Miből áll a hang? Iskolai enciklopédia. Hanghullámok sebessége különböző médiában

YAGMA

Orvosi fizika

Gyermekgyógyászati Kar

Jól

Szemeszter

4. sz. előadás

"Orvosi akusztika"

Összeállította:

Babenko N.I.

2010
1. Az akusztika és típusai. Orvosi akusztika, szakaszai és feladatai.

Szó szerint az „akusztikát” a hallás tanulmányozásaként fordítják. Az "akusztika" kifejezés modern meghatározása a következő:

Az akusztika a mechanikai hullámok keletkezésének, tulajdonságainak és terjedésének tudománya különböző közegekben, valamint ezeknek a hullámoknak a fizikai és biológiai objektumokkal való kölcsönhatásával.

Az akusztika a következő részekből áll:

· általános akusztika, tanulmányozza a hangfogadással és terjedéssel kapcsolatos legáltalánosabb kérdéseket, hangmérési módszereket.

· építészeti akusztika, a hangjelenségeket vizsgálja abból a szempontból, hogy különböző helyiségekben jó hallhatóságot és beszédet érjen el, vagy megvédje a helyiségeket a nem kívánt hangoktól.

· műszaki akusztika, a hang gyakorlati alkalmazását tanulmányozza a technika különböző területein.

· biológiai akusztika,élő szervezetek (denevérek, halak, delfinek) hangtermelését és felhasználását vizsgálja.

· orvosi akusztika, a hallás és beszéd fizikáját és biofizikáját, az emberi hangérzékelés feltételeit és jellemzőit, a hang felhasználását betegségek diagnosztizálására és kezelésükre tanulmányozza.

Az akusztika orvosi alkalmazásai közé tartozik a hallható hang és az ultrahang tulajdonságainak gyakorlati alkalmazása:

Az orvosi akusztika fő céljai:

· a szív munkája során fellépő hangjelenségek tanulmányozása;

· betegségek diagnosztizálási módszereinek fejlesztése hang- és ultrahang segítségével;

· megbízható kezelési módszerek kidolgozása;

· higiéniai szabványok és szabványok kidolgozása a hang biztonságos felhasználására az iparban, az orvostudományban és a nemzetgazdaságban.

Vuk mint fizikai jelenség.

A hanghullámok típusai és jellemzőik.

A hang olyan mechanikai rezgések, amelyek egy rugalmas anyagú közegben elsősorban hosszanti hullámok formájában terjednek.

Vákuumban a hang nem terjed, mivel a hangátvitelhez anyagi közegre és az anyagi közeg részecskéi közötti mechanikai érintkezésre van szükség.

Egy közegben a hang hanghullámok formájában terjed. A hanghullámok olyan mechanikai rezgések, amelyeket a közegben a feltételes részecskéi segítségével továbbítanak. A közeg hagyományos részecskéi a mikrotérfogatait jelentik.

Az akusztikus hullám alapvető fizikai jellemzői:

1. Gyakoriság.

Frekvencia A hanghullám olyan mennyiség, amely megegyezik az egységnyi idő alatti teljes rezgések számával. A szimbólum jelzi v (nu) és hertzben mérjük. 1 Hz = 1 számlálás/mp = [ s -1 ].

A hangrezgés skála a következő frekvenciaintervallumokra oszlik:

· infrahang (0 és 16 Hz között);

· hallható hang (16 és 16 000 Hz között);

· ultrahang (16 000 Hz felett).

A hanghullám frekvenciája szorosan összefügg annak inverz mennyiségével – a hanghullám periódusával. Időszak A hanghullám a közeg részecskéinek egy teljes rezgésének ideje. Kijelölve Tés másodpercben [s] mérik.

A hanghullámot hordozó közeg részecskéinek rezgési iránya szerint a hanghullámokat a következőkre osztják:

· hosszanti;

· keresztirányú.

Longitudinális hullámok esetén a közeg részecskéinek rezgési iránya egybeesik a hanghullám közegben terjedési irányával (1. ábra).

A keresztirányú hullámok esetében a közeg részecskéinek rezgési irányai merőlegesek a hanghullám terjedési irányára (2. ábra).

Rizs. 1 ábra. 2

A longitudinális hullámok gázokban, folyadékokban és szilárd anyagokban terjednek. Keresztirányú - csak szilárd anyagokban.

3. A rezgések alakja.

A rezgések alakja szerint a hanghullámokat a következőkre osztják:

· egyszerű hullámok;

összetett hullámok.

Egy egyszerű hullám grafikonja szinuszos hullám.

Egy komplex hullám grafikonja bármely periodikus, nem szinuszos görbe .

4. Hullámhossz.

A hullámhossz a mennyiség egyenlő azzal a távolsággal, amelyet egy hanghullám egy periódusnak megfelelő idő alatt megtesz. Jelölése λ (lambda), és mértéke méterben (m), centiméterben (cm), milliméterben (mm), mikrométerben (µm).

A hullámhossz attól függ, hogy milyen közegben terjed a hang.

