3.1. АКУСТИКА. ЕЛЕМЕНТИ ФІЗИКИ СЛУХУ. ОСНОВИ АУДІОМЕТРІЇ

Акустика – наука про звук. Предметом акустики є вивчен- ня фізичної природи звуку, механізмів його генерації, розповсюдження (заломлення, відбиття, поглинання) і прак- тичного використання.

Як відомо, звук являє собою частинний випадок механіч- них хвиль з частотою в інтервалі від 16 до 20000 Гц. Хвилі з частотою 16 Гц відповідають інфразвуку, з час тотою 20 103 109 Гц – ультразвуку, а з частотою 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 0, зветься основним тоном. Прості тони, що входять до склад- ного і мають частоти, кратні частоті основного тону ( = n 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 непе-

рервний 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

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

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

Людське вухо здатне сприймати досить широкий діапазон інтенсивностей звукової хвилі. На частоті = 1 кГц найменша

інтенсивність, що сприймається, в середньому становить Іmin = I0 = 10–12 Вт/м2 (поріг чутності), а найбільша Імах = 10 Вт/м2

(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 I 0 . Тоді

рівень L інтенсивності звуку визначається за формулою

Звук є об’єктом сприйняття і причиною виникнення

слухового відчуття у людини, внаслідок чого оцінка його характеристик відбувається цілком суб’єктивно. Шляхом три- валої еволюції сформувався орган слуху, надзвичайно чутливий до звукових коливань.

Зовнішнє вухо забезпечує спрямованість слухового сприйняття і локалізацію джерела звуку. Окрім того, будова вушної раковини та слухового проходу забезпечує резонансне сприйняття в досить широкому діапазоні частот, максимум якого припадає на частоту 2–3 кГц. Дійсно, зовнішнє вухо складається з вушної раковини і зовнішного слухового проходу, що має довжину l 2,7 см і закритого барабанною перетинкою. Відомо, що акустичний резонанс має місце, якщо довжина резонатора дорівнює чверті довжини хвилі, тобто l = 1/4 . Це дозволяє оцінити резо нансну частоту, оскільки =

υ/ . Звідси рез = υ/ рез = υ/4l, що з урахуванням значення швидкості звуку у повітрі υ = 330 м/с і величини l = 0.027 м

дає значення рез 3 кГц.

Барабанна перетинка і середнє вухо виконують роль зв’язку між атмосферою та внутрішнім вухом, заповненим рідиною (перилімфою). Середнє вухо забезпечує узгодження акустичних опорів повітря і рідини, внаслідок чого суттєво зменшуються втрати інтенсивності звукової хвилі при її переході з повітря в рідке середовище внутрішнього вуха. Крім того, цей механізм відіграє роль підсилювача тиску, забезпечуючи приблизно 90-кратний виграш у силі для збудження бігучої акустичної хвилі в рідині та базилярній мембрані внутрішнього вуха. При занадто великій інтенсивності на рівні больового відчуття цей механізм частково блокується за рахунок рефлекторного зменшення рухливості системи слухових кісточок.

Внутрішнє вухо має достатньо складну будову. Функції

цього органу різні, одна з них – формування нервових імпуль- сів у волокнах слухового нерва у відповідь на подразнення слухових рецепторів. Подразнення рецепторів відбувається у місцях максимального зміщення базилярної мембрани при виникненні у ній бігучої хвилі. Базилярну мембрану можна розглядати як нелінійну коливальну систему, що функціонує подібно до системи механічних мікрорезонаторів, в якій локальне розташування максимального зміщення залежить від частоти коливань. Це локальне подразнення спричиняє виникнення серії електричних імпульсів у певному нервовому волокні, що входить до складу слухового нерва. Отже, в цілому по слуховому нерву в мозок передається серія імпульсів, що несуть інформацію про амплітуду та частоту коливань або інформацію щодо спектрального складу звуку, яка піддається аналізу в слухових центрах кори головного мозку, де остаточно і формується суб’єктивне відчуття звуку.

У фізіологічній акустиці розглядають такі суб’єктивні (психофізичні) характеристики слухового відчуття звуку:

гучність, висота тону і тембр.

