Распространение звука в воде
ПОДВОДНАЯ ОХОТА
Распространение звука в воде .
Звук распространяется в воде в пять раз быстрее, чем в воздухе. Средняя скорость равняется 1400 - 1500 м/сек (скорость распространения звука в воздухе 340 м/сек). Казалось бы, что слышимость в воде также улучшается. На самом деле это далеко не так. Ведь сила звука зависит не от скорости распространения, а от амплитуды звуковых колебаний и воспринимающей способности органов слуха. В улитке внутреннего уха расположен кортиев орган, состоящий из слуховых клеток. Звуковые волны колеблят барабанную перепонку, слуховые косточки и мембрану кортиевого органа. От волосяных клеток последнего, воспринимающих звуковые колебания, нервное возбуждение идет в слуховой центр, расположенный в височной доли головного мозга.
Звуковая волна может попасть во внутреннее ухо человека двумя путями: воздушной проводимостью через наружный слуховой проход, барабанную перепонку и слуховые косточки среднего уха и посредством костной проводимости - вибрации костей черепа. На поверхности преобладает воздушная, а под водой костная проводимость. В этом убеждает простой опыт. Закройте ладонями рук оба уха. На поверхности слышимость резко ухудшится, под водой же этого не отмечается.
Итак, под водой звуки воспринимаются преимущественно путем костной проводимости. Теоретически это объясняется тем, что акустическое сопротивление воды приближается к акустическому сопротивлению тканей человека. Поэтому потери энергии при переходе звуковых волн из воды в кости головы человека меньше, чем в воздухе. Воздушная же проводимость под водой почти исчезает, так как наружный слуховой проход заполнен водой, а небольшая прослойка воздуха возле барабанной перепонки слабо передает звуковые колебания.
Опытами установлено, что костная проводимость на 40% ниже воздушной. Поэтому слышимость под водой в общем ухудшается. Дальность слышимости при костной проводимости звука зависит не столько от силы, сколько от тональности: чем выше тон, тем дальше слышен звук.
Подводный мир для человека - это мир тишины, где отсутствуют посторонние шумы. Поэтому простейшие звуковые сигналы могут восприниматься под водой на значительных расстояниях. Человек слышит удар по металлическому баллончику, погруженному в воду, на расстоянии 150-200 м, звук трещотки-на 100 м, колокольчика - на 60 м.
Звуки, издаваемые под водой, обычно не слышны на поверхности, так же как под водой не слышно звуков извне. Для восприятия подводных звуков необходимо хотя бы частично погрузиться. Если войти в воду по колени, начинаешь воспринимать звук, который до этого не был слышен. По мере погружения громкость увеличивается. Особенно хорошо слышно при погружении головы.
Для подачи звуковых сигналов с поверхности обязательно нужно опустить источник звука в воду хотя бы наполовину, и сила звука изменится. Ориентировка под водой по слуху крайне затруднена. В воздушной среде звук приходит в одно ухо раньше на 0,00003 сек., чем в другое. Это позволяет определить нахождение источника звука с ошибкой всего в 1-3°. Под водой же звук одновременно воспринимается обоими ушами и поэтому четкого, направленного восприятия не происходит. Ошибка в ориентировке бывает 180°.
В специально поставленном опыте только отдельные легкие водолазы после долгих блужданий и. поисков выходили к месту расположения источника звука, находившегося от них в 100-150 м. Отмечено, что систематические тренировки в течение длительного времени позволяют выработать способность довольно точно ориентироваться по звуку под водой. Однако как только тренировка прекращается, ее результаты сводятся на нет.
3281 руб
305 руб
Комплект термобелья (джемпер и лосины) выполнен из высококачественных материалов. Джемпер с длинным рукавом. Лосины с манжетами, на поясе декоративная резинка шириной 2,5 см. Состав: поливискоза - 50%, полиэстер - 50%.
1950 руб
Термобелье Norfin Thermo Line.
Нижнее "дышащее" тонкое раздельное термобелье для высокой активности. Надевается на голое тело. Может использоваться для повседневной носки в прохладную погоду.
Особенности:
Эластичный пояс.
Эластичные манжеты на рукавах и штанах.
1216 руб
Звуковые волны могут распространяться в различных средах - в жидкой, тврдой и газообразной. Волны не могут образовываться только в безвоздушном пространстве. Чем более плотной является среда, тем выше в ней скорость распространения звука. В воде скорость, достигаемая звуковыми волнами, в четыре с лишним раза превосходит скорость их распространения в воздухе.
Вот объяснение данного явления с точки зрения физики:
Звук распространяется быстрее в упругой среде. Чем выше плотность этой среды, тем она благоприятнее для распространения звуковых колебаний. Скорость звука в воде достигает 1500 метров в секунду, а в воздухе - всего 330-340 м/с, скорость также зависит и от температуры.
Для сравнения, скорость звука в металлах - 5000 метров в секунду.
Звуковые волне не распространяются лишь в безвоздушном пространстве, в жидкой среде, газообразной, а так же тврдой звуковые волны распространяются спокойно.
Скорость же распространения звуковых волн на прямую зависит от плотности среды, чем больше плотность среды, тем сильнее скорость распространения волны.
Плотность воды намного выше плотности воздуха, поэтому и скорость звуковой волны в воды выше.
В качестве аргумента, Володя, ты приводишь главную причину. Да. Потому что вода - менее сжимаемая среда, чем газ. А твердое тело менее сжимаемо (при распространении волны), чем жидкость. Вода на большой глубине проводит звук быстрее, чем у поверхности, она там сильнее сжата. Между скоростью звука и плотностью среды существует обратно-пропорциональная зависимость. Иными словами, чем менее сжимаема среда распространения волны, тем быстрее эта волна движется.
Я приведу грубую аналогию. Когда поезд трогается с места, по составу пробегает этакая quot;волнаquot; лязга и последний вагон трогается через какое-то время после того, как начал двигаться локомотив. То же самое, но в обратном порядке происходит во время остановки. А все потому что quot;средаquot; сжимаема, между вагонами есть некий зазор, который играет роль quot;сжимаемостиquot; среды. Если в момент трогания (остановки) весь состав quot;натянутquot; или quot;сжатquot; (например, находится не на горизонтальной площадке), то последний вагон тронется (остановится) практически одновременно с локомотивом. Среда не-сжимаема и волна распространяется намного быстрее.
Звук - это волны, которые распространяются в каком-либо веществе. Воздух - это разреженное вещество, а вода намного более плотное вещество, нежели воздух. Поэтому и звуковые волны в воде распространяются быстрее, чем в воздухе.
Звуковые волны делятся на продольные и поперечные. Скорость распространения звука зависит от плотности среды и может изменяться в довольно широких пределах.В воде и в газообразной среде, где колебания плотности не значительны, акустические волны распространяются продольно, то есть направление колебания частиц среды совпадает с направлением перемещения волны. В плотных (твердых) телах, помимо продольных передвижений, возникают еще и упругие деформации сдвига, что обусловливает возникновение поперечных волн (сдвиговых); поэтому частицы совершают перпендикулярные направлению распространения волны колебания. Помимо направления распространения волны свою роль играет и акустическое сопротивление и давление среды. Кроме того скорость звука зависит и от такого фактора как сжимаемость веществ.
Именно под водой звук распространяется быстрее, чем в воздухе, причем раз в пять быстрее.
Даже киты могут слышать друг друга на расстоянии 5 километров.
Итак, почему же звук под водой распространяется быстрее? А все дело в плотности!
Плотность воды больше, чем воздуха, но и меньше чем у металла. Соответственно и звуки будут передаваться по разному.
А вот звуковые волны могут распространяться даже в упругих средах, например, если приложить ухо к земле, можно услышать звук шагов, топот копыт, езду автомобиля и многое другое.
Звук, это механические колебания, передающиеся в какой-либо среде и воспринимаемые органами чувств. Из за физических свойств различных сред, скорость распространения звуковых колебаний различна. Чем плотнее среда, тем выше скорость передачи звука.Ответ на задание: Звуковые волны в воде распространяются быстрее чем в воздухе, по той причине, что вода имеет большую плотность.
В чистой воде скорость звука 1500 метров в секунду, причем увеличивается в более теплой и в более соленой воде. Плотность воды выше, чем в воздухе, потому звук распространяется быстрее. К тому же человек воспринимает звук под водой через кости черепной коробки, и звук воспринимается обеими ушами, отчего кажется, что звуки накатывают со всех сторон.
Гидроакустика (от греч. hydor - вода, akusticoc - слуховой) - наука о явлениях, происходящих в водной среде и связанных с распространением, излучением и приемом акустических волн. Она включает вопросы разработки и создания гидроакустических средств, предназначенных для использования в водной среде.
История развития
Основы гидроакустики
Особенности распространения акустических волн в воде
Компоненты события появления эхосигнала.
Начало всесторонних и фундаментальных исследований по распространению акустических волн в воде было положено в годы Второй мировой войны, что диктовалось необходимостью решения практических задач военно-морских флотов и в первую очередь подводных лодок. Экспериментальные и теоретические работы были продолжены и в послевоенные годы и обобщены в ряде монографий. В результате этих работ были выявлены и уточнены некоторые особенности распространения акустических волн в воде: поглощение, затухание, отражение и рефракция.