5. Hanghullám sebessége.

Hanghullám sebesség a hang terjedési sebessége álló hangforrással rendelkező közegben. V szimbólummal jelölve, a következő képlettel számítva:

A hanghullám sebessége a közeg típusától és a hőmérséklettől függ. A hangsebesség szilárd, rugalmas testekben a legnagyobb, folyadékokban kisebb, gázokban a legkisebb.

levegő, normál légköri nyomás, hőmérséklet - 20 fok, v = 342 m/s;

víz, hőmérséklet 15-20 fok, v = 1500 m/s;

fémek, v = 5000-10000 m/s.

A hangsebesség a levegőben körülbelül 0,6 m/s-al nő a hőmérséklet 10 fokos emelkedésével.

A hang egy közegben (gyakran levegőben) lévő rugalmas hullámok, amelyek láthatatlanok, de az emberi fül számára érzékelhetők (a hullám a dobhártyára hat). A hanghullám a tömörítés és a ritkulás longitudinális hulláma.

Ha vákuumot hozunk létre, képesek leszünk-e megkülönböztetni a hangokat? Robert Boyle 1660-ban egy órát helyezett egy üvegedénybe. Miután kiszívta a levegőt, nem hallott hangot. A tapasztalat ezt bizonyítja a hang terjedéséhez közeg kell.

A hang folyékony és szilárd közegeken is átjuthat. A kövek becsapódása jól hallható a víz alatt. Helyezze az órát a fatábla egyik végére. Ha a fülét a másik végére helyezi, tisztán hallja az óra ketyegését.

A hanghullám áthalad a fán

A hang forrása szükségszerűen rezgő testek. Például egy húr egy gitáron normál állapotában nem szólal meg, de amint rezgésbe hozzuk, megjelenik egy hanghullám.

A tapasztalat azonban azt mutatja, hogy nem minden rezgő test hangforrás. Például egy szálra felfüggesztett súly nem ad ki hangot. Az a tény, hogy az emberi fül nem érzékeli az összes hullámot, hanem csak azokat, amelyek 16 Hz és 20 000 Hz közötti frekvenciával rezgő testeket hoznak létre. Az ilyen hullámokat ún hang. A 16 Hz-nél kisebb frekvenciájú oszcillációkat nevezzük infrahang. A 20 000 Hz-nél nagyobb frekvenciájú oszcillációkat nevezzük ultrahang.

Hangsebesség

A hanghullámok nem azonnal terjednek, hanem bizonyos véges sebességgel (hasonlóan az egyenletes mozgás sebességéhez).

Éppen ezért zivatar idején először villámlást, azaz fényt látunk (a fénysebesség sokkal nagyobb, mint a hangsebesség), majd hangot hallunk.

A hangsebesség a közegtől függ: szilárd és folyadékokban a hangsebesség sokkal nagyobb, mint a levegőben. Ezek táblázatos mért állandók. A közeg hőmérsékletének növekedésével a hang sebessége nő, csökkenésével pedig csökken.

A hangok különbözőek. A hang jellemzésére speciális mennyiségeket vezetnek be: hangerőt, hangmagasságot és hangszínt.

A hang hangereje a rezgések amplitúdójától függ: minél nagyobb a rezgések amplitúdója, annál erősebb a hang. Ezen túlmenően, a hangerő fülünk általi érzékelése a hanghullám rezgésének gyakoriságától függ. A magasabb frekvenciájú hullámok hangosabbak.

A hanghullám frekvenciája határozza meg a hangmagasságot. Minél magasabb egy hangforrás rezgési frekvenciája, annál magasabb hangot produkál. Az emberi hangok több hangmagasság-tartományra oszthatók.

A különböző forrásokból származó hangok különböző frekvenciájú harmonikus rezgések kombinációi. A leghosszabb periódus (legalacsonyabb frekvencia) összetevőjét alaphangnak nevezzük. A hang többi összetevője felhangok. Ezen összetevők halmaza hozza létre a hang színét és hangszínét. A különböző emberek hangjának felhangjai legalábbis kissé eltérnek egymástól, és ez határozza meg egy adott hang hangszínét.

Visszhang. A visszhang a különféle akadályokból - hegyekből, erdőkből, falakból, nagy épületekből stb. - származó hang visszaverődése következtében jön létre. Visszhang csak akkor következik be, ha a visszavert hangot az eredetileg kimondott hangtól külön érzékeljük. Ha sok a tükröződő felület, és ezek különböző távolságra vannak az embertől, akkor a visszavert hanghullámok különböző időpontokban érik el őt. Ebben az esetben a visszhang többszörös lesz. Az akadálynak 11 m-re kell lennie a személytől, hogy a visszhang hallható legyen.

A hang visszaverődése. A hang visszaverődik a sima felületekről. Ezért a kürt használatakor a hanghullámok nem szóródnak minden irányba, hanem szűk irányú sugárnyalábot alkotnak, aminek köszönhetően a hangteljesítmény megnő és nagyobb távolságra terjed.

Egyes állatok (például denevér, delfin) ultrahangos rezgéseket bocsátanak ki, majd érzékelik az akadályokról visszavert hullámot. Így határozzák meg a környező tárgyak helyét és távolságát.

