Учебное пособие для студентов дефектологических факультетов высших педагогических учебных заведений Москва. Академия. 2003
|
|
Скачать 0.72 Mb.
|
|
2.1. Физические характеристики звуковых колебаний |
1 2
|
Глава 2 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЙ АКУСТИКЕ Слуховой анализатор является в филогенетическом отношении самым молодым из всех органов чувств и в то же время очень сложным и совершенным. С древнейших времен до наших дней — от первоначальных исследований простейших законов физики, звука до тщательного изучения проблем возникновения звуковых волн, их распространения и восприятия — акустика проделала огромный путь в своем развитии, прежде чем стало возможным появление радио, телефона, кинематографии, телевидения и др. Звук был и остается единственным адекватным природным раздражителем нашего слухового аппарата, постоянно сообщающим нам обширную информацию об окружающем мире; он является основным раздражителем при самых разнообразных методах исследования акустического анализатора. Именно поэтому аудио-логия немыслима без знания и использования законов акустики. ^ Звук — это колебания частиц упругой среды, распространяющихся в виде волн, при которых возникают слуховые ощущения. Пространство, в котором происходит распространение этих волн, называют звуковым полем. Упругие свойства среды обусловлены взаимодействием ее молекул. Если одну молекулу или группу молекул среды вывести из состояния равновесия, это повлечет за собой изменение положения или смещение других молекул. Передачу колебаний через частицы среды называют волной. Звуковая волна может распространяться как в твердой и жидкой, так и в газообразной среде, что крайне важно для понимания сущности физиологических явлений в слуховом анализаторе. При распространении механических волн происходит изменение состояния среды, т. е. передача энергии осуществляется без переноса частиц среды. Последние только смещаются относительно положения равновесия. Так, например, если в воздухе или воде локально возбудить звуковые колебания, то они начнут распространяться практически во все стороны путем передачи колебаний от одной молекулы к другой. Передача колебаний молекулам или частицам среды требует затрат как энергии, так и времени. Распространение колебаний происходит благодаря упругим связям между молекулами, в результате которых движение каждой из них как бы повторяет движение предыдущей. Передача колебаний требует затраты времени, поэтому движение молекул в точке наблюдений происходит с некоторым запаздыванием во времени по отношению к движению молекул в зоне возбуждения колебаний. При этом звуковые колебания распространяются со скоростью, которая определяется физическими свойствами среды. В газах и жидкостях звуковые волны распространяются в виде объемных волн растяжения и сжатия. Скорость звука для различных сред неодинакова. В твердых материалах она больше, чем в жидкостях и газах. От скорости звука следует отличать скорость движения частиц среды, т. е. колебательную скорость. Последняя характеризует скорость, с которой в возвратно-поступательном движении перемещаются элементарные объемы газов, частицы твердого тела или жидкости. Колебательная скорость, как и скорость распространения звука, является векторной величиной. Направления этих двух векторов определяют тип звуковых волн. Колебательная скорость значительно меньше скорости звука и зависит как от возбуждающей силы, так и от частоты звука. Колебания звучащего тела часто называют маятникообразны-ми. Действительно, как и в движении маятника, в колебании звучащего тела можно выделить четыре фазы: из исходного до крайнего положения, от крайнего назад до исходного, по инерции — до другого крайнего положения и, наконец, назад до исходного. Время, в течение которого совершается одно полное колебание, называется периодом колебания. Период может быть большим и меньшим. Если тело колеблется медленно, то период его колебания будет большим; если же тело колеблется быстро, то период его колебания будет меньшим. 2.1.1. Звук и его виды Колебания звукообразующего тела в воздушной среде, хотя и возникают на одном месте, не остаются локализованными, а передаются на соседние участки воздушной среды. В силу маятникообразного колебания в воздушной среде образуются сгущения, чередующиеся с участками разрежения (рис. 15, А, Б). Попеременное образование участков сгущения и разрежения создает звуковую волну. При этом частицы воздуха не перемещаются по распространению волны, а,находясь в состоянии колебания, возвращаются в исходное положение. А Б   источник камертон приемник Рис. 15. Звуковая волна: А — участок сгущения; Б — участок разрежения В зависимости от величины плотности и упругости окружающей среды звуковая волна имеет различное распространение и разлившую скорость. В воде скорость распространения звуковой волны в четыре раза больше, чем в воздухе. Характерной особенностью звуковой волны является ее шарообразность, т. е. концентрическое распространение во все стороны от источника звука. Одинаковые состояния звуковой волны — участки сгущения и разрежения — образуют фазы. Расстояние между одинаковыми фазами называется длиной волны. У низких звуков фазы отстоят далеко друг от друга, т. е. длина волны большая, у высоких — фазы расположены близко, т.