Поглощение энергии акустической волны в морской воде обуславливается двумя процессами: внутренним трением среды и диссоциацией растворенных в ней солей. Первый процесс преобразует энергию акустической волны в тепловую, а второй - преобразуясь в химическую энергию, выводит молекулы из равновесного состояния, и они распадаются на ионы. Этот вид поглощения резко возрастает с увеличением частоты акустического колебания. Наличие в воде взвешенных частиц, микроорганизмов и температурных аномалий приводит также к затуханию акустической волны в воде. Как правило, эти потери невелики, и их включают в общее поглощение, однако иногда, как, например, в случае рассеяния от следа корабля, эти потери могут составить До 90 %. Наличие температурных аномалий приводит к тому, что акустическая волна попадает в зоны акустической тени, где она может претерпеть многократные отражения.
Наличие границ раздела вода - воздух и вода - дно приводит к отражению от них акустической волны, причем, если в первом случае акустическая волна отражается полностью, то во втором случае коэффициент отражения зависит от материала дна: плохо отражает илистое дно, хорошо - песчаное и каменистое. На небольших глубинах из-за многократного отражения акустической волны между дном и поверхностью возникает подводный звуковой канал, в котором акустическая волна может распространяться на большие расстояния. Изменение величины скорости звука на разных глубинах приводит к искривлению звуковых «лучей» - рефракции.
Рефракция звука (искривление пути звукового луча)
|
Рефракция звука в воде: а - летом; б - зимой; слева - изменение скорости с глубиной. Скорость распространения звука изменяется с глубиной, причём изменения зависят от времени года и дня, глубины водоёма и ряда других причин. Звуковые лучи, выходящие из источника под некоторым углом к горизонту, изгибаются, причём направление изгиба зависит от распределения скоростей звука в среде: летом, когда верхние слои теплее нижних, лучи изгибаются книзу и в большинстве отражаются от дна, теряя при этом значительную долю своей энергии; зимой, когда нижние слои воды сохраняют свою температуру, между тем как верхние слои охлаждаются, лучи изгибаются кверху и многократно отражаются от поверхности воды, при этом теряется значительно меньше энергии. Поэтому зимой дальность распространения звука больше, чем летом. Вертикальное распределение скорости звука (ВРСЗ) и градиент скорости оказывают определяющее влияние на распространение звука в морской среде. Распределение скорости звука в различных районах Мирового океана различно и меняется во времени. Различают несколько типичных случаев ВРСЗ: |
Рассеивание и поглощение звука неоднородностями среды.
Распространение звука в подводном звук. канале: а - изменение скорости звука с глубиной; б - ход лучей в звуковом канале. На распространение звуков высокой частоты, когда длины волн очень малы, оказывают влияние мелкие неоднородности, обычно имеющиеся в естественных водоёмах: пузырьки газов, микроорганизмы и т. д. Эти неоднородности действуют двояким образом: они поглощают и рассеивают энергию звуковых волн. В результате с повышением частоты звуковых колебаний дальность их распространения сокращается. Особенно сильно этот эффект заметен в поверхностном слое воды, где больше всего неоднородностей. Рассеивание звука неоднородностями, а также неровностями поверхности воды и дна вызывает явление подводной реверберации , сопровождающей посылку звукового импульса: звуковые волны, отражаясь от совокупности неоднородностей и сливаясь, дают затягивание звукового импульса, продолжающееся после его окончания. Пределы дальности распространения подводных звуков так же ограничиваются собственными шумами моря, имеющими двоякое происхождение: часть шумов возникает от ударов волн на поверхности воды, от морского прибоя, от шума перекатываемой гальки и т. п.; другая часть связана с морской фауной (звуки, производимые гидробионтами: рыбами и др. морскими животными). Этим очень серьёзным аспектом занимается биогидроакустика. |
Дальность распространения звуковых волн
Дальность распространения звуковых волн является сложной функцией частоты излучения, которая однозначно связана с длиной волны акустического сигнала. Как известно, высокочастотные акустические сигналы быстро затухают благодаря сильному поглощению водной средой. Низкочастотные сигналы напротив способны распространяться в водной среде на большие расстояния. Так акустический сигнал с частотой 50 Гц способен распространяться в океане на расстояния в тысячи километров, в то время как сигнал с частотой 100 кГц, обычный для гидролокатора бокового обзора, имеет дальность распространения всего 1-2 км. Приблизительные дальности действия современных гидролокаторов с различной частотой акустического сигнала (длиной волны) приведены в таблице:
Области применения.
Гидроакустика получила широкое практическое применение, поскольку ещё не создано эффективной системы передачи электромагнитных волн под водой на сколько-нибудь значительном расстоянии, и звук поэтому является единственным возможным средством связи под водой. Для этих целей пользуются звуковыми частотами от 300 до 10000 гц и ультразвуками от 10000 гц и выше. В качестве излучателей и приёмников в звуковой области используются электродинамические и пьезоэлектрические излучатели и гидрофоны, а в ультразвуковой - пьезоэлектрические и магнитострикционные.
Наиболее существенные применения гидроакустики:
- Для решения военных задач;
- Морская навигация;
- Звукоподводная связь;
- Рыбопоисковая разведка;
- Океанологические исследования;
- Сферы деятельности по освоению богатств дна Мирового океана;
- Использование акустики в бассейне (дома или в тренировочном центре по синхронному плаванию)
- Тренировка морских животных.
Примечания
Литература и источники информации
ЛИТЕРАТУРА:
- В.В. Шулейкин Физика моря . - Москва: «Наука», 1968г.. - 1090 с.
- И.А. Румынская Основы гидроакустики . - Москва: «Судостроение», 1979 г.. - 105 с.
- Ю.А. Корякин Гидроакустические системы . - СПб: «Наука Санкт-Петербурга и морская мощь России», 2002 г.. - 416 с.
Мы знаем, что звук распросраняется по воздуху. Именно потому мы и можем слышать. В вакууме никаких звуков существовать не может. Но если звук передается по воздуху, вследствие взаимодействия его частиц, не будет ли он передаваться и другими веществами? Будет.
Распространение и скорость звука в разных средах
Звук передается не только воздухом. Наверное, все знают, что если приложить ухо к стене, то можно услышать разговоры в соседней комнате. В данном случае звук передается стеною. Звуки распространяются и в воде, и в других средах. Более того, распространение звука в различных средах происходит по-разному. Скорость звука различается в зависимости от вещества.
Любопытно, что скорость распространения звука в воде почти в четыре раза выше, чем в воздухе. То есть, рыбы слышат «быстрее», чем мы. В металлах и стекле звук распространяется еще быстрее. Это происходит потому, что звук это колебания среды, и звуковые волны передаются быстрее в средах с лучшей проводимостью.
Плотность и проводимость воды больше, чем у воздуха, но меньше, чем у металла. Соответственно, и звук передается по-разному. При переходе из одной среды в другую скорость звука меняется.
Длина звуковой волны также меняется при ее переходе из одной среды в другую. Прежней остается лишь ее частота. Но именно поэтому мы и можем различить, кто конкретно говорит даже сквозь стены.
Так как звук это колебания , то все законы и формулы для колебаний и волн хорошо применимы к звуковым колебаниям . При расчете скорости звука в воздухе следует учитывать и то, что эта скорость зависит от температуры воздуха. При увеличении температуры скорость распространения звука возрастает. При нормальных условиях скорость звукав воздухе составляет 340 344 м/с.
Звуковые волны
Звуковые волны, как известно из физики, распространяются в упругих средах. Именно поэтому звуки хорошо передаются землей. Приложив ухо к земле, можно издалека услышать звук шагов, топот копыт и так далее.
В детстве все наверняка развлекались, прикладывая ухо к рельсам. Стук колес поезда передается по рельсам на несколько километров. Для создания обратного эффекта звукопоглощения, используют мягкие и пористые материалы.
Например, чтобы защитить от посторонних звуков какое-либо помещение, либо, наоборот, чтобы не допустить выхода звуков из комнаты наружу, помещение обрабатывают, звукоизолируют. Стены, пол и потолок обивают специальными материалами на основе вспененных полимеров. В такой обивке очень быстро затихают все звуки.
Задумывались ли вы когда-нибудь о том, что звук – это одно из самых ярких проявлений жизни, действия, движения? И еще о том, что у каждого звука есть свое «лицо»? И мы даже с закрытыми глазами, ничего не видя, лишь по звуку можем угадать, что происходит вокруг. Мы можем различать голоса знакомых, слышать шорох, грохот, лай, мяуканье и т. д. Все эти звуки нам хорошо знакомы с детских лет, и мы без труда можем определить любой из них. Мало того, даже в абсолютной тишине мы можем услышать внутренним слухом каждый из перечисленных звуков. Представить его себе словно наяву.
Что такое звук?
Звуки, воспринимаемые человеческим ухом, являются одним из важнейших источников информации об окружающем мире. Шум моря и ветра, пение птиц, голоса людей и крики животных, раскаты грома, звуки движущихся ухом, позволяют легче адаптироваться в изменяющихся внешних условиях.
Если, например, в горах упал камень, а рядом не было никого, кто мог бы слышать звук его падения, существовал звук или нет? На вопрос можно ответить и положительно и отрицательно в равной степени, так как слово "звук» имеет двоякое значение. Поэтому нужно условиться. Поэтому нужно условиться, что же считать звуком – физическое явление в виде распространения звуковых колебаний в воздухе или ощущения слушателя. Первое по существу является причиной, второе следствием, при этом первое понятие о звуке – объективное, второе – субъективное. В первом случае звук действительно представляет собой поток энергии, текущей подобно речному потоку. Такой звук может изменить среду, через которую он проходит, и сам изменяется ею. Во втором случае под звуком мы понимаем те ощущения, которые возникают у слушателя при воздействии звуковой волны через слуховой аппарат на мозг. Слыша звук, человек может испытывать различные чувства. Самые разнообразные эмоции вызывает у нас тот сложный комплекс звуков, который мы называем музыкой. Звуки составляют основу речи, которая служит главным средством общения в человеческом обществе. И, наконец, существует такая форма звука, как шум. Анализ звука с позиций субъективного восприятия более сложен, чем при объективной оценке.