Echolocation. Ez egy módja annak, hogy meghatározzák a testek elhelyezkedését a róluk visszavert ultrahangjelek segítségével. Széles körben használják a szállításban. Hajókra telepítve szonárok- víz alatti objektumok felismerésére, a fenék mélységének és domborzatának meghatározására szolgáló eszközök. Az edény alján hangkibocsátó és vevő található. Az emitter rövid jeleket ad. A késleltetési idő és a visszatérő jelek irányának elemzésével a számítógép meghatározza a hangot visszaverő tárgy helyzetét és méretét.

Az ultrahang a gépalkatrészek különféle sérüléseinek (üregek, repedések stb.) észlelésére és meghatározására szolgál. Az erre a célra használt eszközt ún ultrahangos hibaérzékelő. A vizsgált részhez rövid ultrahangjelek folyamát küldik, amelyek visszaverődnek a benne található inhomogenitásokról, és visszatérve a vevőbe jutnak. Azokon a helyeken, ahol nincs hiba, a jelek jelentős reflexió nélkül haladnak át az alkatrészen, és a vevő nem regisztrálja őket.

Az ultrahangot széles körben használják az orvostudományban bizonyos betegségek diagnosztizálására és kezelésére. A röntgensugárzástól eltérően hullámai nincsenek káros hatással a szövetekre. Diagnosztikai ultrahang vizsgálatok (ultrahang) lehetővé teszi a szervek és szövetek kóros elváltozásainak felismerését sebészeti beavatkozás nélkül. Egy speciális készülék a 0,5-15 MHz frekvenciájú ultrahanghullámokat egy bizonyos testrészre irányítja, ezek visszaverődnek a vizsgált szervről és a számítógép megjeleníti annak képét a képernyőn.

Az infrahangra jellemző a különböző közegekben történő alacsony elnyelés, aminek következtében a levegőben, vízben és a földkéregben lévő infrahanghullámok igen nagy távolságokra terjedhetnek. Ez a jelenség gyakorlati alkalmazásra talál helyszínek meghatározása erős robbanások vagy a kilövő fegyver helyzete. Az infrahang nagy távolságokra történő terjedése a tengerben lehetővé teszi természeti katasztrófa előrejelzései- cunami. A medúzák, rákfélék stb. képesek érzékelni az infrahangokat, és már jóval a vihar kitörése előtt érzékelik közeledésüket.

A hanghullám áthalad a fán

A hang forrása szükségszerűen rezgő testek. Például egy húr egy gitáron normál állapotában nem szólal meg, de amint rezgésbe hozzuk, megjelenik egy hanghullám.

Hangsebesség

A hanghullámok nem azonnal terjednek, hanem bizonyos véges sebességgel (hasonlóan az egyenletes mozgás sebességéhez).

Éppen ezért zivatar idején először villámlást, azaz fényt látunk (a fénysebesség sokkal nagyobb, mint a hangsebesség), majd hangot hallunk.

A hangsebesség a közegtől függ: szilárd anyagokban és folyadékokban a hangsebesség sokkal nagyobb, mint a levegőben. Ezek táblázatos mért állandók. A közeg hőmérsékletének növekedésével a hang sebessége nő, csökkenésével pedig csökken.

A hangok különbözőek. A hang jellemzésére speciális mennyiségeket vezetnek be: hangerőt, hangmagasságot és hangszínt.

A munka célja

Tanulmányozza a hangrögzítés és -reprodukció elméletének alapjait, a hang főbb jellemzőit, a hangátalakítás módszereit, a hangátalakító és -erősítő berendezések felépítését és használatának jellemzőit, és elsajátítsa ezek gyakorlati alkalmazását.

Elméleti információk

Hang egy rugalmas közeg részecskéinek rezgő mozgása, hullámok formájában terjedő gáznemű, folyékony vagy szilárd közegben, amely az emberi halláselemzőre hatva hallásérzést okoz. A hang forrása egy rezgő test, például: húr rezgése, hangvilla rezgése, hangszórókúp mozgása stb.

Hanghullám egy rugalmas közeg rezgéseinek irányított terjedésének folyamata hangforrásból. A térnek azt a tartományát, amelyben a hanghullám halad, hangtérnek nevezzük. A hanghullám a levegő összenyomásának és kiürítésének váltakozása. A kompressziós tartományban a légnyomás meghaladja az atmoszférikus nyomást, a ritkítási tartományban kisebb annál. A légköri nyomás változó részét hangnyomásnak nevezzük R . A hangnyomás mértékegysége Pascal ( Pa) (Pa=N/m 2). Azokat az oszcillációkat, amelyek szinusz alakúak (1. ábra), harmonikusnak nevezzük. Ha egy hangot kibocsátó test szinuszos törvény szerint oszcillál, akkor a hangnyomás is szinuszos törvény szerint változik. Ismeretes, hogy bármely összetett rezgés ábrázolható egyszerű harmonikus rezgések összegeként. Ezen harmonikus rezgések amplitúdóinak és frekvenciáinak értékkészleteit rendre nevezik. amplitúdó spektrumÉs frekvencia spektrum.

A levegő részecskék oszcilláló mozgását a hanghullámban számos paraméter jellemzi:

Oszcillációs periódus(T), az a legrövidebb időtartam, amely után az oszcillációs mozgást jellemző összes fizikai mennyiség értéke megismétlődik ezalatt egy teljes rezgés. Az oszcilláció időtartamát másodpercben mérjük ( Val vel).

