). Музыкальные звуки содержат не один, а несколько тонов, а иногда и шумовые компоненты в широком диапазоне частот.

Понятие о звуке

Звуковые волны в воздухе - чередующиеся области сжатия и разрежения.

Звуковые волны могут служить примером колебательного процесса. Всякое колебание связано с нарушением равновесного состояния системы и выражается в отклонении её характеристик от равновесных значений с последующим возвращением к исходному значению. Для звуковых колебаний такой характеристикой является давление в точке среды, а её отклонение - звуковым давлением .

Если произвести резкое смещение частиц упругой среды в одном месте, например с помощью поршня, то в этом месте увеличится давление. Благодаря упругим связям частиц давление передаётся на соседние частицы, которые, в свою очередь, воздействуют на следующие, и область повышенного давления как бы перемещается в упругой среде. За областью повышенного давления следует область пониженного давления, и, таким образом, образуется ряд чередующихся областей сжатия и разрежения, распространяющихся в среде в виде волны. Каждая частица упругой среды в этом случае будет совершать колебательные движения.

В жидких и газообразных средах, где отсутствуют значительные колебания плотности, акустические волны имеют продольный характер, то есть направление колебания частиц совпадает с направлением перемещения волны. В твёрдых телах, помимо продольных деформаций, возникают также упругие деформации сдвига, обусловливающие возбуждение поперечных (сдвиговых) волн; в этом случае частицы совершают колебания перпендикулярно направлению распространения волны. Скорость распространения продольных волн значительно больше скорости распространения сдвиговых волн.

В философии, психологии и экологии средств коммуникации звук исследуется в связи с его воздействием на восприятие и мышление (речь идёт, например, об акустическом пространстве как пространстве, создаваемом воздействием электронных средств коммуникации).

Физические параметры звука

Скорость звука в воздухе зависит от температуры и в нормальных условиях составляет примерно 340 м/с.

Скорость звука в любой среде вычисляется по формуле:

c = 1 β ρ {\displaystyle c={\sqrt {\frac {1}{\beta \rho }}}} ,

где β {\displaystyle \beta } - адиабатическая сжимаемость среды; ρ {\displaystyle \rho } - плотность.

Громкость звука

Гро́мкость зву́ка - субъективное восприятие силы звука (абсолютная величина слухового ощущения). Громкость главным образом зависит от звукового давления , амплитуды и частоты звуковых колебаний. Также на громкость звука влияют его спектральный состав, локализация в пространстве, тембр, длительность воздействия звуковых колебаний, индивидуальная чувствительность слухового анализатора человека и другие факторы .

Генерация звука

Обычно для генерации звука применяются колеблющиеся тела различной природы, вызывающие колебания окружающего воздуха. Примером такой генерации может служить использование голосовых связок , динамиков или камертона . Большинство музыкальных инструментов основано на том же принципе. Исключением являются духовые инструменты , в которых звук генерируется за счёт взаимодействия потока воздуха с неоднородностями в инструменте. Для создания когерентного звука применяются так называемые звуковые или фононные лазеры .

Ультразвуковая диагностика

Ультразвук - упругие звуковые колебания высокой частоты . Человеческое ухо воспринимает распространяющиеся в среде упругие волны частотой приблизительно до 16 Гц-20 кГц ; колебания с более высокой частотой представляют собой ультразвук (за пределом слышимости).

Распространение ультразвука

Распространение ультразвука - это процесс перемещения в пространстве и во времени возмущений, имеющих место в звуковой волне.

Звуковая волна распространяется в веществе, находящемся в газообразном, жидком или твёрдом состоянии, в том же направлении, в котором происходит смещение частиц этого вещества, то есть она вызывает деформацию среды. Деформация заключается в том, что происходит последовательное разрежение и сжатие определённых объёмов среды, причём расстояние между двумя соседними областями соответствует длине ультразвуковой волны. Чем больше удельное акустическое сопротивление среды, тем больше степень сжатия и разрежения среды при данной амплитуде колебаний.

Частицы среды, участвующие в передаче энергии волны, колеблются около положения своего равновесия. Скорость, с которой частицы колеблются около среднего положения равновесия называется колебательной скоростью. Колебательная скорость частиц изменяется согласно уравнению:

V = U sin ⁡ (2 π f t + G) {\displaystyle V=U\sin(2\pi ft+G)} ,

где V - величина колебательной скорости;

• U - амплитуда колебательной скорости;
• f - частота ультразвука;
• t - время;
• G - разность фаз между колебательной скоростью частиц и переменным акустическим давлением.