е. длина волны маленькая. В современных теориях слуха большое значение придается длине звуковой волны. С длиной волны связано одно из важнейших понятий, характеризующих звук, — частота колебаний. Частотой колебания называется количество повторных сжатий и следующих за ними разрежений, проходящих через определенную точку наблюдения в одну секунду. Расстояние между средним и крайним положениями колеблющегося тела составляет амплитуду колебаний, от которой в значительной степени зависит сила и интенсивность звука. Одним из условий оптимального слуха является правильная работа трансформационного механизма уха, благодаря которому происходит преобразование звуковых колебаний с большой амплитудой и относительно малой силой в звуковые колебания с малой амплитудой, но с относительно большим давлением. По характеру колебательных движений звуки делятся на три группы: чистые тоны, сложные тоны и шумы. Если при колебании звучащего тела через определенные промежутки времени повторяются одинаковые фазы (А.) звуковой волны, то такое колебание называется гармоническим, ритмичным или периодическим. Его графическое изображение выражается в виде синусоиды (рис. 16). Звук, возникающий в результате периодического колебания и распространяющийся в виде синусоидальной волны, называется тоном. Правильная синусоида включает только одну частоту ко-  Рис. 16. Синусоидальная волна АЛААААА  Рис. 17. Сложная синусоидальная волна. Звук Р разложен на составляющие его АЛААААА синусоидальные компоненты Р1 — Р^ (по Г. Кобраку) лебания и дает в результате чистый, или простой, тон. Примером искусственно воспроизводимого чистого тона является звук камертона. Окружающие нас звуки — сложные. Они дают не правильную, а сложную синусоиду, которая, по теории французского математика Ж.Б.Фурье (1822), представляет собой сумму простых синусоид, каждая из которых может быть в отдельности (рис. 17). Выделенные из сложного звука синусоидальные компоненты представляют собой простые тоны, различающиеся по частоте и амплитуде. При этом звук самой низкой частоты является основным и характеризует высоту звука, все остальные — добавочные к нему, или обертоны. Каждый следующий обертон отличается от основного тона по частоте в целое число раз: I обертон — в два раза, II — в три, III — в четыре и т.д. Например: I обертон тона 128 будет 128-2 = 256 Гц; II обертон - 128-3 = 384 Гц; III обертон — 128-4 = 512 Гц и т.д. Звуки, не имеющие периодического характера и состоящие из смеси тонов самых разных частот, соотношение между которыми выражается не целыми, а дробными числами и в них невозможно выделить основной тон, называются шумами. Шумы и шорохи постоянно присутствуют в окружающем нас звуковом фоне. С ними мы сталкиваемся в виде шума ветра, деревьев, моря, городского транспорта, в виде грохота грома и шелеста страниц книги. Слух человека в процессе онтогенетического развития формировался код влиянием шумов. В течение всей своей жизни человек находтся в среде, насыщенной различного рода шумами. Поэтому, как пишет Лангенбек (1954), человек с детства должен тренироваться, чтобы слышать определенные звуки, несмотря на шум. «Белый шум», или «шум Гаусса» — по имени ученого, впервые описавшего его свойства, — отличается от простого шума тем, то в его состав входят в одинаковой степени все частоты, воспринимаемые человеческим ухом. Свое название он получил по аналогии с «белым светом», который состоит только из частот видимого спектра. «Белый шум» нашел широкое применение в ряде аудиометрических исследований. Звуковая волна, как уже было отмечено выше, распространяется от источника звука шарообразно во все стороны. Однако по мере удаления от звучащего тела энергия волны убывает обратно пропорционально квадрату пройденного расстояния. Потеря энергии связана с преодолением сопротивления среды и внутреннего трения самих частиц. Распространению волны мешает целый ряд препятствий, встречающихся на ее пути (в том числе и голова человека), которые волна должна преодолеть. Способность звуковой волны огибать препятствия называется дифракцией. Низкие звуки обладают лучшей дифракцией, чем высокие. Этим, например, объясняется тот факт, что когда группа поющих людей сворачивает за угол, то сначала перестают быть слышны высокие голоса, а затем уже низкие. Если на пути распространения волны находится большая поверхность, то волна отражается от нее. При этом возникает явление, называемое эхом. Звуковое эхо воспринимается ухом раздельно от первичного сигнала (короткого звукового импульса) в том случае, если оно запаздывает не менее чем на 0,05 — 0,06 с. С эхом мы часто встречаемся в природных условиях: в лесу, в горах, где отражающими поверхностями являются деревья, камни. Но оно может наблюдаться и в закрытых помещениях, в которых звук отражается от стен, потолка, мебели. Такое явление послезвучания, сохраняющегося после выключения источника звука, обусловленное неодновременным приходом в данную точку отраженных или рассеянных звуковых волн, называется реверберацией. Реверберация оказывает значительное влияние на слышимость речи и музыки в помещениях. Она может быть сильной, и тогда мы говорим о «гулкости» помещения, но может быть и наоборот, слабой — в таком помещении звуки становятся тусклыми, быстро угасающими. Реверберацию можно ослабить путем покрытия отражающих поверхностей пористыми или губчатыми материалами, занавесями, коврами. Попадающий на них звук будет поглощаться — адсорбироваться. Реверберацию можно также и усилить. Для этой цели создаются помещения специальной формы с «направленным» звуком — концертные залы, эстрадные «раковины» и т.д. Наличие большого количества мебели, оборудования в помещениях, предназначенных для проверки слуха, может резко исказить результаты исследований. Если в закрытом помещении действие звучащего источника продолжается, то отраженная волна встречает на своем обратном пути первичную волну. При этом возникает явление интерференции, в результате которого волны могут усиливать или ослаблять друг друга. Интерференция, например, может искажать результаты камертонального исследования при неправильном приближении звучащего камертона к уху. Явление интерференции играет определенную роль и при прохождении звука через наружный слуховой проход, в котором происходит усиление звуковой волны в три раза. Законы отражения и поглощения проявляются и в деятельности звукопроводящей системы органа слуха. Когда звуковая волна ударяется в находящуюся на ее пути эластичную мембрану — барабанную перепонку, то часть энергии отражается, а часть проходит в барабанную полость и поглощается. Та часть энергии, которая отражается, фактически будет определять импеданс (сопротивление) барабанной перепонки. Термин «импеданс» заимствован из электротехники, где он определяет сумму сопротивлений в системе переменного тока. Впервые это явление изучил Трогер (1930). Проведенные им опыты показали, что импеданс барабанной перепонки зависит от частоты звука. Так, например, при частоте 800 — 1000 Гц импеданс почти равен 0, т.е. вся звуковая энергия проходит через барабанную перепонку без отражения. В дальнейшем Метц доказал, что различные воспалительные заболевания среднего уха увеличивают импеданс барабанной перепонки в несколько раз. Конечный участок звукопроводящих путей представляет собой, как известно, жидкую среду. Установлено, что при переходе звуковой волны из воздуха в жидкость происходит отражение 99,9 % ее первоначальной энергии и поглощение только 0,1 %, т.е. волна становится в 1000 раз слабее. Такая же большая потеря энергии должна была бы произойти и при переходе звуковой волны из воздушной среды среднего уха в жидкость внутреннего уха. Однако наличие правильно функционирующей трансформационной системы уха спасает положение, значительно уменьшая потерю. Впервые физические законы усиления звуков в среднем ухе разработал Э. Г. Вебер (1851). Большую роль в звукопроведении играет явление резонанса. Буквальный перевод этого французского слова означает «отдающий звук». Если на способный колебаться предмет воздействует волна от другого колеблющегося тела, то предмет придет в колебательное движение, т.е. станет резонатором. Резонанс может быть острым и тупым. Острый резонанс появляется тогда, когда собственный период колебаний резонатора совпадает с периодом воздействующей силы. При графическом изображении мы получим кривую, показывающую, что при остром резонансе имеют место очень медленно затухающие колебания (рис. 18, а). Примером возникновения острого резонанса является колебание струны рояля при поднесении к ней соответствующего по частоте звучащего камертона. При этом амплитуда колебаний струны будет максимальной. При тупом резонансе период колебаний резонатора не совпадает с периодом колебаний воздействующей силы. В отличие от острого резонанса мы получим пологую кривую, показывающую, что колебания очень быстро затухают (рис. 18, б)   . Острый резонанс Тупой резонанс Рис. 18. Резонансные кривые: а — максимум резонансной кривой при остром резонансе; 6 — плоская резонансная кривая при тупом резонансе Долгое время барабанную перепонку считали тупым резонатором, т.е. колеблющимся телом, одинаково хорошо реагирующим на воздействие любой частоты колебаний. Большинство исследователей (Г. И. Гринберг, Р. А. Засосов, 1957; Г. Кобрак, 1958, и др.) считают, что барабанная перепонка, действительно хорошо реагируя на различные частоты, тем не менее обладает собственной частотой колебания, равной 800— 1000 Гц. Франк и Бромзер в своих исследованиях (1923) показали, что собственная частота колебаний звукопроводящей системы уха также равна приблизительно 1000 Гц. Таким образом, частоту в 1000 Гц с полным основанием можно назвать «собственным тоном» барабанной перепонки: при воздействии звуковых колебаний этой частоты отмечается ее наилучший резонанс и наименьший импеданс. Этим можно объяснить тот факт, что большое количество аудиометрических тестов проводятся на частоте в 1000 Гц. Установлено также, что зоне звуков с частотой в 1000 — 2000 Гц на основной мембране улитки соответствует наибольший отрезок, равный 5 мм. Исследования, проведенные в акустической лаборатории Московского университета, показали, что в большинстве окружающих человека «приятных» звуков — шуме леса, дождя, моря и т.д. — определяющей является частота в 1000 Гц. Мы рассмотрели основные физические свойства звукового раздражителя, и в первую очередь такие, как частота и сила колебаний. Однако объективные физические признаки звука, воздействуя на акустический анализатор, вызывают в нем появление субъективных физиологических ощущений — высоты, громкости и тембра звука, к описанию которых мы и переходим. Закономерно возникает вопрос: каким же образом можно привести к «общему знаменателю» объективные физические признаки и субъективные физиологические ощущения? Казалось бы, эти величины не только несоизмеримы, но и несовместимы — физика и психофизиология! Между тем еще в прошлом веке Э. Г. Вебер и Г. Т. Фехнер открыли закон, ставший общим для всех органов чувств и для всех видов раздражителей. Сущность этого закона заключается в следующем: в то время как величина раздражителя увеличивается в геометрической прогрессии, ощущение от этого раздражителя возрастает в арифметической прогрессии. Иными словами, если величина раздражителя А увеличивается в прогрессии А, А2, А3 и т.д., то величина ощущения возрастает в прогрессии А, 2А, ЗА и т.д. Дальнейшие исследования показали, что закон Вебера — Фехнера применим для аудиологических исследований лишь отчасти. Так, он не применим в тех случаях, когда вопрос касается крайних степеней раздражения как по частоте, так и по интенсивности. Кроме того, ощущение громкости не только находится в соответствии с изменением интенсивности, но и зависит еще от ряда факторов, в том числе от частоты звука, состояния слухового анализатора, деятельности центральной нервной системы и т.д. Тем не менее на основании использования закона Вебера —Фехнера были установлены аудиометрические единицы измерения интенсивности звука — октава и децибел — и в этом его большое практическое значение. В отличие от ощущения громкости, ощущение высоты звука находится в прямом соответствии с изменением частоты колебаний. Примером этого может служить ручная сирена: при медленном вращении ручки она дает низкий звук, с увеличением скорости вращения высота звука повышается. Установленная международная единица субъективного ощущения высоты звука «мел» не нашла широкого применения, и почти повсеместно оценка высоты звука производится в герцах (по имени немецкого физика Генриха Герца) — число колебаний в 1 с. Диапазон воспринимаемых человеческим ухом частот находится в пределах от 15—16 до 20 000 — 22000 Гц. Звуки с частотой колебаний ниже 15 —16 Гц относятся к инфразвукам, с частотой выше 20 000 — 22 000 Гц — к ультразвукам. Получение ультразвуков и внедрение их в практику были впервые осуществлены французом Полем Ланжевеном в начале XX в. Воздействие этих частот на акустический анализатор не воспринимается как звуковое ощущение, хотя и не остается для него бесследным, вызывая изменения в молекулярных структурах клеток. В лаборатории патофизиологии Московского научно-исследовательского института уха, горла и носа было установлено, что при костном проведении ультразвук в пределах частотного спектра 32 — 200 кГц (32 000—200 000 Гц) вызывает у нормально слышащих людей слуховое ощущение (Б.М.Сагалович, 1962). Инфразвуки, улавливаемые специальной аппаратурой, служат для изучения влияния на организм вибраций. Весь диапазон воспринимаемых ухом частот может быть разделен на несколько частей: тоны до 500 Гц называются низкочастотными, от 500 до 3000 Гц — среднечастотными, от 3000 до 8000 Гц — высокочастотными и выше 8000 Гц — серхвысокочастотными. Различные части диапазона воспринимаются ухом неравномерно. Лучше всего слышны тоны средних частот, и особенно в зоне 800 — 2000 Гц, хуже — крайние части диапазона: ниже 50 и выше 10 000 Гц. Наличие этих пределов оптимального слуха объясняется, по мнению В.Ф.