Oszcillációs frekvencia f) , a teljes rezgések száma egységnyi idő alatt.

Ahol: f– oszcillációs frekvencia; T– rezgési periódus.

A frekvencia mértékegysége a hertz ( Hz) – másodpercenként egy teljes oszcilláció (1 kHz = 1000 Hz).

Rizs. 1. Egyszerű harmonikus rezgés:
A – az oszcilláció amplitúdója, T – az oszcilláció periódusa

Hullámhossz (λ ), az a távolság, amelyre egy rezgésperiódus illeszkedik. A hullámhosszt méterben mérik ( m). A hullámhossz és a rezgési frekvencia a következő összefüggéssel függ össze:

Ahol Val vel – a hang terjedési sebessége.

Oszcillációs amplitúdó (A) , egy ingadozó mennyiség legnagyobb eltérése a nyugalmi állapottól.

Oszcillációs fázis.

Képzeljünk el egy kört, amelynek hossza megegyezik az A és E pontok távolságával (2. ábra), vagy a hullámhosszával egy bizonyos frekvencián. Ahogy ez a kör „forog”, sugárirányú vonala a szinusz minden egyes helyén bizonyos szögtávolságra kerül a kezdőponttól, ami minden ilyen pontban a fázisérték lesz. A fázis mértéke fokban történik.

Amikor egy hanghullám ütközik egy felülettel, akkor részben ugyanabban a szögben verődik vissza, mint amilyenben erre a felületre esik, a fázisa nem változik. ábrán. A 3. ábra a visszavert hullámok fázisfüggését szemlélteti.

Rizs. 2. Szinuszhullám: amplitúdó és fázis.
Ha egy kör hossza megegyezik a hullámhosszal egy bizonyos frekvencián (távolság A-tól E-ig), akkor forgás közben ennek a körnek a sugárirányú vonala a szinusz hullám fázisértékének megfelelő szöget fog mutatni egy adott frekvencián. pont

Rizs. 3. A visszavert hullámok fázisfüggése.
Az azonos fázisú hangforrás által kibocsátott különböző frekvenciájú hanghullámok azonos távolság megtétele után eltérő fázisú felületet érnek el

A hanghullám meghajolhat az akadályok körül, ha hossza nagyobb, mint az akadály mérete. Ezt a jelenséget az ún diffrakció. A diffrakció különösen észrevehető alacsony frekvenciájú rezgések esetén, amelyek jelentős hullámhosszúak.

Ha két hanghullámnak azonos a frekvenciája, akkor kölcsönhatásba lépnek egymással. Az interakciós folyamatot interferenciának nevezik. Amikor az egyfázisú (in-fázisú) oszcillációk kölcsönhatásba lépnek, a hanghullám felerősödik. Az antifázisú rezgések kölcsönhatása esetén a keletkező hanghullám gyengül (4. ábra). Azok a hanghullámok, amelyek frekvenciája jelentősen eltér egymástól, nem lépnek kölcsönhatásba egymással.

Rizs. 4. Az (a) fázisban és a (b) antifázisban lévő rezgések kölcsönhatása:
1, 2 – kölcsönhatásban lévő rezgések, 3 – eredő oszcillációk

A hangrezgés lehet csillapított vagy csillapítatlan. A csillapított rezgések amplitúdója fokozatosan csökken. A csillapított rezgések példája az a hang, amely akkor keletkezik, amikor egy húrt egyszer gerjesztenek vagy egy gongot ütnek. A húrrezgések csillapításának oka a húrnak a levegővel való súrlódása, valamint a rezgő húr részecskéi közötti súrlódás. Csillapítatlan oszcillációk létezhetnek, ha a súrlódási veszteségeket kívülről beáramló energia kompenzálja. A csillapítatlan rezgések példája az iskolai csengő csésze oszcillációja. Amíg a bekapcsoló gombot nyomva tartjuk, a csengőben folyamatos oszcilláció van. A harang energiaellátásának leállítása után a rezgések elhalnak.

A hanghullám a forrásától a helyiségben terjedve energiát ad át és tágul, amíg el nem éri ennek a helyiségnek a határfelületeit: falakat, padlót, mennyezetet stb. A hanghullámok terjedése intenzitásuk csökkenésével jár. Ez a levegőrészecskék közötti súrlódás leküzdéséhez szükséges hangenergia elvesztése miatt következik be. Ezenkívül a forrástól minden irányban terjedő hullám egyre nagyobb teret fed le, ami az egységnyi területre eső hangenergia mennyiségének csökkenéséhez vezet a gömbforrástól való távolság minden megkétszerezésével a levegő részecskéinek rezgésszilárdsága 6 dB-lel (teljesítményben négyszeresére) csökken (5. ábra).

Rizs. 5. A gömb alakú hanghullám energiája a hullámfront egyre nagyobb területén oszlik el, aminek következtében a hangnyomás 6 dB-lel csökken a forrástól való távolság minden kétszeresére.

