Колебания в биологических системах Поток энергии волн Звук

Колебания в биологических системах. Поток энергии волн. Звук. Физические характеристики слухового ощущения. Закон Вебера- Фехнера. Аудиометрия.

• Колебательным движением (колебанием) называется процесс, при котором система многократно отклоняясь от своего состояния равновесия, каждый раз вновь возвращается к нему.

Если этот возврат совершается через одинаковые промежутки времени, то колебание называется периодическим. • Наглядным примером колебания (механического) может служить движение маятника, груза на пружине, колебание струны и т. д. • В биологии колебательные процессы – биение сердца, дыхание а также совершенные автоколебательные механизмы, поддерживающие постоянство температуры и химического состава внутренней среды клетки. • К колебательным процессам относятся электрический ток и электромагнитное поле, движение электрона в атоме.

• Несмотря на многообразие колебательных процессов, как по физической природе, так и по степени сложности, все они совершаются по некоторым общим закономерностям и могут быть сведены к совокупности простейших периодических колебаний, называемых гармоническими.

Дифференциальное уравнение второго порядка, которому подчиняется смещение колеблющейся точки, совершающей гармонические колебания х от времени имеет вид:

• Решение этого уравнения может иметь вид: или • Здесь: А-амплитуда колебания. Она равна максимальному отклонению материальной точки или процесса от положения равновесия. - называется фазой колебания. Она определяет временную зависимость смещения точки или процесса во времени. Измеряется в радианах (или град. ) -начальная фаза – определяет смещение точки от положения равновесия в момент времени t=0

- собственная круговая частота колебания. Измеряется в рад/с. Колебание с частотой 1 Гц представляет собой 1 колебание в секунду. Т – период колебания – минимальное время, через которое точка или процесс возвращается в прежнее положение (с).

• Вводится также понятие частоты гармонических колебаний: , Гц. - связь ее с круговой частотой колебания. • Скорость отклонения процесса от положения равновесия, а при механическом движении тела – скорость тела равна:

• Оттуда можно определить кинетическую энергию материального тела, находящегося в колебательном движении: • При этом потенциальная энергия смещения может быть найдена из выражения: , где k – постоянная упругих сил, препятствующая смещению тела.

откуда: - полная энергия тела.

• Как видно из формулы, полная энергия механического колебания определяется частотой колебания и амплитудой колебания. В природе наиболее часто изменение энергии достигается путем варирования частоты.

Волновой процесс • Если в упругую среду поместить колеблющееся тело, то система перейдет в колебательное движение. Через определенное время колебательный процесс придет в исходное состояние.

• Распространение колебания в среде называется волновым процессом или волной.

• Волна называется поперечной, если частицы среды колеблются перпендикулярно направлению распространения волны • Если они колеблются вдоль, то волна называется продольной. Плоская волна – волна с плоским фронтом. • Фронт волны – множество точек, имеющих одинаковую фазу.

• Уравнение волны выражает зависимость смещения колеблющейся точки, участвующей в волновом движении от координаты ее равновесного положения и времени. Для волны, распространяющейся вдоль оси ОХ эта зависимость имеет вид:

- уравнение плоской волны. Здесь приняты следующие обозначения: х – положение равновесия колеблющейся точки, - скорость распространения волны.

Поток энергии волны равен отношению энергии, переносимой волной через некоторую поверхность S, перпендикулярную направлению распространению волны, к времени, течение которого эта энергия переносится за одну секунду (Вт):

Найдем связь потока энергии со скоростью распространения волны и объемной плотностью энергии в пространстве. Волна, распространяясь в среде через поверхность с площадью S, за одну секунду охватит объём, равный произведению Sυ. C учетом того, что объёмная энергия волны равна Еv, поток энергии волны будет равен:

Поток энергии волны. Поток энергии волны, отнесенный к площади, ориентированной перпендикулярно распространению волны, называется плотностью потока энергии волны или интенсивностью волны.

В векторной форме: вектор Умова. Единицей интенсивности волны будет Вт/м 2 - объём среды, в котором распространяется волна за время t=1 с.

Звук. Физические характеристики звука. Характеристики слухового ощущения. Закон Вебера-Фехнера. Аудиометрия. • Колебание частиц в упругих средах, распространяющиеся в форме продольных волн, частота которых лежит в пределах, воспринимаемых человеческим ухом, т. е. в среднем от 16 до 20000 Гц, называется звуковыми колебаниями или звуком. Источником звука является тело любой природы, находящееся в колебательном движении обычно в результате каких – либо механических воздействий. При колебаниях тело образует в окружающей среде, например, в воздухе упругую продольную волну, которая, достигая уха, вызывает слуховое ощущение.

• Звук распространяется в любых средах. Скорость его распространения не зависит от частоты колебаний, она зависит от упругости и плотности среды, а также от температуры. В воздухе скорость звука при 00 С составляет С = 331, 5 м/с, при повышении температуры на 10 С, она увеличивается примерно на 0, 5 м/с. В твердых и жидких средах скорость звука значительно выше, в воде например, около 1500 м/с. Эта скорость м. б. принята, как средняя, и для мягких тканей человека.

