Лабораторная работа №1. Определение порогов слышимости с помощью аудиометра

Цели данной работы:

1. На этапе подготовки – изучение вопросов о природе и физических характеристиках звука, о возможностях и принципах работы органов слуха.

2. Практический этап – определение индивидуальных особенностей Вашего слуха на пороге слышимости с помощью аудиометра.

1. Общие сведения о звуке.

Работающий источник звука создает в прилегающем воздухе дополнительный вид движения – колебания. Каждый воздушный слой, уже охваченный колебаниями, становится «возмутителем спокойствия» для смежных областей, в которых колебания еще не начались.

Поверхность, разделяющая в данный момент времени уже охваченную и еще не охваченную колебаниями среду, называется фронтом волны. Во всех точках такой поверхности после ухода фронта волны устанавливаются колебания, одинаковые по фазе.

Луч – это перпендикуляр к фронту волны. Более привычны для нас световые лучи, но в акустике понятие «луч» не менее продуктивно. Акустические лучи, подобно световым, прямолинейны в однородной среде, отражаются и преломляются на границе раздела двух сред.

Скорость звука – это скорость перемещения фронта звуковой волны. При этом важно понимать, что частицы вещества в среднем остаются там же, где и были до появления звука. Скорость звука – это по сути скорость передачи возмущения от одних частиц к другим, но не скорость переноса вещества.

Звуковые волны в газах и жидкостях относятся к категории продольных волн. Это означает, что молекулы совершают колебания вдоль лучей, т.е. колеблются вдоль направления распространения звука. В твердых телах взаимодействие частиц друг с другом имеет более всеобъемлющий характер, а потому возможно распространение как продольных, так и поперечных волн. Ударяя молотком по рельсу, мы провоцируем возникновение колебаний как поперек рельса, так и вдоль него.

Частота колебаний в звуковых волнах определяется частотой колебаний источника, а скорость звука от частоты не зависит (опытный факт). Однако колебания высокой частоты затухают быстрее низкочастотных, в связи с чем акустические колебания вблизи источника звука и звук, достигающий наших ушей, могут иметь отличия.

Величина, обратная частоте колебаний , называется периодом колебаний Т:

;

Период колебаний – это длительность одного полного цикла колебаний.

Длина волны – это расстояние λ, на которое смещается фронт волны (его скорость – это скорость звука ν) за время, равное периоду колебаний Т: λ =νТ

Длина волны – это характеристика, очень удобная для анализа процессов интерференции и дифракции. На концах отрезка луча протяженностью λ происходят совершенно одинаковые по фазе колебания: на одном конце такого отрезка они возникли на время Т раньше, чем на другом. В вопросах интерференции многое становится гораздо проще, если расстояния измерять не в метрах-сантиметрах, а в длинах волн.

Посмотрим, как работает такой эталон длины при обсуждении ситуации на входе в наружный слуховой проход. Он имеет длину L ≈ 25мм. На входе в этот проход накладываются друг на друга две волны: прямая волна от источника и волна, отраженная от барабанной перепонки на дне слухового прохода. Если отраженная волна на пути до перепонки и обратно проходит путь λ, то она усилит прямую волну, поскольку они обе будут иметь одинаковую фазу. Принимаем к сведению, что при отражении имеет место эффект, именуемый «потеря полуволны». Он проявляется в том, что факт отражения равноценен прохождению волной расстояния /2. Тогда еще полволны – это путь 2L туда и обратно, и взаимное усиление прямой и отраженной волн произойдут, если λ/2 = 2L, т.е. λ = 4L = 100мм = 0,1м. При скорости звука в воздухе ν = 330м/с, длине волны λ = 0,1м соответствует период распространяемых колебаний Т = /ν = с, а частота = 3300 Гц = 3,3 кГц.

Наш результат можно кратко сформулировать так: на частоте 3,3 кГц и на частотах, близких к этому значению, волны,идущие в направлении барабанной перепонки, усиливаются волнами, достигшими перепонку чуть раньше и отразившимися от нее. Благодаря такому усилению (оно называется акустическим резонансом) колебания перепонки будут происходить с большей амплитудой. Наш результат хорошо соответствует тому известному факту, что человек имеет наибольшую остроту слуха именно в окрестностях частоты 3 кГц.

Наибольшая острота слуха у мужчин – в среднем на частоте 4 кГц, а у женщин – в диапазоне от 4 до 6 кГц. При этом, разумеется, имеет значение индивидуальная протяженность слухового прохода.

Параметр «длина волны» имеет следующую особенность: если волна переходит из одной среды в другую, то значение длины волны меняется. Так, если скорость звука в воздухе составляет 330 м/с, а в воде – 1480 м/с, то при переходе из воздуха в воду значение длины волны возрастает почти в пять раз. Однако наше восприятие звука при этом не изменится.

Аналогично обстоят дела и со световыми волнами при их переходе из одной среды в другую.