22. Закон Вебера-Фехнера. Шкала уровней громкости звука. Кривые равной громкости.

Использование логарифмической шкалы для оценки уровня интенсивности звука хорошо согласуется с психофизическим законом Вебера-Фехнера: если увеличивать раздражение в геометрической прогрессии (т.е. в одинаковое число раз), то ощущение этого раздражения возрастает в арифметической прогрессии (т.е. на одинаковую величину).

Математически этот закон описывается положительной частью логарифмической функции (громкость не может быть отрицательной):

где: 

Е – громкость, k – коэффициент, I₀ –пороговая при исследуемой частоте интенсивность звука.

Хотя по существу громкость является безразмерной величиной, единице громкости присвоили имя «фон». Громкость не очень удобная функция, т.к. в ней сразу две величины зависят от частоты: пороговая интенсивность I₀ и коэффициент k. Поэтому чаще пользуются другой величиной, прямо пропорциональной ощущению громкости – уровнем интенсивности (L):

Ухо человека имеет различную чувствительность к звукам различных частот. Для учета этого обстоятельства можно выбрать некоторую опорную частоту, а восприятие остальных частот сравнивать с нею. По договоренности опорную частоту приняли равной 1 кГц (по этой причине и порог слышимости I₀ установлен для этой частоты).

Для чистого тона с частотой 1 кГц громкость (Е) принимают равной уровню интенсивности в децибелах:

Для остальных частот громкость определяют путем сравнения интенсивности слуховых ощущений с громкостью звука на опорной частоте.

Громкость звука равна уровню интенсивности звука (дБ) на частоте 1 кГц, вызывающего у «среднего» человека такое же ощущение громкости, что и данный звук.

Детальную связь между частотой, громкостью и уровнем интенсивности изображают графически с помощью кривых равной громкости. Эти кривые демонстрируют зависимость уровня интенсивности LдБ от частоты ν звука при заданной громкости звука.

23. Ультразвук. Источники и приемники ультразвука, его основные свойства. Ультразвуковая эхолокация.

Ультразвуком (УЗ) называют механические колебания и волны, частоты которых более 16-20 кГц.

Хотя физическая природа ультразвука такая же, что для звуковых волн любого диапазона частот, он обладает рядом специфических особенностей, которые определяют его большое значение в науке и технике. Эти особенности обусловлены относительно высокими частотами и соответственно малостью длин волн.

В природе ультразвук встречается как в качестве компонента многих естественных шумов, так и среди звуков животного мира. Некоторые животные пользуются ультразвуковыми волнами для обнаружения препятствий (летучие мыши, дельфины и др.).

Электромеханический УЗ-излучатель использует явление обратного пьезоэлектрического эффекта и состоит из следующих элементов:

1 – пластины из вещества с пьезоэлектрическими свойствами;

2 – электродов, нанесенных на ее поверхности в виде проводящих слоев;

3 – генератора, подающего на электроды переменное напряжение требуемой частоты.

При подаче на электроды (2) переменного напряжения от генератора (3) пластина (1) испытывает периодические растяжения и сжатия. Возникают вынужденные колебания, частота которых равна частоте изменения напряжения. Эти колебания передаются частицам окружающей среды, создавая механическую волну с соответствующей частотой. Амплитуда колебаний частиц среды вблизи излучателя равна амплитуде колебаний пластины.

Электромеханические УЗ-приемники используют явление прямого пьезоэлектрического эффекта. В этом случае под действием УЗ-волны возникают колебания кристаллической пластины (1), в результате которых на электродах (2) возникает переменное напряжение, которое фиксируется регистрирующей системой (3).

В большинстве медицинских приборов генератор ультразвуковых волн одновременно используется и как их приемник.

Ультразвуковая эхолокация (УЗИ) – распознавание патологических изменений органов и тканей с помощью ультразвука частотой от 0,5 до 15 млн. колебаний (МГц) в 1 с. Звуковые волы такой частоты обладают способностью проходить через ткани организма и отражаться от всех поверхностей, лежащих на границе тканей разного состава и плотности.