Ha útközben akadályba ütközik, a hanghullám energiájának egy része passzol a falakon át, rész elnyelt a falakon belül, és részben tükröződött vissza a szobába. A visszavert és elnyelt hanghullám összenergiája megegyezik a beeső hanghullám energiájával. Változó mértékben szinte minden esetben jelen van mindhárom típusú hangenergia-eloszlás
(6. ábra).

Rizs. 6. Hangenergia visszaverődése és elnyelése

A visszavert hanghullám, miután elvesztette az energia egy részét, irányt változtat, és addig terjed, amíg el nem éri a helyiség más felületeit, ahonnan ismét visszaverődik, elveszítve az energia egy részét stb. Ez addig folytatódik, amíg a hanghullám energiája végleg el nem múlik.

A hanghullám visszaverődése a geometriai optika törvényei szerint történik. A nagy sűrűségű anyagok (beton, fém stb.) jól visszaverik a hangot. A hanghullámok elnyelésének több oka lehet. A hanghullám energiáját magának az akadálynak a rezgéseire, valamint az akadály felszíni rétegének pórusaiban lévő levegő rezgéseire fordítja. Ebből következik, hogy a porózus anyagok (filc, habgumi stb.) erősen elnyelik a hangot. A nézőkkel teli szobában a hangelnyelés nagyobb, mint egy üresben. Az anyag általi hangvisszaverődés és -elnyelés mértékét visszaverődési és abszorpciós együtthatók jellemzik. Ezek az együtthatók nullától egyig terjedhetnek. Az eggyel egyenlő együttható a hang ideális visszaverődését vagy elnyelését jelzi.

Ha a hangforrás beltérben található, akkor a hallgató nem csak közvetlen, hanem különféle felületekről visszaverődő hangenergiát is kap. A helyiség hangereje a hangforrás teljesítményétől és a hangelnyelő anyag mennyiségétől függ. Minél több hangelnyelő anyagot helyezünk el egy helyiségben, annál kisebb a hangerő.

A hangforrás kikapcsolása után a hangenergia különböző felületekről való visszaverődése miatt egy ideig hangtér áll rendelkezésre. A zárt térben zajló hang fokozatos csillapításának folyamatát a forrás kikapcsolása után ún. visszaverődés. A visszhang időtartamát az ún. visszhangidő, azaz az az idő, amely alatt a hang intenzitása 106-szorosára, szintje pedig 60 dB-lel csökken . Például, ha egy zenekar hangja egy koncertteremben eléri a 100 dB-t körülbelül 40 dB-es háttérzajszint mellett, akkor a zenekar záróakkordjai zajba vesznek, ha szintjük körülbelül 60 dB-lel csökken. A visszhangidő a legfontosabb tényező, amely meghatározza a helyiség akusztikai minőségét. Minél nagyobb, minél nagyobb a helyiség térfogata, és annál kisebb az elnyelés a határoló felületeken.

A zengetési idő nagysága befolyásolja a beszéd érthetőségét és a zene hangminőségét. Ha a visszhangzási idő túl hosszú, a beszéd érthetetlenné válik. Ha a visszhang túl rövid, a beszéd érthető, de a zene természetellenesen hangzik. Az optimális visszhangidő a helyiség térfogatától függően körülbelül 1-2 s.

Alapvető hangjellemzők.

Hangsebesség levegőben 0°C-on 332,5 m/s. Szobahőmérsékleten (20°C) a hangsebesség körülbelül 340 m/s. A hang sebességét a " szimbólum jelzi Val vel ».

Frekvencia. Az emberi hallásanalizátor által érzékelt hangok hangfrekvenciás tartományt alkotnak. Általánosan elfogadott, hogy ez a tartomány 16 és 20 000 Hz közötti frekvenciákra korlátozódik. Ezek a határok nagyon önkényesek, ami az emberek hallásának egyéni jellemzőiből, a halláselemző érzékenységének életkorral összefüggő változásából és a hallásérzések rögzítésének módjából adódik. Egy személy 0,3%-os frekvenciaváltozást észlelhet körülbelül 1 kHz-es frekvencián.

A hang fizikai fogalma magában foglalja a hallható és nem hallható rezgési frekvenciákat is. A 16 Hz alatti frekvenciájú hanghullámokat hagyományosan infrahangnak, a 20 kHz feletti hanghullámokat ultrahangnak nevezik. . Az infrahangfrekvenciák tartománya alulról gyakorlatilag korlátlan - a természetben tized-század Hz frekvenciájú infrahangrezgések fordulnak elő .

A hangtartományt hagyományosan több szűkebb tartományra osztják (1. táblázat).

Asztal 1

A hangfrekvencia-tartomány hagyományosan altartományokra van osztva

Hangintenzitás(W/m2) a hullám által egységnyi idő alatt a hullámterjedés irányára merőleges egységnyi felületen átadott energia mennyisége határozza meg. Az emberi fül nagyon széles intenzitástartományban érzékeli a hangokat: a leggyengébb hallható hangoktól a leghangosabbakig, például a sugárhajtómű által keltett hangokig.

