Лекция № 2. Биоакустика. Ультразвук и его применение в медицине. Основные параметры звуковых волн.
Акустика является разделом физики, который изучает звук: его происхождение, распространение и взаимодействие с веществом.
Физическая природа звука хорошо изучена. Это продольная механическая волна, которая распространяется в упругой среде. Рис. 1 иллюстрирует образование звука в среде поршнем, который колеблется в цилиндре взад и вперед с некоторой частотой. Когда поршень перемещается внутрь, он сжимает среду и вызывает волновые перемещения сжатий. Когда поршень перемещает назад, возникает зона пониженного давления (разрежение), которая распространяется в среде.
Рис. 1. Колеблющийся поршень образует продольную механическую волну.
Таким образом, продольная волна распространяется посредством колебания частиц возле их положения равновесия в направлении распространения волны. При этом не происходит переноса вещества, а передается энергия от одной колеблющейся частицы среды другой.
Внутреннее трение, или вязкость среды, в которой распространяется звук, способствует рассеянию некоторой части энергии, и он с расстоянием затухает. Количество энергии, проходящей за одну секунду через один квадратный метр поверхности, перпендикулярной направлению волнового процесса, называется интенсивностью волны. Единица измерения интенсивности волны - Ватт/м2.
Скорость звука зависит от степени сжатия и плотности среды. Звук распространяется в твердых веществах и жидкостях быстрее, чем в газах. Например, скорость звука в воздухе около 344м/с, а в воде - 1430м/с. Скорость звука в металлах имеет еще большие значения (например, 6100м/с в стали). Средняя скорость звука в тканях тела человека составляет 1570 м/с.
Классификация звуков
Различают следующие виды звука:
- простой (или музыкальный) тон – звуковая волна одной определённой частоты. Такой звук представляет собой гармоническое колебание. Источниками простого тона является камертон, генератор звуковых колебаний.
- сложный тон – звук, который характеризуется основным тоном и набором обертонов. Основной тон имеет самую низкую частоту, а обертоны – частоты, кратные частоте основного тона. Такой звук представляет собой негармоническое колебание. С помощью спектрального анализа его можно разложить на несколько гармонических колебаний. Таким образом, получают акустический спектр сложного тона – диаграмму, отражающую частоты основного тона и обертонов и соответствующие им интенсивности. Примерами сложного тона является звучание ноты музыкальных инструментов, гласные звуки человеческой речи.
- шум – звук, в состав которого включены механические волны звукового частотного диапазона, не связанные определённой временной зависимостью. Акустический спектр шума сплошной, т.е. в нём невозможно выделить отдельные частоты и соответствующие им интенсивности. Согласные звуки речи – шум.
Отдельно выделяют звуковой удар – кратковременное звуковое воздействие (хлопок, звук взрыва, аплодисменты).