Как создать звук?
Общим для всех звуков является то, что порождающие их тела, т. е. источники звука, колеблются (хотя чаще всего эти колебания незаметны для глаз). Например, звуки голосов людей и многих животных возникают в результате колебаний их голосовых связок, звучание духовых музыкальных инструментов, звук сирены, свист ветра, раскаты грома обусловлены колебаниями масс воздуха.
На примере линейки можно буквально глазами увидеть, как рождается звук. Какое движение совершает линейка, когда мы закрепим один конец, оттянем другой и отпустим его? Мы заметим, что он будто бы затрепетал, заколебался. Исходя из этого, делаем вывод, что звук создается коротким или долгим колебанием каких-то предметов.
Источником звука могут быть не только вибрирующие предметы. Свист пуль или снарядов в полете, завывание ветра, рев реактивного двигателя рождаются от разрывов в потоке воздуха, при которых также возникают его разрежения и сжатия.
Также звуковые колебательные движения можно заметить с помощью прибора – камертона. Он представляет собой изогнутый металлический стержень, на ножке укрепленный на резонаторном ящике. Если по камертону ударить молоточком, он зазвучит. Колебание ветвей камертона незаметны. Но их можно обнаружить, если к звучащему камертону поднести маленький, подвешенный на нити шарик. Шарик будет периодически отскакивать, что свидетельствует о колебаниях ветвей камерона.
В результате взаимодействия источника звука с окружающим воздухом частицы воздуха начинают сжиматься и расширяться в такт (или "почти в такт") с движениями источника звука. Затем, в силу свойств воздуха как текучей среды, происходит передача колебаний от одних частиц воздуха другим.
К объяснению распространения звуковых волн
В результате колебания передаются по воздуху на расстояние, т. е. в воздухе распространяется звуковая или акустическая волна, или, попросту, звук. Звук, достигая уха человека, в свою очередь, возбуждает колебания его чувствительных участков, которые воспринимаются нами в виде речи, музыки, шума и т. д. (в зависимости от свойств звука, продиктованных характером его источника).
Распространение звуковых волн
А можно ли увидеть, как «бежит» звук? В прозрачном воздухе или в воде колебания частичек сами по себе незаметны. Но легко найдется пример, который подскажет, что происходит при распространении звука.
Необходимое условие распространения звуковых волн - наличие материальной среды.
В вакууме звуковые волны не распространяются, так как там нет частиц, передающих взаимодействие от источника колебаний.
Поэтому на Луне из-за отсутствия атмосферы царит полная тишина. Даже падение метеорита на ее поверхность не слышно наблюдателю.
Скорость распространения звуковых волн определяется скоростью передачи взаимодействия между частицами.
Скорость звука - скорость распространения звуковых волн в среде. В газе скорость звука оказывается порядка (точнее – несколько меньше) тепловой скорости молекул и поэтому увеличивается с ростом температуры газа. Чем больше потенциальная энергия взаимодействия молекул вещества, тем больше скорость звука, поэтому скорость звука в жидкости, которая, в свою очередь, превышает скорость звука в газе. Например, в морской воде скорость звука 1513 м/с. В стали, где могут распространяться поперечные, так и продольные волны, скорость их распространения различна. Поперечные волны распространяются со скоростью 3300 м/с, а продольные со скоростью 6600 м/с.
Скорость звука в любой среде вычисляется по формуле:
где β - адиабатическая сжимаемость среды; ρ - плотность.
Законы распространения звуковых волн
К основным законам распространения звука относятся законы его отражения и преломления на границах различных сред, а также дифракция звука и его рассеяние при наличии препятствий и неоднородностей в среде и на границах раздела сред.
На дальность распространения звука оказывает влияние фактор поглощения звука, то есть необратимый переход энергии звуковой волны в другие виды энергии, в частности, в тепло. Важным фактором является также направленность излучения и скорость распространения звука, которая зависит от среды и её специфического состояния.
От источника звука акустические волны распространяются во все стороны. Если звуковая волна проходит через сравнительно небольшое отверстие, то она распространяется во все стороны, а не идёт направленным пучком. Например, уличные звуки, проникающие через открытую форточку в комнату, слышны во всех её точках, а не только против окна.
Характер распространения звуковых волн у препятствия зависит от соотношения между размерами препятствия и длиной волны. Если размеры препятствия малы по сравнению с длиной волны, то волна обтекает это препятствие, распространяясь во все стороны.
Звуковые волны, проникая из одной среды в другую, отклоняются от своего первоначального направления, то есть преломляются. Угол преломления может быть больше или меньше угла падения. Это зависит от того, из какой среды, в какую проникает звук. Если скорость звука во второй среде больше, то угол преломления будет больше угла падения, и наоборот.
Встречая на своём пути препятствие, звуковые волны отражаются от него по строго определённому правилу – угол отражения равен углу падения – с этим связано понятие эха. Если звук отражается от нескольких поверхностей, находящихся на разных расстояниях, возникает многократное эхо.
Звук распространяется в виде расходящейся сферической волны, которая заполняет всё больший объём. С увеличением расстояния, колебания частиц среды ослабевают, и звук рассеивается. Известно, что для увеличения дальности передачи звук необходимо концентрировать в заданном направлении. Когда мы хотим, например, чтобы нас услышали, мы прикладываем ладони ко рту или пользуемся рупором.
Большое влияние на дальность распространения звука оказывает дифракция, то есть искривление звуковых лучей. Чем разнороднее среда, тем больше искривляется звуковой луч и, соответственно, тем меньше дальность распространения звука.
Свойства звука и его характеристики
Основные физические характеристики звука – частота и интенсивность колебаний. Они и влияют на слуховое восприятие людей.
Периодом колебания называется время, в течение которого совершается одно полное колебание. Можно привести в пример качающийся маятник, когда он из крайнего левого положения перемещается в крайнее правое и возвращается обратно в исходное положение.
Частота колебаний – это число полных колебаний (периодов) за одну секунду. Эту единицу называют герцем (Гц). Чем больше частота колебаний, тем более высокий звук мы слышим, то есть звук имеет более высокий тон. В соответствии с принятой международной системой единиц, 1000 Гц называется килогерцем (кГц), а 1. 000. 000 – мегагерцем (МГц).
Распределение по частотам: слышимые звуки – в пределах 15Гц-20кГц, инфразвуки – ниже 15Гц; ультразвуки – в пределах 1,5(104 – 109 Гц; гиперзвуке - в пределах 109 – 1013Гц.
Ухо человека наиболее чувствительно к звукам с частотой от 2000 до 5000 кГц. Наибольшая острота слуха наблюдается в возраст 15-20 лет. С возрастом слух ухудшается.
С периодом и частотой колебаний связано понятие о длине волны. Длиной звуковой волны называется расстояние между двумя последовательными сгущениями или разрежениями среды. На примере волн, распространяющихся на поверхности воды, - это расстояние между двумя гребнями.
Звуки различаются также по тембру. Основной тон звука сопровождается второстепенными тонами, которые всегда выше по частоте(обертона). Тембр – это качественная характеристика звука. Чем больше обертонов накладывается на основной тон, тем «сочнее» звук в музыкальном отношении.
Вторая основная характеристика – амплитуда колебаний. Это наибольшее отклонение от положения равновесия при гармонических колебаниях. На примере с маятником – максимальное отклонение его в крайнее левое положение, либо в крайнее правое положение. Амплитуда колебаний определяет интенсивность (силу) звука.
Сила звука, или его интенсивность, определяется количеством акустической энергии, протекающей за одну секунду через площадь в один квадратный сантиметр. Следовательно, интенсивность акустических волн зависит от величины акустического давления, создаваемого источником в среде.
С интенсивностью звука в свою очередь связана громкость. Чем больше интенсивность звука, тем он громче. Однако эти понятия не равнозначны. Громкость – это мера силы слухового ощущения, вызываемого звуком. Звук одинаковой интенсивности может создавать у различных людей неодинаковое по своей громкости слуховое восприятие. Каждый человек обладает своим порогом слышимости.
Звуки очень большой интенсивности человек перестаёт слышать и воспринимает их как ощущение давления и даже боли. Такую силу звука называют порогом болевого ощущения.
Воздействие звука на органы слуха человека
Органы слуха человека способны воспринимать колебания с частотой от 15-20 герц до 16-20 тысяч герц. Механические колебания с указанными частотами называются звуковыми или акустическими(акустика – учение о звуке) Человеческое ухо наиболее чувствительно к звукам с частотой от 1000 до 3000 Гц. Наибольшая острота слуха наблюдается в возрасте 15-20 лет. С возрастом слух ухудшается. У человека до 40 лет наибольшая чувствительность находится в области 3000 Гц, от 40 до 60 лет- 2000 Гц, старше 60 лет- 1000 Гц. В пределах до 500 Гц мы способны различить понижение или повышение частоты даже 1 Гц. На более высоких частотах наш слуховой аппарат становится менее восприимчивым к такому незначительному изменению частоты. Так, после 2000 Гц мы можем отличить один звук от другого только, когда разница в частоте будет не менее 5 Гц. При меньшей разнице звуки нам будут казаться одинаковыми. Однако правил без исключения почти не бывает. Есть люди, обладающие необычайно тонким слухом. Одаренный музыкант может уловить изменение звука всего на какую-то долю колебаний.
