Материал к уроку

Человек и физиологическая акустика

Человеческое ухо воспринимает колебания определённой частоты (от 20 Гц до 20 кГц) и интенсивности, его чувствительность к различным частотам неодинакова. При определённой минимальной интенсивности ухо перестаёт воспринимать звук. Эта минимальная интенсивность (вообще говоря, не одинаковая для различных частот) называется порогом слышимости. При слишком большой интенсивности колебаний ухо также перестаёт воспринимать колебания как звук, а испытывает боль. Интенсивность, выше которой отмечается боль, называется порогом болевого ощущения. Поразительно, но воспринимаемая ухом интенсивность может меняться в миллиарды раз! В действительности при разговоре и слушании музыки используется лишь небольшая часть доступных значений.

[Громкость звука – субъективное восприятие силы звука (абсолютная величина слухового ощущения). Громкость главным образом зависит от звукового давления и частоты звуковых колебаний, но также и от тембра, длительности воздействия и др. Единицей абсолютной шкалы громкости является сон. 1 сон – громкость непрерывного чистого синусоидального тона частотой 1 кГц, создающего звуковое давление 2 мПа.

Уровень громкости звука – относительная величина. Она выражается в фонах и численно равна уровню звукового давления (в децибелах – дБ), создаваемого синусоидальным тоном частотой 1 кГц такой же громкости, как и измеряемый звук (равногромким данному звуку). Для определения уровня давление звука сравнивается с пороговым (когда звук ещё слышен ухом, т.е. уровень громкости равен 0 фон) и выражается в децибелах. Децибел – это не абсолютная физическая величина, как, например, грамм или метр, а от носительная, как кратность или проценты, предназначенная для измерения отношения (разности уровней) других величин в логарифимическом масштабе 1 дБ = 10lg А/А₀, где А – физическая величина (например, звуковое давление). Сегодня децибелы в основном применяются в акустике и электронике. – Ред., по сайту http://ru.wikipedia.org/wiki/Громкость_звука.]

Физической характеристике соответствует физиологическая характеристика – высота тона. Если звук несложный, то она поддаётся количественной оценке (музыкальные гаммы). Сложный спектральный состав звука (физическая характеристика) физиологи описывают характеристикой тембр, которая физически не поддаётся количественной оценке.

Замечательной особенностью уха является его способность реагировать только на высоту тона и амплитуду, но не на фазовые сдвиги в сложном звуке. Эта особенность была открыта Г.Омом: действительно, все слушатели в зале воспринимают мелодию одинаково, хотя, конечно, фазовые соотношения звуков, издаваемых разными инструментами, разные.

Имея два уха, мы можем определять направление, по которому приходит звук: мы поворачиваем голову, пока ощущения в обоих ушах не станут одинаковыми. Однако при этом возможны ошибки в оценке направленности (спереди или сзади).

Механизм создания нормальных звуков человеком в общих чертах таков. Мы выдыхаем воздух через голосовые связки, находящиеся в нижней части горла, бессознательно регулируя их положение. Выходящая в полость рта струя воздуха колеблется. Собственные частоты полости регулируются положением языка, зубов, губ. Итак, голос человека связан с двумя маленькими складками слизистой оболочки, находящимися глубоко в дыхательном горле, которые называются голосовыми связками. Когда человек молча дышит, они расходятся в стороны и свободно, беззвучно пропускают воздух. Если человек говорит или поёт, они смыкаются, натягиваются и мешают прохождению воздуха. В этом случае выдыхаемый воздух протискивается между складками, заставляя их колебаться, как струны музыкального инструмента. Так рождается голос.

Высота голоса зависит от длины голосовых связок. «Тоненький» голосок у детей объясняется короткими голосовыми связками. С ростом человека удлиняются и его голосовые связки, поэтому голос становится ниже. У некоторых связки вырастают такими длинными, что они говорят и поют басом. Связки сделаны прочно. Они исправно служат людям, но боятся простуд, крика и стресса.

Итак, полость резонирует и обеспечивает достаточно мощное излучение звука. Если выдохнуть воздух и вдохнуть, например, гелий, то произносимые затем звуки будут иметь тембр, совершенно отличный от обычного, т.к. замена воздуха гелием повышает резонансные частоты полости рта.

При произнесении той или иной гласной в спектре звука обязательно присутствуют одна или две частоты, почти не меняющиеся при переходе от низких тонов к высоким. Каждой гласной соответствуют свой тон, частота.

С самого рождения человек попадает в мир звуков. Уже с первых минут младенец имеет заложенный генами акустический активный голосовой аппарат. Только когда человек утрачивает способность воспринимать звуки, он начинает понимать всю ценность и красоту огромного «акустического» мира, который его окружает.

Одна из частых причин ухудшения слуха – чрезмерный шум. Сначала человек хуже слышит высокие звуки, а потом и низкие. Но если шум не слишком сильный, то нормальный порог слышимости постепенно восстанавливается. Есть весьма специфические последствия чрезмерного шума: звон в ушах, голово­кружение, головная боль, повышенная усталость

Слух тесно связан с речью. Если его утрата произошла в первые месяцы или годы жизни, то без специального обучения ребёнок остаётся немым. Потеря слуха в 8–10-летнем возрасте и старше, как правило, не нарушает речь. Однако в этом случае утрата контроля над собственными произношениями и уровнем окружающего шума часто делает речь неприятной для восприятия, малоразборчивой.

