Лабораторная работа 9 снятие спектральной характеристики уха на пороге слышимости

Цель работы: изучение некоторых физиологических характеристик звуковых колебаний и ознакомление с основами аудиометрии.

Приборы и принадлежности: звуковой генератор, амперметр, наушники.

Теоретическое введение

Звук представляет собой колебания с частотой от 16 Гц до 20 кГц, распространяющиеся в упругой среде. Источником звука может быть колебание тела, частота колебаний которого лежит в диапазоне звуковых частот (камертон, звонок, струна и т.п.). Энергетической характеристикой звука является интенсивность. Звуки делятся на тоны, шумы и звуковые удары. Различаются простые и сложные тоны. Простой тон – это звуковые колебания, происходящие по гармоническому закону. Основной его характеристикой является частота. Сложным называется тон, представляющий собой негармоническое колебание. Простой тон дает камертон, сложный – голосовой аппарат или музыкальные инструменты.

Р

ис. 1

Сложный тон может быть разложен на простые, при этом тон наименьшей частоты называют основным, а остальные – обертонами. Набор частот с указанием их интенсивности называют акустическим спектром сложного тона. Спектр сложного тона – линейчатый (рис. 1).

Шум – звук, отличающийся сложной временной зависимостью. Шум можно рассматривать как сочетание беспорядочно меняющихся сложных тонов. Спектр шума сплошной (рис. 2). Звуковой удар – это кратковременное звуковое воздействие: хлопок, взрыв и т.п.

Физические характеристики звука

а) Скорость (v). Звук распространяется в любой среде, кроме вакуума. Скорость его распространения зависит от упругости, плотности и температуры среды, но не зависит от частоты колебаний. Скорость звука в воздухе при нормальных условиях равна примерно 330 м/с ( 1200 км/ч). Скорость звука в воде равна 1500 м/с; близкое значение имеет скорость звука и в мягких тканях организма. (Это очень большая скорость – 5400 км/ч. Кроме ракет, ни один аппарат, созданный человеком для движения, не может развивать такой скорости).

б) Интенсивность (I). Это энергетическая характеристика звука. По определению – это плотность потока энергии звуковой волны. Для уха человека важны два значения интенсивности (на частоте 1 кГц):

порог слышимости – I₀ = 10^–12 Вт/м², такой порог выбран на основе объективных показателей – это минимальный порог восприятия звука нормальным человеческим ухом; встречаются люди у которых интенсивность может быть 10^–13 или 10^–9 Вт/м²;

порог болевого ощущения – I_max – 10 Вт/м², звук такой интенсивности человек перестает слышать и воспринимает его как ощущение давления или боли.

Органы слуха человека невероятно чувствительны: I_max /I₀ = 10¹³, то есть воспринимаемая максимальная интенсивность превышает минимальную интенсивность в 10 000 000 000 000 раз!

Громкому разговору (на частоте 1 кГц) соответствует интенсивность звука, равная 10^–6 Вт/м², то есть одной миллионной доле ватта на 1 м².

в) Звуковое давление (Р). Распространение звуковой волны сопровождается изменением давления.

Звуковое давление (Р) – это давление, дополнительно возникающее при прохождении звуковой волны в среде; оно является избыточным над средним давлением среды.

Физиологически звуковое давление проявляется как давление на барабанную перепонку. Для человека важны два значения этого параметра:

звуковое давление на пороге слышимости – P₀ = 210^–5 Па;

звуковое давление на пороге болевого ощущения – Р_mах = 60 Па.

Между интенсивностью (I) и звуковым давлением (Р) существует связь:

I = P²/2v, (1)

где  – плотность среды, v – скорость звука в среде.

г) Волновое сопротивление среды (R_a). При падении звуковой волны на границу раздела между двумя средами возникают явления отражения и преломления звука (как плоской волны). Интенсивности отраженной и преломленной волн зависят от волновых сопротивлений сред.

Волновым сопротивлением среды (R_a) называется произведение плотности среды () на скорость распространения звука (v):

R_a = v. (2)

В таблице ниже приведены скорости и волновые сопротивления некоторых веществ при 25 °С.