Наружное ухо состоит из ушной раковины и слухового прохода, соединяющих её с барабанной перепонкой. Основная функция наружного уха – определение направления на источник звука. Слуховой проход, представляющий сужающуюся внутрь трубку длиной в два сантиметра, предохраняет внутренние части уха и играет роль резонатора. Слуховой проход заканчивается барабанной перепонкой – мембраной, которая колеблется под действием звуковых волн. Именно здесь, на внешней границе среднего уха, и происходит преобразование объективного звука в субъективный. За барабанной перепонкой расположены три маленьких соединённых между собой косточки: молоточек, наковальня и стремя, с помощью которых колебания передаются внутреннему уху.
Там, в слуховом нерве, они преобразуются в электрические сигналы. Малая полость, где находится молоточек, наковальня и стремя, наполнена воздухом и соединена с полостью рта евстахиевой трубой. Благодаря последней поддерживается одинаковое давление на внутреннюю и внешнюю сторону барабанной перепонки. Обычно евстахиева труба закрыта, а открывается лишь при внезапном изменении давления(при зевании, глотании) для выравнивания его. Если у человека евстахиева труба закрыта, например, в связи с простудным заболеванием, то давление не выравнивается, и человек ощущает боль в ушах. Далее колебания передаются от барабанной перепонки к овальному окну, которое является началом внутреннего уха. Сила, действующая на барабанную перепонку, равна произведению давления на площадь барабанной перепонки. Но настоящие таинства слуха начинаются с овального окна. Звуковые волны распространяются в жидкости (перилимфе), которой наполнена улитка. Этот орган внутреннего уха, по форме напоминающий улитку, имеет длину три сантиметра и по всей длине разделён перегородкой на две части. Звуковые волны доходят до перегородки, огибают её и далее распространяются по направлению почти к тому же месту, где они впервые коснулись перегородки, но уже с другой стороны. Перегородка улитки состоит из основной мембраны, очень толстой и тугой. Звуковые колебания создают на её поверхности волнообразную рябь, при этом гребни для разной частоты лежат в совершенно определённых участках мембраны. Механические колебания преобразуются в электрические в специальном органе (органе Корти), размещённом над верхней частью основной мембраны. Над органом Корти расположена текториальная мембрана. Оба эти органа погружены в жидкость – эндолимфу и отделены от остальной части улитки мембраной Рейснера. Волоски, растущие из органа, Корти почти пронизывают текториальную мембрану, и при возникновении звука они соприкасаются – происходит преобразование звука, теперь он закодирован в виде электрических сигналов. Заметную роль в усилении нашей способности к восприятию звуков играет кожный покров и кости черепа, что обусловлено их хорошей проводимостью. Например, если приложить ухо к рельсу, то движение приближающегося поезда можно обнаружить задолго до его появления.
Влияние звука на организм человека
В течение последних десятилетий резко возросло количество разного рода машин и других источников шума, распространение портативных радиоприемников и магнитофонов, нередко включаемых на большую громкость, увлечение громкой популярной музыкой. Отмечено, что в городах каждые 5-10 лет уровень шума возрастает на 5 дБ (децибел). Следует учитывать, что для отдаленных предков человека шум представлял собой сигнал тревоги, указывал на возможность опасности. При этом быстро активизировалась симпатико-адреналовая и сердечнососудистая системы, газообмен и менялись и другие виды обмена (повышался в крови уровень сахара, холестерина), готовя организм к борьбе или бегству. Хотя у современного человека эта функция слуха потеряла такое практическое значение, "вегетативные реакции борьбы за существование" сохранились. Так, даже кратковременный шум в 60-90 дБ вызывает увеличение секреции гормонов гипофиза, стимулирующих выработку многих других гормонов, в частности, катехоламинов (адреналина и норадреналина), усиливается работа сердца, суживаются сосуды, повышается артериальное давление (АД). При этом отмечено, что наиболее выраженное повышение АД отмечается у больных гипертонией и лиц с наследственной предрасположенностью к ней. Под воздействием шума нарушается деятельность мозга: меняется характер электроэнцефалограммы, снижается острота восприятия, умственная работоспособность. Отмечено ухудшение пищеварения. Известно, что длительное пребывание в шумной обстановке ведет к снижению слуха. В зависимости от индивидуальной чувствительности люди по-разному оценивают шум как неприятный и мешающий им. При этом интересующая слушателя музыка и речь даже в 40-80 дБ могут переноситься относительно легко. Обычно слух воспринимает колебания в пределах 16-20000 Гц (колебаний в секунду). Важно подчеркнуть, что неприятные последствия вызывает не только чрезмерный шум в слышимом диапазоне колебаний: ультра- и инфразвук в не воспринимаемых слухом человека диапазонах (выше 20 тыс. Гц и ниже 16Гц) также вызывает нервное перенапряжение, недомогание, головокружение, изменение деятельности внутренних органов, особенно нервной и сердечнососудистой систем. Установлено, что у жителей районов, расположенных рядом с крупными международными аэропортами, заболеваемость гипертонией отчетливо выше, чем в более тихом районе того же города. От чрезмерного шума (выше 80 дБ) страдают не только органы слуха, но и другие органы и системы (кровеносная, пищеварительная, нервная и т. д.), нарушаются процессы жизнедеятельности, энергетический обмен начинает преобладать над пластическим, что приводит к преждевременному старению организма.
При этих наблюдениях-открытиях начали появляться методы целенаправленного воздействия на человека. Воздействовать на ум и поведение человека можно различными путями, один из которых требует специальной аппаратуры (технотронные приемы, зомбирование.).
Звукоизоляция
Степень шумозащищенности зданий в первую очередь определяется нормами допустимого шума для помещений данного назначения. Нормируемыми параметрами постоянного шума в расчетных точках являются уровни звукового давления L, дБ, октавных полосах частот со среднегеометрическими частотами 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц. Для ориентировочных расчетов допускается использовать уровни звука LА, дБА. Нормируемыми параметрами непостоянного шума в расчетных точках являются эквивалентные уровни звука LА экв, дБА, и максимальные уровни звука LА макс, дБА.
Допустимые уровни звукового давления (эквивалентные уровни звукового давления) нормируются СНиП II-12-77 "Защита от шума".
Следует учитывать, что допустимые уровни шума от внешних источников в помещениях устанавливаются при условии обеспечения нормативной вентиляции помещений (для жилых помещений, палат, классов - при открытых форточках, фрамугах, узких створках окон).
Изоляцией от воздушного шума называется ослабление звуковой энергии при передаче ее через ограждение.
Нормируемыми параметрами звукоизоляции ограждающих конструкций жилых и общественных зданий, а также вспомогательных зданий и помещений промышленных предприятий являются индекс изоляции воздушного шума ограждающей конструкции Rw, дБ и индекс приведенного уровня ударного шума под перекрытием.
Шум. Музыка. Речь.
С точки зрения восприятия органами слуха звуков, их можно разделить в основном на три категории: шум, музыка и речь. Это разные области звуковых явлений, обладающие специфической для человека информацией.
Шум – это бессистемное сочетание большого количества звуков, то есть слияние всех этих звуков в один нестройный голос. Считается, что шум – это категория звуков, которая мешает человеку или раздражает.
Люди выдерживают лишь определённую дозу шума. Но если проходит час – другой, и шум не прекращается, то появляется напряжение, нервозность и даже боль.
Звуком можно убить человека. В средние века существовала даже такая казнь, когда человека сажали под колокол и начинали в него бить. Постепенно колокольный звон убивал человека. Но это было в средние века. В наше время появились сверхзвуковые самолёты. Если такой самолёт пролетит над городом на высоте 1000-1500 метров, то в домах лопнут стёкла.
Музыка – это особое явление в мире звуков, но, в отличие от речи, она не передаёт точных смысловых или лингвистических значений. Эмоциональное насыщение и приятные музыкальные ассоциации начинаются в раннем детстве, когда у ребёнка ещё словесного общения. Ритмы и напевы связывают его с матерью, а пение и танцы являются элементом общения в играх. Роль музыки в жизни человека настолько велика, что в последние годы медицина приписывает ей целебные свойства. С помощью музыки можно нормализовать биоритмы, обеспечить оптимальный уровень деятельности сердечнососудистой системы. А ведь стоит лишь вспомнить, как солдаты идут в бой. Испокон веков песня была непременным атрибутом солдатского марша.
Инфразвук и ультразвук
Можно ли назвать звуком то, что мы совсем не слышим? Ну и что, если не слышим мы? Разве эти звуки недоступны больше никому или ничему?
Скажем, звуки с частотой ниже 16 герц называют инфразвуком.
Инфразвук – упругие колебания и волны с частотами, лежащими ниже области слышимых человеком частот. Обычно за верхнюю границу инфразвукового диапазона принимают 15-4- Гц; такое определение условно, поскольку при достаточной интенсивности слуховое восприятие возникает и на частотах в единицы Гц, хотя при этом исчезает тональный характер ощущения, и делаются различимыми лишь отдельные циклы колебаний. Нижняя частотная граница инфразвука неопределённа. В настоящее время область его изучения простирается вниз примерно до 0,001 Гц. Таким образом, диапазон инфразвуковых частот охватывает около 15-ти октав.
