Звуковые волны активно используются и в технике. Так, звуковые волны низкой частоты легко проходят сквозь всю толщу Земли. Измеряя скорость их распространения в различных земных слоях, можно определить внутреннее строение нашей планеты. Прибор подводного видения – гидролокатор – излучает ультразвуковой сигнал и принимает отраженный от препятствия сигнал. Измерив время, прошедшее от момента подачи ультразвукового сигнала до его приема, можно точно определить глубину моря или расстояние до встречного объекта, например, до айсберга или подводной скалы. Аналогично работает ультразвуковой дефектоскоп для обнаружения дефектов металла, бетона и других материалов. Если внутри образца материала есть инородные вкрапления, пустоты или трещины, ультразвуковые волны отражаются от них как от препятствия. С помощью высокоинтенсивного ультразвука производится дробление горных пород, а также изготовление эмульсий и суспензий. Кроме того, ультразвук оказывает бактерицидное действие. Например, облучение молока ультразвуком приводит к гибели молочнокислых бактерий, задерживая процесс свертывания молока на несколько суток.

4.6. Восприятие звука

Кроме приведенных в предыдущем параграфе объективных характеристик звука часто используют субъективные характеристики, то есть воспринимаемые слуховым аппаратом человека.

Громкость (слышимость) – характеристика, определяемая величиной избыточного акустического давления ±Ра.

Высота – характеристика, определяемая частотой (длиной волны) основного тона.

Тембр – характеристика оттенков звука, определяемая наличием других частот (длин волн).

Шум – звук с наличием многих хаотичных частот.

P0−Pа

Рис. 4.9

На рис. 4.9 изображена зависимость звукового давления от координаты х и условно отмечены эти характеристики (Р0 – атмосферное давление).

Как уже было сказано, слуховой аппарат человека и многих животных воспринимает звуковые волны в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц. Наилучшая слышимость нашего уха находится в частотном диапазоне 10003000 Гц.

34

Восприятие звука определяется двумя порогами: порогом слышимости, то есть минимальной интенсивностью, которую мы ощущаем Jп = 10–12 Вт/м2 на частоте 1 кГц, и болевым порогом, то есть максимальной интенсивностью,

которую мы переносим Jmax = 10 Вт/м2 на той же частоте.

Наше ухо воспринимает очень широкий диапазон интенсивностей, различающихся в 1013 раз. Это происходит благодаря механической костномышечной системе1 ослабления больших интенсивностей. При этом ослабление осуществляется по логарифмическому закону2. В связи с этим введена величи-

на уровень интенсивности звука

Единица уровня интенсивности называется бел (Б). В этих единицах шкала слуховой чувствительности от пороговой до максимальной будет от 0 до 13 Б. На практике применяют единицу в 10 раз меньшую – децибел (дБ): 1 Б = 10 дБ. Поэтому, если мы хотим найти уровень интенсивности сразу в децибелах, выражение (4.17) надо умножить на 10

Как звук высокой интенсивности, так и его отсутствие (полная тишина)

оказывают стрессовое действие. Длительное нахождение в таких условиях в

обоих случаях приводит к возникновению заболеваний сердечно-сосудистой и нервной систем. Например, для нормального сна оптимальным является уровень 20-30 дБ, для производственных помещений допустимый уровень интен-

сивности 45-55 дБ. Диапазон, соответствующий нашей речи, порядка 40-80 дБ,

рис. 4.10. Звук в 65-70 дБ и выше оказывает на человека неблагоприятное стрессовое воздействие с понижением слуховой чувствительности. Так, значительное снижение слуховой чувствительности наблюдается у трактористов в

1 молоточек-наковальня-стремечко

2 закон Вебера – Фехнера

35

ку, где уровень интенсивности звука, как правило, запредельный. Повышенные шумы приводят к снижению скорости роста (продуктивно-

сти) и воспроизводства сельскохозяйственных животных1. К примеру, на свинофермах запрещается уровень шумов более 80 дБ, поскольку под действием шума в 70-80 дБ у свиноматок прекращается лактация. У коров при таком шуме нарушается рубцовое пищеварение, а лактация снижается на 30%. У кур шум в 90-100 дБ приводит к снижению живой массы и яйценоскости. Поэтому одним

из существенных требований к современным механическим устройствам на

животноводческих комплексах (доильным установкам, вентиляторам, транспортерам и др.) является низкий уровень шума при их работе.

С ростом и понижением частоты (относительно 1000 Гц) порог слышимости повышается, а болевой порог понижается, что приводит к сужению диапазона воспринимаемого уровня интенсивности звука. Это можно видеть из кривых зависимостей порогов слышимости и боли от частоты на рис. 4.10 (логарифмический масштаб). Эти кривые являются предельными кривыми равной громкости (минимальной и максимальной). Между ними можно провести другие кривые равной громкости, соответствующие промежуточным значениям

уровня интенсивности воспринимаемого звука.

Исследования последних лет показали, что область слышимости у крупного рогатого скота и кур почти такая же, как у человека. Однако у многих животных она сдвинута в сторону более высоких частот: у собак – до 60 кГц, у

дельфинов, летучих мышей и комаров – до 100 кГц и выше.

Вопросы к лекции 4

1.Какие колебания называют гармоническими? Напишите уравнение гармонических колебаний и назовите характеристики колебаний.

2.Какой маятник называют математическим, а какой физическим? Как найти период их колебаний?

3.Какие колебания называют затухающими? Почему в природе и технике не бывает свободных незатухающих колебаний?

4.Какие колебания называют вынужденными? Что такое резонанс и когда он возникает? Приведите примеры.

5.Какая волна называется продольной, а какая поперечной? Приведите примеры. Как меняется длина волны с ростом частоты?

6.Дайте определение интенсивности волны. От каких параметров она зависит?

7.Почему подводные взрывы опаснее надводных?

8.Приведите примеры источников звука и укажите их особенности.

9.Укажите частотный диапазон звуковых волн. Что такое звуковое давление?

10.Почему, когда шумят соседи, не слышно высокочастотных составляющих звука?

11.Почему подводные звуки на берегу практически не слышны, и звуки на берегу под водой тоже почти не воспринимаются?

12.Объясните сущность эффекта Доплера на примере звуковых волн.

13.Перечислите субъективные характеристики звука и поясните их.

14.Что такое уровень интенсивности звука, и в каких единицах он измеряется?

15.Укажите допустимый диапазон уровня интенсивности шума для человека? Какие последствия у человека и животных вызывает чрезмерная «зашумленность»?

1 а использование тихой классической музыки – к противоположным результатам

36