Акустические колебания с непрерывным спектром: звуки речи, шумы

Акустические колебания с непрерывным спектром относятся к категории шумов.Сплош­ной (непрерывный) спектр состоит из непериодических колебаний, энергия, которых распределена в широкой области частот и воспринимается ухом как шумы. Произнося согласные, мы издаем звуки с непрерывным частотным спектром. Звучание духовых музыкальных инструментов инициируется шумовыми акустическими колебаниями, создаваемыми с помощью губ музыканта или специального язычка. Скрипка звучит благодаря скрипу (шуму), возникающему при трении смычка о струну. Если амплитуда колебаний в шуме на всех частотах в среднем одинакова, то такой шум называется белым. Произнося звук «Ф», мы создаем что-то близкое к белому шуму. Энергия колебаний может распределяться по частотам шума неравномерно. Шумы как нежелательное явление, с которым приходится бороться, подразделяются на низкочастотные, среднечастотные и высокочастотные (преобладают (имеют повышенную амплитуду) колебания низких, средних или высоких частот).Высокочастотные – самые опасные (незаметные). Звуки человеческой речи представляют собой сложные звуковые колебания, состоящие из того или иного количества простых колебаний, различных по частоте и амплитуде. В каждом звуке речи имеется только ему свойственное сочетание колебаний различной частоты и амплитуды. Поэтому форма колебаний одного звука речи заметно отличается от формы другого.

5. Сложение взаимно перпендикулярных колебаний. Фигуры Лиссажу. Понятие о вектор-кардиографии. Пусть материальная точка одновременно участвует в двух колебаниях: одно направлено вдоль оси OX, другое – вдоль оси OY. Колебания заданы следующими уравнениями: x = A₁ cos(ω₀₁t + φ₀₁), y = A₂ cos (ω₀₂t + φ₀₂) Допустим, что частоты колебаний одинаковы, т.е. ω₀₁ = ω₀₂ = ω₀ , тогда x = A1 cos(ω₀t + φ₀1), y = A2 cos (ω₀t + φ₀₂)

Последние уравнения задают траектория движекния материальной точки в параметрической форме, т.е. если в эти уравнения подставить разные значения t, то можно определить координаты x и y, а совокупность координат и есть траектория. Более наглядно траектория можно представить в виде зависимости y = f(x), для получения которой следует исключить время из уравнений, представленных выше. Произведя математические преобразования, получим уравнение эллипса:

Таким образом, при одновременном участии в двух взаимноперпендикулярных гармонических колебаниях одинаковой частоты материальная точка движется по эллиптической траектории.

Из вышестоящего выражения вытекают некоторые частные случаи:

1) φ₀₂ - φ₀₁ = (2k + 1)π/2, где k = 0,1,2,…; cos[(2k + 1)π/2] = 0, sin[(2k + 1)π/2] = 1, и тогда

Это каноническая форма уравнения эллипса, соответствующая симметричному расположению его относительно осей координат. Из последнего уравнения при

А₁ = А₂ = R (рис. Г) получаем уравнение окружности радиусом R: x² + y² = R²

2) φ₀₂ - φ₀₁ = kπ, где k = 0,1,2,3,…; cos kπ = ⁺/_-1, sin² kπ = 0, и тогда

Или после преобразований

Это уравнение прямой линии, в которую вырождается эллипс. При сложении взаимно перпендикулярных колебаний разных частот получаются различные материальные точки, названные фигурами Лиссажу. Вид фигур Лиссажу зависит как от соотношения амплитуд А₁ и А₂, так и от отношения частот ω₁/ ω₂ и разности начальных фаз φ₀₁ - φ₀₂ слагаемых колебаний.

6. Свободные и вынужденные колебания. Собственная частота колебаний системы. Явление резонанса. Примеры. Свободными (собственными) колебаниями называют такие, которые совершаются без внешних воздействий за счет первоначально полученной телом энергии. Характерными моделями таких механических колебаний являются материальная точка на пружине (пружинный маятник) и метриальная точка на нерастяжимой нити (математический маятник). В данных примерах колебания возникают либо за счет первоначальной потенциальной энергии(отклонение материальной точки от положения равновесия и движение без начальной скорости), либо за счет кинетической (телу сообщается скорость в начальном положении равновесия), либо за счет и той и другой энергии (сообщение скорости телу, отклоненному от положения равновесия). Вынужденными колебаниями называются колебания, возникающие в системе при участии внешней силы, изменяющейся по периодическому закону. Частота вынужденного колебания равна частоте вынуждающей силы, амплитуда вынужденного колебания прямо пропорциональна амплитуде вынуждающей силы и имеет сложную зависимость от коэффициента затухания среды и круговых частот собственного и вынужденного колебаний. В системе, выведенной из состояния равновесия, а затем предоставленной самой себе, устанавливаются свободные колебания некоторой строго определенной частоты ν0, которая называется собственной частотой колебаний данной системы. Если ω₀(круговая частота колебаний вынуждающей силы) и β(сопротивление) системы заданы, то амплитуда вынужденных колебаний имеет максимальное значение при некоторой определенной частоте вынуждающей силы, называемой резонансной. Сам явление – достижение максимальной амплитуды вынужденных колебаний для заданных ω₀ и β – называются резонансом. Резонансная круговая частота: . Амплитуда при резонансе: . Из этого уравнения видно, что при отсутствии сопротивления (β=0) амплитуда вынужденных колебаний при резонансе неограниченно возрастает. При этом из уравнения, описывающего резонансную круговую частоту следует, что ω_рез = ω₀,т.е. резонанс в системе без затухания наступает тогда, когда частота вынуждающей силы совпадает с частотой собственных колебаний. Механический резонанс может быть как полезным, так и вредным явлением. Вредное действие резонанса связано главным образом с разрушением, которое он может вызвать. Так, в технике, учитывая разные вибрации, необходимо учитывать вохможное возникновение резонансных условий, в противном случае могут быть разрушения(вспомните о «пляшущем мосте» в Волгограде). Тела обычно имеют несколько собственных частот колебаний и соответственно несколько резонансных частот.

