Физиологические особенности звуковосприятия

Одинаковые состояния звуковой волны — участки сгущения или разрежения — называются фазами. Расстояние между одинаковыми фазами называют длиной волны. Низкие звуки, при которых фазы отстоят далеко друг от друга, характеризуются большой длиной волны, высокие звуки с близким расположением фаз — небольшой (короткой).

Фаза и длина волны имеют важное значение в физиологии слуха. Так, одним из условий оптимального слуха является приход звуковой волны к окнам преддверия и улитки в разных фазах (анатомически это обеспечивается звукопроводящей системой среднего уха). Высокие звуки с небольшой длиной волны вызывают колебания невысокого столба лабиринтной жидкости (перилимфы) в основании улитки, низкие, с большей длиной волны, распространяются до ее верхушки. Это обстоятельство важно для уяснения современных теорий слуха.

К физическим характеристикам звука относятся также частота и амплитуда звуковых колебаний. Единицей измерения частоты колебаний является 1 герц (Гц), обозначающий число колебаний в секунду. Амплитуда колебаний — расстояние между средним и крайним положениями колеблющегося тела. Амплитуда колебаний (интенсивность) звучащего тела в значительной степени определяет восприятие звука.По характеру колебательных движений звуки делятся на три группы: чистые тоны, сложные тоны и шумы. Гармонические (ритмичные) синусоидальные колебания создают чистый, простой звуковой тон (т.е. звучит тон одной частоты), например звук камертона. Негармонический звук, отличающийся от простых тональных звуков сложной структурой, называется шумом. Шумовой спектр состоит из разнообразных колебаний, частоты которых относятся к частоте основного тона хаотично, как различные дробные числа. Восприятие шума часто сопровождается неприятными субъективными ощущениями. Сложные тоны характеризуются упорядоченным отношением их частот к частоте основного тона, а ухо имеет способность анализировать сложный звук. Вообще каждый сложный звук разлагается ухом на простые синусоидальные составляющие (закон Ома), т.е. происходит то, что в физике обозначают термином «теорема (ряд) Фурье».

Способность звуковой волны огибать препятствия называется дифракцией. Низкие звуки с большой длиной волны обладают лучшей дифракцией, чем высокие с короткой волной. Явление отражения звуковой волны от встречающихся на ее пути препятствий называется эхом. Многократное отражение звука в закрытых помещениях от различных предметов носит название «реверберация». При хорошей звукоизоляции помещений реверберация слабая, например в театре, кинозале и т.д., при плохой — сильная. Явление наложения отраженной звуковой волны на первичную звуковую волну получило название «интерференция». При этом явлении может наблюдаться усиление или ослабление звуковых волн. При прохождении звука через наружный слуховой проход осуществляется его интерференция и звуковая волна усиливается.

Важное значение в звукопроведении играет явление резонанса, при котором звуковая волна одного колеблющегося предмета вызывает соколебательные движения другого (резонатор). Резонанс может быть острым, если собственный период колебаний резонатора совпадает с периодом воздействующей силы, и тупым, если периоды колебаний не совпадают. При остром резонансе колебания затухают медленно, при тупом — быстро. Важно отметить, что колебания структур уха, проводящих звуки, затухают быстро; это устраняет искажение внешнего звука, поэтому человек может быстро и последовательно принимать все новые и новые звуковые сигналы. Некоторые структуры улитки обладают острым резонансом, что способствует различению двух близкорасположенных частот.Основные свойства слухового анализатора. К основным свойствам слухового анализатора относится его способность различать высоту (понятие частоты) звука, его громкость (понятие интенсивности) и тембр, включающий основной тон и обертоны.
Как принято в классической физиологической акустике, ухо человека воспринимает полосу звуковых частот от 16 до 20 000 Гц (от 12—24 до 18 000—24 000 Гц). Чем выше амплитуда звука, тем лучше слышимость. Однако до известного предела, за которым начинается звуковая перегрузка. Колебания с частотой менее 16 Гц называются инфразвуком, а выше верхней границы слухового восприятия (т.е. более 20 000 Гц) — ультразвуком. В обычных условиях ухо человека не улавливает инфра- и ультразвук, но при специальном исследовании эти частоты также воспринимаются.С возрастом слух постепенно ухудшается, смещается в сторону восприятия низких частот и зону наибольшей чувствительности. Так, если в возрасте 20—40 лет она находится в области 3000 Гц, то в возрасте 60 лет и более смещается в область 1000 Гц. Верхняя и нижняя границы слуха могут изменяться при заболеваниях органа слуха, в результате чего суживается область слухового восприятия. У детей верхняя граница звуковосприятия достигает 22 000 Гц, у пожилых людей она ниже и обычно не превышает 10 000—15 000 Гц. У всех млекопитающих верхняя граница выше, чем у человека: например, у собак она достигает 38 000 Гц, у кошек — 70 000 Гц, у летучих мышей — 200 000 Гц и более. Как показали исследования, проведённые в нашей стране, человек способен воспринимать ультразвуки частотой до 200—225 кГц, но только при его костном проведении. В аналогичных условиях расширяется диапазон воспринимаемых частот и у млекопитающих.