Инфразвуковые волны распространяются в воздушной и водной среде, а также в земной коре. К инфразвукам относятся также низкочастотные колебания крупногабаритных конструкций, в частности транспортных средств, зданий.
И хотя наши уши такие колебания не «улавливают», но каким-то образом человек все-таки их воспринимает. При этом у нас возникают неприятные, а порой тревожные ощущения.
Давно было замечено, что некоторые животные намного раньше человека испытывают чувство опасности. Они заранее реагируют на далекий ураган или надвигающееся землетрясение. С другой стороны, ученые обнаружили, что при катастрофических событиях в природе возникает инфразвук – низкочастотные колебания воздуха. Это и породило гипотез о том, что животные благодаря острому чутью воспринимают такие сигналы раньше, чем человек.
К сожалению, инфразвук создается многими машинами и промышленными установками. Если, скажем, он возникает в автомобиле или самолете, то через какое-то время летчиков или водителей охватывает беспокойство, они быстрее утомляются, а это может быть причиной аварии.
Шумят в инфразвуковом станков, и тогда тяжелее работать на их. А и всем, кто вокруг, придется несладко. Ничуть не лучше, если «гудит» инфразвуком вентиляции в жилом доме. Вроде бы не слышно, а люди раздражаются и даже могут заболеть. Избавиться от инфразвуковых невзгод позволяет специальный «тест», который должно пройти любое устройство. Если оно «фонит» в зоне инфразвука, то пропуска к людям не получит.
А как называется очень высокий звук? Такой вот писк, который для нашего уха недоступен? Это – ультразвук. Ультразвук – упругие волны с частотами приблизительно от (1,5 – 2)(104Гц (15 – 20 кГц) до 109 Гц(1ГГц); область частотных волн от 109 до 1012 – 1013 Гц принято называть гиперзвуком. По частоте ультразвук удобно подразделять на 3 диапазона: ультразвук низких частот(1,5(104 – 105Гц), ультразвук средних частот(105 – 107Гц), область высоких частот ультразвука(107 – 109Гц). Каждый из этих диапазонов характеризуется своими специфическими особенностями генерации, приёма, распространения и применения.
По физической природе ультразвук представляет собой упругие волны, и в этом он не отличается от звука, поэтому частотная граница между звуковыми и ультразвуковыми волнами условна. Однако благодаря более высоким частотам и, следовательно, малым длинам волн, имеет место ряд особенностей распространения ультразвука.
Ввиду малой длины волны ультразвука, характер его определяется, прежде всего, молекулярной структурой среды. Ультразвук в газе, и в частности в воздухе, распространяется с большим затуханием. Жидкости и твёрдые тела представляют собой, как правило, хорошие проводники ультразвука, - затухание в них значительно меньше.
Человеческое ухо не способно воспринимать ультразвуковые волы. Однако многие животные свободно его воспринимают. Это, в том числе, так хорошо знакомые нам собаки. Но «лаять» ультразвуком собаки, увы, не могут. А вот летучие мыши и дельфины обладают удивительной способностью и испускать и принимать ультразвук.
Гиперзвук – это упругие волны с частотами от 109 до 1012 – 1013 Гц. По физической природе гиперзвук ничем не отличается от звуковых и ультразвуковых волн. Благодаря более высоким частотам и, следовательно, меньшей, чем в области ультразвука, длинам волн значительно более существенными становятся взаимодействия гиперзвука с квазичастицами в среде – с электронами проводимости, тепловыми фононами и др. Гиперзвук также часто представляют как поток квазичастиц – фононов.
Область частот гиперзвука соответствует частотам электромагнитных колебаний дециметрового, сантиметрового и миллиметрового диапазонов (так называемые сверхвысокие частоты). Частота 109 Гц в воздухе при нормальном атмосферном давлении и комнатной температуре должна быть одного порядка с длиной свободного пробега молекул в воздухе при этих же условиях. Однако упругие волны могут распространяться в среде только при условии, что их длина волны заметно больше длины свободного пробега частиц в газах или больше межатомных расстояний в жидкостях и твёрдых телах. Поэтому в газах (в частности в воздухе) при нормальном атмосферном давлении гиперзвуковые волны распространяться не могут. В жидкостях затухание гиперзвука очень велико и дальность распространения мала. Сравнительно хорошо гиперзвук распространяется в твёрдых телах – монокристаллах, особенно при низкой температуре. Но даже в таких условиях гиперзвук способен пройти расстояние лишь в 1, максимум 15 сантиметров.
Звук-это распространяющиеся в упругих средах - газах, жидкостях и твердых телах механические колебания, воспринимаемые органами слуха.
С помощью специальных приборов можно увидеть распространение звуковых волн.
Звуковые волны могут вредить здоровью человека и наоборот, помогать лечится от недугов, это зависит от вида звука.
Оказывается, существуют звуки, которые не воспринимаются человеческим ухом.
Список литературы
Перышкин А. В. , Гутник Е. М. Физика 9 класс
Касьянов В. А. Физика 10 класс
Леонов А. А «Я познаю мир» Дет. энциклопедия. Физика
Глава 2. Акустический шум и его воздействие на человека
Цель: Исследовать воздействие акустического шума на организм человека.
Введение
Окружающий нас мир – это прекрасный мир звуков. Вокруг нас звучат голоса людей и животных, музыка и шум ветра, пение птиц. Люди передают информацию с помощью речи, а с помощью слуха её воспринимают. Для животных звук имеет не меньшее значение, а в чём-то и большее ведь слух у них развит острее.
С точки зрения физики, звук – это механические колебания, которые распространяются в упругой среде: воде, воздухе, твердом теле и т. п. Способность человека воспринимать звуковые колебания, слушать их, отразились в названии учения о звуке – акустике (от греческого akustikos – слышимый, слуховой). Ощущение звука в наших органах слуха возникает при периодических изменениях давления воздуха. Звуковые волны с большой амплитудой изменения звукового давления воспринимаются человеческим ухом как громкие звуки, с малой амплитудой изменения звукового давления – как тихие звуки. Громкость звука зависит от амплитуды колебаний. Громкость звука также зависит от его длительности и от индивидуальных особенностей слушателя.
Звуковые колебания высокой частоты называются звуками высокого тона, звуковые колебания низкой частоты называются звуками низкого тона.
Органы слуха человека способны воспринимать звуки с частотой в пределах примерно от 20 Гц до 20 000 Гц. Продольные волны в среде с частотой изменения давления менее 20 Гц называют инфразвуком, с частотой более 20 000 Гц – ультразвуком. Инфразвук и ультразвук человеческое ухо не воспринимает, т. е. не слышит. Следует отметить, что указанные границы звукового диапазона условны, так как зависят от возраста людей и индивидуальных особенностей их звукового аппарата. Обычно с возрастом верхняя частотная граница воспринимаемых звуков значительно понижается – некоторые пожилые люди могут слышать звуки с частотами, не превышающими 6 000 Гц. Дети же, наоборот, могут воспринимать звуки, частота которых несколько больше 20 000 Гц.
Колебания, частоты которых больше 20 000 Гц или меньше 20 Гц, слышат некоторые животные.
Предметом изучения физиологической акустики и является сам орган слуха, его устройство и действие. Архитектурная акустика изучает распространение звука в помещениях, влияние размеров и форм на звук, свойства материалов, которыми покрыты стены и потолки. При этом имеется в виду слуховое восприятие звука.
Есть также музыкальная акустика, которая исследует музыкальные инструменты и условия для их наилучшего звучания. Физическая акустика занимается изучением самих звуковых колебаний, а за последнее время охватила и колебания, лежащие за пределами слышимости (ультраакустика). Она широко использует разнообразные методы для превращения механических колебаний в электрические и наоборот (электроакустика).
Историческая справка
Звуки начали изучать ещё в древности, т. к. человеку свойственен интерес ко всему новому. Первые наблюдения по акустике были проведены в VI веке до нашей эры. Пифагор установил связь между высотой тона и длинной струны или трубы издающей звук.
В IV веке до нашей эры Аристотель первый правильно представил, как распространяется звук в воздухе. Он сказал, что звучащее тело вызывает сжатие и разрежение воздуха, эхо объяснил отражением звука от препятствий.
В XV веке Леонардо да Винчи сформулировал принцип независимости звуковых волн от различных источников.
В 1660 году в опытах Роберта Бойля было доказано, что воздух является проводником звука (в вакууме звук не распространяется).
В 1700-1707 гг. вышли мемуары Жозефа Савёра по акустике, опубликованные Парижской академией наук. В этих мемуарах Савёр рассматривает явление, хорошо известное конструкторам органов: если две трубы органа издают одновременно два звука, лишь немного отличающихся по высоте, то слышны периодические усиления звука, подобные барабанной дроби. Савёр объяснил это явление периодическим совпадением колебаний обоих звуков. Если, например, один из двух звуков соответствует 32 колебаниям в секунду, а другой – 40 колебаниям, то конец четвёртого колебания первого звука совпадает с концом пятого колебания второго звука и, таким образом происходит усиление звука. От органных труб Савёр перешёл к экспериментальному исследованию колебаний струны, наблюдая узлы и пучности колебаний (эти названия, существующие и до сих пор в науке, введены им), а также заметил, что при возбуждении струны наряду с основной нотой звучат и другие ноты, длина волны которых составляет ½, 1/3, ¼,. от основной. Он назвал эти ноты высшими гармоническими тонами, и этому названию суждено было остаться в науке. Наконец, Савёр первый пытался определить границу восприятия колебаний как звуков: для низких звуков он указал границу в 25 колебаний в секунду, а для высоких – 12 800. За тем, Ньютон, основываясь на этих экспериментальных работах Савёра, дал первый расчёт длины волны звука и пришёл к выводу, хорошо известному сейчас в физике, что для любой открытой трубы длина волны испускаемого звука равна удвоенной длине трубы.