• Звуки различаются на тона и шумы. Тоном называется звук, который представляет колебание с постоянной или закономерно изменяющейся во времени частотой (или набором частот). • В зависимости от природы колебания частиц среды тона делятся на простые (гармонические) и сложные (квазигармонические) колебания, характеризуемые набором частот.

Простой тон м. б. получен с помощью камертона или звукового генератора. К сложным тонам относятся, например, звуки музыкальных инструментов, гласные звуки речи человека и т. д. Шум – звук, характеризуемый неповторяющейся сложной временной зависимостью. Как правило содержит очень большой спектр частот, сплошной спектр.

Звуковой тон характеризуется частотой (или периодом), амплитудой и формой колебания или его гармоническим спектром, а также параметрами, относящимися к звуковой волне (интенсивностью, или силой звука, а также звуковым давлением). Интенсивностью звука, называют плотность потока энергии звуковой волны, единицы измерения: Вт/ м 2, мк. Вт/ см 2.

Звуковым или акустическим давлением называется добавочное давление (избыточное давление над средним давлением окружающей среды), образующееся в участках сгущения частиц в звуковой волне. Оно измеряется в H/ м 2 (дин/ см 2, акустический бар).

• Для плоской гармонической волны звуковое давление связано с интенсивностью I звука соотношением или , где - амплитудное, а - эффективное (среднеквадратическое) значение, которое обычно и учитывается на практике.

• Произведение скорости звука с в данной среде на плотность среды, называется удельным акустическим сопротивлением среды: и является основной характеристикой ее акустических свойств. Для воздуха (при нормальных условиях) =430 кг/( с*м 2), для воды примерно 145*104, для железа 4*107 и т. д. • Звуковая волна оказывает на тело, помещенное на пути ее распространения, некоторое давление, называемое давлением звука.

• При исследовании звука и его практическом применении широко используется взаимное преобразование звуковых колебаний в электрические и наоборот. Например, стандартный источник гармонических тонов – звуковой генератор – представляет собой в основном генератор электрических колебаний в диапазоне звуковых частот.

Основные характеристики звука. Физические характеристики Физиологические характеристики 1. Интенсивность звука (или плотность потока энергии) Измеряется в Вт/ м 2 или Дж/( м 2*с) Громкость звука (интенсивность – громкость восприятия) – это субъективная количественная оценка звука (степень его слышимости) для которого главным параметром раздражения является звуковое давление. Измеряется в белах или децибелах. 2. Частота – число звуковых колебаний в единицу времени. Человек с нормальным слухом воспринимает звуки в интервале от 16 до 20000 Гц Высота тона – субъективная количественная мера ощущения звука, для которой главным параметром раздражения является частота. 3. Акустический спектр – набор частот, из которых состоит сложный звук, т. е. результат разложения сложного звука на простые гармоники. Тембр звука – своеобразная окраска звука, оттенок сложного звука, определяемый составом сложного колебания.

Логарифм отношения двух интенсивностей, выражается в белах lg. I/I 0 Применяют также децибелы.

Закон Вебера-Фехнера Отражает связь физических характеристик звука – интенсивности звука с громкостью звука и м. б. сформулирован следующим образом: Громкость (сила звука ощущения) пропорциональна логарифму относительной силы раздражения: (Б) или (ДБ)

Здесь - стандартный порог слышимости, т. е. порог слышимости на 1 к. Гц =10 -12 Вт/ м 2 I – интенсивность данного звука или через звуковое давление. (Б) или , = 2*10 -5 Па , Па =Н/ м 2 звуковое давление, соотв. порогу слышимости на частоте 1 к. Гц.

Аудиометрия – исследование слуха с помощью электроаккустической аппаратуры, называемой аудиметром, и заключающееся в определении спектральной характеристики уха на пороге слышимости. Это спектральная характеристика носит название – аудиограмма. Исследования производятся в специальных камерах – звукоизолированных камерах. Исследуя аудиограмму можно сделать рад заключений о природе недостатков слуха.

Например: 1. Воздушная и костная проводимость – нормальны – недостатков слуха нет. 2. Есть воздушная проводимость, нет костной проводимости – повреждено среднее ухо 3. Костн. и воздушн. проводимости понижены одинаково – повреждено внутреннее ухо. Диаграмма слуха – диаграмма на которой представлены области частот и интенсивностей, воспринимаемых человеческим ухом.

Колебательные процессы в живых организмах Возникновение колебательных процессов в организме связано со свойствами некоторых веществ – ферментов, активность которых скачком возрастает, если повышается концентрация исходного вещества. Изменение активности ферментов происходит в результате перестройки третичной и четвертичной структур его молекул. При этом важно, что прямая и обратная перестройки происходят при разных концентрациях (прямая – при более высокой, обратная – при более низкой). Характер процесса удобно описывается при помощи графика.