Тема Звуковой анализатор 1 Простые и сложные звуки

Тема: «Звуковой анализатор» 1. Простые и сложные звуки. Шумы. Анализ Фурье. Гармонический спектр. Акустическое давление и акустический импеданс. Акустический резонанс. 2. Восприятия звуков ухом человека. Объективные и субъективные характеристики звука. Область слышимости.

Простые и сложные звуки. Гармонический спектр. Акустическое давление и акустический импеданс. Акустический резонанс. Звуки являются продольными механическими волнами или другими словами это механическое колебательное движение, которое передаётся через упругую среду. Звуковые волны вынуждают частицы среды совершать колебания относительно положения равновесия вдоль направления распространения звука. На рис. 1 представлено сравнение продольной и поперечной волн. В отсутствии преград, звуковые волны распространяются прямолинейно. В вакууме звуки не распространяются. Источниками звуков являются предметы способные передать собственные механические колебания окружающей среде.

Частота звуковых волн совпадает с частотой колебаний источника звука. Полоса звуковых частот, воспринимаемых ухом человека, лежит в пределах от 16 Гц до 20 к. Гц. Колебания с частотой, меньшей 16 Гц, это инфразвуки, а с частотой от 20000 Гц до 109 Гц – это ультразвуки. Скорость распространения звука зависит от плотности среды, в которой он распространяется. Например: • Скорость звука в воздухе варьирует от 330 м с-1 до 340 м с-1 в зависимости от атмосферного давления. Чем больше Pатм тем больше скорость звука; • В воде скорость звука равна 1450 м с-1; • В костной среде - 3300 м с-1. Звуковые волны переносят только энергию.

Чистые звуки Таковыми являются самые простые звуки; чистые звуки (простые звуковые колебания)– это такие колебания, которые вынуждают частицы среды совершать продольные колебания относительно положения равновесия по закону синуса или косинуса. Смещение частиц среды от положения равновесия во времени описывается выражением: где: x – смещение частицы от положения равновесия; A –амплитуда колебаний (максимальное смещение частицы); - циклическая частота ( =2 ) – фаза колебания.

Период (Т) – это время, за которое совершается одно полное колебание. Период связан с частотой обратной зависимостью, т. е. Расстояние, на которое распространится звук за время, равное одному периоду называется длиной волны : где: c – скорость звука в данной среде.

Простые и сложные звуки. Гармонический спектр. Акустическое давление и акустический импеданс. Акустический резонанс. Рис. 1. Наглядное представление поперечных и продольных волн: а – поперечные волны; б – продольные волны.

Необходимо отметить, что частота является характеристикой источника звука, тогда как длина волны , которая зависит от скорости звука, изменяется в зависимости от среды, в которой распространяется волна. Мгновенная скорость частиц среды, в которой распространяется звуковая волна, определяется как первая производная от смещения по времени, т. е. где ― амплитудное значение скорости, и тогда

- Сложные звуки и шумы Если на частицу среды одновременно действуют две звуковые волны, которые описываются уравнениями: (2), (1) и то вторая волна опережает по фазе первую на время где: - фаза колебаний, а - начальная фаза.

В результате сложения этих двух колебаний возникает сложная звуковая волна. Сложные звуки вынуждают частицы среды совершать периодические колебания, которые уже не являются гармоническими, т. е. они не происходят по закону синуса. Согласно теореме Фурье: любое сложное периодическое колебание (а значит и сложный звук) можно представить, как наложение нескольких простых гармонических колебаний, имеющих разные амплитуды и частоты (Рис. 2). Эти простые гармонические колебания называются гармониками сложного звука. Причем частота гармоник является кратной минимальной частоте, которую называют фундаментальной. Разложение сложных колебаний на

простые гармоники называют анализом Фурье. В сложном звуке можно выделить: • Периодическое несинусоидальное колебательное движение; • Основной (фундаментальный) звук с частотой ; • Некоторое количество гармоник с более высокими частотами кратные частоте . Рис. 2. Гармонически е спектры звуковых волн.

Разложение Фурье, позволяет представить гармонический спектр сложного звука как набор частот отдельных его гармоник с соответствующими им амплитудами. На рисунке 3 представлены гармонические спектры акустических волн изданных различными музыкальными инструментами. Рис. 3 Акустические спектры (Гармонические спектры)

Простые и сложные звуки. Гармонический спектр. Акустическое давление и акустический импеданс. Акустический резонанс Кроме чистых звуков существуют еще и шумы. Шумы ― это звуки, которые возникают в результате периодических колебаний, амплитуда и частота, которых изменяются хаотически, поэтому гармонический спектр шумов является непрерывным. Физические эффекты звуков • Одной из характеристик звука является звуковое давление (Р), возникающее дополнительно при прохождении звуковых волн через жидкую или газообразную среды. P= c, где, – плотность среды; с – скорость звука в данной среде; – мгновенная скорость частиц участвующих в колебательном процессе.