Источники звука и их природа
Общим для всех звуков является то, что порождающие их тела, т. е. источники звука, колеблются. Всем знакомы звуки, возникающие при движении натянутой на барабан кожи, волн морского прибоя, раскачиваемых ветром ветвей. Все они отличаются друг от друга. «Окраска» каждого отдельного звука строго зависит от движения, благодаря которому он возникает. Так если колебательное движение проходит чрезвычайно быстро, звук содержит колебания высокой частоты. Менее быстрое колебательное движение создаёт звук более низкой частоты. Различные опыты свидетельствуют о том, что любой источник звука обязательно колеблется (хотя чаще всего эти колебания не заметны для глаза). Например, звуки голосов людей и многих животных возникают в результате колебаний их голосовых связок, звучание духовых музыкальных инструментов, звук сирены, свист ветра, раскаты грома обусловлены колебаниями масс воздуха.
Но далеко не всякое колеблющееся тело является источником звука. Например, не издаёт звука колеблющийся грузик, подвешенный на нити или пружине.
Частота, с которой повторяются колебания, измеряется в герцах (или циклах в секунду); 1Гц есть частота такого периодического колебания, период равен 1с. Заметьте, именно частота является тем свойством, которое позволяет нам отличать один звук от другого.
Исследования показали, что человеческое ухо способно воспринимать как звук механические колебания тел, происходящие с частотой от 20 Гц до 20 000 Гц. При очень быстрых, более 20 000Гц или очень медленных, менее 20 Гц, колебаниях звука мы не слышим. Именно поэтому для регистрации звуков, лежащих вне предела частот, воспринимаемых человеческим ухом, нам необходимы специальные приборы.
Если быстрота колебательного движения определяет частоту звука, то его величина (размер помещения) – громкость. Если такое колесо вращать с большой скоростью, возникнет высокочастотный тон, более медленное вращение породит тон меньшей частоты. Причём чем мельче зубья колеса (как это показано пунктиром), тем слабее звук, и чем крупнее зубья, то есть чем сильнее они заставляют отклоняться пластинку, тем звук громче. Таким образом, мы можем отметить ещё одну характеристику звука – его громкость (интенсивность).
Нельзя не упомянуть и о таком свойстве звука, как качество. Качество теснейшим образом связано со структурой, которая может измениться от чрезмерно сложной до чрезвычайно простой. Тон камертона, поддерживаемый резонатором, имеет очень простую структуру, так как содержит только одну частоту, величина которой зависит, исключительно от конструкции камертона. При этом звук камертона может быть как сильным, так и слабым.
Можно создать сложные звуки, так, например, множество частот содержит звук органного аккорда. Даже звук мандолинной струны достаточно сложен. Это связано с тем, что натянутая струна колеблется не только с основной (как камертон), но и с другими частотами. Они генерируют дополнительные тоны (гармоники), частоты которых в целое число, раз превосходят частоту основного тона.
Понятие частоты неправомерно применять по отношению к шуму, хотя о некоторых областях его частот мы можем говорить, поскольку именно они и отличают один шум от другого. Спектр шума уже нельзя представить одной или несколькими линиями, как в случаях монохроматического сигнала или периодической волны, содержащей много гармоник. Он изображается целой полосой
Частотная структура некоторых звуков, особенно музыкальных, такова, что все обертоны являются гармоническими по отношению к основному тону; в таких случаях говорят, что звуки обладают высотой (определяемой частотой основного тона). Большинство же звуков не столь мелодично, в них нет свойственного музыкальным звукам целочисленного соотношения между частотами. Эти звуки по своей структуре подобны шуму. Следовательно, обобщая сказанное, мы можем утверждать, что звук характеризуется громкостью, качеством и высотой.
Что же происходит со звуком после его возникновения? Как доходит, к примеру, до нашего уха? Как он распространяется?
Мы воспринимаем звук с помощью уха. Между звучащим телом (источником звука) и ухом (приёмником звука) находится вещество, передающее звуковые колебания от источника звука к приёмнику. Чаще всего таким веществом оказывается воздух. В безвоздушном пространстве звук распространяться, не может. Как волны не могут существовать без воды. Опыты подтверждают такое заключение. Рассмотрим один из них. Под колокол воздушного насоса помещают звонок и включают его. Затем начинают откачивать воздух насосом. По мере разрежения воздуха звук становится слышен всё слабее и слабее и, наконец, почти совсем исчезает. Когда же воздух снова начинаю впускать под колокол, то звук звонка опять становится слышимым.
Конечно, звук распространяется не только в воздухе, но и в других телах. Это также можно проверить на опыте. Даже такой слабый звук, как тиканье карманных часов, лежащих на одном конце стола, можно отчётливо услышать, приложив ухо к другому концу стола.
Хорошо известно, что по земле и, особенно по железнодорожным рельсам звук передаётся на большие расстояния. Прикладывая ухо к рельсу или к земле, можно услышать звук далеко идущего поезда или топот скачущей лошади.
Если мы, находясь под водой, ударим камень о камень, то ясно услышим звук удара. Следовательно, звук распространяется и в воде. Рыбы слышат шаги, и голоса людей на берегу, это хорошо известно рыболовам.
Опыты показывают, что различные твёрдые тела проводят звук по-разному. Упругие тела – хорошие проводники звука. Большинство металлов, дерево, газы, а также жидкости являются упругими телами и поэтому хорошо проводят звук.
Мягкие и пористые тела – плохие проводники звука. Когда, например часы лежат в кармане, они окружены мягкой тканью, и мы не слышим их тиканья.
Кстати, с распространением звука в твёрдых телах связан тот факт, что эксперимент со звонком, помещённым под колпак, долгое время казался не очень убедительным. Дело в том, что экспериментаторы недостаточно хорошо изолировали звонок, и звук был слышен, даже когда под колпаком не было воздуха, поскольку колебания передавались через всевозможные соединения установки.
В 1650 году Атанасиус Кирх’ер и Отто Гюкке на основании эксперимента со звонком заключили, что для распространения звука воздушная среда не нужна. И лишь десять лет спустя Роберт Бойль убедительно доказал обратное. Звук в воздухе, например, передаётся продольными волнами, т. е. чередующимися сгущениями и разрежениями воздуха, идущими от источника звука. Но поскольку окружающее нас пространство в отличии от двухмерной поверхности воды трёхмерно, то и звуковые волны распространяются не в двух, а в трёх направлениях – в виде расходящихся сфер.
Звуковые волны, как и любые другие механические волны, распространяются в пространстве не мгновенно, а с определённой скоростью. Простейшие наблюдения позволяют убедиться в этом. Например, во время грозы мы сперва видим молнию и лишь через некоторое время спустя слышим гром, хотя колебания воздуха, воспринимаемые нами как звук, возникают одновременно со вспышкой молнии. Дело в том, что скорость света очень велика(300 000 км/с), поэтому можно считать, что мы видим вспышку в момент её возникновения. А звук грома, образовавшегося одновременно с молнией, требуется вполне ощутимое для нас время, чтобы пройти расстояние от места его возникновения до наблюдателя стоящего на земле. Например, если мы услышим раскаты грома более чем через 5 секунд после того, как увидели молнию, то можем заключить, что гроза находится от нас на расстоянии не менее 1,5 км. Скорость звука зависит от свойств среды, в которой распространяется звук. Учёными разработаны различные способы определения скорости звука в любых средах.
Скорость звука и его частота определяют длину волны. Наблюдая за волнами в пруду, мы замечаем, что расходящиеся круги иногда бывают меньше, а иногда больше, иными словами, расстояние между гребнями волны или впадинами волн могут быть различными в зависимости от размеров объекта, благодаря которому они возникли. Держа руку достаточно низко над поверхностью воды, мы можем ощущать каждый проходящий мимо нас всплеск. Чем больше расстояние между следующими друг за другом волнами, тем реже их гребни будут касаться наших пальцев. Такой несложный опыт позволяет нам сделать вывод, что в случае волн на водной поверхности для данной скорости распространения волн большей частоте соответствует меньшее расстояние между гребнями волн, то есть более короткие волны, и, наоборот, меньшей частоте – более длинные волны.
То же самое справедливо и для звуковых волн. О том, что через некоторую точку пространства проходит звуковая волна, можно судить по изменению давления в данной точке. Это изменение полностью повторяет колебание мембраны источника звука. Человек слышит звук, потому что звуковая волна оказывает переменное давление на барабанную перепонку его уха. Как только гребень звуковой волны (или область высокого давления) достигает нашего уха. Мы ощущаем давление. Если области повышенного давления звуковой волны следуют друг за другом достаточно быстро, то и барабанная перепонка нашего уха колеблется быстро. Если же гребни звуковой волны значительно отстают друг от друга, то и барабанная перепонка будет колебаться гораздо медленнее.