Основою суб’єктивного відчуття гучності звуку є здат- ність людини розрізняти звуки за їх інтенсивністю. Чим гучніше звук, тим вище він за рівнем слухового відчуття, тим більша його інтенсивність. Тобто, гучність звуку можна визначити як рівень слухового відчуття над його порогом. Залежність між інтенсивністю звуку І і рівнем його слухового відчуття (гучністю Е) має складний характер, вона відтворює адаптаційні властивості вуха до зміни інтенсивності у досить широкому діапазоні. Дійсно, на порозі чутності відчуваються зміщення барабанної перетинки, що на порядок менші лінійних розмірів молекул у той час, як на рівні больового порогу ці коливання збільшуються на багато порядків. І для кожного з цих крайніх випадків орган слуху повинен забезпечити нормальне виділення інформації, що передається зниженням чутливості органів слуху при збільшенні інтенсивності звуку. Ця закономірність знайшла відображення у психофізичному законі Вебера–Фехнера.

На мал. 3.32 наведено графік залежності відчуття гучності

звуку (психічна реакція) від зміни рівня фізичного подразнення (інтенсивності звуку). Пунктиром показано зміни чутливості вуха (S = dE/dI 1/I) при зміні інтенсивності звуку від порогового рівня до больового. Зауважимо, що подібний логарифмічний закон зв’язку між реакцією і величиною фізичного подразнення справедливий і для інших сенсорних систем (наприклад, органів зору, нюху, смакових, больових рецепторів тощо).

Мал. 3.32. Логарифмічний закон слухового сприйняття і зміни чутливості вуха.

Якби в законі Вебера–Фехнера (3.67) k( ) дорівнювало б одиниці, то шкала рівнів інтенсивності та шкала гучності збігалися б, і гучність можна було б виражати в Белах і децибелах так само, як і рівень інтенсивності. Однак це не так. Вирішили, між тим, вважати, що k = 1 на частоті = 1 кГц і саме на цій частоті шкали рівнів інтенсивності та гучності збігаються. Одиниці шкали гучності також називають белом та децибелом. Щоб відрізняти ці шкали, децибел у шкалі гучності називають фоном. Бел гучності відповідає зміні гучності тону з частотою = 1 кГц при зміні його інтенсивності у 10 разів.

Сприймаючи тони, людина здатна розрізняти їх за

суб’єктивною характеристикою – висотою, що спричинене здатністю людського вуха розрізняти тони за частотою: чим більша частота тону, тим вище звук. Однак експериментальні дослідження свідчать про те, що одна і та ж сама гармоніка при різних інтенсивностях викликає у людини неоднакове відчуття висоти: при однаковій частоті сильніший звук сприймається більш низьким. Так, найбільш низький чолові- чий голос – бас-профундо, а найвищий – контртенор, а у жінок, відповідно, контральто і колоратурне сопрано.

Весь діапазон частот тонів, що сприймаються вухом, можна поділити на октави, для яких відношення частот крайніх гармонік дорівнює 2. Весь діапазон вміщує 10 октав. Інтервал в октаву є основою для побудови “шкали висот” музикальних звуків. Існує одиниця висоти тону – 1 мел. За 1000 мел приймають висоту тону звуку частотою 1000 Гц і інтенсивністю 60 дБ.

Суб’єктивною оцінкою “якості” звуку є тембр. Основою розрізнення звуків за тембром є здатність органів слуху розрізняти об’єктивну характеристику – спектральний склад звуків. Людина здатна відчути різницю у звучанні однієї й тієї ж ноти певної частоти при відтворенні її різними інструментами, наприклад, скрипкою, гобоєм або голосом людини. Ці звуки мають у своєму спектрі однаковий основний тон, але відрізняються кількістю й амплітудою обертонів, що надає цим звукам своєрідне “забарвлення”, яке розрізняється органами слуху.

Відомо, що існують приємні для слуху звуки і, навпаки, звуки, які викликають неприємні фізіологічні відчуття. Ще Піфагор встановив, що одночасне звучання двох струн приємніше для слуху, якщо довжини цих струн відносяться як невеликі цілі числа. В чому полягає фізична суть гармонічного звучання і, навпаки, явище дисонансу звуків? Відповідь слід шукати у частотах гармонік, що складають спектр звуків.