Основные понятия в акустике

17 Февраля в 2:44 4496 0


Kаким бы методом исследования не пользовались при аудиологическом изучении слуховой функции, существенными являются представления об основных физических характеристиках звуковых сигналов. Ниже будут представлены лишь самые основные понятия акустики и электроакустики.

Значения скорости распространения звуковой волны при разной температуре
Температура (град)Удельное акустическое сопротивление (кг/м2/с)Скорость распространения звука (м/с)
0428331
20418343

Звук в природе распространяется в виде изменяющегося во времени возмущения упругой среды. Колебательные движения частиц такой yпругой среды, возникающие под воздействием звука, называются звуковыми колебаниями, а пространство распространения звуковых колебаний создает звуковое поле. Если среда, в которой распространяются звуковые колебания, является жидкой или газообразной, то частицы в этих средах колеблются вдоль линии распространения звука и поэтому их принято рассматривать как продольные колебания.

При распространении звука в твердых телах, наряду с продольными колебаниями, наблюдаются и поперечные звуковые колебания. Естественно, что распространение колебаний в среде должно иметь какое-либо направление. Это направление называется звуковым лучом, а поверхность, соединяющую все смежные точки звуковой волны с одинаковой фазой колебаний, принято называть фронтом звуковой волны. Кроме того, звуковые волны в различных средах распространяются с различной скоростью. При этом необходимо учитывать, что значение скорости определяется плотностью среды, в которой распространяется звуковая  волна.

Сведения о значениях плотности звуковой среды весьма существенны, так как эта плотность создает определенное акустическое сопротивление распространению звуковой волны. На скорость распространения звуковой волны влияет также температура среды: при повышении температуры среды скорость распространения звуковой волны возрастает.

Основными для аудиологического обследования физическими характеристиками звука являются его интенсивность и частота. Именно поэтому они будут рассмотрены более подробно.

Для перехода к физической характеристике интенсивности звука вначале необходимо рассмотреть ряд других параметров звуковых сигналов, имеющих отношение к их интенсивности.

Звуковое давление - p(t) - характеризует силу, действующую на площадь, расположенную перпендикулярно к движению частиц. В системе СИ звуковое давление измеряется в Ньютонах. Ньютон - это сила, придающая массе в 1 кг ускорение в 1 м/с за 1 с и действующая на 1 квадратный метр, сокращенно Н/м2.

В литературе приводятся и другие единицы измерения звукового давления. Ниже представлено соотношение основных используемых единиц:

1Н/м2-10 дин/см2=10 мкбар (микробар)

Энергия акустических колебаний (Е) характеризует энергию частиц, движущихся под действием звукового давления (измеряется в джоулях - Дж).

Oтнесение энергии на единицу площади характеризует акустическую плотность, измеряемую в Дж/м2. Собственно интенсивность звуковых колебаний определяется как мощность или плотность акустического потока за единицу времени, т.е. Дж/м2/с или Вт/м2.

Человек и животные воспринимают весьма большой диапазон звуковых давлений (от 0,0002 до 200 мкбар). Поэтому для удобства измерения принято пользоваться относительными величинами, а именно, десятичной или натуральной шкалами логарифмов. Звуковое давление измеряется в децибелах и белах (1Б = 10 дБ), если используются логарифмы с десятичным основанием. Иногда (довольно редко) звуковое давление измеряется в ненерах (1Нн = 8,67 дБ); в этом случае используются натуральные логарифмы, т.е. логарифмы не с десятичными (как в случае с Б и дБ), а с двоичным основанием.

Однако следует учесть, что оценка в белах и децибелах была принята как логарифмическая мера отношения мощностей. Между тем, мощность и интенсивность пропорциональны квадрату звукового давления. Поэтому дня перехода к интенсивности звука устанавливаются следующие oтношения:

Переход к интенсивности звука

где N - интенсивность или звуковое давление (Р) в белах (Б) или децибелах (дБ), I0 и Р0 - условно принимаемые уровни отсчета интенсивности и звукового давления. Обычно уровнем отсчета звукового давления (часто в литературе используется сокращение "УЗД", от начальных букв слов "уровень звукового давления", а в английском языке используется аббревиатура - "SPL" (от идентичного выражения "Sound Pressure Level") считается 2x10-5 Н/м2. Соотношения УЗД с другими единицами измерения интенсивности звука выглядит следующим образом:


2х10-5 Н/м2=2х10-4дин/см2=2х10-4 мкбар

Рассмотрим теперь акустические характеристики частоты звуковых сигналов. В большинстве случаев для обследования слуховой функции используют гармонические звуковые сигналы.

