини, които се променят в такива големи обхвати обикновено се използва логаритмична скала. В случая скала за интензитет на звука се дефинира като за изходно ниво се приема праговия интензитет I₀. Кой да е друг интензитет на звука I се оценява чрез десетичен логаритъм от отношението на дадения интензитет с праговия.

.

Единицата за оценка по логаритмичната скала се нарича Бел (В). Като имаме предвид обхвата от стойности на интензитета на вълната при звуковото възприятие (10¹³, т.е. 13 порядъка), то скалата в единиците Бел ще има 13 нива, всяко от които съответства на нарастване на интензитета на звука 10 пъти. Например 2В съответства на абсолютен интензитет на звука . Практическо приложение има единицата децибел. 1 dB=0.1 B. Един децибел съответства на отношение на интензитетите на два звука, равно на 1.26. В децибели скалата става с повече нива – от 0 до 130 dB.

Чувствителността на човешкото ухо е максимална в диапазона от 1 до 3 kHz, а за останалите честоти е доста по-малка. Например ако прагът на чуване за честота 1000Hz е 10^-12 W/m², то за честота 100 Hz е 5.10^-9 W/m². Прагът на болка също не е еднакъв за целия звуков диапазон. В резултат на това областта на чуване е ограничена както от страна на ниските интензивности, така и от страна на високите интензивности (Фиг. 25.1).

Фиг. 25.1.

Връзката между гръмкостта и интензитета на звука се подчинява на общия психофизичен закон на Вебер и Фехнер. Той гласи, че ако физическото дразнене нараства в геометрична прогресия, то породеното физиологично усещане нараства в аритметична прогресия. В случая физическото дразнене зависи от интензитета на звука, а породеното усещане е гръмкостта. Следователно гръмкостта на звука е пропорционална на логаритъма на относителния интензитет на звука.

 

Единицата за гръмкост се нарича фон (phon). Коефициентът на пропорционалност k зависи от честотата на звука. При честота n=1000Hz, k=1, т.е. скалата за гръмкост и интензитет съвпадат. При всички други честоти от звуковия диапазон този коефициент е по-малък от 1, защото за тях човешкото ухо е по-малко чувствително.  Тези коефициенти се определят като се сравни изследвания звук със стандартен звук с честота 1000Hz, чийто интензитет може плавно да се променя, докато възникне звуково усещане, аналогично на усещането при изследвания звук. На тази база се определя стойността на коефициента k и се построяват т.н. криви на равна гръмкост, по средни данни за голям брой хора с нормален слух.

За много от хората областта на чуване е по-малка, като се намалява както границата на чуване от страната на високите честоти (до 18, 15 и дори 10 kHz), така и се увеличава прага на чуване. Под въздействието на звукове с голяма интензивност в определени честотни области могат да се повредят определени участъци от ушната мембрана, които съответстват на тези честоти, и човек става частично глух.

26. Физичен механизъм на действието на слуховия апарат при човека.

Човешкото ухо е съвършен преобразовател на звука, свързан с компютърен център - мозъка. Блоковата схема на слуховия анализатор може да се представи по следния начин (Фиг. 26.1).

Фиг. 26.1.

Най-общо казано ухото преобразува информацията от акустичната вълна в електричен сигнал, който чрез нервните импулси се предава на главния мозък, където информацията от нервния импулс се декодира и възприема. Ухото на човека се състои от 3 основни части – външно, средно и вътрешно ухо (Фиг. 26.2). Първите две служат като устройство за предаване звуковите трептения към слуховия анализатор, намиращ се във вътрешното ухо.

Звукът постъпва в ухото чрез външния ушен канал, който може да се разглежда като тръба, затворена от единия край с мембрана, която се нарича тъпанче, с дължина около 2.5 см. Външната раковина служи да улавя звука и да концентрира звуковите вълни в слуховия канал, в резултат на което звуковото налягане върху тъпанчето е по-голямо около 3 пъти от налягането на външното акустично поле. Въздушният стълб в ушния канал има основна резонансна честота около 3 kHz. С този резонансен ефект се обяснява отчасти и факта, че ухото е най-чувствително в областта около 3 kHz.

Фиг. 26.2. Устройство на човешкото ухо.

По ушният канал звукът достига до тъпанчето, откъдето чрез система от слухови костички (чукче, наковалня и стреме) трептенията се предават на еластична мембрана, наречена овално прозорче. Следователно средното ухо играе роля на своеобразен барабан. Ако звуковите вълни попадат непосредствено върху овалното прозорче на вътрешното ухо, което е запълнено с течност, то поради разликата в акустичното съпротивление на въздуха и течността, само 0.1% от енергията на звуковата вълна ще премине в средното ухо. Чукчето, наковалнята и стремето представляват една лостова система, свързана с тъпанчето, която увеличава действуващата сила 2.5 пъти в сравнение с акустичната сила, действуваща върху тъпанчето. Също така площта на овалното прозорче е 20-25 пъти по-малък от площта на тъпанчето. Сумарното действие на тези фактори води до това, че налягането, което се упражнява върху овалното прозорче е 50-60 пъти по-голямо, отколкото налягането на звуковата вълна върху тъпанчето. Следователно външното и средното ухо служат за превръщане на трептенията на въздуха с голяма амплитуда и малко налягане в трептене с малка амплитуда и голямо налягане.