Какими способами пользуются глухие для разговора друг с другом и с окружающими? Для успешного распознавания речи глухой должен обладать достаточным запасом слов, владеть грамматикой языка и знать тему разговора. Это облегчает догадку, играющую здесь весьма существенную роль. Необходимо также хорошее освещение лица говорящего и чёткое произношение им слов. Многие могут правильно считывать речь по движению губ.

Рот и глотка – важнейшие, но не единственные резонаторы голосового аппарата. Резонирует и носовая полость. При выдохе через нос и рот воздух из лёгких обычно тихо выходит наружу. Если же с силой выдыхать его через стиснутые зубы, получится звук «Ш», через губы – «П», через прижатый к зубам язык – «Л». Так, действуя губами, зубами и языком, человек произносит буквы, складывает из них слова и получает возможность разговаривать шёпотом.

Носовая полость хоть и не изменяет своего объёма и формы, но тем не менее способна очень сильно изменять тембр голоса и даже участвует в образовании гласных и согласных. Осуществляется это благодаря мягкому нёбу, которое регулирует степень акустической взаимосвязи носовой полости с ротовой – голосовым резонатором.

Шведский акустик Г.Фант считает, что если бы носовой полости не существовало, то все расчёты по созданию «говорящей машины», а также машины, «понимающей» речь человека, были бы несравненно проще. Как показывает практика вокалистов, носовой резонатор имеет большое значение и в пении: певцы пользуются им для изменения тембра голоса.

Голосовой аппарат человека располагает целой системой приспособлений для акустической «раскраски» звуков. Некоторые из этих приспособлений исследованы всё же недостаточно (как, например, поразительная способность некоторых людей к звукоподражанию) или являются совершенно загадочными. К числу последних относится способность некоторых певцов воспроизводить так называемый «двойной звук», создающий впечатление, что поют одновременно два человека. Успехи науки позволяют надеяться, что рано или поздно все тайны «наивысшего и совершеннейшего человеческого приспособления» будут раскрыты.

Очень интересное явление, связанное со слуховым аппаратом, – маскировка звуков. Согласно учебнику по акустике, маскировкой называется уменьшение способности слушателя воспринимать один звук в присутствии другого звука. При этом первый звук называют маскируемым, а второй – маскирующим. О маскировке говорилось ещё… в древнегреческих мифах.

Бог богов Кронос (Крон), как известно, был склонен к такому странному занятию, как заглатывание собственных детей. Эта незавидная участь грозила и кронову последышу – будущему великому Зевсу. Но находчивая мать Зевса Рея дала Крону проглотить завернутый в пелёнки камень, а младенца упрятала в пещеру на Крите. Когда ребёнок плакал, то воины, чтобы заглушить его плач, ударяли камнями по своим щитам – маскировка, поистине, отличная.

Выявляется ещё одно интересное свойство слухового аппарата человека, которое едва ли можно было предвидеть: низкочастотные тона обладают бóльшим маскирующим эффектом, чем высокочастотные. Найдено и физиологическое объяснение этому явлению: причина кроется в восприятии звуков слуховым аппаратом.

У уха есть и недостаток. Почти каждый человек может сказать, что такой-то звук вдвое или, скажем, втрое громче другого. Установить на слух пяти-шестикратную разницу в громкости двух, хотя бы однородных звуков могут лишь немногие. При бóльшем различии громкостей пасуют и они.

«Тишины хочу, тишины!» – этот вопль современного человека звучит громче самых громких шумов. Нельзя сказать, что ранее не пытались бороться с вредными звуками. Так, в Англии в стародавние времена был издан королевский указ, запрещающий бить жён в ночное время. В Древнем Риме выстилали соломой булыжную мостовую перед домом больного патриция. Екатерина Великая отменила в столице сигналы – механические свистки, устанавливавшиеся на экипажах.

Авангард противошумовой борьбы – воздействие на источник колебаний, уменьшение возмущающих сил, возникающих при работе механизмов, машин, устройств. Вторая и третья линии защиты схожи друг с другом – это физические методы и приёмы: звукоизоляция, звукопоглощение, вибропоглощение.

Шумы, оказывается, могут тормозить внедрение новой техники. Когда в 1964 г. открылся первый участок скоростной железной дороги «Синкансен» между Токио и Осакой, общественность ликовала, железнодорожники проливали слёзы радости, император произнёс хвалебную речь, вся страна была преисполнена чувством гордости. Еще бы, скорости 267 км/ч поезда ещё не достигали! Но вот стали поступать всё учащающиеся жалобы на шум, производимый сверхскоростными поездами. Некоторые инженеры-железнодорожники заявили, что «Синкансен» устареет раньше, чем получит распространение во всей Японии, и что нужны новые, более «чистые» системы.

Но, оказывается, есть предел, уменьшение шума ниже которого становится не только неполезным, но даже нежелательным. Одна фирма бывшей ФРГ обеспечила новое здание конструкторского бюро совершенной звукоизоляцией. Ни один звук с улицы, даже грохот тяжёлых грузовиков, не долетал сюда. И что же? Инженеры-конструкторы стали жаловаться на непривычную, неестественную тишину. Пришлось установить электроакустическое устройство, производящее лёгкий, совсем лёгкий гул. Производительность труда сразу же повысилась.

Очевидно, человек за миллионы лет своего развития привык к определённому уровню природных шумов и не может в короткий срок адаптироваться к абсолютной тишине!

Литература

1. Гершензон Е.М., Малов Н.Н. Курс общей физики: Механика. – М.: Просвещение, 1987.
2. Стрелков С.П. Механика. – С.-Петербург, 2005.
3. Расторгуев Б. Окно в мир звука. – М.: Знание, 1978.