Ундрица, тем, что крайние участки основной мембраны способны реагировать на колебания не ниже 30 — 50 Гц и не выше 10 000—13 000 Гц. Восприятие же звуков, расположенных выше и ниже указанных границ, становится возможным при значительном увеличении их интенсивности, когда искажения, появляющиеся в участках основной мембраны, настроенных на более низкие тоны, приводят к образованию обертонов. Эти обертоны, по-видимому, и дают ощущение некоего более низкого или более высокого тона — унтертона, а иногда и просто шума. Более ранним обозначением высоты тона кроме частотной характеристики является октава. Понятие «октава» существует столько же, сколько существует музыкальная грамота. Октава, как известно, состоит из семи нот: до, ре, ми, фа, соль, ля, си. Самый низкий звук нашего диапазона, равный 16 Гц, представляет собой «до» субконтраоктавы (С), самый высокий — около 20 000 Гц — «ре-ми» седьмой октавы (С седьмой степени). Диапазон нашего слуха охватывает более 11 октав. Выше диапазона нашего восприятия находится еще более 16 октав, составляющих область ультразвуков. Из широкого спектра воспринимаемых звуков диапазон музыкальной области слуха намного уже всего диапазона воспринимаемых человеческим ухом звуков. Он составляет примерно от 40 до 15000 Гц. При этом зона между 40 и 4000 Гц относится к собственно музыкальной области, а в зоне свыше 4000 Гц расположена ультрамузыкальная область. Такая же особенность характерна и для звуков человеческого голоса. Нижняя граница баса, например, находится около 80 Гц, а верхняя граница самого высокого голоса (сопрано) — несколько выше 1000 Гц. Основными частотами, при помощи которых люди общаются друг с другом, используя речь, являются 500 — 4000 Гц. Область этих частот получила в аудиологии название зоны речевых частот. Исследования, проведенные в 1-м Ленинградском медицинском институте им. И. П. Павлова (Л. В. Егоров и др., 1976), показали значительную возрастную вариабельность слуховой чувствительности. При тональной аудиометрии выявлено, что у детей в возрасте 4—10 лет пороги слуховой чувствительности превышают соответствующие пороги взрослых на 6 —10 дБ. С возрастом происходит постепенное снижение порогов восприятия. Острота слуха к 12— 14 годам достигает оптимальной величины и даже иногда превышает эти показатели у взрослых. Наибольшая острота слуха у взрослых наблюдается в возрасте 20 — 30 лет. Постепенно диапазон слышимых частот начинает сужаться, сначала за счет верхней, а затем и нижней границы. К 50 —60 годам верхняя граница слуха составляет 13 000— 15 000 Гц, а максимальная чувствительность находится в области 2000 Гц, в то время как до 30-летнего возраста она находилась в области 3000 Гц. Частотный спектр «голосов» многих представителей животного мира располагается в диапазоне слуха человека. Так, например, слоны «разговаривают» в зоне 95—380 Гц, земноводные — 1000 — 3000 Гц, цикады — 3000 — 8000 Гц, жуки — 5000 — 8000 Гц, саранча — 3000—15 000 Гц. Диапазон звуков, воспринимаемых животными, намного шире диапазона, воспринимаемого человеком. Опыты показывают, что кошки воспринимают звуки до 40 000 Гц. Это позволяет им реагировать на малейшую звуковую активность. Собаки слышат звуки выше 40 000 Гц. Известны методы дрессировки собак ультразвуковыми свистками, которых не слышит сам дрессировщик. Летучие мыши посылают в пространство через равные промежутки времени звуковые сигналы высотой 50 000 — 90 000 Гц и воспринимают их отраженными от окружающих предметов. Подобно летучим мышам, дельфины также используют своеобразный ультразвуковой радар для «прощупывания» дна моря. Исследования, проведенные над комарами, показали, что «антенны» комаров-самцов вибрируют под влиянием ультразвуков, издаваемых при полете самками, заставляя их лететь на большие расстояния. Такой «брачный призыв» использован в настоящее время для борьбы с комарами, которые находят вместо своих самок специальные засасывающие их ультразвуковые аппараты. Сравнение диапазона слуха человека и животных и выявленное при этом превосходство слуха последних заставили ученых заняться более тщательным изучением особенностей строения слухового аппарата животных. Последние годы в этом отношении ознаменовались значительными успехами. Молодая отрасль науки — бионика, используя полученные данные, оказывает в настоящее время большую помощь ряду специальных лабораторий, занимающихся созданием аппаратов, которые дают возможность человеку расширить свой слуховой диапазон. Мы рассмотрели диапазон частот, слышимых человеческим ухом. При этом отмечалось, что восприятие этих частот в виде субъективного ощущения той или иной высоты в значительной мере зависит от силы или интенсивности колебаний звучащего тела. Понятно, что чем больше амплитуда колебания или «размах» колеблющегося тела, тем больше энергии посылает данное тело в окружающую среду, тем быстрее передвигаются молекулы этой среды. Величиной этой энергии можно определить силу звука. Единицей энергии является эрг, который равен работе силы в 1 дину на пути в 1 см. Энергию можно выразить и в единицах электрической мощностих. Тогда сила звука будет определяться как средний поток энергии в ваттах, проходящий через 1 м2 площади, в этих случаях единицей измерения будет Вт/м2. В то же время звуковая волна, дойдя до барабанной перепонки, оказывает на нее определенное давление. Величиной этого давления, выражаемого в барах, можно также измерить силу звуковой волны. Один бар равен давлению силы в 1 дину на площадь в 1 см2, что приблизительно равно одной миллионной части атмосферного давления. Закономерно возникает вопрос: какое же должно быть самое минимальное давление, чтобы в человеческом ухе появилось самое минимальное звуковое раздражение, стал слышен звук «едва-едва», т.е. пороговый звук! Оказалось, что такое давление на разных частотах должно быть различным. Как видно из диаграммы на рисунке 19, оно наибольшее в области нижних и верхних частот тон-шкалы и наименьшее, равное 0,000204 бара, в области 1000 — 4000 Гц. Если на этих частотах постоянно увеличивать звуковое давление на барабанную перепонку, в ухе возникнет ощущение боли, что сделает невозможным дальнейшее увеличение давления. Тем самым будет достигнут второй порог, получивший название порога боли, или порога дискомфорта. Область, заключенная между двумя этими порогами — порогом слышимости и порогом дискомфорта, называется областью слухового восприятия или полем слуха человека. Величина области слухового восприятия меняется в зависимости от частоты звука. Согласно исследованиям Вегеля, область слухового восприятия наименьшая в зоне 20 — 30 Гц и 15 000 — 20 000 Гц, где порог слышимости и порог дискомфорта соединяются в одной точке, и наибольшая находится в зоне 1000 — 4000 Гц, где имеется астрономическая разница между двумя величинами порогов (0,000204 и 640 бар) Но величину поля слуха можно выразить и в других единицах измерения, а именно — в эргах или ваттах. Как в барах, так и в других абсолютных единицах (ваттах и эргах) разница между пороговыми величинами колеблется в огромных пределах, чрезвычайно затрудняющих вычисление. Поэтому с целью упрощения измерений используются не абсолютные, а относительные величины, полученные путем сравнения измеряемой интенсивности с определенным нулевым уровнем. Если силу звука на пороге слышимости в зоне частот 1000 — 4000 Гц принять за единицу, а все более громкие звуки выражать, применяя закон Вебера — Фехнера, в десятичных логарифмах отношения их интенсивности к этой единице, то вместо соотношения 1:1013 мы получим: 1§ 1 = 0; 1§ №ъ = 13, т. е. ряд чисел от 0 до 13. Эта единица получила название «бел» — в честь Александра Грехема Белла, изобретателя телефона. Однако на практике оказалось более удобным использовать десятые доли бела, т. е. децибелы (дБ). Это дало возможность интенсивность всех звуков области слухового восприятия выразить в относительных единицах от 0 до 130 дБ. Использование шкалы децибел открыло пути для выражения в общепринятых единицах силы звука окружающей нас звуковой активности. В таблице 1 приведена характеристика звукового восприятия в децибелах. Однако необходимо учитывать, что децибел является условной сравнительной единицей, которая показывает, насколько один звук сильнее другого. Например, мы говорим, что один звук сильнее другого в 10 раз — это значит, что интенсивность второго звука больше на 10 дБ. В то же время, когда мы отмечаем, что сила звука равна 10 дБ, то под этим понимаем, что сила данного звука в 101, т.е. в 10 раз больше той, которую мы условно принимаем за нулевую. Обычно за нулевой уровень принимают давление на пороге слышимости в зоне 1000 — 4000 Гц, равное 0,000204 бара (или 10~9 эрг, или 10~16 Вт/см2). Следовательно, если мы отмечаем, что интенсивность звука равна 40 дБ, то это значит, что отношение данной силы звука к 0,000204 бара равно 104, т. е. 10 000. Иными словами, данная сила звука в 10 000 раз больше нулевой. Для определения величины отношения той или иной силы звука в децибелах к нулевой количество децибел делят на 10, а затем возводят 10 в степень, равную полученному частному. Пользуясь таким методом расчета, можно составить таблицу , показывающую, во сколько раз звук, имеющий силу в то или иное количество децибел, больше звука, сила которого принимается за нулевую. Казалось бы, применяя закон Вебера — Фехнера и получая при этом логарифмические шкалы уровня интенсивности звука, выражаемой в децибелах, мы тем самым полностью разрешили проблему оценки величины субъективной громкости. Однако, как уже отмечалось выше, закон Вебера — Фехнера представляет величину громкости как субъективного ощущения лишь отчасти. Дело в том, что работами ряда авторов (X. Флетчер, Н. Ржевкин и др.) доказано, что громкость зависит не только от силы звуков, но и от целого ряда моментов: состояния слухового анализатора, центральной нервной системы и, главным образом, от высоты воздействующего тона. И если