Гармонический звуковой сигнал (иначе синусоидальный сигнал или чистый тон), обладающий также начальной фазой включения тонального сигнала, помимо звукового давления, характеризуется такой важной физической характеристикой как длина волны. Все гармонические звуковые сигналы (или чистые тоны) обладают периодичностью (т.e., периодом Т). В этом случае длина звуковой волны определяется как расстояние между соседними фронтами волны при одинаковой фазе колебаний и вычисляется по формуле:

J = с х Т

где с - скорость распространения звуковых колебаний (обычно м/с), I их периодичность. При этом частота звуковых колебаний (f) соответствует формуле:

f = J/Т

Частоту тона оценивают количеством звуковых колебаний в секунду и выражают в герцах (сокращенно - Гц). Исходя из диапазона воспринимаемых человеком частот звуковых колебаний, частоты в диапазоне 20 - 20000 Гц называют звуковыми, более низкие частоты (f < 20 Гц) называют инфразвуками, а более высокие (f > 20000 Гц) - ультразвуками.

В свою очередь, чисто из практических соображений, диапазон звуковых частот иногда условно делят на низкие - ниже 500 Гц, средние 500-4000 Гц и высокие - 4000 Гц и выше. Заметим, что для обозначения звуковых колебаний от 1000 Гц и выше часто пользуются обозначением килогерц, сокращенно кГц.

Форма и спектр ряда звуковых сигналов, используемых при аудиологических исследованиях
Схематическое изображение формы и спектра ряда звуковых сигналов, используемых при аудиологических исследованиях:
1 - тональный сигнал; 2 - короткий звуковой импульс (щелчок); 3 -шумовой сигнал; 4 - короткая тональная посылка; 5 - амплитудно-модулированный сигнал (Т - период амплитудной модуляции); 6 - частотно-модулированный сигнал.

Если в звуковом сигнале представлено много разных частот (в идеале все частоты звукового спектра), то возникает, так называемый, шумовой сигнал.

Одним из методов аудиологического обследования больных является акустическая импедансометрия. Поэтому рассмотрим более подробно еще одну физическую характеристику звуковых сигналов.

Хорошо известно, что при распространении в средах разные виды энергии встречают определенное сопротивление. Выше указывалось, что такое же сопротивление встречает и акустическая энергия при распространении звуковых волн в акустических системах. Из последующего изложения станет очевидным, что периферические отделы слуховой системы, т.е. наружное и среднее ухо, представляют собой с физической точки зрения типичные акустические системы, а именно, акустические приемники звука. Поэтому и необходимо рассмотрение существа и характеристик акустического сопротивления с учетом прохождения звуковых сигналов через периферические отделы слуховой системы.

Комплексное акустическое сопротивление или акустический импеданс определяется как общее сопротивление прохождению акустической энергии в акустических системах. Акустический импеданс представляет собой отношение   комплексных  амплитуд  звукового  давления к колебательной объемной скорости и описывается формулой:

Za = ReZa + ilmZa

В этом уравнении ReZa представляет собой активное акустическое сопротивление  (иначе  его  называют  истинным  или резистивным сопротивлением),  которое связано диссипацией  энергии в самой аккустической системе. Под диссипацией энергии понимают ее рассеивание в переход энергии упорядоченных процессов (какой, например, является кинетическая энергия звуковых волн) в энергию неупорядоченных процессов (в конечном итоге - в теплоту). Вторая часть уравнения ilmZa (его мнимая часть) получила название реактивного акустического сопротивления, которое обусловлено силами инерции или силами упругости, податливости или гибкости.

Ниже будет подробно изложена процедура исследования   акустического   импеданса   среднего   уха   при ряде существенных    для аудиологического    обследования измерений (тимпанометрия, импедансометрия).

Я.А. Альтман, Г. А. Таварткиладзе
Похожие статьи
  • 24.02.2013 36997 15
    Тональная пороговая аудиометрия

    Тональная пороговая аудиометрия осуществляется при помощи аудиометров, которые производятся многими фирмами и отличаются друг от друга по функциональным возможностям и по возможностям управления. В них предусмотрен набор частот 125, 250, 500, 750, 1000, 1500, 2000, 3000, 4000, 6000, и 8000 Гц (в...

    Аудиология
  • 24.02.2013 24447 7
    Тимпанометрия

    Первые работы, посвященные тимпанометрии, содержали описание отдельных тимпанограмм, характерных для той или иной патологии (Terkildsen, Thomsen, 1959; Brooks, 1968; 1969). Позднее были разработаны классификации тимпанограмм, из которых наибольшее распространение получили взаимно дополняющие...

    Аудиология
  • 20.02.2013 7086 10
    Слуховые вызванные потенциалы. Часть 1

    Исследование этого класса реакций определяется возможностью неинвазивной (т.е. с поверхности черепа) регистрации суммарной электрической активности слуховых центров у человека и животных. В виду малой амллитуды реакций при таком способе регистрации и значительного уровня помех за счет других...

    Аудиология
показать еще
 
Оториноларингология