Heli füsioloogilised omadused. Müra ja vibratsiooni füüsikalised ja füsioloogilised omadused Helivibratsiooni füüsikalised ja füsioloogilised omadused

Heli on osakeste mehaanilised võnked elastses keskkonnas, mis levivad pikilainetena, mille sagedus jääb inimkõrva poolt tajutavatesse piiridesse, keskmiselt 16–20 000 Hz.

Looduses leiduvad helid jagunevad mitmeks tüübiks.

Toon on heli, mis on perioodiline protsess. Tooni peamine omadus on sagedus. Lihtsa tooni loob harmoonilise seaduse järgi vibreeriv keha (näiteks häälehark). Keerulise tooni loovad perioodilised vibratsioonid, mis ei ole harmoonilised (näiteks muusikainstrumendi heli, inimese hääleaparaadi tekitatud heli).

Müra on heli, millel on keeruline mittekorduv ajast sõltuvus ja mis on kombinatsioon juhuslikult muutuvatest keerukatest toonidest (lehtede sahin).

Helibuum on lühiajaline heliefekt (plaks, plahvatus, löök, äike).

Keerulist tooni kui perioodilist protsessi saab esitada lihtsate toonide summana (lagundatud komponenttoonideks). Sellist lagunemist nimetatakse spektriks.

Tooni akustiline spekter on kõigi selle sageduste kogum koos nende suhtelise intensiivsuse või amplituudiga.

Spektri madalaim sagedus (n) vastab põhitoonile ja ülejäänud sagedusi nimetatakse ülemtoonideks või harmoonilisteks. Ülemtoonidel on sagedused, mis on põhisageduse kordsed: 2n, 3n, 4n, ... Müra akustiline spekter on pidev.

Heli füüsikalised omadused

1. Kiirus(v). Heli levib igas keskkonnas, välja arvatud vaakum. Selle levimise kiirus sõltub keskkonna elastsusest, tihedusest ja temperatuurist, kuid ei sõltu võnkesagedusest. Heli kiirus gaasis sõltub selle molaarmassist (M) ja absoluutsest temperatuurist (T):

kus R on universaalne gaasikonstant: r on gaasi soojusmahtuvuse suhe konstantsel rõhul ja konstantsel ruumalal.

Heli kiirus ei sõltu rõhust.

Õhu jaoks (M = 0,029 kg / mol, g = 1,4) temperatuurivahemikus -50 ° C kuni + 50 ° C võite kasutada ligikaudset valemit

Heli kiirus vees on 1500 m/s; Heli kiirusel on sarnane tähtsus ka keha pehmetes kudedes.

2. Helirõhk. Heli levimisega kaasneb rõhu muutus keskkonnas.

Just rõhumuutused põhjustavad trummikile vibratsiooni, mis määravad sellise keerulise protsessi alguse nagu kuulmisaistingud.

Helirõhk (DS) on nende rõhumuutuste amplituud keskkonnas, mis toimuvad helilaine läbimise ajal.

3. Heli intensiivsus (I). Helilaine levimisega kaasneb energia ülekanne.

Heli intensiivsus on helilaine poolt kantava energiavoo tihedus.

Homogeenses keskkonnas väheneb antud suunas kiirgava heli intensiivsus heliallikast kaugenedes. Lainejuhtide kasutamisel on võimalik saavutada ka intensiivsuse suurenemist. Sellise lainejuhi tüüpiline näide eluslooduses on auricle.

Intensiivsuse (I) ja helirõhu (PS) suhet väljendatakse järgmise valemiga:

kus c on keskkonna tihedus; v on heli kiirus selles.

Helirõhu ja heli intensiivsuse miinimumväärtusi, mille juures inimesel on kuulmisaisting, nimetatakse kuulmisläveks.

Mõelge heli peamistele omadustele:

1) Subjektiivsed heliomadused - omadused, mis sõltuvad vastuvõtja omadustest:
- - helitugevus. Heli tugevuse määrab helilaine võnkumiste amplituud.
- - toon (kõrgus). Selle määrab võnkumiste sagedus.
- - tämber (helivärvimine).

Weber-Fechneri seadus on empiiriline psühhofüsioloogiline seadus, mis ütleb, et aistingu intensiivsus on võrdeline stiimuli intensiivsuse logaritmiga. Kui vaakumit suurendatakse geomeetrilises järjestuses, siis tunnetus suureneb aritmeetilises järjestuses.

Mõiste "müra" tähendab mis tahes ebameeldivat või soovimatut heli või nende kombinatsiooni, mis häirib kasulike signaalide tajumist, rikub vaikust, mõjutab negatiivselt inimkeha, vähendab selle jõudlust.

Heli füüsikalise nähtusena on see elastse keskkonna mehaanilised võnked kuuldavate sageduste vahemikus. Heli kui füsioloogiline nähtus on aisting, mida kuulmisorgan tajub helilainete mõjul.

helilained tekivad alati, kui elastses keskkonnas on võnkuv keha või kui elastse keskkonna (gaasiline, vedel või tahke) osakesed võnguvad neile mõjuva erutava jõu toimel. Kuid mitte kõiki võnkuvaid liigutusi ei taju kuulmisorgan füsioloogilise heliaistinguna. Inimkõrv kuuleb ainult vibratsioone, mille sagedus on 16–20 000 1 sekundi kohta. Seda mõõdetakse hertsides (Hz). Võnkumisi sagedusega kuni 16 Hz nimetatakse infraheliks, üle 20 000 Hz - ultraheliks ja kõrv neid ei taju. Järgnevalt räägime ainult kõrvaga kuuldavatest helivibratsioonidest.

Helid võivad olla lihtsad, koosnedes ühest sinusoidaalsest võnkumisest (puhtad toonid), ja keerulised, mida iseloomustavad erineva sagedusega võnked. Õhus levivaid helilaineid nimetatakse õhuheliks. Tahkistes levivate helisageduste võnkumisi nimetatakse helivibratsiooniks ehk struktuurheliks.

Seda ruumiosa, milles helilained levivad, nimetatakse heliväljaks. Meediumi füüsikalist seisundit heliväljas ehk täpsemalt selle oleku muutumist (lainete olemasolu) iseloomustab helirõhk (p). See on liigne muutuv rõhk, mis tekib lisaks atmosfäärirõhule keskkonnas, kus helilained läbivad. Seda mõõdetakse njuutonites ruutmeetri kohta (N/m2) või paskalites (Pa).

Söötmes tekkivad helilained levivad nende ilmumiskohast – heliallikast. Heli teise punkti jõudmiseks kulub teatud aeg. Heli levimise kiirus sõltub keskkonna olemusest ja helilaine tüübist. 20 °C ja normaalse atmosfäärirõhuga õhus on heli kiirus 340 m/s. Heli kiirust (c) ei tohi segi ajada keskkonna osakeste (v) vibratsioonikiirusega, mis on märgiliselt muutuv suurus ja sõltub nii helirõhu sagedusest kui ka suurusest.

Helilaine pikkus (k) on vahemaa, mille ulatuses võnkuv liikumine ühes perioodis keskkonnas levib. Isotroopses keskkonnas sõltub see heli sagedusest ja kiirusest, nimelt:

Võnkesagedus määrab helikõrguse. Heliallika poolt keskkonda kiiratava energia koguhulk ajaühikus iseloomustab helienergia voogu ja määratakse vattides (W). Praktilist huvi ei paku mitte kogu helienergia voog, vaid ainult see osa sellest, mis jõuab kõrva või mikrofoni membraanini. Helienergia voolu osa, mis langeb pindalaühikule, nimetatakse heli intensiivsuseks (tugevuseks), seda mõõdetakse vattides 1 m2 kohta. Heli intensiivsus on otseselt võrdeline helirõhu ja vibratsiooni kiirusega.

Helirõhk ja heli intensiivsus varieeruvad laias vahemikus. Kuid inimkõrv tajub teatud piirides kiireid ja kergeid rõhumuutusi. Kõrva tundlikkusel on ülemine ja alumine piir. Minimaalset helienergiat, mis moodustab heliaistingu, nimetatakse kuulmisläveks ehk tajuläveks akustikas aktsepteeritud standardheli (tooni) puhul sagedusega 1000 Hz ja intensiivsusega 10–12 W / m2. Suure amplituudi ja energiaga helilaine mõjub traumeerivalt, tekitab ebamugavust ja valu kõrvades. See on kuulmistundlikkuse ülempiir – valulävi. See reageerib helile sagedusega 1000 Hz intensiivsusega 102 W/m2 ja helirõhuga 2 x 102 Pa. Kuulmisanalüsaatori võime tajuda laia helirõhu vahemikku on seletatav asjaoluga, et see ei kajasta mitte erinevust, vaid heli iseloomustavate absoluutväärtuste muutuste paljusust. Seetõttu on ülimalt keeruline ja ebamugav mõõta intensiivsust ja helirõhku absoluutsetes (füüsikalistes) ühikutes.

Akustikas kasutatakse helide intensiivsuse ehk müra iseloomustamiseks spetsiaalset mõõtesüsteemi, mis võtab arvesse peaaegu logaritmilist seost ärrituse ja kuuldava taju vahel. See on bellide (B) ja detsibellide (dB) skaala, mis vastab füsioloogilisele tajule ja võimaldab mõõdetud väärtuste vahemikku drastiliselt vähendada. Sellel skaalal on iga järgnev helienergia samm 10 korda suurem kui eelmine. Näiteks kui heli intensiivsus on 10, 100, 1000 korda suurem, siis logaritmilisel skaalal vastab see 1, 2, 3 ühikulisele tõusule. Logaritmilist ühikut, mis peegeldab helitugevuse kümnekordset suurenemist üle tundlikkusläve, nimetatakse valgeks, see tähendab, et see on helitugevuse suhte kümnes logaritm.

Seetõttu ei kasutata hügieenipraktikas helide intensiivsuse mõõtmiseks mitte helienergia või rõhu absoluutväärtusi, vaid suhtelisi väärtusi, mis väljendavad antud heli energia või rõhu suhet energia läviväärtustesse. või survet kuulmiseks. Energia vahemik, mida kõrv helina tajub, on 13-14 B. Mugavuse huvides ei kasutata valget, vaid 10 korda väiksemat mõõtühikut – detsibelli. Neid suurusi nimetatakse heli intensiivsuse tasemeteks või helirõhu tasemeteks.

Pärast läviväärtuse P0 standardiseerimist muutusid selle suhtes määratud helirõhutasemed absoluutseks, kuna need vastavad üheselt helirõhu väärtustele.

heli energia müraallika poolt kiiratav jaotub sageduste vahel. Seetõttu on vaja teada, kuidas helirõhutase jaotub, st kiirguse sagedusspekter.

Praegu teostatakse hügieenilist reguleerimist helisagedusvahemikus 45 kuni 11 200 Hz.

Sageli on vaja liita kahe või enama müraallika helirõhu (heli) tasemed või leida nende keskmine väärtus. Helirõhutasemete järjestikune summeerimine, alustades maksimumist. Esmalt määratakse kahe komponendi helirõhutaseme erinevus, misjärel leitakse termin tabeli abil määratud erinevusest. See lisatakse komponendi suuremale helirõhutasemele. Sarnaseid toiminguid tehakse teatud kahe taseme ja kolmanda tasemega jne.

Enamik müra sisaldab helisid peaaegu kõigi kuulmisvahemiku sagedustega, kuid erinevad helirõhutasemete jagunemise sageduste lõikes ja nende muutumise poolest ajas. Inimest mõjutavad mürad liigitatakse spektraalsete ja ajaliste omaduste järgi.

Spektri olemuse järgi müra jaguneb enam kui ühe oktaavi laiuseks pideva spektriga lairibaks ja tonaalseks, mille spektris on kuuldavad diskreetsed toonid.

Spektri tüübi järgi müra võib olla madalsageduslik (maksimaalse helirõhuga sagedusvahemikus alla 400 Hz), kesksageduslik (maksimaalse helirõhuga sagedusvahemikus 400-1000 Hz) ja kõrgsageduslik (maksimaalse heliga rõhk sagedusvahemikus üle 1000 Hz). Kõigi sageduste olemasolul nimetatakse müra tinglikult valgeks.