Амплитуда колебательной скорости характеризует максимальную скорость, с которой частицы среды движутся в процессе колебаний, и определяется частотой колебаний и амплитудой смещения частиц среды.

U = 2 π f A {\displaystyle U=2\pi fA} ,

Дифракция, интерференция

При распространении ультразвуковых волн возможны явления дифракции, интерференции и отражения.

Дифракция (огибание волнами препятствий) имеет место тогда, когда длина ультразвуковой волны сравнима (или больше) с размерами находящегося на пути препятствия. Если препятствие по сравнению с длиной акустической волны велико, то явления дифракции нет.

При одновременном движении в среде нескольких ультразвуковых волн в каждой определённой точке среды происходит суперпозиция (наложение) этих волн. Наложение волн одинаковой частоты друг на друга называется интерференцией. Если в процессе прохождения через объект ультразвуковые волны пересекаются, то в определённых точках среды наблюдается усиление или ослабление колебаний. При этом состояние точки среды, где происходит взаимодействие, зависит от соотношения фаз ультразвуковых колебаний в данной точке. Если ультразвуковые волны достигают определённого участка среды в одинаковых фазах (синфазно), то смещения частиц имеют одинаковые знаки и интерференция в таких условиях приводит к увеличению амплитуды колебаний. Если же волны приходят к точке среды в противофазе, то смещение частиц будет разнонаправленным, что приводит к уменьшению амплитуды колебаний.

Поглощение ультразвуковых волн

Поскольку среда, в которой распространяется ультразвук, обладает вязкостью, теплопроводностью и имеет другие причины внутреннего трения, то при распространении волны происходит поглощение, то есть по мере удаления от источника амплитуда и энергия ультразвуковых колебаний становятся меньше. Среда, в которой распространяется ультразвук, вступает во взаимодействие с проходящей через него энергией и часть её поглощает. Преобладающая часть поглощённой энергии преобразуется в тепло, меньшая часть вызывает в передающем веществе необратимые структурные изменения. Поглощение является результатом трения частиц друг об друга, в различных средах оно различно. Поглощение зависит также от частоты ультразвуковых колебаний. Теоретически, поглощение пропорционально квадрату частоты.

Величину поглощения можно характеризовать коэффициентом поглощения, который показывает, как изменяется интенсивность ультразвука в облучаемой среде. С ростом частоты он увеличивается. Интенсивность ультразвуковых колебаний в среде уменьшается по экспоненциальному закону. Этот процесс обусловлен внутренним трением, теплопроводностью поглощающей среды и её структурой. Его ориентировочно характеризует величина полупоглощающего слоя, которая показывает на какой глубине интенсивность колебаний уменьшается в два раза (точнее в 2,718 раза или на 63 %). По Пальману, при частоте, равной 0,8 МГц, средние величины полупоглощающего слоя для некоторых тканей таковы: жировая ткань - 6,8 см; мышечная - 3,6 см; жировая и мышечная ткани вместе - 4,9 см. С увеличением частоты ультразвука величина полупоглощающего слоя уменьшается. Так, при частоте, равной 2,4 МГц, интенсивность ультразвука, проходящего через жировую и мышечную ткани, уменьшается в два раза на глубине 1,5 см.

Кроме того, возможно аномальное поглощение энергии ультразвуковых колебаний в некоторых диапазонах частот - это зависит от особенностей молекулярного строения данной ткани. Известно, что 2/3 энергии ультразвука затухает на молекулярном уровне и 1/3 на уровне микроскопических тканевых структур.

Глубина проникновения ультразвуковых волн

Под глубиной проникновения ультразвука понимают глубину, при которой интенсивность уменьшается вдвое. Эта величина обратно пропорциональна поглощению: чем сильнее среда поглощает ультразвук, тем меньше расстояние, на котором интенсивность ультразвука ослабляется наполовину.

Рассеяние ультразвуковых волн

Если в среде имеются неоднородности, то происходит рассеяние звука, которое может существенно изменить простую картину распространения ультразвука и, в конечном счете, также вызвать затухание волны в первоначальном направлении распространения.

Преломление ультразвуковых волн

Так как акустическое сопротивление мягких тканей человека ненамного отличается от сопротивления воды, можно предполагать, что на границе раздела сред (эпидермис - дерма - фасция - мышца) будет наблюдаться преломление ультразвуковых волн.