Във вътрешното ухо се намира спирален ушен лабиринт, наречен охлюв, разделен на 3 канала от влакнести мембрани, запълнени с течност. При човека охлювът е навит около 2,5 пъти (с дължина около 35 mm), при свинята 4 пъти, при говедото 3,5 пъти, а при овцата, козата и коня около 2,25 пъти. Предадените на овалното прозорче трептения предизвикват трептения на течността във вид на бягаща вълна. Тази вълна достига само до определена дължина на базиларната мембрана, която зависи от честотата и, усилва своята амплитуда и след това рязко затихва. Затова при дадена честота на звука точно определена част от мембраната трепти с максимална амплитуда. В областите с трептения с максимална амплитуда се възбуждат слуховите рецептори, които са разположени върху базиларната мембрана. В тях се генерира нервен импулс, който по слуховия нерв се предава към слуховия център на мозъка. По този начин имаме пространствено кодиране на честотата на звука. Счита се, че при звуково дразнене с определена честота, но с различен интензитет, се възбуждат различен брой рецептори, т.е. интензитета на звука се кодира чрез броя на възбудените рецептори, настроени на еднаква честота.

Разделителната способност на ухото слабо зависи от честотата. Тя се дефинира с отношението Dn/n, където Dn e тази минимална промяна на честотата, която ухото може да различи. Отношението Dn/n е от порядъка на 0.3%. Опити показват, че човек с нормален слух може да отдели интересуващото го съобщение на фона на други 7, предавани едновременно с еднаква гръмкост.

Поради това, че слуховите органи при човека са два, съществува възможност да се определя посоката, от която идва звукът – т.н. бинаурален ефект. Това се обуславя от разликата във времето на постъпване на звука в двете уши, което води до възникване на фазови разлики в звуковите колебания. За човек е достатъчна разлика във времето от 10^-5 s, за да бъде определена посоката на звука.

Възприемането на звука е възможно даже и при хора с повредени тъпанче и слухови костици, но със запазен Кортиев орган и слухов нерв. Костите добре провеждат звуковите вълни и могат да предизвикат трептения на мембраната. Това се използва при конструиране на слухови апарати. В тях трептенията на въздуха с микрофон се усилват и се преобразуват в електрически, които от своя страна отново се усилват и се преобразуват в механични трептения на слухово устройство, предаващо ги чрез костите на черепа на вътрешното ухо. В случаите, когато е увреден рецепторният апарат на вътрешното ухо, не се генерират нервни импулси под действието на звуковите вълни. В такъв случай се имплантират електроди в охлюва (кохлинеарни протези) и на тях се подават електрични сигнали, подобни на тези, които се генерират под действие на звуковите вълни.

Издаване и възприемане на звук при животните

В процеса на еволюцията различните животни са изработили начини за издаване и възприемане на звукови сигнали, които служат за вътревидова комуникация, гонене на врагове и т.н.

Членестоногите издават звуци при триене или удари на едни органи с други, вибрации на крилете и  преминаване на въздух през отверстия. Издаваните звуци имат сложни акустични спектри и приличат повече на шумове. Като правило те са във високочестотния диапазон.

Птиците също издават разнообразни звуци - както инструментални, така и от звукови органи. Звуците са обикновенно в диапазона от 200 Hz до 12 kHz, но някои птици могат да издават и ултразвук до 30 и даже до 50 kHz.

Областта на чуване при някои животни като говеда, овце, кокошки е подобна на тази при човека. Обаче за някои животни тази област е значително отместена към по-големите честоти. Например кучетата възприемат звуци с честота до 60 kHz, делфини до 100 kHz , прилепи – до 150 kHz. 

Шум

Продължително въздействие на шум може да предизвика намаляване на чувствителността на ухото, частична или пълна загуба на слуха. Действайки на нервната система, предизвиква повишена уморяемост, раздразнителност, намалена работоспособност. Например при кратковременно действие на шум с интензитет над 110 dB временно се снижава прага на чувствителност с 10-15%. При животни намалява продуктивността.

Вредността на шума зависи от неговата гръмкост и спектрален състав. По честота се разделя на низкочестотен (до 300 Hz), средночестотен (от 300 до 800 Hz ) и високочестотен (над 800 Hz), който е най-вреден.