Скорость звука в воздухе является на удивление постоянной величиной. Мы уже видели, что частота звука непосредственно связана с расстоянием между гребнями звуковой волны, то есть между частотой звука и длиной волны существует определенное соотношение. Мы можем выразить это соотношение следующим образом: длина волны равна скорости, деленной на частоту. Можно сказать и по-другому: длина волны обратно пропорциональна частоте с коэффициентом пропорциональности, равным скорости звука.
Как же звук становится слышимым? Когда звуковые волны поступают в слуховой проход, они вызывают вибрацию барабанной перепонки, среднего и внутреннего уха. Попадая в заполняющую улитку жидкость, воздушные волны воздействуют на волосковые клетки внутри кортиева органа. Слуховой нерв передаёт эти импульсы в мозг, где они превращаются в звуки.
Измерение шума
Шум – это неприятный или нежелательный звук, либо совокупность звуков, мешающих восприятию полезных сигналов, нарушающих тишину, оказыва- ющих вредное или раздражающее действие на организм человека, снижающих его ра- ботоспоспособность.
В шумных районах у многих людей появляются симптомы шумовой болезни: повышенная нервная возбудимость, быстрая утомляемость, повышенное артериальное давление.
Уровень шума измеряется в единицах,
Выражающих степень звуков давления, - децибелах. Это давление воспринимается не беспредельно. Уровень шума в 20-30 дБ практически безвреден для человека - это естественный шумовой фон. Что же касается громких звуков, то здесь допустимая граница составляет примерно 80 дБ. Звук в 130 дБ уже вызывает у человека болевое ощущение, а 150 становится для него непереносимым.
Акустический шум-беспорядочные звуковые колебания разной физической природы, характеризующиеся случайным изменением амплитуды, частоты.
При распространении звуковой волны, состоящей из сгущений и разрежений воздуха, давление на барабанную перепонку меняется. Единицей измерения давления является 1 Н/м2, а единицей мощности звука - 1 Вт/м2.
Порогом слышимости называют минимальную громкость звука, которую человек воспринимает. У разных людей он различен, и поэтому условно за порог слышимости принято считать звуковое давление, равное 2x10"5 Н/м2 при 1000 Гц, соответствующее мощности 10"12 Вт/м2. Именно с этими величинами сравнивают измеряемый звук.
Например, мощность звука моторов при взлете реактивного самолета равна 10 Вт/м2, то есть превышает пороговую в 1013 раз. Оперировать такими большими числами неудобно. О звуках различной громкости говорят, что один громче другого не во столько-то раз, а на столько-то единиц. Единица громкости называется Белом - по имени изобретателя телефона А. Бела (1847-1922). Громкость же измеряют в децибелах: 1 дБ = 0,1 Б (Бел). Наглядное представление о том, как связаны между собой интенсивность звука, звуковое давление и уровень громкости.
Восприятие звука зависит не только от его количественных характеристик (давление и мощность), но и от его качества - частоты.
Один и тот же по силе звук на разных частотах отличается по громкости.
Некоторые люди не слышат звуков высокой частоты. Так, у пожилых людей верхняя граница восприятия звука понижается до 6000 Гц. Они не слышат, например, писка комара и трелей сверчка, которые издают звуки с частотой около 20 000 Гц.
Известный английский физик Д. Тиндаль так описывает одну из своих прогулок с товарищем: «Луга по обеим сторонам дороги кишели насекомыми, которые для моего слуха наполняли воздух своим резким жужжанием, но мой друг ничего этого не слышал - музыка насекомых летала вне границ его слуха»!
Уровни шума
Громкость – уровень энергии в звуке - измеряется в децибелах. Шепот приравнивается приблизительно к 15 дБ, шелест голосов в студенческой аудитории достигает примерно 50 дБ, а уличный шум при интенсивном дорожном движении - около 90 дБ. Шумы выше 100 дБ могут быть невыносимы для уха человека. Шумы порядка 140 дБ (например, звук взлетающего реактивного самолета) могут оказаться болезненными для уха и повредить барабанную перепонку.
У большинства людей острота слуха с возрастом притупляется. Это объясняется тем, что ушные косточки утрачивают свою изначальную подвижность, в связи, с чем колебания не передаются во внутреннее ухо. Кроме того, инфекции органов слуха могут повреждать барабанную перепонку и негативно отражаться на работе косточек. При возникновении каких-либо проблем со слухом необходимо незамедлительно обратиться к врачу. Причиной некоторых видов глухоты является повреждение внутреннего уха или слухового нерва. Ухудшение слуха может быть также вызвано постоянным шумовым воздействием (например, в заводском цеху) или резкими и очень громкими звуковыми всплесками. Необходимо очень осторожно пользоваться персональными стереоплейерами, поскольку чрезмерная громкость звучания также может привести к глухоте.
Допустимый шум в помещениях
В отношении уровня шума стоит отметить, что такое понятие не является эфемерным и неурегулированным с точки зрения законодательства. Так, в Украине по сей день действуют принятые еще во времена СССР Санитарные нормы допустимого шума в помещениях жилых и общественных зданий и на территории жилой застройки. Согласно указанному документу, в жилых помещениях должно быть обеспечено соблюдение уровня шума, не превышающего 40 дБ днем и 30 дБ ночью (с 22:00 до 8:00).
Нередко шум несет важную информацию. Авто- или мотогонщик внимательно прислушивается к звукам, которые издают мотор, шасси и другие части движущегося аппарата, ведь любой посторонний шум может быть предвестником аварии. Шум играет существенную роль в акустике, оптике, вычислительной технике, медицине.
Что же такое шум? Под ним понимают беспорядочные сложные колебания различной физической природы.
Проблема шума возникла очень давно. Уже в древние времена стук колес по булыжной мостовой вызывал у многих бессонницу.
А может быть, проблема возникла еще раньше, когда соседи по пещере начинали ссориться из-за того, что один из них слишком громко стучал, изготавливая каменный нож или топор?.
Шумовое загрязнение окружающей среды все время растет. Если в 1948 г. при обследовании жителей крупных городов на вопрос, беспокоит ли их шум в квартире, утвердительно ответили 23% опрошенных, то в 1961 г. - уже 50%. В последнее десятилетие уровень шума в городах вырос в 10-15 раз.
Шум - один из видов звука, правда, его часто называют «нежелательным звуком». При этом, по данным специалистов, шум трамвая расценивается на уровне 85-88 дБ, троллейбуса - 71 дБ, автобуса с двигателем мощностью более 220 л. с. - 92 дБ, менее 220 л. с. - 80-85 дБ.
Учёные из Государственного Университета Огайо пришли к выводу, что люди, регулярно подвергающиеся воздействию громких звуков, в 1,5 раза больше, чем остальные, рискуют заболеть акустической невромой.
Акустическая неврома – это доброкачественная опухоль, приводящая к потере слуха. Ученые обследовали 146 пациентов с акустической невромой и 564 здоровых людей. Всем им задали вопросы относительно того, насколько часто им приходится сталкиваться с громкими звуками не слабее 80 децибел (шум дорожного движения). В анкете учитывался шум приборов, моторов, музыка, детский крик, шум на спортивных мероприятиях, в барах и ресторанах. Участников исследования также спросили, используют ли они приспособления для защиты слуха. У тех, кто регулярно слушал громкую музыку, риск возникновения акустической невромы был повышен в 2,5 раза.
У тех, кто подвергался воздействию технического шума – в 1,8 раза. У людей, регулярно слушающих детский крик, шум на стадионах, в ресторанах или барах – в 1,4 раза. При использовании защиты для слуха риск возникновения акустической невромы не выше, чем у людей, которые вообще не подвергаются воздействию шума.
Воздействие акустического шума на человека
Воздействие акустического шума на человека бывает разное:
A. Вредное
Шум приводит к возникновению доброкачественной опухоли
Длительный шум неблагоприятно влияет на орган слуха, растягивая барабанную перепонку тем самым, понижая чувствительность к звуку. Он приводит к расстройству деятельности сердца, печени, к истощению и перенапряжению нервных клеток. Звуки и шумы большой мощности поражают слуховой аппарат, нервные центры, могут вызвать болевые ощущения и шок. Так действует шумовое загрязнение.
Шумы искусственные, техногенные. Именно они негативно влияют на нервную систему человека. Один из самых злостных городских шумов - шум автомобильного транспорта на крупных магистралях. Он раздражает нервную систему, поэтому человека мучают тревоги, он чувствует себя утомленным.
В. Благоприятное
К полезным звукам относится шум листвы. Плеск волн оказывает успокаивающее воздействие на нашу психику. Тихий шелест листвы, журчание ручья, легкий плеск воды и шум прибоя всегда приятны человеку. Они успокаивают его, снимают стрессы.
С. Лечебное
Лечебного воздействия на человека с помощью звуков природы возникла у врачей и биофизиков, работавших с космонавтами еще в начале 80-х годов двадцатого века. В психотерапевтической практике природные шумы используются при лечении различных заболеваний в качестве вспомогательного средства. Психотерапевты применяют и так называемый "белый шум". Это своеобразное шипение, отдаленно напоминающее шум волн без плеска воды. Врачи считают, что "белый шум" успокаивает и убаюкивает.
Влияние шума на организм человека
Но только ли органы слуха страдают от шумов?
Учащимся предлагается это выяснить, ознакомившись со следующими утверждениями.
1. Шум становится причиной преждевременного старения. В тридцати случаях из ста шум сокращает продолжительность жизни людей в крупных городах на 8-12 лет.
2. Каждая третья женщина и каждый четвертый мужчина страдают неврозами, вызванными повышенным уровнем шума.
