Элементы акустики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Элементы акустики

Природа и характеристика звука. Классификация звуков

Колебания частиц упругих сред, распространяющиеся в форме продольных волн (т.е. волн сжатия - разрежения) с частотой от 16 Гц до 20000 Гц (т.е. с частотой, воспринимаемой человеческим ухом), называются звуковыми колебаниями, или просто звуком.

Колебания с частотой ниже 16 Гц называются инфразвуком (ИЗ).

Колебания с частотой выше 20000 Гц называются ультразвуком (УЗ).

Источником звука является механически колеблющееся тело.

Звук распространяется в любых упругих средах - газах, жидкостях, твердом теле. Звук не распространяется в вакууме. Скорость его распространения зависит от упругости, плотности среды и ее температуры.

В воздухе скорость звука при 0?С = 331,5 м/с, при повышении температуры на 1 ?С она увеличивается ~ на 0,5 м/с. В жидких и твердых телах скорость звука выше, так в воде и мягких тканях человека скорость звука =1500 м/с. В твердых телах .

Звуки разделяются на:

1) тоны или музыкальные звуки.

2) шумы.

3) звуковые удары.

1. Тоном называется звук, являющийся периодическим процессом. Если этот процесс гармонический, то тон называется простым или чистым. Ему присуща одна частота (камертон, звуковой генератор). Негармоническому колебанию соответствует сложный тон (музыкальные инструменты, аппарат речи (гласные звуки)).

Сложный тон можно разделить на простые. Акустический спектр сложного тона (т.е. набор частот каждая со своей амплитудой) будет линейчатым. В них присутствует основной тон, имеющий наименьшую частоту , и гармоники (обертоны), имеющие частоты, кратные - 2, 3, 4…

2. Если акустический спектр звука сплошной-то это шум. Шум отличается сложной неповторяющейся временной зависимостью, его нельзя разложить в линейчатый спектр.

Вибрация машин, шорохи, согласные звуки речи - примеры шумов.

Влияние шума на современного человека настолько велико, что это выросло в отдельную медицинскую проблему. Существует лаборатория шума и вибрации. Утвердился термин - вибрационная болезнь, на лечение которой направлено внимание невропатологов.

3. Звуковой удар - это кратковременное звуковое воздействие: хлопок, взрыв и т.д.

Характеристики звука

Одна и та же нота на разных музыкальных инструментах по-разному окрашена. Имея один и тот же основной тон, она имеет разный акустический спектр. Голоса разных людей различны по тембру.

Для плоской волны интенсивность звука и звуковое давления связаны:

,

где -добавочное давление

-плотность среды

-скорость звука

Шкала звуковых измерений.

Громкость звука Е - это уровень слухового ощущения над его порогом.

Громкость звука зависит от физических характеристик: интенсивности, частоты звука, а также от чувствительности человеческого уха. Чувствительность уха вследствие общего для всех органов чувств свойства - адаптации к силе раздражения - уменьшается с увеличением интенсивности звука.

Поэтому между громкостью и интенсивностью звука нет прямой пропорциональности даже для одной и той же частоты колебаний.

В 1834 году Вебер (Weber Е.Н.), работая в области чувственного восприятия, открыл правило, согласно которому ощущение приращения интенсивности обратно пропорционально интенсивности стимула.

Вскоре было обнаружено, что эта закономерность не всегда применима и годится только для средней интенсивности стимулов, а для слабых и сильных правило не действительно.

В 1860 г. Фехнер (Fechner G.T.) на основе правила Вебера, сформулировал закон, по которому логарифм интенсивности стимула пропорционален интенсивности биологического ответа. Эта закономерность удовлетворяет простому дифференциальному уравнению.

,

где R - интенсивность реакции

S - интенсивность стимула.

Характер зависимости громкости и интенсивности раскрыт в законе Вебера-Фехнера: уровень громкости звука данной частоты прямо пропорционален логарифму отношения его интенсивности I к значению I₀, соответствующему порогу слышимости.

Закон справедлив для эталонного тона в 1000 Гц и при средних интенсивностях звука.

Шкала звуковых измерений составлена следующим образом. За нулевой уровень шкалы принимается интенсивность звука I₀=10^-12 Вт/м², что соответствует при эталонном тоне 1000 Гц порогу слышимости.