Azt a minimális hangintenzitást, amelynél a hallásérzés fellép, hallási küszöbnek nevezzük. Ez a hangfrekvenciától függ (7. ábra). Az emberi fül ennek megfelelően az 1 és 5 kHz közötti frekvenciatartományban a legérzékenyebb, a hallásérzékelési küszöb itt a legalacsonyabb 10 -12 W/m 2. Ez az érték a hallhatóság nulla szintjének számít. Zaj és egyéb hangingerek hatására megnő az adott hang hallhatósági küszöbe (A hangelfedés olyan élettani jelenség, amely abból áll, hogy ha két vagy több különböző hangerősségű hangot egyidejűleg érzékelünk, a halkabb hangok megszűnnek hallani) , és a megnövekedett érték a zavaró tényező megszűnése után még egy ideig megmarad, majd fokozatosan visszaáll az eredeti szintre. Különböző embereknél és ugyanazon személyeknél különböző időpontokban a hallásküszöb az életkortól, fiziológiai állapottól és képzettségtől függően változhat.

Rizs. 7. A standard hallásküszöb frekvenciafüggése
szinuszos hullám

A nagy intenzitású hangok nyomó fájdalmat okoznak a fülben. Fájdalomküszöbnek nevezzük azt a minimális hangintenzitást, amelynél a fülben nyomó fájdalomérzet jelentkezik (~10 W/m2). Csakúgy, mint a hallási észlelés küszöbe, a fájdalom küszöbe a hangrezgések frekvenciájától függ. Azok a hangok, amelyek intenzitása megközelíti a fájdalomküszöböt, káros hatással vannak a hallásra.

Normális hangérzet akkor lehetséges, ha a hang intenzitása a hallhatóság és a fájdalom küszöbe között van.

Kényelmes hangszint szerint értékelni ( L) intenzitás (hangnyomás), a következő képlettel számítva:

Ahol J 0 – hallási küszöb J- hangintenzitás (2. táblázat).

2. táblázat

A hang jellemzői intenzitás szerint és intenzitásszint szerinti értékelése a hallási észlelés küszöbéhez viszonyítva

Hangjellemzők	Intenzitás (W/m2)	A hallásküszöbhöz viszonyított intenzitásszint (dB)
Hallási küszöb	10 -12
Sztetoszkópon keresztül generált szívhangok	10 -11
Suttogás	10 -10 –10 -9	20–30
Beszédhangok nyugodt beszélgetés közben	10 -7 –10 -6	50–60
Erős forgalomhoz kapcsolódó zaj	10 -5 –10 -4	70–80
Egy rockzenei koncert által keltett zaj	10 -3 –10 -2	90–100
Zaj működő repülőgép-hajtómű közelében	0,1–1,0	110–120
Fájdalomküszöb

Hallókészülékeink hatalmas dinamikatartomány érzékelésére képesek. A leghalkabb hallható hangok okozta légnyomásváltozások 2×10 -5 Pa nagyságrendűek. Ugyanakkor a fülünk fájdalomküszöbét megközelítő hangnyomás körülbelül 20 Pa. Ennek eredményeként a hallókészülékünk által érzékelhető leghalkabb és leghangosabb hangok aránya 1:1000000. Az ilyen különböző szintű jelek lineáris skálán történő mérése meglehetősen kényelmetlen.

Egy ilyen széles dinamikatartomány tömörítése érdekében bevezették a „bel” fogalmát. Bel a két hatvány arányának egyszerű logaritmusa; és egy decibel egyenlő a bel egytizedével.

Az akusztikus nyomás decibelben való kifejezéséhez a nyomást négyzetre kell emelni (pascalban), és el kell osztani a referencianyomás négyzetével. A kényelem kedvéért két nyomás négyzetesítése a logaritmuson kívül történik (ami a logaritmusok tulajdonsága).

Az akusztikus nyomás decibelekre konvertálásához a következő képletet használjuk:

ahol: P – számunkra érdekes akusztikus nyomás; P 0 – kezdeti nyomás.

Ha 2 × 10 -5 Pa-t veszünk referencianyomásnak, a decibelben kifejezett hangnyomást hangnyomásszintnek (SPL - angol hangnyomásszint) nevezzük. Így a hangnyomás 3 Pa, 103,5 dB hangnyomásszintnek felel meg, ezért:

A fent említett akusztikus dinamikatartomány decibelben a következő hangnyomásszintekkel fejezhető ki: 0 dB-től a leghalkabb hangoknál, 120 dB-től fájdalomküszöbszintű hangoknál, 180 dB-ig a leghangosabb hangoknál. 140 dB-nél erős fájdalom, 150 dB-nél fülsérülés lép fel.

hangerő, egy adott hang hallási érzését jellemző mennyiség. A hangerő összetett módon függ attól hangnyomás(vagy hangintenzitás), frekvenciák és rezgésformák. Állandó frekvenciájú és rezgésalak mellett a hangerő a hangnyomás növekedésével növekszik (8. ábra). Egy adott frekvenciájú hang hangerejét úgy becsüljük meg, hogy összehasonlítjuk egy 1000 Hz frekvenciájú egyszerű hang hangosságával. Egy 1000 Hz-es frekvenciájú tiszta hang hangnyomásszintjét (dB-ben) a mért hanghoz hasonló hangos (fülhöz képest) az adott hang hangerőszintjének nevezzük. háttérrel) (8. ábra).