3. Такие болезни, как гастрит, язвы желудка и кишечника, чаще всего встречаются у людей, живущих и работающих в шумной обстановке. У эстрадных музыкантов язва желудка - профессиональное заболевание.
4. Достаточно сильный шум уже через 1 мин может вызывать изменения в электрической активности мозга, которая становится схожей с электрической активностью мозга у больных эпилепсией.
5. Шум угнетает нервную систему, особенно при повторяющемся действии.
6. Под влиянием шума происходит стойкое уменьшение частоты и глубины дыхания. Иногда появляется аритмия сердца, гипертония.
7. Под влиянием шума изменяются углеводный, жировой, белковый, солевой обмены веществ, что проявляется в изменении биохимического состава крови (снижается уровень сахара в крови).
От чрезмерного шума (выше 80 дБ) страдают не только органы слуха, но и другие органы и системы (кровеносная, пищеварительная, нервная и т. д.), нарушаются процессы жизнедеятельности, энергетический обмен начинает преобладать над пластическим, что приводит к преждевременному старению организма.
ПРОБЛЕМА ШУМА
Крупному городу всегда сопутствует шум транспорта. За последние 25-30 лет в крупных городах мира шум увеличился на 12-15 дБ (т. е. громкость шума возросла в 3-4 раза). Если в черте города располагается аэропорт, как это имеет место в Москве, Вашингтоне, Омске и ряде других городов, то это приводит к многократному превышению предельно допустимого уровня звуковых раздражителей.
И все-таки автомобильный транспорт лидирует среди основных источников шума в городе. Именно он вызывает на магистральных улицах городов шум до 95 дБ по шкале шумомера. Уровень шума в жилых комнатах при закрытых окнах, выходящих на магистрали, только на 10-15 дБ ниже, чем на улице.
Шумность автомобилей зависит от многих причин: марки автомобиля, его исправности, скорости движения, качества дорожного покрытия, мощности двигателя и т. п. Шум от двигателя резко возрастает в момент его запуска и прогревания. При движении автомобиля на первой скорости (до 40 км/ч) шум двигателя в 2 раза превышает шум, создаваемый им на второй скорости. При резком торможении автомобиля шум также значительно возрастает.
Выявлена зависимость состояния организма человека от уровня шума окружающей среды. Отмечены определенные изменения функционального состояния центральной нервной и сердечно-сосудистой систем, вызванные шумом. Ишемическая болезнь сердца, гипертоническая болезнь, повышение содержания холестерина в крови встречаются чаще у лиц, проживающих в шумных районах. Шум в значительной степени нарушает сон, уменьшает его продолжительность и глубину. Срок засыпания увеличивается на час и более, а после пробуждения люди чувствуют усталость, головную боль. Все это со временем переходит в хроническое переутомление, ослабляет иммунитет, способствует развитию болезней, снижает работоспособность.
Сейчас считается, что шум способен сокращать продолжительность жизни человека почти на 10 лет. Стало больше и психически больных людей по причине усиливающихся звуковых раздражителей, особенно сильно шум воздействует на женщин. В целом возросло число слабослышащих людей в городах, ну а самыми обычными явлениями стали головная боль и повышенная раздражительность.
ШУМОВОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ
Звук и шум большой мощности поражают слуховой аппарат, нервные центры и могут вызвать болевые ощущения и шок. Так действует шумовое загрязнение. Тихий шелест листвы, журчание ручья, птичьи голоса, лёгкий плеск воды и шум прибоя всегда приятны человеку. Они успокаивают его, снимают стрессы. Это используется в лечебных заведениях, в кабинетах психологической разгрузки. Естественные шумы природы становятся всё более редкими, исчезают совсем или заглушаются промышленными, транспортными и другими шумами.
Длительный шум неблагоприятно влияет на орган слуха, понижая чувствительность к звуку. Он приводит к расстройству деятельности сердца, печени, к истощению и перенапряжению нервных клеток. Ослабленные клетки нервной системы не могут достаточно координировать работу различных систем организма. Отсюда возникают нарушения их деятельности.
Мы уже знаем, что шум в 150 дБ губителен для человека. Не даром в средние века существовала казнь под колоколом. Гул колокольного звона мучил и медленно убивал.
Каждый человек воспринимает шум по-разному. Многое зависит от возраста, темперамента, состояния здоровья, окружающих условий. Шум обладает аккумулятивным эффектом, то есть акустические раздражения, накапливаясь в организме, все сильнее угнетают нервную систему. Особое вредное влияние шум оказывает на нервно-психическую деятельность организма.
Шумы вызывают функциональные расстройства сердечно-сосудистой системы; оказывает вредное влияние на зрительный и вестибулярный анализаторы; снижают рефлекторную деятельность, что часто становится причиной несчастных случаев и травм.
Шум коварен, его вредное воздействие на организм совершается незримо, незаметно, крушения в организме обнаруживаются не сразу. К тому же организм человека против шума практически беззащитен.
Все чаще врачи говорят о шумовой болезни, преимущественным поражением слуха и нервной системы. Источником шумового загрязнения может быть промышленное предприятие или транспорт. Особенно сильный шум производят тяжелые самосвалы и трамваи. Шум влияет на нервную систему человека, и потому в городах и на предприятиях проводятся мероприятия по шумозащите. Железнодорожные и трамвайные линии и дороги, по которым проходит грузовой транспорт, нужно выносить из центральных частей городов в малонаселенные районы и создавать вокруг них зеленые насаждения, хорошо поглощающие шум. Самолеты не должны летать над городами.
ЗВУКОИЗОЛЯЦИЯ
Избежать вредного воздействия шума значительно помогает звукоизоляция
Уменьшение уровня шума достигается за счет строительно-акустических мероприятий. В наружных ограждающих конструкциях окна и балконные двери имеют значительно меньшую звукоизоляцию, чем сама стена.
Степень шумозащищенности зданий в первую очередь определяется нормами допустимого шума для помещений данного назначения.
БОРЬБА С АКУСТИЧЕСКИМ ШУМОМ
Лаборатория акустики МНИИП проводит разработку разделов "Акустическая экология" в составе проектной документации. Выполняются проекты по звукоизоляции помещений, борьбе с шумом, расчеты систем звукоусиления, акустические измерения. Хотя и в обычных помещениях людям всё более хочется акустического комфорта, - хорошей защиты от шума, разборчивой речи и отсутствия т. н. акустических фантомов – отрицательных звуковых образов, формируемых некоторыми. В конструкциях, предназначенных для дополнительной борьбы с децибелами, чередуются как минимум два слоя - "жесткий" (гипсокартон, гипсоволокно) Также и акустический дизайн должен занять внутри свою скромную нишу. Для борьбы с акустическими шумами применяется частотная фильтрация.
ГОРОД И ЗЕЛЕНЫЕ НАСАЖДЕНИЯ
Если же защитить свое жилище от шума деревьями, то небесполезно будет узнать, что звуки поглощаются не листвой. Ударяясь о ствол, звуковые волны разбиваются, направляясь вниз, к почве, которой и поглощаются. Наилучшим стражем тишины считается ель. Даже у самой насыщенной автомагистрали можно жить спокойно, если защитить свой дом рядом зеленых ёлок. И неплохо бы посадить рядом каштаны. Одно взрослое каштановое дерево очищает от выхлопных газов автомобилей пространство высотой до 10 м, шириной до 20 м и длиной до 100 м. При этом в отличие от многих других деревьев каштан разлагает ядовитые вещества газов почти без, ущерба для своего «здоровья».
Значение озеленения городских улиц велико - плотные посадки кустарников и лесополосы защищают от шума, снижая его на 10-12 дБ (децибел), уменьшают концентрацию вредных частиц в воздухе со 100 до 25%, снижают скорость ветра с 10 до 2 м/с, уменьшают концентрацию газов от машин до 15% в единице объема воздуха, делают воздух более влажным, понижают его температуру, т. е. делают его более приемлемым для дыхания.
Зелёные насаждения так же поглощают звуки, чем выше деревья и плотнее их посадка, тем меньше слышен звук.
Зелёные насаждения в комплексе с газонами, цветниками благотворно действуют на психику человека, успокаивают зрение, нервную систему, являются источником вдохновения, повышают работоспособность людей. Величайшие произведения искусства и литературы, открытия ученых, зарождались под благотворным влиянием природы. Так были созданы величайшие музыкальные творения Бетховена, Чайковского, Штрауса и других композиторов, картины замечательных русских художников-пейзажистов Шишкина, Левитана, произведения русских и советских писателей. Не случайно сибирский научный центр был заложен среди зеленых насаждений Приобского бора. Здесь, в тени от городского шума в окружении зелени наши Сибирские ученые успешно проводят свои исследования.
Высока озеленённость таких городов, как Москва, Киев; в последнем, например, на каждого жителя приходится в 200 раз больше насаждений, чем в Токио. В столице Японии за 50 лет (1920-1970 гг.) было уничтожено около половины" всех зелёных участков, находившихся в " радиусе десяти километров от центра. В США за пятилетие потеряно почти 10 тыс. га центральных городских парков.
← Шум вредно отражается на состоянии здоровья человека, прежде всего, ухудшается слух, состояние нервной и сердечно-сосудистой системы.
← Шум можно измерить при помощи специальных приборов – шумомеров.
← Надо бороться с вредным влиянием шума путем контроля уровня шума, а также при помощи специальных мер по снижению уровня шума.
