Восприятие звука человеческим ухом*

Человек воспринимает звук посредством уха (рис.).

Снаружи расположена раковина внешнего уха, переходящая в слуховой канал диаметром D₁ = 5 мм и длиной 3 см.

Далее расположена барабанная перепонка, которая вибрирует под действием звуковой волны (резонирует). Перепонка присоединена к костям среднего уха, передающим вибрацию другой перепонке и далее во внутреннее ухо.

Внутреннее ухо имеет вид закрученной трубки ("улитки") с жидкостью. Диаметр этой трубки D₂ = 0,2 мм длина 3 – 4 см длинной.

Поскольку колебания воздуха в звуковой волне слабые, чтобы непосредственно возбудить жидкость в улитке, то система среднего и внутренне уха совместно с их перепонками играют роль гидравлического усилителя. Площадь барабанной перепонки внутреннего уха меньше площади перепонки среднего уха. Давление, оказываемое звуком на перепонки, обратно пропорционально площади:

.

Поэтому давление на внутреннее существенно ухо возрастает:

.

Во внутреннем ухе по всей его длине натянута ещё одна мембрана (продольная), жёсткая в начале уха и мягкая в конце. Каждый участок этой продольной мембраны может колебаться с собственной частотой. В жёстком участке возбуждаются колебания высокой частоты, а в мягком – низкой. Вдоль этой мембраны расположен преддверноулитковый нерв, который воспринимают колебания и передаёт их в мозг.

Самая низкая частота колебаний источника звука 16-20 Гц воспринимается ухом как низкий басовый звук. Область наибольшей чувствительности слуха захватывает часть среднечастотного и часть высокочастотного поддиапазонов и соответствует интервалу частот от 500 Гц до 4-5 кГц. Человеческий голос и звуки, издаваемые большинством важных нам процессов в природе, имеют частоту в этом же интервале. При этом звуки частотой от 2 кГц до 5 кГц улавливаются ухом как звон или свист. Иначе говоря, самая важная информация передаётся на звуковых частотах приблизительно вплоть до 4-5 кГц.

Подсознательно человек разделяет звуки на "положительные", "отрицательные" и "нейтральные".

К отрицательным относятся звуки, которые прежде были не знакомы, странные и необъяснимые. Они вызывают страх и беспокойство. К ним также относятся низкочастотные звуки, например, низкий барабанный стук или вой волка, т. к. возбуждают страх. Кроме того, страх и ужас возбуждают неслышимые низкочастотные звук (инфразвук). Примеры:

1. В 30-е годы 20 века в одном из лондонских театров в качестве сценического эффекта применили громадную органную трубу. От инфразвука этой трубы всё здание задрожало, а в людях поселился ужас.

2. Сотрудники национальной лаборатории физики в Англии провели эксперимент, добавив к звучанию обычных акустических инструментов классической музыки сверхнизкие (инфразвуковые) частоты. Слушатели почувствовали упадок настроения и испытали чувство страха.

3. На кафедре акустики МГУ проводились исследования влияние рока и поп музыки не человеческий организм. Оказалось, что частота основного ритма композиции «Дип Пёпл» вызывает неконтролируемое возбуждение, потерю контроля над собой, агрессивность к окружающим или негативные эмоции к себе. Композиция «The Beatles», на первый взгляд благозвучная, оказалась вредной и даже опасной, т. к. имеет основной ритм около 6,4 Гц. Эта частота резонирует с частотами грудной клетки, брюшной полости и близка к собственной частоте головного мозга (7 Гц.). Поэтому при прослушивании этой композиции ткани живота и груди начинают болеть и постепенно разрушаться.

4. Инфразвук вызывает в организме человека колебания различных систем, в частности, сердечно-сосудистой. Это оказывает неблагоприятное воздействие и может привести, например, к гипертонической болезни. Колебания на частоте 12 Гц могут, если их интенсивность превысит критический порог, вызвать гибель высших организмов, в т. ч. людей. Эта и другие инфразвуковые частоты присутствуют в производственных шумах, шумах автострад и др. источников.

Замечание: У животных резонанс музыкальных частот и собственных может привести к распаду функции мозга. При звучании "металлического рока" коровы перестают давать молоко, а вот свиньи, наоборот, обожают металлический рок.

Положительными являются звуки ручья, прилива моря или пения птиц; они вызывают успокоение.

Кроме того, и рок не всегда плох. Например, музыка типа «кантри», исполняемая на банджо, помогает выздоравливать, хотя плохо влияет на здоровье в самом начальном этапе заболевания.

К положительным звукам относятся классические мелодии. Например, американские учёные помещали грудных недоношенных младенцев в боксы для прослушивания музыки Баха, Моцарта, и дети быстро поправлялись, набирали вес.

Благоприятно влияет на здоровье человека колокольный звон.