Интенсивность звуковой волны Энергия, переносимая за единицу времени звуковой волной через единичную площадь, расположенную перпендикулярно направлению распространения волны. Для чистого звука определяется: I= P; P= c; I= c Для синусоидальной функции: Конечным выражением интенсивности является: для среднего значения акустической

Акустический импеданс Сопротивление, которое оказывает среда распространению звуковой волны, называется акустическим импедансом и является важной характеристикой среды В некоторой точке среды акустический импеданс представляет собой отношение звукового давления к скорости колебания частиц в данной точке. Значения импеданса в некоторых средах: Так для воздуха Z = 0, 04 103 г см-2 с-1; для воды Z = 1, 48 105 г см-2 с-1; для костей Z = 7, 8 105 г см-2 с-1.

• Акустический резонанс В случае свободного распространения звуковой волны в ограниченном участке среды, при совпадении частоты звука с собственной частотой участка среды частота звуковых колебаний резко увеличивается; это явление называется акустическим резонансом. В качестве акустического резонатора может служить столб воздуха, заполняющий пустоты определённых размеров и формы. Когда в резонатор проникает сложная звуковая волна, некоторые гармонические тоны (с частотами кратными собственной частоте) усиливаются, а другие (с частотами, несовпадающими с собственной частотой) ослабляются. Во втором случае, резонатор служит затухающим устройством звуковых колебаний, которое часто используется при борьбе с шумами. Демонстрационный прибор, используемый для подтверждения указанных эффектов, представлен на рисунке 4.

Рис. 4.

Цилиндрический стеклянный сосуд 1 заполняется почти доверху окрашенной водой. В него вводится проградуированная стеклянная трубка 2, расположенная в вертикальном положении, как указывается на рисунке 4. Вблизи верхнего конца трубки располагается камертон, который вибрирует. Начиная с самого низкого уровня, плавно поднимают вверх трубку вместе с камертона. Когда длина воздушного столба в трубке 2 будет составлять ¼ часть длины волны З простого звука, издаваемого камертоном, будет слышно резкое усиление интенсивности звука. Таким образом, столб воздуха между уровнем воды и камертоном играет роль резонатора, который усиливает звук издаваемый камертоном. При дальнейшем поднятии трубки и камертона, когда длина её будет составлять 1/2 З, будет чувствоваться резкое ослабление звука.

Акустический резонанс происходит тогда, когда частота звука совпадает с собственной частотой камертона. Аналогично вышеизложеному, звуковым резонатором является и воздушный звуковой проход наружного уха. Зная длину этого прохода (l=2, 3 см) и учитывая результаты описываемого выше эксперимента, можно легко определить частоту простого звукового сигнала, который максимально усиливается в звуковом проходе: Резонанс для уха человека будет наблюдаться при частоте

Звуковой анализатор устанавливает прямую связь между приёмником звуковых волн и центральной нервной системой. Используя понятия кибернетики можно сказать, что звуковой анализатор воспринимает и передаёт информацию. В дальнейшем, из интегральной (общей) звуковой системы будем рассматривать структуру слухового аппарата и физические процессы, имеющие место внутри уха. Ухо является органом, служащим для приёма и предварительного анализа звуковых сигналов. Оно состоит из трёх частей: наружное ухо, среднее ухо и внутреннее ухо. Схематически их взаимное расположение представлено на рисунке 5.

Рис. 5 Звукопроводящая и звуковоспринимающая части слухового аппарата Рис. 5

Наружное ухо состоит из ушной раковины, улавливающей звуковые волны, звукового канала, проводящего энергию звуковой волны в направлении среднего уха. В звуковом канале имеет место первое усиление звука благодаря явлению резонанса. Проходя через звуковой канал, звуковые волны действуют на барабанную перепонку, которая расположена у входа в среднее ухо, и в которой возбуждается механическое колебательное движение. Среднее ухо представляет собой полость (15 х5 х2 мм) заполненную воздухом, в которой расположены три косточки, каждая из них имеет определённую форму: молоточек, наковальня и стремечко.