За верхний уровень шкалы принята интенсивность Iмакс=10 Вт/м², что соответствует порогу болевого ощущения.

Между верхним и нижним порогами интенсивность различается в 10¹³ раз или на 13 логарифмических единиц, названных Белами.

Бел - единица шкалы уровней интенсивности звука, соответствующая изменению уровня интенсивности в 10 раз. 1/10 бела называется децибелом - она соответствует изменению интенсивности в 1,26 раза.

Уровень громкости для других частот определяется с помощью экспериментально найденных кривых равной громкости.

Кривая равной громкости - график, связывающий интенсивность звука I и частоту постоянным уровнем громкости E=const.

Самую нижнюю из кривых равных громкости, т.е. кривую нулевого уровня слышимости, т.е. кривую порога слышимости находят при проверке остроты слуха. Разность между кривой порога слышимости пациента и нормальной кривой называют аудиограммой. Используемый прибор называют аудиометром, метод - аудиометрией.

Получение и использование звука.

Практически для получения гармонических тонов служит звуковой генератор. Это генератор электрических колебаний в диапазоне звуковых частот, которые с помощью телефона или динамика преобразуются в аналогичные по форме и частоте звуковые колебания.

Обратное преобразование звуковых колебаний в электрические осуществляется с помощью микрофона.

Использование в медицине.

Аускульвация - выслушивание звуков, самостоятельно возникающих внутри организма. Используется стетоскоп, фонендоскоп.

Перкуссия - метод исследования внутренних органов посредством постукивания по поверхности тела и анализа возникающих звуков. Прибор - молоточек с резиновой головкой - называется плессиметр.

Ультразвук

Ультразвук - это упругие колебания с частотой больше 20 кГц, распространяющиеся в форме продольных волн в различных средах.

УЗ-волны, особенно высокой частоты, ~ сотен кГц сильно поглощаются воздухом, а также отражаются от поверхности раздела твердой или жидкой среды и газа. Поэтому область контакта источника УЗ с облучаемой средой не должна содержать воздушной прослойки.

В хирургии - УЗ скальпель - сфокусированная УЗ волна разрушает ткани узконаправленно.

В костной хирургии - используется УЗ при сращивании костей.

Под действием УЗ полимеризация и дальнейшее сращивание костей значительно убыстряется.

УЗ вызывает деформации в веществе вследствие поочередного сгущения и разрежения его частиц. В зависимости от мощности ультразвукового воздействия деформации в веществе могут быть обратимыми (лечебное действие УЗ) или приводящими к разрушению вещества, что обусловлено кавитацией - явление поочередной смены областей высокого давления и вакуума.

УЗ в фармации размельчает и диспергирует среды, что применяется при изготовлении коллоидных растворов, высокодисперсных лекарственных эмульсий, аэрозолей.

УЗ при определенных условиях воздействия и свойствах среды может способствовать осаждению суспензий, коагуляции аэрозолей, очистке газа от загрязняющих примесей.

Свойства УЗ в среде.

1. УЗ в данной среде распространяется с постоянной скоростью.

2. На границе двух сред с разным акустическим сопротивлением

УЗ отражается. При этом коэффициент отражения .

3. Интенсивность УЗ уменьшается при прохождении в среде.

,

где - коэффициент ослабления

4. На 1 и 2 свойствах основан принцип эхолокации метод УЗИ, т.е. метод конструирования изображения внутренних органов по измеренным временам прохождения и отражения УЗ сигнала и интенсивности отраженной волны.

5. Доплер-эффект состоит в изменении наблюдаемой частоты по сравнению с действительной частотой при взаимном движении источника и приемника УЗ.

Наблюдаемая частота отличается от действительной, так что

акустика звук колебание эхолокация

,

где -скорость распространения УЗ волны.

-скорость движения приемника и источника УЗ по направлению друг к другу.

Доплерграфия - измерение скорости кровотока. Роль приемника и источника выполняют движущиеся частицы среды, например, эритроциты. Формула преобразуется к виду

По сдвигу Доплеровской частоты

,

т.к. можно рассчитать скорость среды (скорость кровотока).

.

Размещено на Allbest.ru