Ультразвук в сельском хозяйстве
Ультразвук в пищевой промышленности
Ультразвук в биологии
Ультразвуковая диагностика заболеваний
Ультразвуковое лечение заболеваний
На суше и на море
Совокупность слышимых и неслышимых звуков
напоминает в принципе спектр солнечных лучей, в котором есть видимая
область - от красного до фиолетового цвета и две невидимые -
инфракрасная и ультрафиолетовая. Именно по аналогии с солнечным спектром
получили название звуки, не воспринимаемые человеческим ухом: инфразвук,
ультразвук и гиперзвук.
Восприятие звуков людьми очень индивидуально. Каждый слышит, так
сказать, по-своему. Дети, например, слышат звуки более высоких частот,
чем пожилые люди.
Как уже упоминалось, звук следует рассматривать с объективной и
субъективной точек зрения. Звук как субъективное явление более сложен и
менее изучен, чем его объективная физическая сущность.
Как мы воспринимаем звук?
Наружное ухо состоит из ушной раковины и слухового прохода, соединяющего
ее с барабанной перепонкой. Основная функция наружного уха - определение
направления на источник звука. Слуховой проход, представляющий
сужающуюся внутрь трубку длиной 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, то есть
звуковой волны в субъективное ее ощущение.
Непосредственно за барабанной перепонкой расположены три маленькие
соединенные между собой косточки: молоточек, наковальня и стремя, с
помощью которых колебания передаются внутреннему уху. Там, в слуховом
нерве, они преобразуются в биоэлектрические сигналы.
Малая полость, где находятся молоточек, наковальня и
стремя, наполнена воздухом и соединена с полостью рта евстахиевой
трубой. Благодаря последней поддерживается одинаковое давление на
внутреннюю и внешнюю стороны барабанной перепонки. Обычно евстахиева
труба закрыта, а открывается лишь при внезапном изменении давления (при
зевании или глотании) для выравнивания его. Если у человека евстахиева
труба блокирована, например, из-за простудного заболевания, то давление
не выравнивается, и человек ощущает боль в ушах.
При передаче колебаний от барабанной перепонки к овальному окну, которое
является началом внутреннего уха, энергия первоначального звука как бы
концентрируется в среднем ухе. Это осуществляется двумя способами, в
основе которых лежат хорошо известные принципы механики. Во-первых,
уменьшается амплитуда, но одновременно увеличивается мощность колебаний.
Здесь можно провести аналогию-с рычагом, когда для поддержания
равновесия к большому плечу прикладывается меньшая сила, а к меньшему -
большая. С какой точностью осуществляется такое превращение в
человеческом ухе, видно из того, что амплитуда колебаний барабанной
перепонки равна диаметру атома водорода (10~8 сантиметра), а молоточек,
наковальня и стремя уменьшают ее в три раза. Во-вторых, и это более
существенно, концентрация звука обусловливается разностью диаметров
барабанной перепонки и овального окна внутреннего уха.
Сила, действующая на барабанную перепонку, равна произведению давления
на площадь барабанной перепонки. Эта сила через молоточек, наковальню и
стремя воздействует на овальное окно, с противоположной стороны которого
находится жидкость. Площадь овального окна в 15-30 раз меньше площади
барабанной перепонки, поэтому и давление на него в 15-30 раз больше.
Кроме того (как уже было сказано, молоточек, наковальня и стремя
увеличивают мощность колебаний в три раза), благодаря среднему уху
давление на овальное окно превышает почти в 90 раз первоначальное
давление, действующее на барабанную перепонку. Это очень важно,
поскольку дальше звуковые волны распространяются уже 8 жидкости. Не будь
увеличения давления, звуковые волны вследствие эффекта отражения не
смогли бы проникнуть в жидкость. Молоточек, наковальня и стремя имеют
крошечные мышцы, которые обеспечивают защиту внутреннего уха от
повреждений при воздействии сильных шумов. Внезапные очень интенсивные
звуки могут разрушить этот защитный механизм и вызвать серьезные
повреждения уха.
Слуховой аппарат человека - необычайно сложный механизм. Особенно в той
части, которая начинается с так называемого овального окна - порога
внутреннего уха. Звуковые волны здесь уже распространяются в жидкости
(перилимфе), которой наполнена улитка. Этот орган внутреннего уха,
действительно напоминающим улитку, имеет длину три сантиметра и по всей
длине разделен перегородкой на две части. Звуковые волны, попавшие на
овальное окно улитки, доходят до перегородки, огибают ее и далее
распространяются почти к тому же самому месту, где они впервые коснулись
перегородки, но уже с другой стороны.
Перегородка улитки, по сути дела, состоит из основной мембраны, очень
тонкой и тугой вблизи овального окна, но становящейся толстой и вялой
ближе к <хвосту> улитки. Звуковые колебания создают на поверхности
основной мембраны волнообразную рябь, при этом гребни для каждой данной
частоты лежат в совершенно определенных участках мембраны.
Высокочастотные звуки создают максимум колебаний на том участке основной
мембраны, где она наиболее натянута, то есть вблизи овального окна,
низкочастотные же звуки - на хвостовую часть улитки, где основная
мембрана толстая и вялая. Этот механизм позволяет объяснить, как человек
выделяет тоны различной частоты.
Механические колебания преобразуются в электрические в специальном
органе (органе Корти), размещенном над верхней частью основной мембраны
и представляющем собой набор из 23,5 тысячи <мясистых> ячеек,
расположенных вдоль длины органа четырьмя рядами. Над органом Корти
находится похожая на заслонку текто-риальная мембрана. Оба эти органа
погружены в эндо-лимфу и отделены от остальной части улитки мембраной
Рейснера. Волоски, растущие из ячеек органа Корти, почти пронизывают
поверхность текториальной мембраны. Основная мембрана, на которой
находится орган Корти вместе со своими волосистыми ячейками, как бы
шарнирно подвешена на текториальной мембране. При деформации основной
мембраны между ними возникают касательные напряжения, которые изгибают
волоски, соединяющие две мембраны. Благодаря такому изгибу и происходит
окончательное преобразование звука - теперь он уже закодирован в виде
электрических сигналов. Изгибы волосков играют в некотором роде роль
пусковых механизмов для электрохимических реакций в ячейках. Они и
являются источниками электрических сигналов.
Что происходит далее со звуком и какую форму он приобретает, пока еще
остается до конца неразгаданной тайной. Известно только, что теперь звук
закодирован всплесками электрической активности, так как каждая
волосистая ячейка выделяет электрический импульс. Природа этого кода
тоже пока неизвестна. Расшифровка его усложняется тем, что волосистые
ячейки излучают электрические импульсы даже тогда, когда никакого звука
нет. Только разгадав этот код, можно будет попять истинную природу
субъективного звука, понять, как мы слышим то, что слышим.
Основные физические характеристики любого колебательного движения -
период и амплитуда колебания, а применительно к звуку - частота и
интенсивность колебаний.
Периодом колебания называется время, в течение которого совершается одно
полное колебание, когда, например, качающийся маятник из крайнего левого
положения переместится в крайнее правое и вернется в исходное положение.
Частота колебаний - это число полных колебаний (периодов) за одну
секунду. Эту величину в Международной системе единиц называют герц (Гц).
Частота - одна из основных характеристик, по которой мы различаем звуки.
Чем больше частота колебаний, тем более высокий звук мы слышим, то есть
звук имеет более высокий тон.
Нам, людям, доступны звуки, ограниченные следующими частотными
пределами: не ниже 15-20 герц и не выше 16-20 тысяч герц. Ниже этого
предела находится инфразвук (меньше 15 герц), а выше - ультразвук и
гиперзвук, то есть 1,5-10 4 - 10 9 герц и 10 9 -10 13 герц
соответственно.
Ухо человека наиболее чувствительно к звукам с частотой от 2000 до 5000
герц. Наибольшая острота слуха наблюдается в возрасте 15-20 лет. Затем
слух ухудшается. У человека до 40 лет наибольшая чувствительность
находится в области 3000 герц, от 40 до 60 лет - 2000 герц, а старше 60
лет- 1000 герц. В пределах до 500 герц человек различает повышение или
понижение частоты всего лишь на один герц. На более высоких частотах
люди менее восприимчивы к такому незначительному изменению частоты. Так,
например, при частоте более 2000 герц человеческое ухо способно отличить
один звук от другого только тогда, когда разница в частоте будет не
меньше 5 герц. При меньшей разнице звуки будут восприниматься как
одинаковые. Однако правил без исключений не бывает. Есть люди,
обладающие необычайно тонким слухом. Например, одаренный музыкант может
отреагировать на изменение даже на какую-то долю одного колебания.
С периодом и частотой 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 (или впадинами).
Звуки могут отличаться один от другого и по тембру?. Это значит, что
одинаковые звуки по высоте тона могут звучать по-разному, потому что
основной тон звука сопровождается, как правило, второстепенными тонами,
которые всегда выше по частоте. Они придают основному звуку
дополнительную окраску и называются обертонами. Иными словами, тембр -
качественная характеристика звука. Чем больше обертонов накладывается на
основной тон, тем <сочнее> звук в музыкальном отношении. Если основной
звук сопровождается близкими ему по высоте обертонами, то сам звук будет
мягким, <бархатным>. Когда же обертоны значительно выше основного тона,
появляется <металличность> в звуке или голосе.
Органы слуха благодаря своему замечательному устройству легко отличают
особенности одного колебания от другого, голос близкого или знакомого
человека от голосов других людей. По тому, как говорит человек, мы судим
о его настроении, состоянии, переживаниях. Радость, боль, гнев, испуг,
страх перед опасностью - все это можно услышать, даже не видя того, кому
принадлежит голос.
Вторая основная характеристика - амплитуда колебаний. Это наибольшее
отклонение от положений равновесия при гармонических колебаниях. На
примере с маятником амплитуда - максимальное отклонение его от положения
равновесия в крайнее правое или левое положение. Амплитуда колебаний,
так же как и частота, определяет интенсивность (силу) звука. При
распространении звуковых волн отдельные частицы упругой среды
последовательно смещаются. Это смещение передается от частицы к частице
с некоторым запозданием, величина которого зависит от инерционных
свойств среды. Передача смещений от частицы к частице сопровождается
изменением расстояния между этими частицами, в результате чего
происходит изменение давления в каждой точке среды.
Акустическая волна несет в направлении своего движения определенную
энергию. Благодаря этому мы слышим звук, создаваемый источником,
находящимся на определенном расстоянии от нас. Чем больше акустической
энергии достигает уха человека, тем громче слышится звук. Сила звука,
или ее интенсивность, определяется количеством акустической энергии,
протекающей за одну секунду через площадку в один квадратный.сантиметр.
Следовательно, интенсивность акустических волн зависит от величины
акустического давления, создаваемого источником звука в среде, которое,
в свою очередь, определяется величиной смещения частиц среды,
вызываемого источником. В воде, например, даже очень небольшие смещения
создают большую интенсивность/ звуковых волн.
Интенсивность обычных, воспринимаемых человеческим ухом звуков очень
мала. Громкому разговору, к примеру, соответствует интенсивность звука,
равная приблизительно одной миллиардной доле ватта на квадратный
сантиметр. Но так как площадь двух слуховых каналов ушей человека
приблизительно равна одному квадратному сантиметру, то мощность в одну
миллиардную долю ватта человек воспринимает как достаточно громкий звук.
Если бы мы захотели вскипятить чайник с водой, используя энергию
звуковой речи, превращенную в тепло без всяких потерь, то для этого
потребовалась бы энергия непрерывного громкого разговора всех жителей
Москвы в течение суток, в то время как на газовой плите такой чайник
закипает в течение 10 минут. А мощность, которая получилась бы при
одновременном крике всех людей земного шара, была бы в два раза меньше
мощности двигателя автомобиля <Жигули>.
С интенсивностью звука связана громкость. Чем больше интенсивность
звука, тем он громче. Однако понятия о громкости и интенсивности не
равнозначны. Громкость звука - это мера силы слухового ощущения,
вызываемого звуком. Звук одинаковой интенсивности может создавать у
различных людей неодинаковые по своей громкости слуховые восприятия.
Так, например, звуки, одинаковые по интенсивности, но различающиеся по
высоте, воспринимаются ухом с разной громкостью в зависимости от
особенностей слуховых восприятий. Мы не воспринимаем как очень слабые,
так и очень громкие звуки. Каждый человек обладает так называемым
порогом слышимости, который определяется наименьшей интенсивностью
звука, необходимой для того, чтобы звук был услышан.
Наиболее хорошо воспринимаемые звуки по частоте лучше различаются и по
громкости. При частоте 32 герца по громкости различаются три звука, при
частоте 125 герц - 94 звука, а при частоте 1000 герц - 374. Увеличение
это не беспредельно. Начиная с частоты 8000 герц, число различимых
звуков по громкости уменьшается. При частоте 16 000 герц человек может
различать только 16 звуков.
Звуки очень большой интенсивности человек перестает слышать и
воспринимает их как ощущение давления или боли. Такую силу звука
называют порогом болевого ощущения. Исследования показали, что
интенсивность, при которой звуки разной частоты вызывают болевое
ощущение, различна. Если силу звука увеличить в миллион раз, громкость
возрастает только в несколько сотен раз. Выяснилось, что ухо преобразует
силу звука в громкость по сложному логарифмическому закону, ограждая
свои внутренние части от чрезмерных воздействий.
Наиболее мощные звуки, с которыми большинству людей приходится
сталкиваться в своей повседневной жизни, вызывают либо раздражение, либо
даже боль в. ушах. Но если мощность звука, обусловливающего болезненное
ощущение в ушах, понизить в десять миллионов раз, то и такой звук
оказывается достаточно интенсивным, чтобы распространяться в воздухе.
Для измерения нашего субъективного восприятия звука используется
логарифмическая шкала. Когда мощность одного звука в 10 раз больше
мощности другого, то говорят, что интенсивность первого звука составляет
10 децибел по отношению ко второму, в 100 раз - 20 децибел, в 1000 раз -
30 децибел и т. д. Иными словами, всякий раз, когда отношение мощностей
звука увеличивается в 10 раз, интенсивность звука, выраженная в
децибелах, возрастает на 10. При таком подходе мы получаем не
абсолютную, а лишь относительную шкалу. Необходимо как-то выделить
уровень нулевой интенсивности, чтобы от него производить отсчет. Такой
уровень выбран на основе субъективных показателей - это минимальный
порог восприятия звука человеческим ухом, который равен 10 ~12 ватта на
квадратный метр. Звук в 10 раз более мощный имеет уровень интенсивности
10 децибел, в миллион раз - 60 децибел, в 10 миллион миллионов раз,
вызывающий болевое ощущение,- 130 децибел, что соответствует 10 ваттам
на квадратный метр.
Имеется еще одна особенность человеческого слуха. Если к звуку
определенной громкости добавить звук той же или близкой к ней частоты,
то общая громкость окажется меньше математической суммы тех же
громкостей. Одновременно звучащие звуки как бы компенсируют или
маскируют друг друга. А звуки, далеко отстоящие по частоте, не влияют
друг на друга, и их громкость оказывается максимальной. Эту
закономерность композиторы используют для достижения наибольшей мощности
звучания оркестра.
С точки зрения восприятия органами слуха звуков их можно разделить в
основном на три категории: шум, музыка, речь. Такое разделение оправдано
не только нашей привычкой к классификации явлений и предметов. Шум,
музыка и речь - разные области звуковых событий,^ обладающие
специфической для человека информацией. Потому-то они и изучаются
разными специалистами.
Шум - бессистемное сочетание большого количества звуков, когда все эти
звуки сливаются в нечто хаотическое, нестройное. Каждый из нас
достаточно хорошо знаком с этим не всегда приятным явлением. Даже когда
мы, занятые своими мыслями, не замечаем будто бы шума, он оказывает на
нас свое воздействие, как правило, отрицательное. Час, другой, и мы
чувствуем, что начинает побаливать голова, появляется слабость.
Причем нам иногда кажется, что все это происходит вроде бы беспричинно.
Только уж если шум мешает нам основательно, действует на нас
раздражающе, мы твердо знаем, что голова заболела от него.
Сейчас специалисты считают борьбу с шумом в городах и особенно на
промышленных предприятиях одной из важнейших проблем. Речь идет,
конечно, не о том, чтобы всюду стояла абсолютная тишина. Да она просто и
не достижима в условиях современного города и современного производства.
Более того, человек не может жить в абсолютной тишине и никогда не
стремится к ней. Не случайно безмолвие сурдокамер - одно из не-^ легких
испытаний для тех, кто готовится к космическим полетам. Человек, долго
находящийся в абсолютной тишине, испытывает <информационный голод>,
который может привести к расстройству психики. Словом, длительная
абсолютная тишина так же пагубна для психики, как и беспрерывный
повышенный шум. Оба эти состояния противоестественны для человека,
который за миллионы лет эволюции приспособился к определенному шумовому
фону - разнообразным и ненавязчивым звукам природы.
Наблюдения за состоянием здоровья рабочих шумных цехов показали, что под
действием шума нарушается динамика центральной нервной системы и функции
вегетативной нервной системы. Проще говоря, шум может повышать давление
крови, учащать или замедлять пульс, понижать кислотность желудочного
сока, кровообращение мозга, ослаблять память, снижать остроту слуха. У
рабочих шумных производств отмечается боле* высокий процент заболеваний
нервной и сосудистой систем, желудочно-кишечного тракта.
Одна из причин отрицательного воздействия шумов е том, что, когда мы
сосредоточиваемся, чтобы лучше слышать, наш слуховой аппарат работает с
большой перегрузкой. Одноразовая перегрузка не страшна, но когд мы
перенапрягаемся изо дня в день, из года в год, бесследно это не
проходит.
Какое количество и какого именно шума может вы держать человек, зависит
от возраста. Молодые, как правило, выдерживают больше шума, чем пожилые,
грохот оркестра или пронзительное пение, которое нра вится подростку,
может совершенно вывести из себя человека в возрасте. Как же врачи и
специалисты по акустике определяют уровень шума? Для измерения
интенсивности звука в слуховом восприятии принята международная шкала
громкости, разделенная на 13 бел, или 130 децибел. По этой шкале нулю
соответствует порог слышимости, 10 децибел - шепот низкой громкости, 20
децибел - шепот средней громкости, 40 децибел - тихий разговор, 50
децибел - разговор средней громкости, 70 децибел - шум пишущей машинки,
80 децибел - шум работающего двигателя грузового автомобиля, 100 децибел
- громкий автомобильный сигнал на расстоянии 5-7 метров, 120 децибел -
шум работающего трактора на расстоянии одного метра и, наконец, 130
децибел - порог болевого ощущения, то есть порог выносливости уха.
Установлено, что максимальные величины, будто не влияющие на организм,
равны 30-35 децибелам, однако при длительном воздействии такого шума у
практически здоровых людей может дать <сбой> нервная система, что
выражается, как правило, нарушением сна.
Медики настойчиво продолжают исследовать влияние шума на здоровье
человека. Они, например, установили, что при повышении шума
увеличивается выделение адреналина. Адреналин в свою очередь влияет на
работу сердца и, в частности, способствует выделению свободных жирных
кислот в кровь. Для этого достаточно человеку кратковременно находиться
под воздействием шума интенсивностью 60-70 децибел. Шум более 90 децибел
способствует более активному выделению кортизона. А это в определенной
степени ослабляет способность печени бороться с вредными для организма
веществами, в том числе и с теми, которые способствуют возникновению
рака.
Оказалось, что шум вреден также и для зрения человека. К такому выводу
пришла группа болгарских врачей, исследовавших эту проблему.
Специалисты, участвовавшие в опытах, по нескольку*часов находились в
затемненных камерах, куда постоянно транслировался записанный на
магнитофонную пленку шум от работы станков и механизмов. При этом было
установлено, что заметно уменьшается активность сетчатки глаза, от
которой зависит работа глазных нервов, а следовательно, острота зрения.
Итак, шум - очень неблагоприятное явление для человека, он заметно
снижает производи-1ьность умственного и физического труда. Невозможно
перечислить все техногенные источники шума, от которого требуется
активная защита. Но если иметь в виду уличный шум современного большого
города, то его основной источник установить не столь уж трудно - это
транспорт, особенно неумолчно урчащие, а то просто ревущие автомобили. В
некоторых крупных городах мира шум в дневное время достигает 120-130
децибел. В Западной Европе есть города, где в течение нескольких лет
жители не могут днем работать, а ночью спать - над их домами непрерывно
проносятся реактивные самолеты.
Возникает вопрос, можно ли бороться с шумами и как?
В Советском Союзе борьбе с шумом, улучшению акустических условий
оказывается повсеместное внимание. Самолетам, как правило, запрещено
летать над городами. Шумные предприятия либо изолируют от жилых районов
зелеными насаждениями, либо стараются и* вывести за городскую черту. В
новых районах строят широкие проспекты, где звуки больше поглощаются, не
отражаясь многократно от стен домов. В населенных пунктах запрещены
звуковые сигналы всех видов транспорта (исключения оговариваются
правилами дорожного движения).
Растения - хороший гаситель шума. Деревья и кустарники снижают шум на 5,
10, а иногда и на 20 деци бел. Безусловно, что эффективность зеленых
насаждений зависит от их планировки и пород деревьев. Эффективны зеленые
полосы между тротуаром и мостовой. На широких улицах со значительным
движением транспорта рекомендуется создавать рядом с тротуарами аллеи
шириной 10-12 метров. Лучше всего гасят шум липы цели.
Ели поглощают уличный шум в такой степени, что жители домов, находящихся
позади такого хвойного за слона, едва ли не полностью избавляются от
раздражающих шумов улицы большого города.
Специалисты, работающие в лаборатории строитель ной акустики Московского
научноисследовательского института типового и экспериментального
проектирования /МНИИТЭП/, предложили так называемые шумозащитные окна
для жилых помещений. Они обеспечиваю снижение шума в квартирах на 44
децибела (обычно окно снижает уличный шум всего примерно на 22
децибела). Окна снабжены клапанами-глушителями, благодаря которым
обеспечивается доступ свежего воздуха в помещение без существенного
ухудшения противошумовой защиты.
На промышленных предприятиях тоже ведется настойчивая борьба с шумом.
Для этого применяются индивидуальные средства защиты - <противошумы> и
<антифоны> различной конструкции, снижающие на 30-50 процентов уровень
высококачественного шума. Более эффективный путь к уменьшению шума -
использование разнообразных средств звукоизоляции, звукопоглощающих
покрытий.
Хороший почин в борьбе с шумом сделан на Ермолинском хлопчатобумажном
объединении. Наступление на децибелы началось здесь несколько лет назад.
Сотрудники Института гигиены труда и профзаболеваний АМН СССР предложили
использовать звукопоглощающие подвесные плиты - кулисы. Немало пришлось
поработать ученым-гигиенистам вместе с инженерами, чтобы стали
максимально эффективными эти акустические ловушки. На первых порах,
например, стены облицовывали плоскими плитами. Затем стали их делать
волнистыми, что дало еще больший эффект, нашли оптимальный вариант
размещения кулис. Результат налицо - уровень шума снижен более чем
вдвое, производительность труда повысилась, а заболеваемость ткачих
уменьшилась на 30 процентов. Ермолинский вариант борьбы с шумом взят на
вооружение московским шелковым комбинатом имени Розы Люксембург <Красная
Роза>, столичной ткацкой фабрикой <Красные текстильщики>, Раменским
текстильным комбинатом и др.
Еще один путь борьбы с шумом - это замена физически изношенной и
морально устаревшей техники более совершенной. Можно также применить
хорошо организованный и высококачественный ремонт и модернизацию
промышленного оборудования и другие меры.
Можно быть уверенным, что проблема борьбы с промышленными шумами будет в
конце концов решена, ибо этого требуют социальные и экономические
интересы общества.
Нормативно-технической основой комплексного решения этой проблемы
является стандартизация, целенаправленная и планомерная деятельность,
призванная стРого регламентировать все факторы, так или иначе
порождающие шум, и установить методы и способы защиты от него. Именно
этим занимаются специалисты стран - членов Совета Экономической
Взаимопомощи, они разрабатывают стандарты тишины на производстве и в
быту. При этом обязательно учитывается опыт, накопленный в той или иной
стране, в той или иной отрасли народного хозяйства. Каждый стандарт СЭВ
представляет собой синтез опыта и современных научных достижений и
целиком ориентирован на использование прогрессивной техники и
технологии.
Венгерские специалисты разработали стандарт <Допустимые уровни звукового
давления в жилых и общественных зданиях>. Этот документ устанавливает
ряд акустических пределов, благодаря которым понятие тишины обретает
количественное выражение. Так, напри-! мер, тишина в квартире, по мнению
медиков, участвовавших в разработке стандарта,- это 40 децибел днем и 30
децибел ночью. Для сравнения: 25 децибел дает шелест листвы на умеренном
ветру, 30 децибел - тиканье часов на расстоянии 1 метра, 75-80 децибел -
шум на улице небольшого города.
Ведется работа над стандартом, который установит1 предельно допустимый
уровень шума в районе жилищных застроек, местах отдыха и детских игр.
Нормы, заложенные в этот стандарт, будут обязательны для проектировщиков
и строителей.
Разумеется, чтобы эффективно бороться с шумом; надо уметь его измерять.
Но не только, нужны еще единые методы измерения и оценки. Именно это
предполагается обосновать новым стандартом СЭВ на методы измерения
шумов, создаваемых транспортными потоками] на улицах больших городов.
При СЭВ есть постоянная комиссия с рабочей груп-1 пой по охране труда,
она координирует работу по стандартизации, ведущуюся в странах СЭВ. В
1976 году были утверждены технические нормы, ограничивающие шум на
предприятиях текстильной промышленности, гд как известно, работают
преимущественно женщины.
Средства и методы защиты от шума классифицирует стандарт, разработанный
советскими специалистам Л стандарт, содержащий общие требования к метода
измерения шума, создали специалисты ЧССР. Специалисты ГДР обосновали
стандарт СЭВ <Допустимые уро ни шума на рабочих местах>, согласно
которому уровень шума отныне не должен превышать 85 децибел. Конечно,
это еще далеко не идеальные условия, о которых мечтают гигиенисты, тем
не менее и снижение производственного шума до этого уровня на всех без
исключения предприятиях привело бы к значительному оздоровлению условий
труда.
Работа по стандартизации, имеющей целью борьбу с шумом, продолжается.
Так, постоянная комиссия СЭВ возложила на специалистов СССР разработку
проекта долгосрочной программы, направленной на всестороннюю защиту
человека от вредного воздействия шума.
При слове <музыка> мы тотчас представляем себе вид искусства,
специфически - с помощью звуковых художественных образов - отражающего
действительность и столь же специфически воздействующего на людей - на
их психику и эмоции.
К тому, что музыка - это многообразный мир особым образом организованных
звуков, благодаря чему она способна выражать с достаточной полнотой
эмоциональные переживания людей, их душевное состояние, мы давно
привыкли. При этом как-то забывается, что к ней применимы все те
характеристики, которые установлены и измерены физиками при изучении
звуков вообще. Приложимы, однако, с учетом ее особенностей, потому-то
она является объектом изучения не акустики вообще, а музыкальной
акустики - науки, родившейся на стыке акустики, музыковедения,
психологии и физиологии. Ведь музыкальный язык - это, можно сказать,
очеловеченный звук и по своему происхождению, и по своему назначению.
Но еще с большим правом то же самое мы можем сказать о звуках, из
которых складывается наш язык, неразрывно связанный, с мышлением,
сознанием.
Таким образом, шум, музыка, звуковая речь - это как бы ступени лестницы,
ведущей ко все большей и большей организованности, упорядоченности в
мире звуков, ко все большей их информативности.
"Звук, ультразвук, инфразвук"
Многих из нас иногда интересует простой физиологический вопрос, касающийся того, как мы слышим. Давайте рассмотрим, из чего же состоит наш орган слуха и как происходит его работа.
Прежде всего, отметим, что слуховой анализатор имеет четыре части:
- Наружное ухо. К нему относят слуховой привод, ушную раковину, а также барабанную перепонку. Последняя служит для изоляции внутреннего конца слухового провода от окружающей среды. Что касается слухового прохода, то он имеет совершенно изогнутую форму длиной около 2,5 сантиметров. На поверхности слухового прохода имеются железы, а также она покрыта волосками. Именно эти железы и выделяют ушную серу, которую мы вычищаем по утрам. Также слуховой проход необходим для поддержания необходимой влажности и температуры внутри уха.
- Среднее ухо. Та составляющая слухового анализатора, которая находится за барабанной перепонкой и заполнена воздухом, называется средним ухом. Оно соединяется при помощи евстахиевой трубы с носоглоткой. Евстахиева труба представляет собой достаточно узкий хрящевой канал, который в обычном состоянии закрыт. Когда мы совершаем глотательные движения, он открывается и через него в полость поступает воздух. Внутри среднего уха расположены три маленькие слуховые косточки: наковальня, молоточек и стремя. Молоточек при помощи одного конца соединяется со стременем, а оно уже с литкой во внутреннем ухе. Под действием звуков барабанная перепонка находится в постоянном движении, а слуховые косточки уже дальше передают её колебания внутрь. Она является одним из важнейших элементов, которое необходимо изучить при рассмотрении того, какое строение уха человека
- Внутреннее ухо. В этой части слухового ансамбля имеется сразу несколько структур, однако слух контролирует только одна из них – улитка. Такое название она получила из-за своей спиральной формы. Она имеет три канала, которые заполнены лимфатическими жидкостями. В среднем канале жидкость значительно отличается по составу от остальных. Тот орган, который отвечает за слух, называется Кортиев орган и расположен в среднем канале. Он состоит из несколько тысяч волосков, улавливающих колебания, которые создаёт жидкость, движущаяся по каналу. Здесь же генерируются электрические импульсы, передающиеся затем в кору головного мозга. Определенная волосковая клетка реагирует на особый вид звука. Если же происходит так, что волосковая клетка гибнет, то человек перестаёт воспринимать тот или иной звук. Также для того, чтобы понять, как человек слышит, следует рассмотреть еще и слуховые проводящие пути.
Слуховые пути
Ими являются совокупность волокон, которые проводят нервные импульсы от самой улитки и до слуховых центров вашей головы. Именно благодаря путям наш мозг воспринимает тот или иной звук. Находятся слуховые центры в височных долях мозга. Звук, который проходит через внешнее ухо к головному мозгу продолжается около десяти миллисекунд.
Как мы воспринимаем звук
Человеческое ухо перерабатывает получаемые из окружающей среды звуки в специальные механические колебания, которые потом преобразовывают движения жидкости в улитке в электрические импульсы. Они по путям центральной слуховой системы переходят в височные части мозга, чтобы затем быть распознанными и обработанными. Теперь уже промежуточные узлы и сам головной мозг извлекает некую информацию относительно громкости и высоты звучания, а также друге характеристики, такие как время улавливания звука, направление звука и другие. Таким образом, мозг может воспринимать полученную информацию от каждого уха по очереди или совместно, получая единое ощущение.
Известно, что внутри нашего уха хранятся некие «шаблоны» уже изученных звуков, которые наш мозг распознал. Именно они помогают мозгу правильно сортировать и определять первоисточник информации. Если звук снижается, то мозг соответственно начинает получать неправильную информацию, что может привести к неправильному толкованию звуков. Но не только звуки могут искажаться, со временем головной мозг тоже подвергается неправильной трактовке тех или иных звуков. Результатом может оказаться неправильная реакция человека или неверная трактовка информации. Чтобы правильно слышать и достоверно трактовать услышанное, нам понадобится синхронная работа, как мозга, так и слухового анализатора. Именно поэтому можно отметить, что человек слышит не только ушами, но и головным мозгом.
Таким образом, строение уха человека достаточно сложное. Только согласованная работа всех частей органа слуха и головного мозга позволит нам правильно понимать и трактовать услышанное.
Прежде чем перейти к ознакомлению с устройством радиоприемников, усилителей и других приборов, применяемых при радиовещании и радиосвязи, необходимо уяснить, что такое звук, как он возникает и распространяется, как устроены и работают микрофоны, познакомиться с устройством и работой громкоговорителей.
Звуковые колебания и волны. Если ударить по струне какого-либо музыкального инструмента (например, гитары, балалайки), то она начнет колебаться, т. е. совершать движения то в одну, то в другую сторону от своего начального положения (положения покоя). Такие механические колебания, вызывающие ощущение звука, называются звуковыми.
Наибольшее расстояние, на которое струна отклоняется в процессе колебаний от своего положения покоя, носит название амплитуды колебаний.
Передача звука от колеблющейся струны до нашего уха происходит следующим образом. В то время, когда средняя часть струны перемещается в сторону, где мы находимся, она «теснит» «находящиеся около нее с этой стороны частицы воздуха и этим создает «сгущение» этих частиц, т. е. около струны возникает область повышенного воздушного давления. Это увеличенное в некотором объеме воздуха давление передается соседним его слоям; в результате область «сгущенного» воздуха распространяется в окружающем пространстве. В следующий момент времени, когда средняя часть струны перемещается в обратную сторону, около нее возникает некоторое «разрежение» воздуха (область пониженного давления), которое распространяется вслед за областью «сгущенного» воздуха.
За «разрежением» воздуха следует опять «сгущение» (так как средняя часть струны опять будет двигаться в нашу сторону) и т. д. Таким образом, при каждом колебании (движении вперед и назад) струны в воздухе возникнут область повышенного давления и область пониженного давления, которые удаляются от струны.
Подобным же образом звуковые волны создаются при работе громкоговорителя.
Звуковые волны несут в себе энергию, полученную от колеблющейся струны или диффузора (бумажного конуса) громкоговорителя, и распространяются в воздухе со скоростью около 340 м/сек. Когда звуковые волны достигают уха, они приводят в колебание его барабанную перепонку. В тот момент, когда уха достигает область «сгущения» звуковой волны, барабанная перепонка несколько прогибается внутрь. Когда же до нее доходит область «разрежения» звуковой волны, барабанная перепонка выгибается несколько наружу. Так как сгущения и разрежения в звуковых волнах следуют все время друг за другом, то и барабанная перепонка то прогибается внутрь, то выгибается наружу, т. е. совершает колебания. Эти колебания передаются через сложную систему среднего и внутреннего уха по слуховому нерву в мозг, и в результате мы ощущаем звук.
Чем больше амплитуда колебаний струны и ближе к ней находится ухо, тем более громким воспринимается звук.
Динамический диапазон. При очень больших давлениях на барабанную перепонку, т. е. при очень громких звуках (например, при пушечном выстреле), ощущается боль в ушах. На средних звуковых частотах (см. ниже) болевое ощущение возникает, когда звуковое давление достигает величины примерно 1 г/см2, или 1 000 бар *. Увеличение ощущения громкости при дальнейшем усилении звукового давления уже не чувствуется.
*Бар — единица, применяемая для измерения величины звукового давления.
Очень слабое звуковое давление на барабанную перепонку не вызывает ощущения звука. Наименьшее звуковое давление, ‘при котором наше ухо начинает слышать, называется порогом чувствительности уха. На средних частотах (см. ниже) порог чувствительности уха составляет примерно 0,0002 бара.
Таким образом, область нормального ощущения звука лежит между двумя границами: нижней — порогом чувствительности и верхней, при которой возникает болевое ощущение в ушах. Эта область носит название динамического диапазона слуха.
Отметим, что увеличение звукового давления не дает пропорционального увеличения громкости звука. Ощущение громкости возрастает гораздо медленнее, чем звуковое давление.
Децибелы. В пределах динамического диапазона ухо может почувствовать увеличение «или уменьшение громкости простого однотонного звука (при слушании его в полной тишине), если звуковое давление на средних частотах соответственно увеличивается или уменьшается примерно на 12%, т. е. в 1,12 раза. Исходя из этого, весь динамический диапазон слуха разбит на 120 уровней громкости, подобно тому, как шкала термометра между точками таяния льда и кипения воды разделена на 100 градусов. Уровни громкости по этой шкале измеряются в особых единицах— децибелах (сокращенно пишут дб).
В любой части этой шкалы изменение уровня громкости на 1 дб соответствует изменению звукового давления в 1,12 раза. Нуль децибел («нулевой» уровень громкости) соответствует порогу чувствительности уха, т. е. звуковому давлению 0,0002 бара. При уровне свыше 120 дб возникает болевое ощущение в ушах.
Для примера укажем, что при тихом разговоре на расстояни 1 м от говорящего получается уровень громкости около 40—50 дб, что соответствует эффективному звуковому давлению 0,02—0,06 бара; наибольший уровень громкости звучания симфонического оркестра составляет 90— 95 дб (звуковое давление 7—12 бар).
При пользовании радиоприемниками радиослушатели, применяясь к размерам своих комнат, звучание громкоговорителя регулируют так, что при самых громких звуках на расстоянии 1 м от громкоговорителя получается уровень громкости 75—85 дб (соответственно звуковые давления примерно 1—3,5 бара). В условиях сельских местностей вполне достаточно иметь максимальный уровень громкости звучания радиопередачи не свыше 80 дб (звуковое давление 2 бара).
Шкалой децибел в радиотехнике широко пользуются также для сравнения уровней громкости. Чтобы узнать, во сколько раз одно звуковое давление больше другого, когда известна разница между соответствующими им уровнями громкости в децибелах, нужно число 1,12 умножить само на себя столько раз, сколько мы имеем децибел. Так, изменение уровня громкости на 2 (56 соответствует изменению звукового давления в 1,12 . 1,12, т. е. примерно в 1,25 раза; изменение уровня на 3 дб имеет место при изменении звукового давления в 1,12- 1,12 . 1,12, т. е. приблизительно в 1,4 раза. Подобным же образом можно определить, что 6 дб соответствуют изменению звукового давления примерно в 2 раза, 10 дб—приблизительно <в 3 раза, 20 дб — в 10 раз, 40 дб — в 100 раз и т. д.
Период и частота колебаний. Звуковые колебания характеризуются не только амплитудой, но также периодом и частотой. Периодом колебания называется время, в течение которого струна (или любое другое тело, создающее звук, например диффузор громкоговорителя) перемещается из одного крайнего положения в другое и обратно, т. е. совершает одно полное колебание.
Частотой звуковых колебаний называется число колебаний звучащего тела, совершаемых в течение 1 сек. Она измеряется в герцах (сокращенно пишут гц).
Если например, за 1 сек. (происходит 440 периодов колебаний струны (эта частота соответствует музыкальной ноте ля), то говорят, что она колеблется с частотой 440 гц. Частота и период колебаний являются величинами, обратными друг другу, например при частоте колебаний 440 гц период колебаний равен 1/440 сек.; если период колебания равен 1/1 000 сек., то частота этих колебаний 1000 гц.
Полоса звуковых частот. От частоты колебаний зависит высота звука или тона. Чем больше частота колебаний, тем выше звук (тон), а чем меньше частота колебаний, тем он ниже. Самый низкий звук, который может услышать человек, имеет частоту около 20 гц, а самый высокий—около 16 000—20 000 гц. В этих пределах или, как говорят, в этой полосе частот находятся создаваемые человеческими голосами и музыкальными инструментами звуковые колебания.
Заметим, что речь и музыка, а также разного рода шумы представляют собой звуковые колебания с очень сложней комбинацией различных частот (тонов различной высоты), непрерывно изменяющейся в процессе разговора или музыкального исполнения.
Гармоники. Звук, воспринимаемый ухом как тон одной определенной высоты (например, звук струны музыкального инструмента, свисток паровоза), на самом деле состоит из многих разных тонов, частоты которых относятся друг к другу как целые числа (один -к двум, один к трем и т. д.). Так, например, тон с частотой 440 гц (нота ля) одновременно сопровождается дополнительными тонами с частотами 440 . 2 = 880 гц, 440 -3=1 320 гц и т. д. Эти дополнительные частоты называются гармониками (или обертонами). Число показывающее, во сколько- раз частота данной гармоники больше основной частоты называется номером гармоники. Например, для основной частоты 440 гц частота 880 гц будет второй гармоникой, частота 1 320 гц — третьей и т. д. Гармоники всегда звучат слабее основного тона.
Наличием гармоник и соотношением амплитуд различных гармоник обусловливается тембр звука, т. е. его «окраска», отличающая данный звук от другого звука с той же основной частотой. Так, если наиболее сильной будет третья гармоника, звук приобретает один тембр. Если же наиболее сильной будет какая-либо другая гармоника, звук будет иметь другой тембр. Изменение силы звучания различных гармоник приводит к изменению или искажению тембра звука.
В. Н. ДОГАДИН и Р. М. МАЛИНИН
КНИГА СЕЛЬСКОГО РАДИОЛЮБИТЕЛЯ
Голос матери, щебетанье птиц, шелест листвы, лязг машин, раскаты грома, музыка... Человек погружается в океан звуков буквально с первых минут жизни. Звуки заставляют нас волноваться, радоваться, тревожиться, наполняют спокойствием или страхом. А ведь все это не более чем колебания воздуха, звуковые волны, которые, попадая через наружный слуховой проход на барабанную перепонку, вызывают ее колебания. Через систему расположенных в среднем ухе слуховых косточек (молоточек, наковальню и стремечко) звуковые колебания передаются далее во внутреннее ухо, по форме напоминающее раковину виноградной улитки.
Улитка представляет собой сложную гидромеханическую систему. Это тонкостенная костная трубка конической формы, закрученная в спираль. Полость трубки заполнена жидкостью и по всей длине разделена особой многослойной перегородкой. Одним из слоев этой перегородки является так называемая базилярная мембрана, на которой и расположен собственно рецепторный аппарат - кортиев орган. В рецепторных волосковых клетках (поверхность их покрыта мельчайшими протоплазматическими выростами в виде волосков) и происходит удивительный, до конца еще не изученный процесс преобразования физической энергии звуковых колебаний в возбуждение этих клеток. Дальше информация о звуке в виде нервных импульсов по волокнам слухового нерва, чувствительные окончания которого подходят к волосковым клеткам, передается в слуховые центры головного мозга.
Существует и другой путь, по которому звук, минуя наружное и среднее ухо, достигает улитки - непосредственно через кости черепа. Но интенсивность воспринимаемого звука в этом случае значительно меньше, чем при воздушном звукопроведении (отчасти это объясняется тем, что при прохождении через кости черепа энергия звуковых колебаний затухает). Поэтому значение костной звукопроводимости у здорового человека относительно невелико. 
Однако способность воспринимать звуки двойным путем используется в диагностике нарушений слуха: если в ходе обследования выясняется, что восприятие звуков путем воздушного звукопроведения нарушено, а путем костного полностью сохранено, врач может сделать вывод, что пострадал только звукопроводящий аппарат среднего уха, звуковосприни-мающий же аппарат улитки не поврежден. В таком случае костное звукопроведение и оказывается своего рода «палочкой-выручалочкой»: больной может пользоваться слуховым аппаратом, от которого звуковые колебания прямо через кости черепа передаются кортиеву органу.
Улитка не только воспринимает звук и трансформирует его в энергию возбуждения рецепторных клеток, но, что не менее важно, осуществляет начальные этапы анализа звуковых колебаний, в частности частотный анализ.
Такой анализ можно провести с помощью технических приборов - частотных анализаторов. Улитка делает это гораздо быстрее и, естественно, на другой «технической базе». 
По ходу канала улитки, в направлении от овального окна к ее" вершине постепенно увеличивается ширина перегородки и уменьшается ее жесткость. Поэтому различные участки перегородки резонируют на звуки разных частот: при действии звуков высокой частоты максимальная амплитуда колебаний наблюдается у основания улитки, вблизи овального окна, а низкочастотным звукам соответствует зона максимального резонанса у вершины. Звуки определенной частоты имеют свое преимущественное представительство в определенной части улитковой перегородки и, следовательно, воздействуют только на те нервные волокна, которые связаны с волосковыми клетками возбужденной области кортиева органа. Поэтому каждое нервное волокно реагирует на ограниченный диапазон частот; такой способ анализа получил название пространственного, или по принципу места. 
Помимо пространственного, имеется еще и временной, когда частота звука воспроизводится и в реакции рецепторных клеток и до известного предела в реакции волокон слухового нерва. Оказалось, что волосковые клетки обладают свойствами микрофона: они преобразуют энергию звуковых колебаний в электрические колебания той же частоты (так называемый микрофонный эффект улитки). Предполагается, что существуют два способа передачи возбуждения от во-лосковой клетки на нервное волокно. Первый, электрический, когда электрический ток, возникший в результате микрофонного эффекта, непосредственно вызывает возбуждение нервного волокна. И второй, химический, когда возбуждение волосковой клетки передается на волокно с помощью вещества-передатчика, то есть медиатора. Временной и пространственный способы анализа в совокупности обеспечивают хорошее различение звуков по частоте.
Итак, информация о звуке передана волокну слухового нерва, но высшего слухового центра, расположенного в височной доле коры большйх полушарий, она достигает не сразу. Центральная, находящаяся в мозгу, часть слуховой системы состоит из нескольких центров, каждый из которых насчитывает сотни тысяч и миллионы нейронов. В этих центрах существует своеобразная иерархия, и при переходе от нижних к верхним реакция нейронов На звук изменяется.
На нижних уровнях центральной части слуховой системы, в слуховых центрах продолговатого мозга, импульсная реакция нейронов на звук хорошо отражает его физические свойства: длительность реакции точно соответствует длительности сигнала; чем больше интенсивность звука, тем больше (до определенного предела) число и частота импульсов и тем больше число нейронов, вовлекаемых в реакцию, и т. д.
При переходе от нижних слуховых центров к верхним постепенно, но неуклонно снижается импульсная активность нейронов. Создается впечатление, что нейроны, составляющие верхушку в иерархии, трудятся гораздо меньше, чем нейроны нижних центров.
И действительно, если у подопытного животного удалить высший слуховой анализатор, почти не нарушается ни абсолютная слуховая чувствительность, то есть способность обнаружения предельно слабых звуков, ни способность к различению звуков по частоте, интенсивности и длительности.
В чем же в таком случае состоит роль верхних центров слуховой системы?
Оказывается, нейроны высших слуховых центров в отличие от нижних работают по принципу избирательности, то есть реагируют лишь на звуки с определенными свойствами. При этом характерно, что они могут откликаться только на сложные звуки, например, на звуки, изменяющиеся во времени по частоте, на движущиеся звуки или только на отдельные слова и звуки речи. Эти факты дают основание говорить о специализированной избирательной реакции нейронов высших слуховых центров на сложные звуковые сигналы.
И это очень важно. Ведь избирательная реакция этих нейронов проявляется по отношению к таким звукам, которые биологически ценны. Для человека это прежде всего звуки речи. Биологически важный звук как бы экстрагируется из лавины окружающих звуков и обнаруживается специализированными нейронами даже при очень слабой его интенсивности и на линии звуковых помех. Именно благодаря этому мы можем различить, к примеру, в грохоте сталепрокатного цеха слова, сказанные собеседником.
Специализированные нейроны обнаруживают свой звук даже в том случае, если изменяются его физические свойства. Какое-либо слово, произнесенное мужским, или женским, или детским голосом, громко или тихо, быстро или медленно, всегда воспринимается как одно и то же слово.
Ученых интересовал вопрос, каким образом достигается высокая избирательность нейронов высших центров. Известно, что нейроны способны реагировать на раздражение не только возбуждением, то есть потоком нервных импульсов, но и торможением - подавлением способности генерировать импульсы. Благодаря процессу торможения ограничивается круг сигналов, на которые нейрон дает реакцию возбуждения. Характерно, что тормозные процессы особенно хорошо выражены именно в верхних центрах слуховой системы. Как известно, процессы торможения и возбуждения требуют затраты энергии. Поэтому никак нельзя считать, что нейроны верхних центров бездельничают; они интенсивно работают, только работа у них иная, чем у нейронов нижних слуховых центров.
А что же происходит с потоками нервных импульсов, идущими от нижних слуховых центров? Как используется эта информация, если высшие центры ее отвергают?
Во-первых, отвергают не всю информацию, а лишь какую-то ее часть. Во-вторых, импульсы от нижних центров идут не только к верхним, они поступают и к двигательным центрам мозга и к так называемым неспецифическим системам, которые имеют непосредственное отношение к организации различных элементов поведения (позы, движения, внимания) и эмоциональных состояний (контактности, агрессии). Эти системы мозга осуществляют свою деятельность на основе интеграции той информации о внешнем мире, которая поступает к ним по разным сенсорным каналам.
Такова в общих чертах сложная и далеко не полностью изученная картина работы слуховой системы. Сегодня многое известно о процессах, происходящих при восприятии звуков, и, как видите, специалисты в значительной степени могут ответить на вопрос, вынесенный в заглавие, «Как мы слышим?». Но пока еще нельзя объяснить, почему одни звуки нам приятны, а другие неприятны, почему одна и та же музыка одному человеку нравится, а другому нет, почему одни физические свойства звуков речи воспринимаются нами как приветливые интонации, а другие как грубые. Эти и другие проблемы решают исследователи одной из интереснейших областей физиологии
Я. Альтман, Е. Радионова, доктор медицинских наук, доктор биологических наук
Слуховая система человека – сложный и вместе с тем очень интересно устроенный механизм. Чтобы более ясно представить себе, что для нас есть звук, нужно разобраться с тем, что и как мы слышим.
В анатомии ухо человека принято делить на три составные части: наружное ухо, среднее ухо и внутреннее ухо. К наружному уху относится ушная раковина, помогающая сконцентрировать звуковые колебания, и наружный слуховой канал. Звуковая волна, попадая в ушную раковину, проходит дальше, по слуховому каналу (его длина составляет около 3 см, а диаметр - около 0.5) и попадает в среднее ухо, где ударяется о барабанную перепонку, представляющую собой тонкою полупрозрачную мембрану. Барабанная перепонка преобразует звуковую волну в вибрации (усиливая эффект от слабой звуковой волны и ослабляя от сильной). Эти вибрации передаются по присоединенным к барабанной перепонке косточкам - молоточку, наковальне и стремечку – во внутреннее ухо, представляющее собой завитую трубку с жидкостью диаметром около 0.2 мм и длинной около 4 см. Эта трубка называется улиткой. Внутри улитки находится еще одна мембрана, называемая базилярной, которая напоминает струну длиной 32 мм, вдоль которой располагаются чувствительные клетки (более 20 тысяч волокон). Толщина струны в начале улитки и у ее вершины различна. В результате такого строения мембрана резонирует разными своими частями в ответ на звуковые колебания разной высоты. Так, высокочастотный звук затрагивает нервные окончания, располагающиеся в начале улитки, а звуковые колебания низкой частоты – окончания в ее вершине. Механизм распознавания частоты звуковых колебаний достаточно сложен. В целом он заключается в анализе месторасположения затронутых колебаниями нервных окончаний, а также в анализе частоты импульсов, поступающих в мозг от нервных окончаний.
Существует целая наука, изучающая психологические и физиологические особенности восприятия звука человеком. Эта наука называется психоакустикой . В последние несколько десятков лет психоакустика стала одной из наиболее важных отраслей в области звуковых технологий, поскольку в основном именно благодаря знаниям в области психоакустики современные звуковые технологии получили свое развитие. Давайте рассмотрим самые основные факты, установленные психоакустикой.
Основную информацию о звуковых колебаниях мозг получает в области до 4 кГц. Этот факт оказывается вполне логичным, если учесть, что все основные жизненно необходимые человеку звуки находятся именно в этой спектральной полосе, до 4 кГц (голоса других людей и животных, шум воды, ветра и проч.). Частоты выше 4 кГц являются для человека лишь вспомогательными, что подтверждается многими опытами. В целом, принято считать, что низкие частоты «ответственны» за разборчивость, ясность аудио информации, а высокие частоты – за субъективное качество звука. Слуховой аппарат человека способен различать частотные составляющие звука в пределах от 20-30 Гц до приблизительно 20 КГц. Указанная верхняя граница может колебаться в зависимости от возраста слушателя и других факторов.
В спектре звука большинства музыкальных инструментов наблюдается наиболее выделяющаяся по амплитуде частотная составляющая. Ее называют основной частотой или основным тоном . Основная частота является очень важным параметром звучания, и вот почему. Для периодических сигналов, слуховая система человека способна различать высоту звука. В соответствии с определением международной организации стандартов, высота звука - это субъективная характеристика, распределяющая звуки по некоторой шкале от низких к высоким. На воспринимаемую высоту звука влияет, главным образом, частота основного тона (период колебаний), при этом общая форма звуковой волны и ее сложность (форма периода) также могут оказывать влияние на нее. Высота звука может определяться слуховой системой для сложных сигналов, но только в том случае, если основной тон сигнала является периодическим (например, в звуке хлопка или выстрела тон не является периодическим и по сему слух не способен оценить его высоту).
Вообще, в зависимости от амплитуд составляющих спектра, звук может приобретать различную окраску и восприниматься как тон или как шум . В случае если спектр дискретен (то есть, на графике спектра присутствуют явно выраженные пики), то звук воспринимается как тон, если имеет место один пик, или как созвучие , в случае присутствия нескольких явно выраженных пиков. Если же звук имеет сплошной спектр, то есть амплитуды частотных составляющих спектра примерно равны, то на слух такой звук воспринимается как шум. Для демонстрации наглядного примера можно попытаться экспериментально «изготовить» различные музыкальные тона и созвучия. Для этого необходимо к громкоговорителю через сумматор подключить несколько генераторов чистых тонов (осцилляторов) . Причем, сделать это таким образом, чтобы была возможность регулировки амплитуды и частоты каждого генерируемого чистого тона. В результате проделанной работы будет получена возможность смешивать сигналы от всех осцилляторов в желаемой пропорции, и тем самым создавать совершенно различные звуки. Поученный прибор явит собой простейший синтезатор звука.
Очень важной характеристикой слуховой системы человека является способность различать два тона с разными частотами. Опытные проверки показали, что в полосе от 0 до 16 кГц человеческий слух способен различать до 620 градаций частот (в зависимости от интенсивности звука), при этом примерно 140 градаций находятся в промежутке от 0 до 500 Гц.
На восприятии высоты звука для чистых тонов сказываются также интенсивность и длительность звучания. В частности, низкий чистый тон покажется еще более низким, если увеличить интенсивность его звучания. Обратная ситуация наблюдается с высокочастотным чистым тоном – увеличение интенсивности звучания сделает субъективно воспринимаемую высоту тона еще более высокой.
Длительность звучания сказывается на воспринимаемой высоте тона критическим образом. Так, очень кратковременное звучание (менее 15 мс) любой частоты покажется на слух просто резким щелчком – слух будет неспособен различить высоту тона для такого сигнала. Высота тона начинает восприниматься лишь спустя 15 мс для частот в полосе 1000 – 2000 Гц и лишь спустя 60 мс – для частот ниже 500 Гц. Это явление называется инерционностью слуха . Инерционность слуха связана с устройством базилярной мембраны. Кратковременные звуковые всплески не способны заставить мембрану резонировать на нужной частоте, а значит мозг не получает информацию о высоте тона очень коротких звуков. Минимальное время, требуемое для распознавания высоты тона, зависит от частоты звукового сигнала, а, точнее, от длины волны. Чем выше частота звука, тем меньше длина звуковой волны, а значит тем быстрее «устанавливаются» колебания базилярной мембраны.
В природе мы почти не сталкиваемся с чистыми тонами. Звучание любого музыкального инструмента является сложным и состоит из множества частотных составляющих. Как мы сказали выше, даже для таких звуков слух способен установить высоту их звучания, в соответствии с частотой основного тона и/или его гармоник. Тем не менее, даже при одинаковой высоте звучания, звук, например, скрипки отличается на слух от звука рояля. Это связано с тем, что помимо высоты звучания слух способен оценить также общий характер, окрас звучания, его тембр . Тембром звука называется такое качество восприятия звука, которое, в не зависимости от частоты и амплитуды, позволяет отличить одно звучание от другого. Тембр звука зависит от общего спектрального состава звучания и интенсивности спектральных составляющих, то есть от общего вида звуковой волны, и фактически не зависит от высоты основного тона. Немалое влияние на тембр звучания оказывает явление инерционности слуховой системы. Это выражается, например, в том, что на распознавание тембра слуху требуется около 200 мс.
Громкость звука – это одно из тех понятий, которые мы употребляем ежедневно, не задумываясь при этом над тем, какой физический смысл оно несет. Громкость звука – это психологическая характеристика восприятия звука, определяющая ощущение силы звука. Громкость звука, хотя и жестко связана с интенсивностью, но нарастает непропорционально увеличению интенсивности звукового сигнала. На громкость влияет частота и длительность звукового сигнала. Чтобы правильно судить о связи ощущения звука (его громкости) с раздражением (уровнем силы звука), нужно учитывать, что изменение чувствительности слухового аппарата человека не точно подчиняется логарифмическому закону.
Существуют несколько единиц измерения громкости звука. Первая единица – «фон » (в англ. обозначении - « phon»). Говорят, «уровень громкости звука составляет n фон», если средний слушатель оценивает сигнал как равный по громкости тону с частотой 1000 Гц и уровнем давления в n дБ. Фон, как и децибел, по сути не является единицей измерения, а представляет собой относительную субъективную характеристику интенсивности звука. На рис. 5 представлен график с кривыми равных громкостей.
Каждая кривая на графике показывает уровень равной громкости с начальной точкой отсчета на частоте 1000 Гц. Иначе говоря, каждая линия соответствует некоторому значению громкости, измеренной в фонах. Например, линия «10 фон» показывает уровни сигнала в дБ на разных частотах, воспринимаемых слушателем как равные по громкости сигналу с частотой 1000 Гц и уровнем 10 дБ. Важно заметить, что приведенные кривые не являются эталонными, а приведены в качестве примера. Современные исследования ясно свидетельствуют, что вид кривых в достаточной степени зависит от условий проведения измерений, акустических характеристик помещения, а также от типа источников звука (громкоговорители, наушники). Таким образом, эталонного графика кривых равных громкостей не существует.
Важной деталью восприятия звука слуховым аппаратом человека является так называемый порог слышимости - минимальная интенсивность звука, с которой начинается восприятие сигнала. Как мы видели, уровни равной громкости звука для человека не остаются постоянным с изменением частоты. Иными словами, чувствительность слуховой системы сильно зависит как от громкости звука, так и от его частоты. В частности, и порог слышимости также не одинаков на разных частотах. Например, порог слышимости сигнала на частоте около 3 кГц составляет чуть менее 0 дБ, а на частоте 200 Гц – около 15 дБ. Напротив, болевой порог слышимости мало зависит от частоты и колеблется в пределах 100 – 130 дБ. График порога слышимости представлен на рис. 6. Обратим внимание, что поскольку, острота слуха с возрастом меняется, график порога слышимости в верхней полосе частот различен для разных возрастов.
Частотные составляющие с амплитудой ниже порога слышимости (то есть находящиеся под графиком порога слышимости) оказываются незаметными на слух.
Интересным и исключительно важным является тот факт, что порог слышимости слуховой системы, также как и кривые равных громкостей, является непостоянным в разных условиях. Представленные выше графики порога слышимости справедливы для тишины. В случае проведения опытов по измерению порога слышимости не в полной тишине, а, например, в зашумленной комнате или при наличии какого-то постоянного фонового звука, графики окажутся другими. Это, в общем, совсем не удивительно. Ведь идя по улице и разговаривая с собеседником, мы вынуждены прерывать свою беседу, когда мимо нас проезжает какой-нибудь грузовик, поскольку шум грузовика не дает нам слышать собеседника. Этот эффект называется частотной маскировкой . Причиной появления эффекта частотной маскировки является схема восприятия звука слуховой системой. Мощный по амплитуде сигнал некоторой частоты f m вызывает сильные возмущения базилярной мембраны на некотором ее отрезке. Близкий по частоте, но более слабый по амплитуде сигнал с частотой f уже не способен повлиять на колебания мембраны, и поэтому остается «незамеченным» нервными окончаниями и мозгом.
Эффект частотной маскировки справедлив для частотных составляющих, присутствующих в спектре сигнала в одно и то же время. Однако в виду инерционности слуха, эффект маскировки может распространяться и во времени. Так некоторая частотная составляющая может маскировать другую частотную составляющую даже тогда, когда они появляются в спектре не одновременно, а с некоторой задержкой во времени. Этот эффект называется временн о й маскировкой . В случае, когда маскирующий тон появляется по времени раньше маскируемого, эффект называют пост-маскировкой . В случае же, когда маскирующий тон появляется позже маскируемого (возможен и такой случай), эффект называет пре-маскировкой .
2.5. Пространственное звучание.
Человек слышит двумя ушами и за счет этого способен различать направление прихода звуковых сигналов. Эту способность слуховой системы человека называют бинауральным эффектом . Механизм распознавания направления прихода звуков сложен и, надо сказать, что в его изучении и способах применения еще не поставлена точка.
Уши человека расставлены на некотором расстоянии по ширине головы. Скорость распространения звуковой волны относительно невелика. Сигнал, приходящий от источника звука, находящегося напротив слушателя, приходит в оба уха одновременно, и мозг интерпретирует это как расположение источника сигнала либо позади, либо спереди, но не сбоку. Если же сигнал приходит от источника, смещенного относительно центра головы, то звук приходит в одно ухо быстрее, чем во второе, что позволяет мозгу соответствующим образом интерпретировать это как приход сигнала слева или справа и даже приблизительно определить угол прихода. Численно, разница во времени прихода сигнала в левое и правое ухо, составляющая от 0 до 1 мс, смещает мнимый источник звука в сторону того уха, которое воспринимает сигнал раньше. Такой способ определения направления прихода звука используется мозгом в полосе частот от 300 Гц до 1 кГц. Направление прихода звука для частот расположенных выше 1 кГц определяется мозгом человека путем анализа громкости звука. Дело в том, что звуковые волны с частотой выше 1 кГц быстро затухают в воздушном пространстве. Поэтому интенсивность звуковых волн, доходящих до левого и правого ушей слушателя, отличаются на столько, что позволяет мозгу определять направление прихода сигнала по разнице амплитуд. Если звук в одном ухе слышен лучше, чем в другом, следовательно источник звука находится со стороны того уха, в котором он слышен лучше. Немаловажным подспорьем в определении направления прихода звука является способность человека повернуть голову в сторону кажущегося источника звука, чтобы проверить верность определения. Способность мозга определять направление прихода звука по разнице во времени прихода сигнала в левое и правое ухо, а также путем анализа громкости сигнала используется в стереофонии .
Имея всего два источника звука можно создать у слушателя ощущение наличия мнимого источника звука между двумя физическими. Причем этот мнимый источник звука можно «расположить» в любой точке на линии, соединяющей два физических источника. Для этого нужно воспроизвести одну аудио запись (например, со звуком рояля) через оба физических источника, но сделать это с некоторой временно й задержкой в одном из них и соответствующей разницей в громкости. Грамотно используя описанный эффект можно при помощи двухканальной аудио записи донести до слушателя почти такую картину звучания, какую он ощутил бы сам, если бы лично присутствовал, например, на каком-нибудь концерте. Такую двухканальную запись называют стереофонической. Одноканальная же запись называется монофонической .
На самом деле, для качественного донесения до слушателя реалистичного пространственного звучания обычной стереофонической записи оказывается не всегда достаточно. Основная причина этого кроется в том, что стерео сигнал, приходящий к слушателю от двух физических источников звука, определяет расположение мнимых источников лишь в той плоскости, в которой расположены реальные физические источники звука. Естественно, «окружить слушателя звуком» при этом не удается. По большому счету по той же причине заблуждением является и мысль о том, что объемное звучание обеспечивается квадрофонической (четырехканальной) системой (два источника перед слушателем и два позади него). В целом, путем выполнения многоканальной записи нам удается лишь донести до слушателя тот звук, каким он был «услышан» расставленной нами звукопринимающей аппаратурой (микрофонами), и не более того. Для воссоздания же более или менее реалистичного, действительно объемного звучания прибегают к применению принципиально других подходов, в основе которых лежат более сложные приемы, моделирующие особенности слуховой системы человека, а также физические особенности и эффекты передачи звуковых сигналов в пространстве.
Одним из таких инструментов является использование функций HRTF (Head Related Transfer Function). Посредством этого метода (по сути – библиотеки функций) звуковой сигнал можно преобразовать специальным образом и обеспечить достаточно реалистичное объемное звучание, рассчитанное на прослушивание даже в наушниках.
Суть HRTF – накопление библиотеки функций, описывающих психофизическую модель восприятия объемности звучания слуховой системой человека. Для создания библиотек HRTF используется искусственный манекен KEMAR (Knowles Electronics Manikin for Auditory Research) или специальное «цифровое ухо». В случае использования манекена суть проводимых измерений состоит в следующем. В уши манекена встраиваются микрофоны, с помощью которых осуществляется запись. Звук воспроизводится источниками, расположенными вокруг манекена. В результате, запись от каждого микрофона представляет собой звук, «прослушанный» соответствующим ухом манекена с учетом всех изменений, которые звук претерпел на пути к уху (затухания и искажения как следствия огибания головы и отражения от разных ее частей). Расчет функций HRTF производится с учетом исходного звука и звука, «услышанного» манекеном. Собственно, сами опыты заключаются в воспроизведении разных тестовых и реальных звуковых сигналов, их записи с помощью манекена и дальнейшего анализа. Накопленная таким образом база функций позволяет затем обрабатывать любой звук так, что при его воспроизведении через наушники у слушателя создается впечатление, будто звук исходит не из наушников, а откуда-то из окружающего его пространства.
Таким образом, HRTF представляет собой набор трансформаций, которые претерпевает звуковой сигнал на пути от источника звука к слуховой системе человека. Рассчитанные однажды опытным путем, HRTF могут быть применены для обработки звуковых сигналов с целью имитации реальных изменений звука на его пути от источника к слушателю. Не смотря на удачность идеи, HRTF имеет, конечно, и свои отрицательные стороны, однако в целом идея использования HRTF является вполне удачной. Использование HRTF в том или ином виде лежит в основе множества современных технологий пространственного звучания, таких как технологии QSound 3 D (Q3 D), EAX, Aureal3 D (A3 D) и другие.