7. Физические и психофизические характеристики звука: интенсивность, акустическое давление, частота, громкость, высота тона, спектр, тембр. Их взаимное соответствие. Интенсивность звука - плотность потока энергии от источника звука в окружающую среду (Дж/М²хС=Вт/М²). Акустическое давление (∆p) - избыточное по отношению к атмосферному и обусловленное дополнительным видом движения молекул – их колебанием. (1 Па = 1 Н/м²⁾. Для плоской волны I=Р²/(2рс) где р – плотность среды, с – скорость звука. Гро́мкость зву́ка — субъективное восприятие силы звука (абсолютная величина слухового ощущения). Уровень громкости выражается в фонах. Громкость звука пропорциональна логарифму интенсивности. Высота звука — субъективное качество слухового ощущения. Для чистого тона она зависит главным образом от частоты (с ростом частоты высота звука повышается), но также и от его интенсивности. Спектр звука - совокупность простых гармонических волн, на которые можно разложить звуковую волну. Наше ощущение тембра соответствует линейчатому спектру источника звука и распределению энергии по линиям. Частота звука – частота колебаний звуковой волны. Высота тона – субъективная характеристика, обусловленная прежде всего частотой основного тона.(определение частоты см. в вопросе №1). В значительно меньшей степени высота зависит от сложности тона и его интенсивности: звук большей интенсивности воспринимается как звук более низкого тона. Тембр звука почти икслючительно определяется спектральным составом. Спектр – набор частот с указанием их относительной интенсивности (или амплитуды).

8. Особенности восприятия звука. Закон Вебера-Фехнера. Децибельная шкала громкости. В основе создания шкалы кровней громкости лежит важный психофизический закон Вебера – Фехнера: если раздражение увеличивается в геометрической прогрессии(т.е. в одиниковое число раз), то ощущение этого разлажения возрастает в арифметической прогрессии (т.е. на одинаковую величину). Математически это означает, что громкость звука пропорфиональна логарифму интенсивности звука. Если действуют два звуковых раздражения с интенсивностями I и I₀ , причем I₀ – порого слышимости, то на основании закона Вебера – Фехнера громкость относительно I₀ связана с интенсивностью следующим образом: E=klg(I/I₀), где k – некоторый коэффициент пропорциональности, зависящий от частоты и интенсивнсти. Условно считаеют, то на частоте 1кГц шкалы громкости и интенсивности звука полностью совпадают, т.е. k=1 и Е_Б = lg(I/I₀), или E_Ф = 10lg(I/I₀) Для отличия от шкалы интенсивности звука в шкале громкости децибелы называют фонами(фон), поэтому введено обозначение E_Ф.

Единица измерения интенсивности звука в логарифмической шкале называется белом. Но практически более удобной оказалась единица, в 10 раз меньшая – децибел. Интенсивность звука I, измеренная в Вт/м2, и интенсивность Е, измеренная в децибелах, связаны следующим образом: Е = 10 lg I/I0 I0 - интенсивность звука на пороге слышимости. Для звука с частотой  = 1000 Гц она принята равной I0 = 10-12 Вт/м2, что соответствует среднестатистической норме. Порог болевого ощущение – 130 дБ

9. Звуковые методы исследования в медицине: перкуссия, аускультация. Фонокардиография. Звук, как и свет, является источником информации, и в этом главное его значение. Естественно, что звук может быть и источником информации о состоянии внутренних органов человека. Распространенный звуковой метод диагностики заболеваний – аускультация (выслушивание) – известен еще со II в. До н.э. Для аускультации используют стетоскоп и фонендоскоп. Фонендоскоп состоит из полой капсулы с передающей звук мембраной, прикладываемой к телу больного, от нее идут резиновые трубки к уху врача. В полой капсуле возникает резонанс столба воздуха, вследствие чего усиливается звучание и улучшается аускультация. При аускультации легких выслушивают дыхательные шумы, разные хрипы, характерные для заболеваний. По изменению тонов сердца и появлению шумов можно судить о состоянии сердечной деятельности. Используя аускультацию, можно установить наличие перистальтики желудка и кишечника, прослушать сердцебиение плода. Для одновременного выслушивания больного несколькими исследователями с учебной целью или при консилиуме используют систему, в которую входят микрофон, усилитель и громкоговоритель или несколько телефонов. Для диагностики состояния сердечной деятельности применяется метод, подобный аускультации и называемый фонокардиографией (ФКГ). Этот метод заключается в графической регистрации тонов и шумов сердца и их диагностической интерпритации. Запись фонокардиограммы производят с помощью фонокардиографа, состояшего из микрофона, усилителя, системы частотных фильтров и регистрирующего устройства. Принципиальные отличия от двух изложенных выше звуковых методов имеет перкуссия. В этом методе выслушивают звучание отдельных частей тела при простукивании их.

Схематично тело человека можно представить как совокупность газонаполненных (легкие), жидких (внутренние органы) и твердые (кость) объемов. При ударе по поверхности тела возникают колебания, частоты которых имеют широкий диапазон. Из этого диапазона одни колебания погаснут довольно быстро, другие же, совпадающие с собственными колебаниями пустот, усилятся и вследствие резонанса будут слышимы. Опытный врач по тону перкуторных звуков определяет состояние и топографию внутренних органов.