Ajalise iseloomu järgi müra jaguneb konstantseks (heli tase muutub aja jooksul mitte rohkem kui 5 dBA) ja mittekonstantseks (heli tase muutub aja jooksul rohkem kui 5 dBA).

Püsivaks omistada võib pidevalt töötavate pumpamis- või ventilatsiooniagregaatide, tööstusettevõtete seadmete (puhurid, kompressoragregaadid, erinevad katsestendid) müra.

Vahelduvad helid, jagunevad omakorda võnkuvateks (heli tase muutub kogu aeg), katkendlikuks (heli tase langeb vaatlusperioodi jooksul mitu korda järsult taustale ning intervallide kestuseks, mille jooksul müratase püsib konstantsena ja ületab taust on 1 s või rohkem ) ja impulss (koosneb ühest või mitmest järjestikusest kuni 1 s pikkusest löögist), rütmiline ja mitterütmiline.

Transpordimüra on muutuv. Vahelduv müra on müra, mis tuleneb liftivintsi tööst, mis lülitab perioodiliselt sisse külmikute, mõnede tööstusettevõtete või töökodade seadmed.

impulsi andma omistada võib pneumaatiliste haamrite, sepistamisseadmete, paugutavate uste jms müra.

Helirõhutaseme järgi jaguneb müra madalaks, keskmise võimsusega, tugevaks ja väga tugevaks.

Müra hindamise meetodid sõltuvad eelkõige müra iseloomust. Püsivat müra hinnatakse helirõhutasemetes (L) detsibellides oktaaviribades, mille geomeetrilised keskmised sagedused on 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000 ja 8000 Hz. See on peamine müra hindamise meetod.

Vahelduva müra hindamiseks, aga ka püsiva müra ligikaudseks hindamiseks kasutatakse mõistet "heli tase" ehk üldist helirõhutaset, mis määratakse helitaseme mõõturiga sageduse korrektsioonil A, mis iseloomustab sagedust. inimkõrva müra tajumise näitajad1. Vahelduvat müra hinnatakse tavaliselt samaväärsete helitasemete järgi. Antud katkendliku müra ekvivalentne (energia) helitase (LA equiv, dBA) on pideva lairiba mitteimpulsiivse müra helitase, millel on aja jooksul sama RMS helirõhk kui antud katkendmüral.

Akustiliste ja eriti helilainete füüsikalised omadused on objektiivset laadi ja neid saab mõõta sobivate instrumentidega standardühikutes. Helilainete mõjul tekkiv kuulmisaisting on subjektiivne, kuid selle tunnused on suuresti määratud füüsilise mõju parameetritega.

7. Akustika

Akustilise laine kiirus v määratakse selle keskkonna omadustega, milles nad levivad – selle elastsusmoodul E ja tihedus p:

Heli kiirusõhus on umbes 340 m/s ja oleneb temperatuurist (õhu tihedus muutub temperatuuri muutudes). Vedelas keskkonnas ja keha pehmetes kudedes on see kiirus umbes 1500 m/s, tahketes ainetes - 3000-6000 m/s.

Valem (7.1), mis määrab akustiliste lainete levimiskiiruse, ei sisalda nende sagedust, seega on erineva sagedusega helilained samas keskkonnas peaaegu sama kiirusega. Erandiks on selliste sagedustega lained, mida iseloomustab tugev neeldumine antud keskkonnas. Tavaliselt asuvad need sagedused väljaspool helivahemikku (ultraheli).

Kui heli vibratsioonid kujutavad endast perioodilist

Riis. 7.1.

protsessi, nimetatakse selliseid helisid toonid või muusikalisi helisid. Neil on diskreetne harmooniline spekter, mis esindab teatud sageduste ja amplituudidega harmooniliste kogumit. Sageduse w esimest harmoonilist nimetatakse põhitoon, ja kõrgema järgu harmoonilised (sagedustega 2co, 3co, 4co jne) - ülemtoonid. Puhas(või lihtne) toon vastab ainult ühe sagedusega helivibratsioonidele. Joonisel fig. Joonisel 7.1 on kujutatud komplekstooni spekter, milles on esindatud neli harmoonilist komponenti: 100, 200, 300 ja 400 Hz. Põhitooni amplituudi väärtuseks võetakse 100 %.

Mitteperioodilised helid nimetatakse mürad neil on pidev akustiline spekter (joonis 7.2). Neid põhjustavad protsessid, mille käigus helivibratsiooni amplituud ja sagedus ajas muutuvad (masinaosade vibratsioon, kahin jne).

Riis. 7.2.

Heli intensiivsus I, nagu varem märgitud, on helilaine energia pindalaühiku asukoha kohta ajaühikus ja seda mõõdetakse W / m 2 .

See füüsiline omadus määrab kuulmisaistingu taseme, mida nimetatakse maht ja see on subjektiivne füsioloogiline parameeter. Intensiivsuse ja helitugevuse suhe ei ole otseselt proportsionaalne. Praegu märgime ainult seda, et intensiivsuse suurenemisega suureneb ka valjuduse tunne. Helitugevust saab kvantifitseerida, võrreldes erineva intensiivsusega allikatest pärit helilainete põhjustatud kuulmisaistinguid.

Kui heli levib keskkonnas, tekib lisarõhk, mis liigub heliallikast vastuvõtjasse. Selle suurusjärk helirõhk P esindab ka heli ja selle levikandja füüsikalisi omadusi. See on seotud intensiivsusega. ma suhe

kus p on keskkonna tihedus; Ja on heli levimise kiirus keskkonnas.

väärtust Z - ri helistas spetsiifiline akustiline takistus või spetsiifiline akustiline takistus.

Heli harmooniliste võnkumiste sagedus määrab heliaistingu selle poole, mida nimetatakse heli kõrgus. Kui heli vibratsioonid on perioodilised, kuid ei allu harmoonilisele seadusele, hindab kõrv helikõrgust põhitooni (esimene harmooniline komponent Fourier' seerias) sageduse järgi, mille periood langeb kokku helitugevuse perioodiga. keeruline heliefekt.

Pange tähele, et inimese kuuldeaparaadi kõrguse hindamise võimalus on seotud heli kestusega. Kui kokkupuuteaeg on alla 1/20 s, siis kõrv ei suuda helikõrgust hinnata.

Samaaegse sondeerimisega sageduselt lähedased helivõnked tajutakse erineva kõrgusega helidena, kui suhteline sageduste erinevus ületab 2-3%. Väiksema sageduserinevuse korral tekib keskmise kõrgusega pideva heli tunne.

Helivõngete spektraalne koostis (vt joon. 7.1) määratakse harmooniliste komponentide arvu ja nende amplituudide suhtega ning iseloomustab tämber heli. Tämber kui kuulmisaistingu füsioloogiline omadus, sõltub mingil määral ka heli tõusu kiirusest ja muutlikkusest.

Füsioloogilised omadused heli nimetatakse inimese kuuldeaparaadi helilise kuulmisaistingu subjektiivseteks tunnusteks. Heli füsioloogilised omadused hõlmavad antud inimese tajutavat vibratsiooni minimaalset ja maksimaalset sagedust, kuuldavuse läve ning valu, helitugevuse, heli kõrguse ja tämbri lävi.

1. Minimaalne ja maksimaalne vibratsiooni sagedus, mida antud inimene tajub. Heli vibratsiooni sagedused jäävad vahemikku 20-20000 Hz. Siiski on antud inimese madalaim tajutav sagedus tavaliselt üle 20 Hz ja kõrgeim alla 20 000 Hz, mis on määratud inimese kuulmisaparaadi individuaalsete ehituslike iseärasustega. Näiteks: n min = 32 Hz, n max = 17900 Hz.

2. kuulmislävi on minimaalne intensiivsus, mida inimkõrv tajub ma o. Arvatakse, et I o \u003d 10 -12 W / m 2 juures n = 1000 Hz. Tavaliselt on aga konkreetse inimese puhul kuulmislävi suurem. ma o.

Kuulmislävi oleneb helivibratsiooni sagedusest. Mingil sagedusel (tavaliselt 1000-3000 Hz) toimub inimese kõrvas sõltuvalt inimese kuuldeaparaadi kuulmekäigu pikkusest heli resonantsvõimendus. Sel juhul on heliaisting parim ja kuulmislävi minimaalne. Võnkesageduse vähenemisel või suurenemisel resonantsseisund halveneb (sageduse eemaldamine resonantssagedusest) ja kuulmislävi tõuseb vastavalt.

3. Valu lävi nimetatakse valuks, mida kogeb inimkõrv teatud väärtusest suurema helitugevuse korral Ma sellest ajast(helilainet ei tajuta helina). Valu lävi Ma sellest ajast oleneb sagedusest (kuigi vähemal määral kui kuulmislävi). Madalatel ja kõrgetel sagedustel valulävi väheneb, st. valuaistingut täheldatakse suure intensiivsusega.

4. Helitugevus on inimese antud heli auditoorse tajumise tase. Helitugevus sõltub ennekõike inimesest, kes heli tajub. Näiteks piisava intensiivsusega sagedusel 1000 Hz võib helitugevus olla võrdne nulliga (kurdi jaoks).

Selle konkreetse inimese jaoks, kes heli tajub, sõltub helitugevus heli sagedusest, intensiivsusest. Mis puudutab kuulmisläve, siis tavaliselt on helitugevus maksimaalne sagedusel 1-3 kHz ja sageduse vähenedes või kasvades helitugevus väheneb.

Heli tugevus sõltub heli intensiivsusest kompleksselt. Kooskõlas psühhofüüsilise Weber-Fechneri seadusega valjudus E otseselt proportsionaalne intensiivsuse tasemega:

E=k . log(I/I 0), kus k oleneb heli sagedusest ja intensiivsusest.

Heli tugevust mõõdetakse taustad. Arvatakse, et helitugevus fonides on arvuliselt võrdne intensiivsuse tasemega detsibellides sagedusel 1000 Hz. Näiteks helitugevus E=30 taust; see tähendab, et see inimene tunneb vastavalt tajutasemele näidatud heli samamoodi nagu heli, sagedusega 1000 Hz ja helitase 30 dB. Graafiliselt (vt õpikut) on ehitatud võrdse valjuga kõverad, mis on iga inimese jaoks individuaalsed.

Inimese kuuldeaparaadi seisukorra diagnoosimiseks eemaldavad nad audiomeetri abil audiogramm- kuulmisläve sõltuvus sagedusest.

5. Pitch nimetatakse inimese puhta tooni tundeks. Sageduse kasvades suureneb ka helikõrgus. Intensiivsuse kasvades helikõrgus veidi väheneb.

6. helitämber nimetatakse etteantud kompleksse helivibratsiooni tunnetamist inimese poolt. Heli tämber on värvimine heli, mille järgi eristame inimese häält. Tämber oleneb heli akustilisest spektrist. Samas tajuvad erinevad inimesed sama akustilist spektrit erinevalt. Seega, kui kahe inimese kuuldeaparaat vahetada teineteise vastu ja heli ajuanalüsaator jätta samaks, siis tundub talle tuttavate inimeste heli värvus erinev, s.t. ta ei pruugi tuttava inimese häält ära tunda või tundub, et hääl on muutunud.

Ülesanne UIRS-ile

1. Uurida kliinikus õpikute abil kuuldeaparaadi ehitust, helitaju teooriat ja heli uurimismeetodite füüsikalisi aluseid.

2. Leidke heli tugevus taustadel, kui on antud helivibratsioon sagedusega 50 Hz ja helitasemega 100 dB.

Töökäsk

Harjutus number 1. Tajutava heli maksimaalse sageduse määramine

(Minimaalset tajutavat sagedust ei saa selle heligeneraatoriga määrata, kuna kõrvaklappide telefonidesse sisenevad häired, peamiselt 50 Hz võrgust.)

Seadke lülitid järgmisesse asendisse:

- lülitage võrk sisse- asendis Väljas";

-sageduse kordaja(all vasakul) kuni " 100 ";

- "väljundtakistus"positsioonil" 50 ";

"positsioonil" Väljas";

Kümned ja ühikud detsibellide lülitid asendisse " 0 ".

Ühendage generaatori toitejuhe 220 V võrku, lüliti " net"asendisse panema" Peal": ühendage kõrvaklapid generaatori väljundiga.

Väljundpinge reguleerimise nupp Reg. välja."Seadke voltmeeter 20 V peale.

Seadke sageduseks 20 000 Hz (sagedusketas asendisse

200 Hz ja sageduskordajaks on seatud "100", st. 200 Hz × 100 = 20 000 Hz).

Järk-järgult vähendades sagedust, määrake selle väärtus, mille juures heli kuulete. Kirjutage üles selle tähendus. See on teie tajutav ülemine piirsagedus ( ν 1 ülemine).

Selle piiri täpsustamiseks suurendage sagedust 10 000 Hz-lt, kuni heli kaob, määrates ülemise piirsageduse teise väärtuse ν 2ülemine.

Leidke ülemise piirsageduse väärtus, mida tajute saadud kahe sageduse väärtuse aritmeetilise keskmisena: ν ülemine \u003d (ν 1 ülemine + ν 2 ülemine) / 2.

Harjutus nr 2. Kuulmisläve sõltuvuse määramine sagedusest

Tehke mõõtmised järgmistel sagedustel: 50, 100, 200, 400, 1000, 2000, 4000 ja 8000 Hz. Algtaseme jaoks võtke selline heli intensiivsus sagedusel 1000 Hz (summutusega 0 dB), mille juures helitugevus teile ebamugavust ei tekita.

Seadke sagedus 50 Hz, kasutage kümnete detsibellide lülitit, et heli kaoks, seejärel vähendage sumbumist 10 dB võrra ja kasutage detsibellide nuppu, et sisestada sumbumine, kuni heli kaob. Kirjutage tulemus tabelisse 1.

Tabel 1

1. Heli, helitüübid.

2. Heli füüsikalised omadused.

3. Kuulmisaistingu tunnused. Heli mõõtmised.

4. Heli läbimine meediumitevahelise liidese kaudu.

5. Usaldusväärsed uurimismeetodid.

6. Müra vältimist määravad tegurid. Mürakaitse.

7. Põhimõisted ja valemid. Tabelid.

8. Ülesanded.

Akustika. Laiemas mõttes füüsika haru, mis uurib elastseid laineid madalaimast sagedusest kõrgeimani. Kitsas tähenduses – heliõpetus.

3.1. Heli, helitüübid

Heli laiemas tähenduses – gaasilistes, vedelates ja tahketes ainetes levivad elastsed võnked ja lained; kitsas tähenduses - inimeste ja loomade kuulmisorganite poolt subjektiivselt tajutav nähtus.

Tavaliselt kuuleb inimkõrv heli sagedusvahemikus 16 Hz kuni 20 kHz. Kuid vanusega selle vahemiku ülempiir väheneb:

Nimetatakse heli sagedusega alla 16-20 Hz infraheli,üle 20 kHz - ultraheli, ja kõrgeima sagedusega elastsed lained vahemikus 10 9 kuni 10 12 Hz - hüperheli.

Looduses leiduvad helid jagunevad mitmeks tüübiks.

Toon - see on heli, mis on perioodiline protsess. Tooni peamine omadus on sagedus. lihtne toon on loodud keha, mis vibreerib harmoonilise seaduse järgi (näiteks häälehark). Kompleksne toon tekib perioodiliste võnkumiste abil, mis ei ole harmoonilised (näiteks muusikainstrumendi heli, inimese kõneaparaadi tekitatud heli).

Müra- see on heli, millel on keeruline mittekorduv ajastusõltuvus ja mis on kombinatsioon juhuslikult muutuvatest keerukatest toonidest (lehtede sahin).

helibuum- see on lühiajaline heliefekt (plaks, plahvatus, löök, äike).

Keerulist tooni kui perioodilist protsessi saab esitada lihtsate toonide summana (lagundatud komponenttoonideks). Sellist lagunemist nimetatakse spekter.

Akustilise tooni spekter- see on kõigi selle sageduste kogum koos nende suhtelise intensiivsuse või amplituudiga.

Spektri madalaim sagedus (ν) vastab põhitoonile ja ülejäänud sagedusi nimetatakse ülemtoonideks või harmoonilisteks. Ülemtoonidel on sagedused, mis on põhisageduse kordsed: 2v, 3v, 4v, ...

Tavaliselt vastab põhitoonile spektri suurim amplituud. See on see, keda kõrv tajub helikõrgusena (vt allpool). Ülemtoonid loovad heli "värvi". Erinevate instrumentidega loodud sama kõrgusega helisid tajub kõrv erinevalt just ülemtoonide amplituudide erineva vahekorra tõttu. Joonisel 3.1 on kujutatud klaveril ja klarnetil mängitava sama noodi (ν = 100 Hz) spektrid.

Riis. 3.1. Klaveri (a) ja klarneti (b) nootide spektrid

Müra akustiline spekter on tahke.

3.2. Heli füüsikalised omadused

1. Kiirus(v). Heli levib igas keskkonnas, välja arvatud vaakum. Selle levimise kiirus sõltub keskkonna elastsusest, tihedusest ja temperatuurist, kuid ei sõltu võnkesagedusest. Heli kiirus gaasis sõltub selle molaarmassist (M) ja absoluutsest temperatuurist (T):

Heli kiirus vees on 1500 m/s; Heli kiirusel on sarnane tähtsus ka keha pehmetes kudedes.

2. helirõhk. Heli levimisega kaasneb rõhu muutus keskkonnas (joonis 3.2).

Riis. 3.2. Rõhu muutus heli levimise ajal keskkonnas.

Just rõhumuutused põhjustavad trummikile vibratsiooni, mis määravad sellise keerulise protsessi alguse nagu kuulmisaistingud.

Helirõhk (Δ Ρ) - see on nende rõhumuutuste amplituud keskkonnas, mis toimuvad helilaine läbimise ajal.

3. Heli intensiivsus(I). Helilaine levimisega kaasneb energia ülekanne.

Heli intensiivsus on helilaine poolt kantud energiavoo tihedus(vt valem 2.5).

Intensiivsuse (I) ja helirõhu (ΔΡ) suhet väljendatakse järgmise valemiga:

kus ρ on keskkonna tihedus; v on heli kiirus selles.

Nimetatakse helirõhu ja helitugevuse miinimumväärtusi, mille juures inimesel on kuulmisaisting kuulmislävi.

Tavalise inimese kõrva jaoks sagedusel 1 kHz vastab kuulmislävi järgmistele helirõhu (ΔΡ 0) ja heli intensiivsuse (I 0) väärtustele:

ΔΡ 0 \u003d 3x10 -5 Pa (≈ 2x10 -7 mm Hg); I 0 \u003d 10 -12 W / m 2.

Nimetatakse helirõhu ja helitugevuse väärtusi, mille juures inimesel on väljendunud valuaistingud valulävi.

Tavalise inimese kõrva jaoks sagedusel 1 kHz vastab valulävi järgmistele helirõhu (ΔΡ m) ja helitugevuse (I m) väärtustele:

4. Intensiivsuse tase(L). Kuulmis- ja valulävedele vastavate intensiivsuste suhe on nii suur (I m / I 0 = 10 13), et praktikas kasutatakse logaritmilist skaalat, mis toob sisse spetsiaalse mõõtmeteta tunnuse - intensiivsuse tase.

Intensiivsuse taset nimetatakse heli intensiivsuse ja kuulmisläve suhte kümnendlogaritmiks:

Intensiivsuse taseme ühik on valge(B).

Tavaliselt kasutatakse väiksemat intensiivsuse taseme ühikut - detsibell(dB): 1 dB = 0,1 B. Intensiivsuse tase detsibellides arvutatakse järgmiste valemite abil:

Sõltuvuse logaritmiline olemus intensiivsuse tase alates intensiivsusega tähendab, et suurenedes intensiivsusega 10 korda intensiivsuse tase suureneb 10 dB võrra.

Sageli esinevate helide omadused on toodud tabelis. 3.1.

Kui inimene kuuleb helisid tulemas ühest suunast mitmest ebaühtlane allikatest, nende intensiivsused liidetakse:

Kõrge helitugevus põhjustab kuuldeaparaadis pöördumatuid muutusi. Seega võib 160 dB heli põhjustada kuulmekile rebenemist ja kuulmisluude nihkumist keskkõrvas, mis toob kaasa pöördumatu kurtuse. 140 dB juures tunneb inimene tugevat valu ja pikaajaline kokkupuude müraga 90-120 dB põhjustab kuulmisnärvi kahjustusi.

3.3. kuulmisaistingu omadused. Heli mõõtmised

Heli on kuulmisaistingu objekt. Seda hindab inimene subjektiivselt. Kõik kuulmisaistingu subjektiivsed omadused on seotud helilaine objektiivsete omadustega.

Kõrgus, toon

Helid tajudes eristab inimene neid helikõrguse ja tämbri järgi.

Kõrgus tooni määrab eelkõige põhitooni sagedus (mida kõrgem on sagedus, seda kõrgem on heli tajumine). Vähemal määral sõltub helikõrgus heli intensiivsusest (suurema intensiivsusega heli tajutakse madalamana).

Tämber on heliaistingu tunnus, mille määrab selle harmooniline spekter. Heli tämber sõltub ülemtoonide arvust ja nende suhtelisest intensiivsusest.

Weber-Fechneri seadus. Helitugevus

Logaritmilise skaala kasutamine heli intensiivsuse taseme hindamiseks on hästi kooskõlas psühhofüüsikalise Weber-Fechneri seadus:

Kui suurendate ärritust eksponentsiaalselt (st sama palju kordi), suureneb ärrituse tunne aritmeetilises progresseerumises (st sama palju).

Sellised omadused on logaritmilisel funktsioonil.

Helitugevus nimetatakse kuulmisaistingu intensiivsuseks (tugevuseks).

Inimkõrv on erineva sagedusega helide suhtes erineva tundlikkusega. Selle asjaolu arvessevõtmiseks võime valida mõned võrdlussagedus ja võrrelda sellega teiste sageduste tajumist. kokkuleppel võrdlussagedus 1 kHz (sellel põhjusel on sellele sagedusele seatud kuulmislävi I 0).

Sest puhas toon sagedusega 1 kHz võetakse helitugevus (E) võrdseks intensiivsuse tasemega detsibellides:

Muude sageduste puhul määratakse helitugevus, võrreldes kuulmisaistingu intensiivsust heli tugevusega võrdlussagedus.

Helitugevus on võrdne heli intensiivsuse tasemega (dB) sagedusel 1 kHz, mis põhjustab "keskmises" inimeses samasuguse valjuse tunde kui see heli.

Helitugevuse ühikut nimetatakse taustal.

Järgnev on näide helitugevuse ja sageduse kohta 60 dB intensiivsuse tasemel.

Võrdsed helitugevuse kõverad

Üksikasjalik seos sageduse, helitugevuse ja intensiivsuse taseme vahel on kujutatud graafiliselt kasutades võrdsed helitugevuse kõverad(joonis 3.3). Need kõverad näitavad sõltuvust intensiivsusaste L dB heli sagedusest ν antud helitugevuse juures.

Alumine kõver vastab kuulmislävi. See võimaldab leida intensiivsuse taseme läviväärtuse (E = 0) antud tooni sagedusel.

Leidmiseks saab kasutada võrdseid helitugevuse kõveraid helitugevus, kui selle sagedus ja intensiivsuse tase on teada.

Heli mõõtmised

Võrdsed helitugevuse kõverad peegeldavad heli tajumist keskmine inimene. Kuulmise hindamiseks spetsiifiline isikust, kasutatakse toonläve audiomeetria meetodit.

Audiomeetria – kuulmisteravuse mõõtmise meetod. Spetsiaalsel seadmel (audiomeetril) määratakse kuulmistundlikkuse lävi või taju lävi, L P erinevatel sagedustel. Selleks looge heligeneraatori abil etteantud sagedusega heli ja suurendage taset

Riis. 3.3. Võrdsed helitugevuse kõverad

intensiivsus L, fikseerige intensiivsuse L p lävi, mille juures subjektil on kuulmisaistingud. Helisageduse muutmisega saadakse eksperimentaalne sõltuvus L p (v), mida nimetatakse audiogrammiks (joon. 3.4).

Riis. 3.4. Audiogrammid

Helivastuvõtuseadme funktsiooni rikkumine võib põhjustada kuulmislangus- tundlikkuse püsiv langus erinevate toonide ja sosinliku kõne suhtes.

Kuulmiskaotuse astmete rahvusvaheline klassifikatsioon, mis põhineb kõnesageduste tajulävede keskmistel väärtustel, on toodud tabelis. 3.2.

Helitugevuse mõõtmiseks kompleksne toon või müra kasutage spetsiaalseid seadmeid - mürataseme mõõtjad. Mikrofoni vastuvõetud heli muundatakse elektrisignaaliks, mis juhitakse läbi filtrisüsteemi. Filtri parameetrid on valitud nii, et helitaseme mõõturi tundlikkus erinevatel sagedustel oleks lähedane inimkõrva tundlikkusele.

3.4. Heli läbimine liidese kaudu

Kui helilaine langeb kahe meediumi vahelisele liidesele, peegeldub heli osaliselt ja tungib osaliselt teise meediumisse. Piiri kaudu peegelduvate ja edastatavate lainete intensiivsused määratakse vastavate koefitsientide abil.

Tavalise helilaine esinemise korral kandjatevahelisel liidesel kehtivad järgmised valemid:

Valemist (3.9) on näha, et mida rohkem erinevad keskkonna lainetakistused, seda suurem osa energiast peegeldub liidesel. Eelkõige siis, kui väärtus X on nullilähedane, siis on peegelduskoefitsient ühtsuselähedane. Näiteks õhk-vesi piiri jaoks X\u003d 3x10 -4 ja r \u003d 99,88%. See tähendab, et peegeldus on peaaegu täielik.

Tabelis 3.3 on näidatud mõnede kandjate kiirused ja lainetakistus temperatuuril 20 °C.

Pange tähele, et peegeldus- ja murdumistegurite väärtused ei sõltu sellest, millises järjekorras heli neid kandjaid läbib. Näiteks heli üleminekul õhust vette on koefitsientide väärtused samad, mis vastassuunas üleminekul.

3.5. Usaldusväärsed uurimismeetodid

Heli võib olla teabeallikaks inimorganite seisundi kohta.

1. Auskultatsioon- kehas tekkivate helide otsekuulamine. Selliste helide olemuse järgi on võimalik täpselt kindlaks teha, millised protsessid teatud kehapiirkonnas toimuvad, ja mõnel juhul ka diagnoosi panna. Kuulamisseadmed: stetoskoop, fonendoskoop.

Fonendoskoop koosneb läbilaskva membraaniga õõneskapslist, mis kantakse kehale, sellest lähevad kummist torud arsti kõrva. Õõneskapslis tekib õhusamba resonants, mis põhjustab heli tõusu ja järelikult ka kuulamise paranemist. Kuulda on hingetõmbeid, vilistavat hingamist, südamehääli, südamekahinat.

Kliinikus kasutatakse installatsioone, kus kuulamine toimub mikrofoni ja kõlari abil. Lai

kasutatakse helide salvestamiseks magnetofoniga magnetlindile, mis võimaldab neid taasesitada.

2. Fonokardiograafia- südametoonide ja mürade graafiline registreerimine ning nende diagnostiline tõlgendamine. Salvestamine toimub fonokardiograafi abil, mis koosneb mikrofonist, võimendist, sagedusfiltritest ja salvestusseadmest.

3. Löökpillid - siseorganite uurimine, koputades keha pinnale ja analüüsides selle käigus tekkivaid helisid. Koputamine toimub kas spetsiaalsete haamrite või sõrmede abil.

Kui suletud õõnsuses tekitatakse helivibratsioone, siis teatud helisageduse juures hakkab õõnsuses olev õhk resoneerima, võimendades õõnsuse suurusele ja selle asukohale vastavat tooni. Skemaatiliselt võib inimkeha kujutada erinevate mahtude summana: gaasiga täidetud (kopsud), vedel (siseorganid), tahke aine (luud). Löömisel vastu keha pinda tekivad erineva sagedusega vibratsioonid. Mõned neist lähevad välja. Teised langevad kokku tühimike loomulike sagedustega, seetõttu võimenduvad need ja on resonantsi tõttu kuuldavad. Oreli seisundi ja topograafia määrab löökpillide helide toon.

3.6. Müra vältimist määravad tegurid.

Mürakaitse

Müra ennetamiseks on vaja teada peamisi tegureid, mis määravad selle mõju inimorganismile: müraallika lähedus, müra intensiivsus, kokkupuute kestus, piiratud ruum, milles müra toimib.

Pikaajaline kokkupuude müraga põhjustab kehas (ja mitte ainult kuulmisorganis) funktsionaalsete ja orgaaniliste muutuste kompleksse sümptomaatilise kompleksi.

Pikaajalise müra mõju kesknärvisüsteemile avaldub kõigi närvireaktsioonide aeglustumises, aktiivse tähelepanu aja vähenemises, töövõime languses.

Pärast pikka kokkupuudet müraga muutub hingamisrütm, südame kontraktsioonide rütm, suureneb veresoonkonna toon, mis toob kaasa süstoolse ja diastoolse tõusu.

cal vererõhu tase. Seedetrakti motoorne ja sekretoorne aktiivsus muutub, täheldatakse üksikute endokriinsete näärmete hüpersekretsiooni. Suureneb higistamine. Märgitakse vaimsete funktsioonide, eriti mälu, pärssimist.

Müral on spetsiifiline mõju kuulmisorgani funktsioonidele. Kõrv, nagu kõik meeleelundid, on võimeline kohanema müraga. Samal ajal tõuseb müra mõjul kuulmislävi 10-15 dB võrra. Pärast müraga kokkupuute lõpetamist taastub kuulmisläve normaalväärtus alles 3-5 minuti pärast. Kõrge müra intensiivsuse (80-90 dB) korral suureneb selle väsitav mõju järsult. Üks pikaajalise müraga kokkupuutega seotud kuulmisorgani düsfunktsiooni vorme on kuulmislangus (tabel 3.2).