для зоны частот в 1000 — 4000 Гц интенсивность звука почти совпадает с ощущением его громкости, то для частот, расположенных по краям диапазона, громкость звука нарастает намного быстрее. Исследования Христиана Флетчера дали возможность изобразить неравномерное нарастание громкости в зависимости от частоты звука в виде кривых (что нашло в дальнейшем свое отражение в аудиограммах). С увеличением интенсивности звука ощущение громкости на различных частотах становится различным. Так, например, согласно Флетчеру, для того чтобы один и тот же звук в 40 дБ был слышен одинаково громко одним и тем же ухом на двух частотах — 100 и 1000 Гц, необходимо на частоте 100 Гц дать интенсивность звука в 40 дБ, а на частоте 1000 Гц — в 80 дБ. Такая прибавка является значительной при сравнении низких частот с высокими и очень небольшой при сравнении низких с низкими и высоких с высокими. Для получения субъективного ощущения равной громкости для звуков разных частот требуется неодинаковая прибавка их интенсивности в децибелах. А это значит, что децибел не может претендовать на роль единицы, определяющей субъективную громкость. Увеличение уровня громкости не идет параллельно истинному восприятию громкости. Существующая непосредственная оценка человеком громкости звуков в виде музыкальных обозначений — форте-фортиссимо, фортиссимо, форте, меццо-форте, меццо-пиано, пиано, пианиссимо, пиано-пианиссимо — показывает, что каждая последующая ступень дает уменьшение или увеличение громкости в два раза. Если учесть, что весь диапазон музыкальных звуков укладывается в громкость до 80 дБ и что всех музыкальных обозначений восемь, а каждая ступень отличается от следующей по громкости в два раза, то можно прийти к выводу, что увеличение силы звука на 10 дБ удваивает его громкость. Децибелы считаются общепризнанной единицей для аудиометрических исследований. Удобство этой единицы измерения заключается в том, что 0 дБ определяет порог слышимости человеческого уха, а все последующие возрастающие уровни характери- зуются простыми числами от 0 до 130, соответственно оценивающими интенсивность возникшего ощущения. При строительстве музыкальных помещений, при исследовании шума в цехах фабрик и заводов, в музыкологии и т.д. в акустических расчетах применяются фоны и соны. Фон — единица уровня громкости исследуемого звука и тона 1000 Гц (для чистого тона фон совпадает с децибелом). Сон — единица громкости, 1 сон соответствует уровню громкости 40 фон при частоте 1000 Гц. Итак, окружающие нас звуки чрезвычайно разнообразны, они отличаются по высоте и громкости. Сочетаний этих двух величин может быть бесчисленное множество, и поэтому воздействующий на орган слуха звуковой фон отличается крайней видоизменчивостью. Последнее обстоятельство связано, главным образом, еще с одним свойством звуков — их тембром. Тембр, или особая окраска звуков, зависит от наличия в сложном звуке большого количества добавочных к нему тонов — обертонов, называемых также гармониками, призвуками. Тон самой низкой частоты сложного звука является основным, а все более высокие тоны, частота которых в целое число раз (2, 3, 4, 5 и т.д.) превосходит частоту основного тона, — обертонами. Сочетание основного тона и его обертонов составляет спектр звука. Обертоны образуются благодаря тому, что звучащее тело колеблется не только как целое, но и по частям. Так, например, струна колеблется с частотой 100 Гц, ее половинки — с частотой 200 Гц, четверти — с частотой в 400 Гц и т.д. Наличие обертонов позволяет нам отличать друг от друга два звука, производимых с одной и той же силой на одной и той же высоте. Мы, например, никогда не спутаем «до» 4-й октавы, взятое на скрипке и на гитаре. Понятно, что наличие в инструментах резонаторных полостей оказывает влияние на их гармонические характеристики. Великолепное качество знаменитых скрипок Страдивари в первую очередь было связано с оригинальностью их конструкции, придающей инструменту особенную «чистую звучность». Процесс звукового анализа заключается в том, что наш слуховой аппарат может воспринимать как основной тон, так и тембр всего звука, который придают ему обертоны. В то же время мы воспринимаем весь объединенный комплекс звука без разложения его на отдельные гармонические созвучия, благодаря чему воспринимаемый звук становится более эмоциональным и насыщенным. Однако люди с так называемым музыкальным или абсолютным слухом могут производить анализ звука, выделяя его составные обертоны, отличая две рядом расположенные ноты, тон от полутона и т.д. Они могут делать это не только на слух, но и «с листа», т.е. читая ноты. Не подлежит сомнению, что наличие абсолютного слуха является результатом двух слагаемых: природных данных и особенно тренировки. Путем тренировки вырабатывается главное качество музыканта — его музыкальная память. Комбинация обертонов вокруг основного тона имеет большое значение для тембра нашего голоса. Так как число обертонов почти бесконечно, а их роль неравнозначна, например, если усилены 1 и VI, или III и V, или II, VII и IX и т.