Rizs. 8. Egyenlő hangossági görbék - a hangnyomásszint (dB-ben) függése a frekvenciától adott hangerőn (háttérben).

Hangspektrum.

A hallószervek hangérzékelésének jellege a frekvenciaspektrumától függ.

A zajok folyamatos spektrummal rendelkeznek, azaz. a bennük lévő egyszerű szinuszos rezgések frekvenciái folyamatos értéksort alkotnak, amely teljesen kitölt egy bizonyos intervallumot.

A zenei (tonális) hangok lineáris frekvenciaspektrummal rendelkeznek. Az összetételükben szereplő egyszerű harmonikus rezgések frekvenciái diszkrét értékek sorozatát alkotják.

Minden harmonikus rezgést hangnak (egyszerű hang) nevezünk. A hangmagasság a frekvenciától függ: minél magasabb a frekvencia, annál magasabb a hangszín. A hang magasságának érzetét a hang frekvenciája határozza meg. A hangrezgések frekvenciájának 16-ról 20 000 Hz-re történő zökkenőmentes változása először alacsony frekvenciájú zümmögésként, majd sípként érzékelhető, és fokozatosan nyikorgássá válik.

Egy összetett zenei hang alaphangja a spektrumában a legalacsonyabb frekvenciának megfelelő hang. A spektrum fennmaradó frekvenciáinak megfelelő hangokat felhangoknak nevezzük. Ha a felhangok frekvenciái többszörösei az alaphang f o frekvenciájának, akkor a felhangokat harmonikusnak, az f o frekvenciájú alaphangot pedig első harmonikusnak, a következő legmagasabb frekvenciájú 2f o felhangot a második harmonikusnak nevezzük. stb.

Az azonos alaptónusú zenei hangok hangszínükben eltérőek lehetnek. A hangszínt a felhangok összetétele határozza meg - frekvenciájuk és amplitúdójuk, valamint a hang elején az amplitúdók növekedésének és a hang végén a csökkenésnek a természete.

Kapcsolódó információ.

A „hang” fogalma leginkább a „hullám” fogalmához kapcsolódik. Érdekes, hogy ez a fogalom, bár abszolút mindenki számára ismerős, sokak számára nehézséget okoz, amikor megpróbálják egyértelmű definíciót adni. Egyrészt a hullám olyasvalami, ami mozgáshoz kapcsolódik, valami, ami a térben terjed, például a vízbe dobott kőből körbe sugárzó hullámok. Azt viszont tudjuk, hogy a víz felszínén fekvő ág a közelbe dobott kőről aligha mozdul el a hullámok terjedésének irányába, hanem többnyire csak ringatni fog a vízen. Mi kerül át a térbe, amikor egy hullám terjed? Kiderül, hogy valamilyen zavar átadódik a térben. A vízbe dobott kő fröccsenést okoz - a vízfelszín állapotának megváltozását, és ez a zavar a tározó egyik pontjáról a másikra felületi rezgések formájában továbbítódik. És így, hullám az állapotváltozások terében való mozgás folyamata.

Hanghullám(hangrezgések) egy anyag (például levegő) molekuláinak térben továbbított mechanikai rezgései. Képzeljük el, hogyan terjednek a hanghullámok az űrben. Egyes zavarok hatására (például hangszórókúp vagy gitárhúr rezgései miatt), amelyek a tér egy bizonyos pontján a levegő mozgását és rezgését okozzák, ezen a helyen nyomásesés lép fel, mivel a levegő mozgás közben összenyomódik, ami túlnyomást eredményez, ami a környező levegőrétegeket nyomja. Ezek a rétegek összenyomódnak, ami viszont ismét túlnyomást hoz létre, ami hatással van a szomszédos levegőrétegekre. Tehát, mintha egy lánc mentén haladna, a tér kezdeti zavarása egyik pontból a másikba kerül. Ez a folyamat a hanghullám térben való terjedésének mechanizmusát írja le. A levegőben zavarokat (oszcillációt) keltő testet ún hangforrás.

A mindannyiunk számára ismerős fogalom: hang" csak az emberi hallókészülék által érzékelt hangrezgések halmazát jelenti. Később beszélünk arról, hogy az ember mely rezgéseket érzékeli és melyeket nem.

A hangrezgéseket, valamint általában minden rezgést, ahogy az a fizikából ismeretes, az amplitúdó (intenzitás), a frekvencia és a fázis jellemzi. A hangrezgések kapcsán nagyon fontos megemlíteni egy olyan jellemzőt, mint a terjedési sebesség. A rezgések terjedési sebessége általában attól függ, hogy milyen közegben terjednek a rezgések. Ezt a sebességet olyan tényezők befolyásolják, mint a közeg rugalmassága, sűrűsége és hőmérséklete. Például minél magasabb a közeg hőmérséklete, annál nagyobb a hangsebesség benne. Normál körülmények között (normál hőmérsékleten és nyomáson) a hang sebessége a levegőben körülbelül 330 m/s. Így az az idő, amely után a hallgató elkezdi érzékelni a hangrezgéseket, függ a hallgató hangforrástól való távolságától, valamint a hanghullám terjedési környezetének jellemzőitől. Fontos megjegyezni, hogy a hangterjedés sebessége szinte független a hangrezgések frekvenciájától. Ez többek között azt jelenti, hogy a hang pontosan abban a sorrendben érzékelhető, amelyben a forrás létrehozza. Ha ez nem így lenne, és az egyik frekvencia hangja gyorsabban terjedne, mint egy másik frekvencia hangja, akkor például zene helyett éles és hirtelen zajt hallanánk.

