ЗВУК

Звуковые сигналы как раздражитель слухового анализатора могут быть разделены на два основных вида: тоны и шумы. Под тоном имеют в виду звуковые колебания постоянной или строго меняющейся во времени частоты. Тон, соответствующий наименьшей частоте колебаний в спектре сложного 3., называют основным тоном. В природе чистые тоны встречаются редко. Обычно звуковыми сигналами служат сложные колебания, составленные из основного тона и обертонов (колебаний более высокой частоты, кратных частоте основного тона). Совокупность простых колебаний, на которые можно разложить сложное колебание, получила название гармонического спектра (рис.).

Шум (см.) представляет собой хаотическое сочетание различных сложных тонов. Частоты, составляющие сложный спектр шума, относятся к частоте основного тона как дробные числа. В зависимости от ширины спектра различают узкополосные и широкополосные, сплошные и линейчатые (дискретные) шумы. Узкополосные шумы отличаются от широкополосных тем, что их энергетический спектр ограничен пределами фиксированной основной частоты. Сплошные шумы характеризуются незначительными интервалами между отдельными частотными составляющими, а линейчатые — значительными интервалами.

Область среды, в к-рой распространяются звуковые волны, называется звуковым полем. Свойства среды определяют скорость распространения в ней звука. Длина волны при переходе из одной среды в другую изменяется, но при этом частота колебаний сохраняется. Так, в воздухе при t° 0° распространение продольных волн происходит со скоростью 331 м/сек, в воде при t° 25°— 1497 м/сек, в тканях человеческого организма — 1445—1600 м/сек. Скорость распространения звуковых волн не зависит от частоты колебаний. Вместе с тем звуковые волны, возникающие, напр., при взрывах, имеют в начальном участке распространения скорость, намного превосходящую обычную для данной среды; эта скорость уменьшается до нормы, свойственной данной среде, лишь по отдалении от источника 3.

Звукопроводимость различных веществ и биол, тканей зависит от их плотности и скорости распространения в них звуковой волны. 3. угасает при прохождении через среду вследствие его поглощения (превращение энергии звуковых колебаний в энергию тепловых движений). Значительное ослабление 3. происходит за счет отражения при распространении звуковой волны из одной среды в другую в связи с различиями акустического сопротивления сред. Акустическое сопротивление представляет собой произведение плотности среды на скорость звука (см. слуха (см.), диагностики его нарушений и разработки методов слуховой коррекции весьма важно также изучение закономерностей проведения 3. через кости черепа и мягкие покровы головы.

При распространении в среде двух звуковых волн может происходить их геометрическое сложение — интерференция (см. Интерференция волн). В зависимости от того, совпадают или не совпадают складывающиеся волны по частоте и направлению, амплитуда результирующей волны увеличивается или уменьшается. Большой интерес для понимания биол, действия 3. имеет способность звуковых волн отклоняться от прямолинейного распространения при взаимодействии с препятствием, получившая название дифракции. Частным случаем дифракции является огибание звуковой волной препятствия.

Если частота действующей на тело звуковой волны совпадает с собственной частотой колебаний тела, возникает явление резонанса, заключающееся в значительном увеличении амплитуды звуковых колебаний. Благодаря резонансу происходит усиление звуковой волны в наружном слуховом проходе.

Энергетические свойства звуковой волны определяются интенсивностью звука, т. е. количеством энергии, переносимой волной за единицу времени через единицу площади поверхности, перпендикулярной направлению движения этой волны. Единицей измерения интенсивности 3. служит ватт на квадратный метр (вт/м²).

Количество энергии, излучаемой источником 3. в единицу времени в окружающее пространство, называется мощностью 3. и измеряется в ваттах. При решении практических задач обычно выбирают в качестве измеряемого параметра звукового поля давление звуковой волны (звуковое давление). Интенсивность звука (I) связана со звуковым давлением (Р) соотношением:

I = P²/2ρC

где ρ — плотность среды, в к-рой распространяется звук, и C — скорость звука. Выражается звуковое давление в ньютонах на квадратный метр (н/м²) или паскалях (1 н/м² = 1 па).

Минимальная интенсивность звука, вызывающая у человека слуховое ощущение, составляет 10-12 вт/м² и называется порогом слышимости. В единицах звукового давления она соответствует 2•10^-5 н/м². Наименьшая интенсивность 3., при к-ром восприятие 3. органами чувств вызывает болевое ощущение, называется порогом болевого ощущения. Порог болевого ощущения, как и порог слышимости, зависит от частоты 3. Вместе с тем на практике количественную характеристику 3. в акустических измерениях обычно дают в форме определения уровня интенсивности 3. или уровня звукового давления. При этом уровень (L) рассчитывается в децибелах (дб) по отношению к приведенным выше пороговым значениям по формуле:

L = 10 lg(I/I₀) .

где I₀ — порог слышимости, равный 10^-12 вт/м², I — интенсивность 3. Поскольку интенсивность 3. пропорциональна квадрату звукового давления, то уровень давления вычисляют по формуле:

L — 20 lg(P/P₀) ,

где Р₀ — порог слышимости в единицах звукового давления, P — звуковое давление.

Определение уровня звукового давления предпочтительнее, т. к. интенсивность звука (I) зависит от окружающих условий (температуры, среды, формы звуковой волны и т. д.).

Средний уровень звукового давления, создаваемый деловым разговором людей в помещениях, достигает 60 дб (при крике 80 дб), шум движущегося автомобиля и поезда метро достигает 80—100 дб. Такой же уровень звукового давления создает фортиссимо большого оркестра. Уже при уровне 80—90 дб речевые сигналы вызывают у здорового человека ощущение слухового дискомфорта; воздействие звуковых стимулов с уровнем 120 дб сопровождается чувством боли, а выше 140 дб — повреждением структур среднего и внутреннего уха (см. Акустическая травма).

Биол, действие 3. на организм человека во многом связано с наличием в окружающей его среде шумов. Неблагоприятное влияние на человеческий организм оказывают производственные и коммунальные шумы. Это влияние сказывается не только на слуховом анализаторе, но и на функциональном состоянии всего организма. При этом изменение функций организма происходит как вследствие первичного воздействия шума на слуховой анализатор, так и независимо от него. В зависимости от тех или иных условий 3. высокой интенсивности и шумы могут приводить к острой акустической травме или медленно развивающейся вибрационная чувствительность (см.), нарушаются функции сердечно-сосудистой системы, двигательного анализатора, ц. н. с. и других систем, так что в целом можно говорить о развитии шумовой болезни.

Для понимания биол, действия 3. представляет интерес установленный Чеймберсом и Флосдорфом (L. Chambers, H. Phlosdorf, 1936) факт денатурации тканевых белков под влиянием 3. верхней части слышимого диапазона частот высокой интенсивности. Работами Д. Н. Насонова и К. С. Равдоника (1947, 1950) было показано, что звуки частотой 200—10 000 гц усиливают сорбцию нейтральных красителей изолированной мышцей лягушки и нейронами спинальных ганглиев крысы; при этом наиболее активное прижизненное поглощение тканями краски наблюдалось под влиянием 3. той частотной области, в к-рой проявляется максимальная слуховая чувствительность человека, а степень поглощения ее зависела от интенсивности 3. Позднее то же было обнаружено в отношении чувствительных клеток кортиева органа. На основании этого Я. А. Винников (1971) сделал заключение об общности восприятия звуковой энергии цитоплазмой как специализированных по отношению к 3. клеток внутреннего уха, так и неспециализированных клеток других тканей.

Основные параметры 3. имеют субъективные эквиваленты в слуховом ощущении. Интенсивность 3. определяет его громкость, частота — высоту, а наличие обертонов — тембр.

В качестве единицы громкости принят фон — ощущение, к-рое возникает при действии тона с частотой 1000 гц. Для частоты 1000 гц шкала фонов соответствует шкале децибел. Для других частот громкость определяется путем сравнения с интенсивностью равногромкого тона 3. частотой в 1000 гц. Для получения линейной шкалы громкости введена специальная единица — сон (громкость в 1 сон соответствует громкости в 40 фон). При измерении громкости различных 3. по этой шкале производится сравнение ощущения с громкостью в 1 сон (громкость возрастает как корень кубический из интенсивности 3.). В сонах выражают громкость чистых тонов. Громкость сложных 3. и шумов определяют путем их сравнения со стандартным тоном частотой 1000 гц. Субъективное ощущение высоты тона также не пропорционально частоте или ее логарифму. В качестве единицы высоты 3. используют мел (высота в 1000 мел соответствует тону 1000 гц при интенсивности 40 дб).

В технике источниками 3. служат разнообразные устройства в виде электроакустических преобразователей, преобразующих электрические колебания звуковой частоты в механические колебания излучающего устройства и позволяющих воспроизводить самые разнообразные звуковые сигналы. В качестве приемников 3. в технике используются гл. обр. преобразователи, превращающие колебания упругой среды в электрические сигналы. Такими преобразователями для приема 3. в воздухе служат микрофоны, в воде — гидрофоны, в плотных средах земной поверхности — геофоны.

К биол, источникам 3. относится голосовой аппарат (см. Слух.

Библиография: Аккерман Ю. Биофизика, пер. с англ., М., 1964; Винников Я.А. Цитологические и молекулярные основы рецепции, Л., 1971, библиогр.; Сагалович Б.М. и Покрывалова К.П. О возможности восприятия человеческим ухом звуков ультравысокой частоты, Биофизика, т. 9, № 1, с. 138, 1964; С к у-чик Е. Основы акустики, пер. с англ., т. 1—2, М., 1976; ЦвикерЭ. и Фельд-келлер Р. Ухо как приемник информации, пер. с нем., М., 1971, библиогр.; Шум и шумовая болезнь, под ред. Е. Ц. Андреевой-Галаниной, Л., 1972, библиогр.; В ё k ё s у G. Experiments in hearing, N. Y. a. o., 1960, bibliogr.; D j u p e s-land G. a. Zwislocki J. Sound pressure distribution in the outer ear, Acta oto-laryng. (Stockh.), v. 75, p. 350, 1973.

Б. М. Сагалович.