Любой эффект звука усиливается в полумраке и темноте, поскольку уменьшается доля информации, поступающей с помощь зрения

3. Поглощение звука в воздухе и ограждающими поверхностями

Поглощение звука в воздухе

В каждый момент времени в любой точке помещения интенсивность звука равна сумме интенсивности прямого звука, непосредственно исходящего от источника, и интенсивности звука, отражённого от ограждающих поверхностей помещения:

При распространении звука в атмосферном воздухе и в любой другой среде возникают потери интенсивности. Эти потери обусловлены поглощением звуковой энергии в воздухе и ограждающими поверхностями. Рассмотрим поглощение звука с помощью волновой теории.

Поглощение звука – это явление необратимого превращения энергии звуковой волны в другой вид энергии, прежде всего в энергию теплового движения частиц среды. Поглощение звука происходит и в воздухе, и при отражении звука от ограждающих поверхностей.

Поглощение звука в воздухе сопровождается уменьшением звукового давления. Пусть звук распространяется вдоль направления r от источника. Тогда в зависимости от расстояния r относительно источника звука амплитуда звукового давления убывает по экспоненциальному закону:

, (63)

где p₀ – начальное звуковое давление при r = 0

,

 – коэффициент поглощения звука. Формула (63) выражает закон поглощения звука.

Физический смысл коэффициента  состоит в том, что коэффициент поглощения численно равен величине, обратной расстоянию, на котором звуковое давление уменьшается в e = 2,71 раз:

.

Единица измерения в СИ:

.

Поскольку сила звука (интенсивность) пропорциональная квадрату звукового давления, то этот же закон поглощения звука можно записать в виде:

, (63*)

где I₀ – сила звука (интенсивность) вблизи источника звука, т. е. при r = 0:

.

Графики зависимости p_зв(r) и I(r) представлены на рис. 16.

Из формулы (63*) следует, что для уровня силы звука справедливо уравнение:

.

Тогда

.

. (64)

Следовательно, единица измерения коэффициента поглощения в СИ: непер на метр

,

кроме того, можно вычислять в белах на метр (Б/м) или децибелах на метр (дБ/м).

Замечание: Поглощение звука можно характеризовать коэффициентом потерь, который равен

, (65)

где  – длина звуковой волны, произведение  – логарифмический коэффициент затухания звука. Величину, равную обратной величине коэффициента потерь

,

называют добротностью.

Полной теории поглощении звука в воздухе (атмосфере) пока нет. Многочисленные эмпирические оценки дают разные значения коэффициента поглощения.

Первая (классическая) теория поглощения звука была создана Стоксом и основана на учёте влияния вязкости (внутреннего трения между слоями среды) и теплопроводности (выравнивания температуры между слоями среды). Упрощенная формула Стокса имеет вид:

, (66)

где  – вязкость воздуха,  – коэффициент Пуассона, ₀ – плотность воздуха при 0 ⁰С,  – скорость звука в воздухе. Для обычных условий эта формула примет вид:

. (66*)

Однако формула Стокса (63) или (63*) справедлива лишь для одноатомных газов, атомы которых имеют три поступательные степени свободы, т. е. при  =1,67.

Для газов из 2, 3 или многоатомных молекул значение  существенно больше, т. к. звук возбуждает вращательные и колебательные степени свободы молекул. Для таких газов (в т. ч. для воздуха) более точной является формула

, (67)

где T_н = 273,15 К – абсолютная температура таяния льда ("тройная точка"), p_н = 1,013^.10⁵ Па – нормальное атмосферное давление, T и p – реальные (измеряемые) температура и атмосферное давление воздуха,  =1,33 для двухатомных газов,  =1,33 для трёх- и многоатомных газов.

Поглощение звука ограждающими поверхносятми

Поглощение звука ограждающими поверхностями происходит при отражении от них звука. При этом часть энергии звуковой волны отражается и обуславливает возникновения стоячих звуковых волн, а другая энергии преобразуется в энергию теплового движения частиц преграды. Эти процессы характеризуют коэффициентом отражения и коэффициентом поглощения ограждающей конструкции.

Коэффициент отражения звука от преграды – это безразмерная величина, равная отношению части энергии волны W_отр , отражённой от преграды, ко всей энергии волны W_пад , падающей на преграду

.

Поглощение звука преградой характеризуют коэффициентом поглощения – безразмерной величиной, равной отношению части энергии волны W_погл , поглощённой преградой (и перешедшей во внутреннюю энергию вещества преграды), ко всей энергии волны W_пад , падающей на преграду

.

Средний коэффициент поглощения звука всеми ограждающими поверхностями равен

, (68)

или

,

, (68*)

где _i – коэффициент поглощения звука материалом i-й преграды, S_i – площадь i-й преграды, S – общая площадь преград, n - количество разных преград.

Из этого выражения можно сделать вывод, что средний коэффициент поглощения соответствует единому материалу, которым можно было бы покрыть все поверхности преград помещения с сохранением общего звукопоглощения (А), равного

. (69)

Физический смысл общего звукопоглощения (А): оно численно равно коэффициенту поглощения звука открытым проёмом площадью 1 м² .

.

Единица измерения звукопоглощения называется сэбин:

.