A hanghullámokat különféle jelenségek jellemzik, amelyek a hullámok térbeli terjedésével kapcsolatosak. Ezek közül felsoroljuk a legfontosabbakat.

Interferencia- a hangrezgések erősödése a tér egyes pontjain, máshol a rezgések gyengülése két vagy több hanghullám szuperpozíciója következtében. Ha egyszerre két forrásból hallunk különböző, de meglehetősen közeli frekvenciájú hangokat, akkor vagy mindkét hanghullám csúcsát, vagy az egyik hullám csúcsát és a másik hullámvölgyét kapjuk. Két hullám szuperpozíciója következtében a hang vagy felerősödik, vagy gyengül, amit a fül verésnek érzékel. Ezt a hatást időinterferenciának nevezik. Természetesen a valóságban az interferencia mechanizmus sokkal összetettebbnek bizonyul, de a lényege nem változik. Az ütemek előfordulásának hatását két zenei hang egyhangú hangolásakor használják (például gitár hangolásakor): a hangolást addig végezzük, amíg az ütemeket már nem érezzük.

A hanghullám, amikor egy másik közeggel érintkező felületre esik, visszaverődhet a határfelületről, átjuthat egy másik közegbe, megváltoztathatja a mozgás irányát - megtörhet a határfelületről (ezt a jelenséget ún. fénytörés), felszívódik, vagy egyidejűleg hajtson végre többet a felsorolt műveletek közül. Az abszorpció és a visszaverődés mértéke a felületen lévő közeg tulajdonságaitól függ.

A hanghullám energiáját a terjedése során a közeg elnyeli. Ezt a hatást ún hanghullámok elnyelése . Az abszorpciós hatás fennállása a közegben zajló hőcsere és intermolekuláris kölcsönhatás folyamatainak köszönhető. Fontos megjegyezni, hogy a hangenergia-elnyelés mértéke a közeg tulajdonságaitól (hőmérséklet, nyomás, sűrűség) és a hangrezgések frekvenciájától is függ: minél nagyobb a hangrezgések frekvenciája, annál jobban szóródik a hanghullám. végigmegy az útján.

Nagyon fontos megemlíteni a jelenséget is hullámmozgás zárt térfogatban , melynek lényege a hanghullámok visszaverődése valamilyen zárt tér faláról. A hangrezgések visszaverődése nagymértékben befolyásolhatja a hang végső érzékelését - megváltoztathatja színét, telítettségét, mélységét. Így a zárt helyiségben elhelyezkedő forrásból érkező, a szoba falairól ismétlődően felütő és visszaverődő hangot a hallgató sajátos zümmögéssel kísért hangként érzékeli. Ezt a fajta zümmögést hívják visszaverődés(a latin „reverbero” szóból – „eldobni”). A visszhanghatást nagyon széles körben használják a hangfeldolgozásban, hogy a hangnak specifikus tulajdonságokat és hangszínezést adjon.

Az akadályok körüli hajlás képessége a hanghullámok másik kulcsfontosságú tulajdonsága, amelyet a tudomány nevez diffrakció. A hajlítás mértéke a hanghullám hossza (frekvenciája) és az útjában lévő akadály vagy lyuk mérete közötti összefüggéstől függ. Ha az akadály mérete jóval nagyobb, mint a hullámhossz, akkor a hanghullám visszaverődik róla. Ha kiderül, hogy az akadály mérete összemérhető a hullámhosszal, vagy kisebb annál, akkor a hanghullám diffrakcióba lép.

A hullámmozgással összefüggő másik hatás, amelyre nem szabad emlékezni, az a hatás rezonancia. Ez a következő. Valamelyik rezgő test által keltett, térben terjedő hanghullám a rezgési energiát átadhatja egy másik testnek ( rezonátor), amely ezt az energiát elnyeli, vibrálni kezd, sőt, maga is hangforrássá válik. Így az eredeti hanghullám felerősödik, és a hang hangosabbá válik. Meg kell jegyezni, hogy rezonancia esetén a hanghullám energiáját a rezonátor „lengésére” fordítják, ami ennek megfelelően befolyásolja a hang időtartamát.

Doppler effektus– egy másik érdekes hatás, a listánk utolsó, a hanghullámok térbeli terjedésével kapcsolatos. A hatás az, hogy a hullámhossz a hallgató sebességének a hullámforráshoz viszonyított változása szerint változik. Minél gyorsabban közelíti meg a hallgató (rögzítő érzékelő) a hullámforrást, annál rövidebb hullámhosszt regisztrál és fordítva.

Ezeket és más jelenségeket számos területen figyelembe veszik és széles körben használják, mint például az akusztika, a hangfeldolgozás és a radar.