Колебания барабанной перепонки передаются сперва молоточку, а потом наковальне и стремечку, а оттуда дальше к овальному окну, находящемуся на границе раздела между средним ухом и внутренним ухом. Косточки действуют как рычаг, который уменьшает амплитуду движения, одновременно увеличивая силу действия. Этим осуществляется второе усиление звука. Пространство среднего уха сообщается с полостью носоглотки при помощи Евстахиевой трубы. При нормальных условиях эта связь является закрытой. Если человек находится в среде на высокогорном уровне или погружается в воду, возникает разность давлений между средним ухом и окружающей средой.

Это вызывает болевое ощущение, а при относительно большой разнице давлений перепонка подвергается риску лопнуть. Таких моментов можно избежать, используя одну из ролей Евстахиевой трубы открываться на короткое время при глотании и, таким образом, выравнивать давление. Овальное окно и круглое окно отделяет среднее и внутреннее ухо. Овальное окно имеет площадь в 14– 20 раз меньше, чем барабанная перепонка. Это приводит к дополнительному усилению акустического давления, равного отношению площадей этих мембран. Внутреннее ухо состоит из улитки (кохлея), преобразующей механические колебания овального окна в электрический сигнал, и вестибулярного аппарата,

состоящего из трёх полукружных каналов, обеспечивающие равновесие и положения тела в пространстве. Улитка представляет полость заполненную жидкостью (эндолимфой), которая воспринимает звуковые волны, переданные ей через наружное и среднее ухо. Улитка имеет спиралевидную форму, содержит базилярную мембрану, резонанс которой не соответствует её длине, но зависит от частоты звуковых колебаний. Другими словами имеет место анализ Фурьер воспринимаемых звуков. В улитке внутреннего уха на поверхности базилярной мембраны расположен Кортиев орган, состоящий из волосковых чувствительных клеток (цилий) и, который служит рецепторным аппаратом органа слуха.

Проходящие через улиточный канал, звуковые колебания индуцируют механическую вибрацию базилярной мембраны, которая воздействует на стериоцили. В этих волосковых клетках имеет место кодификация механических колебании в электрические потенциалы действия, которые передаются в центральную нервную систему, где последние превращаются в звуковое восприятие. Из ранее сказанного выходит, что обработка звуков в звуковом анализаторе происходит в два этапа: - Улавливание звуков и их обработка, сохраняя их характер в виде механических колебаний. - кодификация механических колебаний и их преобразование волосковыми чувствительными клетками в

электрические потенциалы действия, а потом их нейронная обработка, которая приводит в конечном итоге к звуковым восприятиям. 3. Субъективные явления восприятия звука Наше ухо (Звуковой анализатор) устанавливает соответствие между акустическим внешним миром и внутренним миром восприятия реальных звуковых сигналов. • В слуховом ощущении субъективно оценивается высота тона. Этой субъективной характеристике слухового ощущения соответствует объективная характеристика частота основного тона акустического сигнала. Эти характеристики взаимосвязаны таким образом, что чем больше частота колебаний, тем более высоким воспринимается звук.

• Громкость звука. Этой субъективной характеристике соответствует объективная характеристика – уровень интенсивности звука. Чувствительность уха не является постоянной во всем диапазоне звуковых частот. Она имеет максимальное значение в интервале частот 2000 - 3000 Гц. Чувствительность уменьшается при более низких или более высоких частотах соответственно (Рис. 1. 6. ).

Субъективные явления восприятия звука Рис. 6. Области слышимости звука

Чтобы учитывать, что чувствительность уха не является постоянной величиной при различных частотах, стало необходимо введение единицы измерения уровня громкости звука (фон). В качестве эталона берется минимальная интенсивность воспринимаемого звука для нормального уха на данной частоте. Таким образом, порог слышимости для нормального уха составляет 0 фонов для всех частот. При частоте 1000 Гц, 1 фон =1 д. Б, принятый согласно международному соглашению. На рисунке 7. приведены кривые равных уровней громкости (изо - сонные) в зависимости от частоты и соответствии фон – д. Б. Как показано на рисунке, так и последние исследования показали, что порог слышимости (0 фонов)

Субъективные явления восприятия звука соответствует 0 д. Б при 2000 Гц, при 1000 Гц составляя +4 д. Б. Соглашением сохраняется равенство (эквивалентность) фон – д. Б и при 1000 Гц. Рис. 7. Диаграма кривых равной громкости.

Субъективные явления восприятия звука • Тембр звука является довольно сложной характеристикой звукового восприятия, являясь субъективной формой представления многих физических характеристик звука, а именно: - Спектральный состав звука; - Изменение интенсивности при образовании звука и при гашении.