Отражение ультразвуковых волн

На явлении отражения основана ультразвуковая диагностика. Отражение происходит в приграничных областях кожи и жира, жира и мышц, мышц и костей. Если ультразвук при распространении наталкивается на препятствие, то происходит отражение, если препятствие мало, то ультразвук его как бы обтекает. Неоднородности организма не вызывают значительных отклонений, так как по сравнению с длиной волны (2 мм) их размерами (0,1-0,2 мм) можно пренебречь. Если ультразвук на своём пути наталкивается на органы, размеры которых больше длины волны, то происходит преломление и отражение ультразвука. Наиболее сильное отражение наблюдается на границах кость - окружающие её ткани и ткани - воздух. У воздуха малая плотность и наблюдается практически полное отражение ультразвука. Отражение ультразвуковых волн наблюдается на границе мышца - надкостница - кость, на поверхности полых органов.

Бегущие и стоячие ультразвуковые волны

Если при распространении ультразвуковых волн в среде не происходит их отражения, образуются бегущие волны. В результате потерь энергии колебательные движения частиц среды постепенно затухают, и чем дальше расположены частицы от излучающей поверхности, тем меньше амплитуда их колебаний. Если же на пути распространения ультразвуковых волн имеются ткани с разными удельными акустическими сопротивлениями, то в той или иной степени происходит отражение ультразвуковых волн от пограничного раздела. Наложение падающих и отражающихся ультразвуковых волн может приводить к возникновению стоячих волн. Для возникновения стоячих волн расстояние от поверхности излучателя до отражающей поверхности должно быть кратным половине длины волны.

Область акустических колебаний, способных вызвать ощущение звука при воздействии на орган слуха, ограничена по частоте. В среднем, человек от 12 до 25 лет слышит частоты от 20 Гц до 20 кГц. С возрастом в «улитке» внутреннего уха отмирают нервные окончания. Таким образом, верхняя граница слышимых частот значительно понижается.

Область от 20 Гц до 20 кГц, принято называть звуковым диапазоном, а частоты, лежащие в этой области звуковыми частотами.

Колебания ниже 20 Гц называются, инфразвуковыми, а колебания с частотой выше 20000 Гц – ультразвуковыми.

Эти частоты не воспринимаются нашими ушами. Область инфразвука, при достаточной мощности, может оказывать определенное влияние на эмоциональное состояние слушателя. В природе инфразвук встречается крайне редко, однако его удалось зафиксировать при надвигающимся землетрясении, урагане, громе. Животные более чувствительны к инфразвуку, это объясняет причины их беспокойства перед катаклизмами. Так же животные используют ультразвук для ориентации в пространстве, например летучие мыши и дельфины перемещаются в условиях плохой видимости, издавая ультразвуковые сигналы, а отражения этих сигналов говорят о наличии или отсутствия препятствий на пути следования. Длина волны ультразвука очень мала, поэтому от внимания животных не ускользает даже самые незначительные препятствия (провода электропередач).

Записать и воспроизвести инфразвук практически невозможно в силу физических причин, этим частично объясняется преимущество прослушивания музыкальных произведений вживую, а не на записи. Генерация ультразвуковых частот применяется для воздействия на эмоциональное состояние животных (отпугивание грызунов).

Наши уши способны различать частоты в пределах слышимого диапазона. Есть люди с абсолютным музыкальным слухом, они способны различить частоты, называя их по музыкальной шкале – по нотам.

Нотная система это последовательность точно зафиксированных звуков, каждому из которых соответствует определённая частота, измеряемая в герцах (Гц).

Расстояния между нотами имеет строгую зависимость в частотном отображении, однако достаточно понять, что разнице в «октаву» соответствует удвоение частоты.

Нота «ля» первой октавы = (440 Гц) А-1

Нота «ля» второй октавы = (880 Гц) А-2

Люди, обладающие абсолютным слухом, различают изменения высоты звука достаточно точно и могут определить, что частота выросла или понизилась, используя систему нотного деления. Однако для определения частот измеряемых в герцах потребуется прибор - «спектроанализатор».

В жизни нам достаточно пользоваться фиксированными значениями и различать изменения высот опираясь на ноты, этого будет достаточно, чтобы дать определение поднялся или опустился звук (примеры музыкантов, которые пользуются нотной системой фиксации звуковых изменений). Однако при профессиональной работе со звуком могут потребоваться точные численные значения в герцах (или метрах), которые необходимо определять приборами.

Виды звуков.

