36. Объективные (физические) характеристики звука. Субъективные характеристики звука и их связь с объективными характеристиками. Закон Вебера-Фехнера.
А. Физические характеристики звука, не зависящие от органа слуха
Б. Психофизические (субъективные) характеристики, учитывающие свойства органа слуха.
Физические характеристики
|
Психофизические характеристики |
1. Частота колебаний [Гц] |
1. Высота тона |
2. Гармонический спектр |
2. Тембр звука |
3. Интенсивность звука I [Вт.м-2 ] |
3. Громкость звука [сон] |
Уровень интенсивности L [дБ] |
Уровень громкости [фон] |
Первые две позиции не нуждаются в особых пояснениях. Надо только заметить, что высота тона связана с частотой тоже логарифмическим соотношением. по-другому можно выразиться так: при росте частоты в геометрической прогрессии высота тона увеличивается в арифметической прогрессии.
Для сложных звуков высота звука определяется, в основном, частотой первой гармоники. В этом случае субъективное ощущение высоты звука может зависеть и от соотношения интенсивностей разных гармоник
По спектру все звуки разделяются на тоны и шумы. Тонами называют звуки, имеющие линейчатый спектр, то есть достаточно строго периодические. Звуки со сплошным спектром, не имеющие определённого периода, называют шумами.
Интенсивности звука в субъективном восприятии соответствует громкость. Однако, непосредственно установить соотношение между интенсивностью и громкостью не удаётся; приходится вводить вспомогательные величины – уровень интенсивности и уровень громкости, как показано в таблице.
Закон Вебера — Фехнера — эмпирический психофизиологический закон, заключающийся в том, что интенсивность ощущения чего-либо линейно зависит от логарифма интенсивности раздражителя.
уровнем интенсивности называется величина L, определяемая по формуле
+где I – интенсивность данного звука, Iо – пороговая интенсивность. На самом деле I0 у разных людей имеет различное значение, но при вычислениях по этой формуле пользуются так называемым абсолютным или средним порогом I0 = 10–12 Вт.м-2. Единицей уровня интенсивности является децибел [дБ];
Уровень интенсивности можно выразить и через звуковое давление, учитывая, что интенсивность пропорциональна квадрату давления:
+где
Δр0
– пороговое звуковое давление, равное
(в среднем) 2.10 –
5
Па.
37. Ультразвук. Способы получения ультразвука. Основные свойства ультразвука. Физические процессы, возникающие в биологических объектахпод воздействием ультразвука. Применение ультразвука в медицине.
Ультразвук – это механические волны, распространяющиеся в упругих средах и имеющие частоту свыше 20 кГц (до 109 -1010 Гц). Таким образом, у ультразвука частота больше, чем у звука, а длина волны, соответственно, меньше.
Для генерирования ультразвука используют ультразвуковые излучатели, основанные на обратном пьезоэлектрическом эффекте, магнитострикции или электрострикции
Обратный пьезоэлектрический эффект состоит в том, что пластинка, вырезанная определенным образом из кристалла кварца (или другого анизотропного кристалла), под действием электрического поля сжимается или удлиняется в зависимости от направления поля.
Явление магнитострикции состоит в том, что ферромагнитные стержни (сталь, железо, никель и их сплавы) изменяют свои размеры под действием магнитного поля, направленного по оси стержня.
Электрострикция – способность некоторых материалов (титаната бария, титаната-цирконата свинца) изменять свои размеры в электрическом поле.
Свойства УЗ:
1) Ультразвук активно поглощается воздушной средой. На расстоянии 12 см интенсивность УЗ-волны в воздухе уменьшается в 10 раз (в воде это расстояние почти в 3000 раз больше).
2) Скорость распространения УЗ зависит как от среды, в которой он распространяется, так и от состояния этой среды (температура, давление, влажность). В воздухе скорость распространения УЗ – 330 м/с, в воде – 1500 м/с, в костных тканях – около 3370 м/с.
3) Ультразвук отражается от границы раздела сред с разным акустическим сопротивлением. Так, на границе «вода-воздух» отражается более 90% ультразвуковой энергии.
На явлении отражения ультразвука от границы раздела сред основана эхолокация – метод локализации неоднородностей в средах.
4) УЗ-волна обладает достаточно большой энергией (механические разрушения, тепловой эффект).
5) Ультразвук обуславливает интенсивное колебательное движение частиц жидкости (чередование фаз уплотнения среды с фазами разрежения). Иногда в такой жидкости образуются микрополости, которые быстро заполняются насыщенным паром окружающей жидкости. Время жизни полости очень мало; вслед за разрежением среды наступает ее сжатие, что приводит к схлопыванию полости. Когда полости схлопываются, возникают сильные ударные волны. Это явление называется кавитацией.
Применения УЗ в медицине и фармацевтике:
а) ультразвуковая диагностика (эхоэнцефалография, эхокардиография, УЗИ органов брюшной полости, УЗИ плода);
б) хирургия - ультразвук высокой интенсивности используют для разрушения злокачественных опухолей, разрезания тканей (УЗ-скальпель), распиливания и сварки костей;
в) стерилизующее действие (широко используется в стоматологии) - уничтожение вирусов, бактерий, грибков;
г) физиотерапия
д) очистка хирургических инструментов (УЗ-мойки);
е) размельчение и диспергирование частиц при приготовлении аэрозолей, коллоидных растворов, суспензий, эмульсий;
ж) ультразвуковой катализ.