Весь диапазон воспринимаемых ухом человека частот делят на несколько частей: тоны до 500 Гц называются низкочастотными, от 500 до 3000 Гц — среднечастотными, от 3000 до 8000 Гц — высокочастотными. Различные части диапазона воспринимаются ухом неодинаково. Оно наиболее чувствительно к звукам, находящимся в зоне 1000—4000 Гц, имеющей значение для восприятия человеческого голоса. Чувствительность (возбудимость) уха к частотам ниже 1000 и выше 4000 Гц значительно понижается. Так, для частоты 10 000 Гц интенсивность порогового звука в 1000 раз больше, чем для оптимальной зоны чувствительности в 1000—4000 Гц. Различная чувствительность к звукам низкой и высокой частоты во многом объясняется резонансными свойствами наружного слухового прохода. Определенную роль играют также соответствующие свойства чувствительных клеток отдельных завитков улитки.

Звуковые волны

Основные понятия

Звук — это колебания, т.е. периодическое механическое возмущение в упругих средах — газообразных, жидких и твердых. Такое возмущение, представляющее собой некоторое физическое изменение в среде (например, изменение плотности или давления, смещение частиц), распространяется в ней в виде звуковой волны. Область физики, рассматривающая вопросы возникновения, распространения приема и обработки звуковых волн, называется акустикой. Звук может быть неслышимым, если его частота лежит за пределами чувствительности человеческого уха, или он распространяется в такой среде, как твердое тело, которая не может иметь прямого контакта с ухом, или же его энергия быстро рассеивается в среде. Таким образом, обычный для нас процесс восприятия звука — лишь одна сторона акустики.

Акустика – одна из самых древних областей знания. Она возникла за несколько веков до н. э. как учение о звуке, т. е. об упругих волнах, воспринимаемых человеческим ухом (отсюда и происхождение названия). Начало становления акустики как физ. науки (XVII в.) связано с исследованиями системы, музыкальных тонов, их источников (струны, трубы), с измерениями скорости распространения звука. До начала ХХ в. акустика развивалась как раздел механики. Создание методов разложения сложного колебательного процесса на простые составляющие (метод Фурье) заложило основы анализа звука н синтеза сложного звука из простых составляющих. Весь этот классич. этап развития акустики подытожен к нач. 20 в. Рэлеем (Дж. У. Стретт, J. W. Strutt).

Новый этап развития акустики начался в 20-е гг. ХХ в. в связи с развитием радиотехники и радиовещания, которые вызвали необходимость разработки методов и средств преобразования электрической энергии в акустическую, и обратно.

Рассмотрим длинную трубу, наполненную воздухом. С левого конца в нее вставлен плотно прилегающий к стенкам поршень (рис. 1). Если поршень резко двинуть вправо и остановить, то воздух, находящийся в непосредственной близости от него, на мгновение сожмется (рис. 1, а). Затем сжатый воздух расширится, толкнув воздух, прилегающий к нему справа, и область сжатия, первоначально возникшая вблизи поршня, будет перемещаться по трубе с постоянной скоростью (рис. 1, б). Эта волна сжатия и есть звуковая волна в газе.

Рисунок 1. Возникновение звуковой волны в трубе

Звуковая волна в газе характеризуется избыточным давлением, избыточной плотностью, смещением частиц и их скоростью. Для звуковых волн эти отклонения от равновесных значений всегда малы. Так, избыточное давление, связанное с волной, намного меньше статического давления газа. В противном случае мы имеем дело с другим явлением — ударной волной. В звуковой волне, соответствующей обычной речи, избыточное давление составляет лишь около одной миллионной атмосферного давления.

Важно то обстоятельство, что вещество не уносится звуковой волной. Волна представляет собой лишь проходящее по воздуху временное возмущение, по прохождении которого воздух возвращается в равновесное состояние. Волновое движение, конечно, не является характерным только для звука: в форме волн распространяются свет и радиосигналы, и каждому знакомы волны на поверхности воды. Все типы волн математически описываются так называемым волновым уравнением.

Волна в трубе на рис. 1 называется звуковым импульсом. Очень важный тип волны возбуждается, когда поршень колеблется туда-сюда подобно грузу, подвешенному на пружине. Такие колебания называются простыми гармоническими или синусоидальными, а возбуждаемая в этом случае волна — гармонической.Звуковые волны в газах и жидкостях могут быть только продольными, так как эти среды обладают упругостью лишь по отношению к деформациям сжатия (растяжения). В твердых телах звуковые волны могут быть как продольными, так и поперечными, так как твердые тела обладают упругостью по отношению к деформациям сжатия (растяжения) и сдвига.

Поиск по сайту: