Закон вебера-фехнера для громкости

4. Закон Вебера-Фехнера. Уровни интенсивности и уровни громкости звука

Уже отмечалось, что объективная физическая характеристика звуковой волны — интенсивность определяет субъективную физиологическую характеристику — громкость. Количественная связь между ними устанавливается на основе закона Вебера-Фехнера, связывающего степень ощущения и интенсивность вызвавшего его раздражителя:ощущение растет в арифметической прогрессии, если интенсивность раздражителя увеличивается в геометрической прогрессии.

Другими словами: физиологическая реакция(в рассматриваемом случае громкость)на раздражитель(интенсивность звука)не прямо пропорциональна интенсивности раздражителя,а возрастает с ее увеличениемсущественно слабее– пропорционально логарифму интенсивности раздражителя.

Для пояснения физиологической значимости этого закона вспомним график логарифмической функции y = lgI (см. рис. 4).

При малых аргументах I функция y = lgI растет довольно быстро с увеличением аргумента. Это означает, что небольшое увеличение малой интенсивности (на величину I )приводит к значительному увеличению громкости (на величину y1 ) – как только интенсивность звука немного превысила пороговое значение, уже возникает слуховое ощущение. Если же интенсивность велика, то ее дальнейшее увеличение на ту же величину I дает малый прирост громкости (на величину y2 )- при большой интенсивности звук хорошо слышен и дальнейшее увеличение интенсивности звука на возрастание ощущения громкости сказывается существенно слабее.

Для установления количественной связи между интенсивностью и громкостью звука введем уровень интенсивности звука(L)— величину, пропорциональную десятичному логарифму отношения интенсивности звукаI к интенсивности на пороге слышимости I0= 10 -12 Вт/м 2 :

. (3)

Коэффициент n в формуле (3) определяет единицу измерения уровня интенсивности звука. Обычно принимают n=10, тогда величина Lизмеряется вдецибелах (дБ). На пороге слышимости (I = I0) уровень интенсивности звукаL=0, а на пороге болевого ощущения (I= 10 Вт/м 2 )L= 130 дБ. Если, например, интенсивность звука составляет 10 -7 Вт/м 2 (что соответствует нормальному разговору), то из формулы (3) следует, что уровень его интенсивности составляет 50 дБ.

Уровень громкости звука(часто его называют простогромкостью)Е связан с уровнем интенсивностиLсоотношением:

где k— некоторый коэффициент пропорциональности, зависящий от частоты и интенсивности звука.

Если бы коэффициент kв формуле (4) был постоянным, то уровень громкости совпадал бы с уровнем интенсивности и мог бы измеряться в децибелах.

Однако, из-за зависимости порога слышимости от частоты уровень громкости также изменяется с частотой. Например, звук с уровнем интенсивности 20 дБ и частотой 1000 Гц будет восприниматься существенно более громким, чем звук с тем же уровнем интенсивности, но частотой 100 Гц. Одинаковый уровень громкости на этих частотах будет достигнут, если для 1000 Гц уровень интенсивности составляет 20 дБ, а для 100 Гц — 50 дБ. По этим причинам для измерения уровня громкости вводится особая единица, называемаяфоном.

Для частоты 1000 Гц считается, что уровень интенсивности в децибелах и уровень громкости в фонах совпадают (коэффициент в формуле (4) k= 1). При других частотах из области слышимости для перехода от децибел к фонам необходимо вводить соответствующие поправки. Этот переход можно осуществить с помощью кривых равной громкости (см. рис.3), полученных на основании физиологических экспериментов. Например, пусть для частоты 200 Гц уровень интенсивности звука составляет 40 дБ. Чему равен уровень громкости этого звука? На рис.3 находим точку с координатами 200 Гц и 40 дБ. Она лежит на кривой, соответствующей уровню громкости 20 фон, следовательно, для данной частоты 20 фон соответствует 40 дБ.

Определение порога слышимости на разных частотах составляет основу аудиометрии— методов измерения остроты слуха. Сравниваяаудиограммы (кривые, аналогичные представленным на рис 3), полученные для конкретных пациентов, с усредненной нормой судят о характере и степени развития нарушений слухового аппарата.

ЗАКОН ВЕБЕРА-ФЕХНЕРА И ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗВУКА, ШУМА

Человек воспринимает звук посредством органов слуха, костей черепа и при особенно интенсивном звуке – всем телом.

Орган слуха – слуховой анализатор, т. е. это собственно ухо и следующие за ним орга-ны обработки сигнала на пути к мозгу позволяют человеку воспринимать звук в широкой области изменения частот и интенсивности, различать по силе высоте тона и окраске, уз-навать направление его излучения. Чувствительность этого органа превосходит во многих отношениях свойства лучшей продукции современной электроакустической техники. По-рог слышимости человека лежит настолько низко, что даже его незначительное снижение вышло бы за рамки рационального, т. к. привело к восприятию шумов, сопровождающих процесс пищеварения и кровообращения, сотрясения при ходьбе, шума ветра.

Область слышимости звуков ограничивается не только определенными частотами, а диапазон, воспринимаемый человеческим ухом, превышает 10 октав, но и определенными значениями звукового давления носящего названия динамического диапазона. Верхняя граница слышимого диапазона частот с увеличением возраста человека значительно пони-жается. Динамический диапазон восприятия ограничен нижним пределом – порогом слу-ховой чувствительности (порог слышимости) и верхним пределом – порогом болевого ощущения. Порог слуховой чувствительности меняется в зависимости от частоты звука и условий, при которых воспринимается звук. Например, имеем два тона одинаковой часто-ты, но с разной интенсивностью. По субъективному восприятию они оцениваются как раз-ные тона. При одинаковой интенсивности – как равно громкие. Любые суждения о одина-ковой громкости двух звуковых сигналов основываются на способности равным образом воспринимать и сравнивать ощущения.

В 19 веке немецкий ученый Э. Г. Вебером исследуя природу человеческих ощущений различия между двумя одинаковыми предметами, явлениями определил, что ощущение различия, а именно, начальное или едва заметное различия между двумя ощущениями, в меньшей степени зависит от разности обоих ощущений, а в большей мере зависит от отношения разности ощущений к исходной величине ощущения (стандартное ощущение). Вебер установил, что отношение едва заметного различия к исходной величине ощуще-ния является постоянной величиной (константа Вебера).

где S0исходная величина ощущения (стандартное ощущение);

Siвеличина последующего ощущения;

∆S –разность ощущений.

В начале 20 века немецкий ученый Фехнер попытался математически однозначно оп-ределить функцию зависимости величины ощущения от абсолютной интенсивности ощу-щения. При этом были использованы следующие допущения:

за единицу ощущения принимается различие в ощущении по Веберу;

единицы различаются как равно интервальные (эквивалентные);

за нуль шкалы отсчета принят абсолютный порог ощущения.

Исследования показали, что с постоянным равномерным ростом интенсивности ощу-щения их физическая величина логарифмически прогрессирует. С учетом константы Ве-бера Фехнер сформулировал, что величина ощущения определяется как

где I0– интенсивность человеческого ощущения;

IP – интенсивность раздражения;

К – постоянная Вебера.

Звуковой диапазон, который воспринимается человеком между абсолютным нижним и верхним (болевым) слуховыми порогами составляет 2∙10 -5 ÷2∙10 2 Па, т. е. звуковое давле-ние при абсолютно нижнем слуховом пороге соответствует десятимиллионной части боле-вого порога. Применение такой измерительной шкалы неудобно, но ее можно представить в логарифмическом виде: 2∙lg 10 -5 ÷2∙ lg 10 2 Па, т. е. имеется шкала с равнозначными еди-ницами. Такая запись показывает, что звуковое давление растет не с равным увеличением, а удесятеряется от единице к единице. Как можно по этой шкале учитывать интенсив-ность звука? Следуя Фехнеру принимаются следующие допущения:

звуковое давление нижнего порога слуха при частоте 1000 Гц – p0 является началом новой измерительной шкалы;

всякий раз образуются отношение двойной интенсивности звука (единица измерения бел) и нижней порог слуха всегда постоянная величина интенсивности такого отношения – Бел = p / p0.

С учетом исследований Вебера-Фехнера полученное выражение можно записать в ви-де силы звука (интенсивности)

L = 2 lg (р / р0).(4)

В физической акустике такая запись представляет уровень звукового давления или уровень интенсивности звука. Для большей дифференциации ее переводят посредством образования десятичных единиц в так называемую шкалу децибел, дБ, и зависимость (4) в окончательном виде

L = 20 lg (p / p0).(5)

Шкала децибел является физической (объективной) шкалой, которая в какой-то мере по исследованиям Фехнера соответствует законам слухового восприятия человеком. Шка-ла имеет нуль при пороге слышимости, болевой порог лежит в пределах 140 дБ. Объек-тивная оценка необходима при измерениях шума, определении воздействия шума на чело-века и расчете средств защиты от действия шума. Шкала децибел не применима для оцен-ки громкости звука, т. к. громкость является субъективной оценкой звука.

Громкость звука. Субъективное восприятие громкости звука или шума человечески ухом зависит не только от уровня звукового давления (L, дБ), но и от спектрального соста-ва, иными словами существует частотная зависимость (частотная коррекция) чувствитель-ности восприятия слухового аппарата человека. Эту зависимость используют при измере-нии акустических величин, например, звукового давления. Два звука, имеющие одинако-вый уровень звукового давления, но разную частоту (например, 200 и 1000 Гц), расцени-ваются ухом как разные по громкости. Первый будет казаться значительно слабее (тише), чем второй, т. к. ухо менее чувствительно к восприятию низких частот. Следовательно, по величине уровня звукового давления, являющегося физической характеристикой звука, нельзя судить о громкости восприятия ухом. Для возможности приближенной сравнитель-ной оценки громкости восприятия введено понятие уровня громкости звука, единица измерения которого фон (безразмерная величина).

В физиологической акустике для количественной оценки уровня громкости применя-ется метод субъективного сравнения данного измеряемого звука с эталонным звуком час-тоты 1000 Гц, уровень которого может изменяться в ту или иную сторону до тех пор, пока оба звука (измеряемый и эталонный) не будут ощущаться равногромкими. Таким образом, уровнем громкости данного звука или шума называется уровень звукового давления рав-ногромкого с ним на слух звука с частотой 1000 Гц. Например, уровень звукового давле-ния эталонного тона с частотой 1000 Гц равногромкого с измеряемым составляет 60 дБ, то уровень громкости измеряемого звука равен 60 фон.

Шкала уровней громкости установлена следующим образом: за 0 фон принят уровень громкости эталонного тона частоты 1000 Гц, средние квадратическое звуковое давление которого равно пороговому давлению р0 = 2∙10 -5 н/м 2 . Уровни громкости эталонного тона частоты 1000 Гц – LS, имеющего звуковое давление р, определяются соотношением, фон:

LS = 20 lg (р / р0). (6)

Таким образом, 1 фон есть уровень громкости звука (Ls), для которого УЗД (L) равно-громкого с ним звука частоты 1000 Гц равен 1 дБ.

Высота звука – элемент слухового восприятия, связанный с частотой звуковых коле-баний. Частота является основной качественной характеристикой звукового процесса, т. к. при постепенном изменении частоты простого тона ухо человека отмечает определенное характерное изменение качества звука. Высота звука может быть определена, как качество звукового восприятия, которое позволяет расположить звуки по частотной шкале, идущей от низкого в высокому звуку. Важнейшим свойством восприятия высоты звука ухом чело-века является изменение частоты тона в одинаковом отношении, т. е. при одинаковом при-росте логарифма частоты получается ощущение одинакового изменения высоты. При уд-воении частоты высота тона изменяется на одинаковую величину, независимую от того, изменяется ли частота от 50 до 100 Гц, от 200 до 400 Гц или от 2000 до 4000 Гц. Следова-тельно, постоянное отношение крайних частот соответствующих звуков во всем частот-ном диапазоне, является интервал высоты. Например, интервал, ограниченный частотами 200 и 500 Гц, равен интервалу с граничными частотами 100 и 250 Гц. Простейшие интер-валы воспринимаются и распознаются независимо от частоты входящих в них тонов. Для измерения интервала высоты звука применяется ряд единиц, построенных по логарифми-ческому принципу. В музыке основным является интервал, ограниченный частотами, от-ношение которых равно 2 – октава.

Ухо человека способно различать небольшую разницу в частотах звука. Для количест-венного выражения этой способности был определен минимальный прирост по частоте, который различается ухом. Минимальный прирост чувствительности к первоначальной частоте звука был назван разностным или дифференцированным порогом частоты. Эти пороги (наименьшие в диапазоне частот 500÷5000 Гц) равны 0,003. Это значит, что изме-нение частоты звука всего на 3 Гц при тоне 1000 Гц уже распознаются ухом как другая частота.

Высота определяется главным образом частотой звука, но зависит также от его силы и состава сложного звука. Единицей (субъективной) измерения высоты звука является мел.

Тембр звука – это качественная характеристика окраски звука. Даже звуки одинако-вой высоты могут отличаться друг от друга тембром. Тембр звука зависит от относитель-ной интенсивности дополнительных колебаний обычно более высоких частот, чем основ-ная частота, определяющая высоту звука. Непосредственных количественных параметров, которые служили бы однозначной характеристикой тембра, не существует. При анализе звука музыкальных инструментов измеряется относительная интенсивность отдельных составляющих спектра. Иначе можно сказать, что тембр определяется видом функции рас-пределения интенсивности звука по частотам.

Маскировка – заглушение одного звука другим. В практике часто возникает задача о маскировке полезного сигнала шумом или до какого уровня надо снизить данный звук, чтобы он не стал слышен на фоне шума. При нормировании шума машин или механизмов необходимо знать, в какой мере один звук маскирует другой.

Количественная мера маскировки (при маскируемом сигнале, имеющем достаточно уз-кий спектр) определяется как число децибел, на которое возрастает порог слышимости маскируемого тона в присутствии другого звука по сравнению с порогом восприятия его тона ухом человека в тишине.

Установлено, что тон определенной частоты эффективнее маскируется более низкими частотами. Например, пароходный гудок низкого тона практически заглушает все более высокие звуки. Широкополосные гладкие шумы оказывают значительно больший маски-рующий эффект, чем чистые тоны. При этом чистый тон, звучащий в присутствии широ-кополосного шума, может маскироваться только сравнительно близкими по частоте спект-ральными составляющими этого шума.

6.2.1. Влияние шума на организм человека

Согласно текста документа Международной Организации Труда (ILO) «Защита трудя-щихся от шума и вибрации на производстве» – «… шум и вибрация являются сегодня дву-мя важными факторами создающими опасность на рабочих местах. Шум и вибрация, пре-вышающие определенные пороговые значения, наносят вред здоровью и работоспособно-сти людей, начиная от слабого телесного расстройства и кончая серьезными заболевания-ми». Отметим, что Всемирный Совет Здоровья (WHO) определяет здоровье не только как отсутствие болезней, но и как полное психическое, физическое и социальное здоровье.

В настоящее время особое значение в индустриальных странах приобретают вызывае-мые шумом повреждения слуха, поскольку они носят необратимый характер, а тенденция к дальнейшему распространению вызванной шумом тугоухости продолжают сохраняться. Для работников многих профессий повреждения слуха приводит к трудностям в восприя-тии звуковых сигналов, что может отразиться на их профессиональных способностях и повысить вероятность возникновения несчастных случаев на производстве и городском транспорте. Исследования медиков-гигиенистов показали, что даже шум достаточно низ-кой интенсивности оказывает так называемое «экстраануральное» воздействие на челове-ка, при котором изменяется процесс кровообращения, например, сокращается минутный объем крови, повышается сопротивление стенок периферийных сосудов и сокращается приток крови к коже. Расширение зрачков приводит к уменьшению остроты зрения, что вредно при определенных видах деятельности (например, часовой мастер, механик по точ-ным работам). Длительное воздействие шума вызывает торможение секреции слюнных желез, ускорение обмена веществ, изменение электрического сопротивления кожи, сниже-ние температуры, усиление мускульного потенциала, нарушение глубины сна вплоть до пробуждения. Перечисленные здесь реакции вызваны воздействием шума на вегетатив-ную нервную систему организма. Воздействие шума вызывает повышенное выделение гормона надпочечных желез и адреналина, которые вместе с изменениями некоторых дру-гих показателей представляют собой типичную картину стрессовой реакции. Этому веге-тативному ответу на воздействие шума соответствует общая активизация организма, что в производственных условиях снижает работоспособность.

Таким образом, с учетом вышеприведенного, можно говорить о двух видах воздейст-вия шума на человека:

специфическое воздействие – воздействие на органы слуха;

неспецифическое воздействие – воздействие на весь организм.

Длительность воздействия. Время является одним из решающих факторов стойкого изменения слуховых порогов вследствие длительного воздействия высокого звукового да-вления. Результатом таких изменений является шумовая глухота – тугоухость. Шумовая глухота начинается в большинстве случаев с временно ограниченного подъема слухового порога в диапазоне частот 4000÷5000 Гц. При раннем распознавании временной потери слуха можно посредством отдыха снова понизить слуховые пороги – слух значительно по-правляется в течение 2 недель, но в зависимости от интенсивности воздействующего зву-ка и в течение полугода.

Временной интервал перехода от временно ограниченного снижение слуха в следствие воздействия интенсивного шума в необратимую потерю слуха – шумовую глухоту (тугоу-хость) по исследованиям Taylor, Pearson, Mair и Burns (1965) происходит большей частью в первые 5 лет, в последующие 5÷7 лет потеря слуха достигает окончательного значения. Если интенсивность воздействия шума на человека невысока, то потеря слуха может нас-тупить и через 20 лет воздействия.

Потеря слуха, наряду с продолжительностью воздействия шума, обуславливается свойствами самого шума – временной, спектральной характеристиками и интенсивно-стью. Длительное воздействие шума может вызвать проходящую (обратимую) глухоту или остающуюся глухоту (необратимую, «тугоухость»), которая сводится к функциональ-ному повреждению слуховых клеток (волосковых клеток) внутреннего уха. Как правило, у работающих в условиях интенсивного шума через 5 лет появляется тугоухость, а через 10 лет возможно поражение слуха. По показаниям медицинской статистики заболеваемость представителей «шумовых» профессий на 10÷15 % выше чем у других профессий. Шум (звук) очень высокой интенсивности (>140 дБ) может привести к травме органов слуха: перфорации барабанной перепонки, вывиху или перелому слуховых косточек или мгно-венному (острому) повреждению волосковых клеток.

Наряду с объективными условиями возникновения шумовой глухоты большое значе-ние имеют индивидуальные различия между людьми. Насколько распространена глухота, обусловленная воздействием шума? Выявлено, что в США уже в 1967 г. было 5 миллио-нов человек с нарушением слуха из-за интенсивного шума на рабочем месте. В индустри-альных странах глухота, обусловленная шумом, занимает первое место среди профессио-нальных заболеваний.

Наряду с шумом, инфра- и ультразвук оказывают вредное влияние на организм челове-ка. Инфразвук звуковые колебания и волны с частотами, лежащими ниже полосы слы-шимых (акустических) частот 16 Гц. Инфразвук оказывает воздействие на вестибуляр-ный аппарат, сердечно-сосудистую систему, а при высокой интенсивности на внутренние органы человека. Результатом воздействия инфразвука является угнетение центральной нервной системы человек испытывает чувство страха, головную боль, боль в ушах, про-исходит нарушение равновесия. Влияние ультразвука на организм человека выражается в возникновении сдвигов в состоянии нервной, сердечно-сосудистой и эндокринных систе-мах, быстрой утомляемости. Низкочастотный ультразвук может вызвать локальные воз-действия, поражая нервный и сердечно-сосудистый аппарат в месте контакта.

Адаптация слуха. Чувствительность слуха во время действия шума или звука не оста-ется без изменения. При полной тишине чувствительность возрастает, а под влиянием шу-мового воздействия снижается. Такая временная перестройка функции слухового анализа-тора, выражающаяся в некотором повышении порога слышимости, называется адаптацией слуха. Умеренное понижение слуховой чувствительности является целесообразной реак-цией приспособления организма к условиям внешней среды и играет защитную роль про-тив сильных и продолжительно действующих шумов.

Длительное воздействие шума или звука приводит к патологическому состоянию орга-нов слуха, к его утомлению. Утомление характеризуется не только значительными сдвига-ми в чувствительности, но и более замедленной обратной адаптацией. Утомление наступа-ет при перераздражении звукового анализатора и в отличии от адаптации, которая способ-ствует работоспособности, всегда снижает работоспособность анализатора. При частых и длительных перераздражениях и в случае недостаточного отдыха наступает явление шу-мовой травмы – тугоухость.

На чувствительности слуха очень сказывается возраст – пожилые люди в большинст-ве случаев слышат хуже, чем молодые. Такие потери слуха частично являются следствием ухудшения кровоснабжения и других нарушений обмена веществ, которые ведут к дегене-рации сенсорной части слуха. Звукопроводящая система теряет с возрастом эластичность и способность к колебаниям, а вместе с этим способность к проведению звука.

studopedia.ru

Характеристики слухового ощущения. Звуковые измерения

Звук является объектом слухового ощущения. Он оценивается человеком субъективно. Все субъективные характеристики слухового ощущения связаны с объективными характеристиками звуковой волны.

Высота, тембр

Воспринимая звуки, человек различает их по высоте и тембру.

Высота тона обусловлена прежде всего частотой основного тона (чем больше частота, тем более высоким воспринимается звук). В меньшей степени высота зависит от интенсивности звука (звук большей интенсивности воспринимается более низким).

Тембр — это характеристика звукового ощущения, которая определяется его гармоническим спектром. Тембр звука зависит от числа обертонов и от их относительных интенсивностей.

Закон Вебера-Фехнера. Громкость звука

Использование логарифмической шкалы для оценки уровня интенсивности звука хорошо согласуется с психофизическим законом Вебера-Фехнера:

Если увеличивать раздражение в геометрической прогрессии (т.е. в одинаковое число раз), то ощущение этого раздражения возрастает в арифметической прогрессии (т.е. на одинаковую величину).

Именно логарифмическая функция обладает такими свойствами.

Громкостью звука называют интенсивность (силу) слуховых ощущений.

Ухо человека имеет различную чувствительность к звукам различных частот. Для учета этого обстоятельства можно выбрать некоторую опорную частоту, а восприятие остальных частот сравнивать с нею. По договоренности опорную частоту приняли равной 1 кГц (по этой причине и порог слышимости I0 установлен для этой частоты).

Для чистого тона с частотой 1 кГц громкость (Е) принимают равной уровню интенсивности в децибелах:

Для остальных частот громкость определяют путем сравнения интенсивности слуховых ощущений с громкостью звука на опорной частоте.

Громкость звука равна уровню интенсивности звука (дБ) на частоте 1 кГц, вызывающего у «среднего» человека такое же ощущение громкости, что и данный звук.

Единицу громкости звука называют фоном.

Ниже приводится пример зависимости уровня громкости от частоты при уровне интенсивности 60 дБ.

Кривые равной громкости

Детальную связь между частотой, громкостью и уровнем интенсивности изображают графически с помощью кривых равной громкости (рис. 3.3). Эти кривые демонстрируют зависимость уровня интенсивности LдБ от частоты ν звука при заданной громкости звука.

Нижняя кривая соответствует порогу слышимости. Она позволяет найти пороговое значение уровня интенсивности (Е = 0) при заданной частоте тона.

С помощью кривых равной громкости можно найти громкость звука, если известны его частота и уровень интенсивности.

Дата добавления: 2015-09-04 ; просмотров: 267 . Нарушение авторских прав

studopedia.info

22. Закон Вебера-Фехнера. Шкала уровней громкости звука. Кривые равной громкости.

В основе создания шкалы уровней громкости лежит психофизический закон Вебера-Фехнера:

если раздражение увеличивается в геометрической прогрессии (т.е. в одинаковое число раз), то ощущение этого раздражения возрастает в арифметической прогрессии (т.е. на одинаковую величину).

Математически это означает, что громкость звука пропорциональна логарифму интенсивности звука. Если действуют два звуковых раздражения с интенсивностями I и I0, причем I0 порог слышимости, то на основании закона Вебера-Фехнера громкость относительно I0 связана с интенсивностью следующим образом:

где k-коэффициент пропорциональности

Условно считают, что на частоте 1 кГц шкалы громкости и интенсивности звука полностью совпадают

Для отличия от шкалы интенсивности звука в шкале громкости децибелы называют фонами Громкость на других частотах можно измерить, сравнивая исследуемый звук со звуком частотой 1 кГц

На практике громкость звука можно оценить по так называемым кривым равной громкости

Каждая из представленных кривых объединяет звуки одной и той же громкости, измеряемой в фонах. При этом принято, что громкость любого звука в фонах совпадает с уровнем интенсивности равно громкого звука (в децибелах) на частоте 1 кГц: кривой порога слышимости соответствует уровень громкости 0 фон

Каждая промежуточная кривая отвечает одинаковой громкости, но разной интенсивности звука для разных частот. По отдельной кривой равной громкости можно найти интенсивности, которые при определенных частотах вызывают ощущение этой громкости. Используя совокупность кривых равной громкости, можно найти для разных частот громкости, соответствующие определенной интенсивности.

23. Ультразвук. Источники и приемники ультразвука, его основные свойства. Ультразвуковая эхолокация.

Ультразвуком (УЗ) называют механические колебания и волны, частоты которых более 16-20 кГц.

Хотя физическая природа ультразвука такая же, что для звуковых волн любого диапазона частот, он обладает рядом специфических особенностей, которые определяют его большое значение в науке и технике. Эти особенности обусловлены относительно высокими частотами и соответственно малостью длин волн.

Малость длины волны обусловливает лучевой характер распространения ультразвуковых волн. Вблизи излучателя ультразвуковые волны распространяются в виде пучков, поперечный размер которых сохраняется близким к размеру излучателя. Попадая на крупные препятствия или неоднородности в среде, такой ультразвуковой луч испытывает отражение и преломление. При попадании луча на малые препятствия или дефекты возникает рассеянная волна.

В природе ультразвук встречается как в качестве компонента многих естественных шумов, так и среди звуков животного мира. Некоторые животные пользуются ультразвуковыми волнами для обнаружения препятствий (летучие мыши, дельфины и др.).

Искусственные излучатели ультразвука основаны на явлении магнитострикции (при более низких частотах) и обратного пьезоэлектрического эффекта (при более высоких). Магнитострикция заключается в незаметных для глаза колебаниях (удлинении и укорочении) длины ферромагнитного сердечника под действием переменного магнитного поля в соответствии с частотой изменения знака поля.

Из искусственных излучателей ультразвука наибольшее распространение получили электромеханические излучатели, основанные на явлении обратного пьзоэлектрического эффекта, который заключается в механической деформации тел под действием электрического поля.

1 – пластины из вещества с пьезоэлектрическими свойствами; (кварц, титанат бария и т.д.).

2 – электродов, нанесенных на ее поверхности в виде проводящих слоев;

3 – генератора, подающего на электроды переменное напряжение требуемой частоты.

При подаче на электроды (2) переменного напряжения от генератора (3) пластина (1) испытывает периодические растяжения и сжатия. Возникают вынужденные колебания, частота которых равна частоте изменения напряжения. Эти колебания передаются частицам окружающей среды, создавая механическую волну с соответствующей частотой. Амплитуда колебаний частиц среды вблизи излучателя равна амплитуде колебаний пластины.

Электромеханические УЗ-приемники используют явление прямого пьезоэлектрического эффекта. В этом случае под действием УЗ-волны возникают колебания кристаллической пластины (1), в результате которых на электродах (2) возникает переменное напряжение, которое фиксируется регистрирующей системой (3).

В большинстве медицинских приборов генератор ультразвуковых волн одновременно используется и как их приемник.

Рассмотрим отражение УЗ-волны от границы раздела двух сред с различными свойствами

Для количественной характеристики процесса вводится понятие коэффициента отражения

где Iотр — интенсивность отраженной УЗ-волны, I0 — интенсивность падающей; Iпрош (рис.5) — интенсивность волны, прошедшей во вторую среду.

R-это безразмерная величина, принимающая значения в интервале от нуля (отсутствие отражения) до единицы (полное отражение).

В случае нормального падения волны на границу раздела (рис.5) , этот коэффициент можно найти по формуле

На явлении отражения УЗ от границы раздела сред основана эхолокация – метод локализации неоднородностей в средах

Источник УЗ посылает ультразвуковой сигнал в импульсном режиме. После нескольких импульсов наступает пауза, в течение которой источник «ожидает» прихода отраженной волны. На экране локатора фактически представлена временная зависимость электрического напряжения, соответствующего посланному и зарегистрированному после отражения УЗ-сигналу. Зная интервал времени между импульсом посылки и отраженным импульсом (рис.6, б), а также скорость волны, можно найти расстояние от источника до границы отражения:

studfiles.net

Смотрите еще:

  • Нотариус в новоалексеевке Нотариусы в Новоалексеевке Бесплатные объявления в разделе Нотариусы в Новоалексеевке. Пока нет объявлений, успейте быть первым! Предшественников современных нотариусов можно было встретить в древнем Египте, […]
  • Коломна пенсии С 1 апреля пройдет индексация пенсий по государственному пенсионному обеспечению Государственное учреждение - Управление Пенсионного фонда Российской Федерации № 14 по г. Москве и Московской области […]
  • Пример заполнения платежного поручения по транспортному налогу Платежное поручение по транспортному налогу Актуально на: 23 марта 2017 г. ​Платежное поручение по транспортному налогу(образец) Требования к заполнению платежного поручения по транспортному налогу ничем не […]
Закладка Постоянная ссылка.

Обсуждение закрыто.