Rokkmuusikal on tugev mõju nii inimese füüsilisele kui ka psühholoogilisele seisundile. Kaasaegne rokkmuusika tekitab müra vahemikus 10 Hz kuni 80 kHz. Eksperimentaalselt on kindlaks tehtud, et kui löökpillidega seatud põhirütm on sagedusega 1,5 Hz ja sellel on võimas muusikaline saate sagedustel 15-30 Hz, siis tekib inimesel suur elevus. Rütmiga 2 Hz sagedusega sama saatega langeb inimene narkojoobe lähedasesse seisundisse. Rokk-kontsertidel võib helitugevus ületada 120 dB, kuigi inimkõrv on kõige soodsamalt häälestatud keskmisele intensiivsusele 55 dB. Sel juhul võivad tekkida helipõrutused, heli “põletused”, kuulmislangus ja mälukaotus.

Müral on nägemisorganile kahjulik mõju. Seega põhjustab pimedas ruumis viibiva inimese pikaajaline kokkupuude tööstusmüraga võrkkesta aktiivsuse märgatava languse, millest sõltub nägemisnärvi töö ja seega ka nägemisteravus.

Mürakaitse on üsna keeruline. See on tingitud asjaolust, et suhteliselt suure lainepikkuse tõttu läheb heli ümber takistuste (difraktsioon) ja helivarju ei teki (joonis 3.5).

Lisaks on paljudel ehituses ja inseneritöös kasutatavatel materjalidel ebapiisavalt kõrge helineeldumistegur.

Riis. 3.5. Helilainete difraktsioon

Nende funktsioonide jaoks on vaja spetsiaalseid müratõrjevahendeid, mis hõlmavad allikas endas esineva müra summutamist, summutite kasutamist, elastsete vedrustuste, heliisolatsioonimaterjalide kasutamist, tühimike kõrvaldamist jne.

Eluruumidesse tungiva müra vastu võitlemisel on suur tähtsus hoonete asukoha õigel planeerimisel, võttes arvesse tuuleroosi, ning kaitsevööndite, sealhulgas taimestiku moodustamisel. Taimed on hea mürasummutaja. Puud ja põõsad võivad intensiivsust vähendada 5-20 dB võrra. Efektsed rohelised triibud kõnnitee ja kõnnitee vahel. Müra kustutavad kõige paremini pärnad ja kuused. Kõrge okaspuutõkke taga asuvad majad on tänavamürast peaaegu täielikult säästetud.

Müravastane võitlus ei tähenda absoluutse vaikuse loomist, kuna kuulmisaistingu pika puudumise korral võivad inimesel tekkida vaimsed häired. Absoluutne vaikus ja pikaajaline suurenenud müra on inimese jaoks ühtviisi ebaloomulikud.

3.7. Põhimõisted ja valemid. tabelid

Tabeli jätk

Tabeli lõpp

Tabel 3.1. Kohatud helide omadused

Tabel 3.2. Kuulmiskaotuse rahvusvaheline klassifikatsioon

Tabel 3.3. Heli kiirus ja spetsiifiline akustiline takistus teatud ainetele ja inimkudedele temperatuuril t = 25 °С

3.8. Ülesanded

1. Heli, mis vastab intensiivsuse tasemele L 1 = 50 dB tänaval, kostub ruumis helina intensiivsusega L 2 = 30 dB. Leidke helitugevuse suhe tänaval ja ruumis.

2. Heli helitugevus sagedusega 5000 Hz on võrdne E = 50 phon. Leidke selle heli intensiivsus võrdse helitugevuse kõverate abil.

Lahendus

Jooniselt 3.2 leiame, et sagedusel 5000 Hz helitugevus E = 50 vastab taust intensiivsuse tasemele L = 47 dB = 4,7 B. Valemist 3.4 leiame: I = 10 4,7 I 0 = 510 -8 W / m 2 .

Vastus: I \u003d 5? 10 -8 W / m 2.

3. Ventilaator tekitab heli, mille intensiivsuse tase on L = 60 dB. Leidke helitugevuse tase, kui kaks kõrvuti asetsevat ventilaatorit töötavad.

Lahendus

L 2 = log(2x10 L) = log2 + L = 0,3 + 6B = 63 dB (vt 3.6). Vastus: L 2 = 63 dB.

4. Reaktiivlennuki helitase sellest 30 m kaugusel on 140 dB. Mis on helitugevus 300 m kaugusel? Ignoreeri peegeldust maapinnalt.

Lahendus

Intensiivsus väheneb võrdeliselt distantsi ruuduga – see väheneb 102 korda. L 1 - L 2 \u003d 10xlg (I 1 / I 2) \u003d 10x2 = 20 dB. Vastus: L 2 = 120 dB.

5. Kahe heliallika intensiivsuse suhe on: I 2 /I 1 = 2. Mis vahe on nende helide intensiivsuse tasemetel?

Lahendus

ΔL \u003d 10xlg (I 2 / I 0) - 10xlg (I 1 / I 0) = 10xlg (I 2 / I 1) = 10xlg2 \u003d 3 dB. Vastus: 3 dB.

6. Mis on 100 Hz heli intensiivsus, mille tugevus on sama tugev kui 3 kHz heli intensiivsusega

Lahendus

Kasutades võrdse helitugevuse kõveraid (joonis 3.3), leiame, et 25 dB sagedusel 3 kHz vastab helitugevusele 30 phon. Sagedusel 100 Hz vastab see helitugevus intensiivsuse tasemele 65 dB.

Vastus: 65 dB.

7. Helilaine amplituud on kolmekordistunud. a) kui palju on selle intensiivsus suurenenud? b) mitme detsibelli võrra helitugevus suurenes?

Lahendus

Intensiivsus on võrdeline amplituudi ruuduga (vt 3.6):

8. Töökojas asuvas laboriruumis ulatus müra intensiivsuse tase 80 dB-ni. Müra vähendamiseks otsustati labori seinad polsterdada helisummutava materjaliga, mis vähendab heli intensiivsust 1500 korda. Milliseks müra intensiivsuse tasemeks saab pärast seda laboris?

Lahendus

Helitugevuse tase detsibellides: L = 10 x log(I/I 0). Kui heli intensiivsus muutub, on helitugevuse taseme muutus võrdne:

9. Kahe kandja impedantsid erinevad 2 korda: R 2 = 2R 1 . Milline osa energiast peegeldub liidesest ja milline osa energiast läheb teise keskkonda?