д., голоса людей разительно отличаются друг от друга. И если нет в мире двух одинаковых по своей конфигурации ушных раковин, двух похожих отпечатков пальцев, двух абсолютно схожих листочков на одной ветке, то нет в мире и двух одинаковых голосов! Поэтому, даже не видя человека, а разговаривая с ним по телефону, мы узнаем — кто с нами говорит. Известны факты, когда родители различали близнецов только по их голосам. Слушая по радио двух наших известных певцов, оба из которых были лирическими тенорами, т.е. обладали одинаковым диапазоном голоса, часто исполняли одинаковые произведения, мы тем не менее по тембру их голосов узнаем, кто из них Лемешев, а кто Козловский. Гармонические свойства певческого голоса зависят не только от голосового аппарата певца, но и от состояния резонаторных полостей, в которых образовавшиеся в гортани обертоны усиливаются, насыщаются, эмоционально окрашиваются. Среди резонаторных полостей организма, к которым относятся: надгортанное пространство, глотка, придаточные пазухи носа и т.д., особенное значение придается состоянию полости носа. Еще В. Г. Ермолаев характеризовал носовую полость как своеобразный «фильтр», допускающий или не допускающий развитие певческого голоса до высокой квалификации. Большое значение как для голоса, так и для нашего слуха имеет «насыщение» звука высокими обертонами. Певческие голоса, содержащие достаточное количество обертонов, расположенных в диапазоне частот от 2500 до 3500 Гц и выделенных в специальную группу, называемую «высокой певческой формантой», обладают хорошей звучностью. Если эти обертоны выделить в чистом ввиде, то они будут восприниматься на слух в виде звона серебряного колокольчика. Звуки же, лишенные высоких тонов и их обертонов, как доказал еще в 1921 г. Стампф на основании целого ряда экспериментов, становятся тусклыми, искаженными, непонятными. Акустический анализатор человека обладает способностью воспринимать не только периодические колебания внешней среды, но и апериодические колебания давления. Эта способность уха получила название барофункции. Барофункция осуществляется теми же механизмами, что и функция слуховая, т.е. колебания атмосферного давления воспринимаются барабанной перепонкой и через проводящую систему среднего уха передаются в лабиринт. Изменяя тонус барабанной перепонки, увеличивая или уменьшая ее физиологическую втянутость, меняя режим внутрилабиринтного давления, барофункция оказывает непосредственное влияние на остроту слуха. Значительная роль в барофункции принадлежит хорошей проходимости евстахиевой трубы и, по-видимому, нормальному состоянию давления воздуха в барабанной полости (вопрос, который до настоящего времени не получил своего достаточного освещения). Что же касается евстахиевой трубы, то ее правильная работа в известной мере зависит от координированных действий всех механизмов, воспринимающих давление внешней среды. Их нарушение, оказывающее влияние на барофункцию уха, может привести к значительному снижению слуха и к тому виду тугоухости, который Г. Кобрак охарактеризовал как тубарный. При барофункции, так же как и при слуховой функции, имеются определенные пороги бароощущения. Установлено, что для ощущения самого минимального апериодического колебания давление в наружном слуховом проходе должно быть равно 1 — 5 мм рт. ст. Если постепенно его повышать и довести до 180 — 200 мм рт. ст., то в ухе возникает ощущение заложенности и боли. При дальнейшем повышении давления может наступить баротравма, проявляющаяся в кровоизлиянии в барабанной перепонке, ее разрыве, кровоизлиянии в лабиринте и т.д. Указанные соотношения между порогом первоначального бароощущения и порогом боли имеют место лишь при нормальном состоянии механизмов, воспринимающих колебания давления внешней среды (барабанной перепонки, евстахиевой трубы и т.д.). Так, например, при отсутствии проходимости евстахиевой трубы порог боли снижается со 180 — 200 до 30 мм рт. ст. Важным фактором, влияющим на состояние порогов барофункции, является быстрота перепадов давления. При медленном и равномерном повышении давления опасность баротравмы намного меньше, чем при быстром и скачкообразном. Мы рассмотрели основные физические свойства звукового раздражителя, а также физиологические способности органа слуха. Наше ухо обладает еще целым рядом качеств, способствующих более углубленному и широкому восприятию звуковых колебаний. |
1 2
Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка:
Похожие:
База данных защищена авторским правом ©MedZnate 2000-2016
allo, dekanat, ansya, kenam
обратиться к администрации | правообладателям | пользователям
allo, dekanat, ansya, kenam
обратиться к администрации | правообладателям | пользователям