Все существующие в природе звуки делятся на: музыкальные и шумовые. Основную роль в музыке играют музыкальные звуки, хотя используются и шумовые (в частности почти все ударные инструменты издают шумовые звуки).

Шумовые звуки не имеют точно выраженной высоты, например треск, скрип, стук, гром, шорох и т. п.

К таким инструментам относятся почти все ударные: треугольник, малый барабан, разнообразные виды тарелок, большой барабан и др. В этом присутствует некоторая доля условности, о которой не следует забывать. Например, такой ударный инструмент как "деревянная коробочка" имеет звучание с достаточно ясно выраженной высотностью, однако этот инструмент все равно причисляется к шумовым. Поэтому отличать шумовые инструменты надежнее по тому критерию, возможно ли на данном инструменте исполнить мелодию, или нет.

Музыкальными называются звуки, имеющие определённую высоту, которую можно измерить с абсолютной точностью. Всякий музыкальный звук можно повторить голосом или на каком-либо инструменте.

Cтраница 1

Диапазон звуковых частот подразделяется на октавные полосы, характерные тем, что у них верхние частоты вдвое больше нижних граничных частот.  

Диапазон звуковых частот условно разделяют на три поддиапазона: нижние, верхние и средние частоты. К нижним относят частоты до 200 - 300 гц, к средним - частоты от 200 - 300 до 2 500 - 3000 гц и к верхним - частоты выше 2000 - 3000 гц. Наряду с этим применяют термины низшая частота и высшая частота, подразумевая при этом соответственно самую низкую и самую высокую частоты, воспринимаемые ухом или воспроизводимые тем или иным источником звука, например громкоговорителем.  

Диапазон звуковых частот, которые воспринимает человеческое ухо, - 16 - 20 000 Гц. Частоты ниже 16 - 20 Гц являются инфразвуковыми, а выше 10 000 Гц - ультразвуковыми.  

Поскольку диапазон звуковых частот является сравнительно узким, примерно от 50 гц до 10 кгц, то в качестве У.  

В диапазоне звуковых частот для измерения токов применяются также приборы детекторной системы.  

В диапазоне звуковых частот сопротивление варисторов чисто активное.  

В диапазоне звуковых частот внутреннее трение в металлах и сплавах в твердой фазе определяется главным образом гистерезисом. В этом случае коэффициент потерь не зависит от частоты.  

Опыт со струной.

Числом октав оценивают диапазоны звуковых частот музыкальных инструментов, голоса людей, певчих птиц.  

Смеситель работает в диапазоне звуковых частот. На частотах свыше 500 кГц начинают сказываться межэлектродные емкости, которые уменьшают коэффициент передачи смесителя. На рис. 14.2, 6 приведена передаточная характеристика смесителя.  

Так как в диапазоне звуковых частот трудно осуществить перестаиваемый преселектор, то перенос спектра на более низкую частоту целесообразно применять только при измерении сигналов фиксированной частоты.  

Двухтактные усилители в диапазоне звуковых частот могут работать в классе А, АВ или В. Типичная схема такого усилителя представлена на фиг. Класс усиления определяется величиной смещения рабочей точки.  

Для работы в диапазоне звуковых частот нужны р-и-переходы с высоким значением Сбаргп. Этот параметр не зависит от площади р-я-перехода, так как емкость Сбар пропорциональна, а сопротивление гп обратно пропорционально пл щади / з-п-перехода. Для получения малых обратных токов на единицу площади р-п-перехода следует использовать полупроводники с широкой запрещенной зоной. Низкочастотные варикапы изготовляют из кремния.  

Применение LC-фильтров в диапазоне инфразвуковых и низших звуковых частот встречает трудности из-за увеличения габаритов и веса индуктивностей, а также из-за сложности экранирования от непосредственного воздействия внешних магнитных полей. Для уменьшения влияния этих факторов катушку индуктивности обычно выполняют на тороидальном сердечнике из магнитомягкого материала с относительно высокой магнитной проницаемостью и достаточно хорошей стабильностью. В табл. 2 - 1 приведены основные параметры отечественных марганец-цинковых ферритов, которые рекомендуются использовать в качестве сердечника индуктивности в диапазоне низких частот.  

О разделе

Этот раздел содержит статьи, посвященные феноменам или версиям, которые так или иначе могут быть интересны или полезны исследователям необъясненного.
Статьи разделены по категориям:
Информационные. Содержат полезную для исследователей информацию из различных областей знаний.
Аналитические. Включают аналитику накопленной информации о версиях или феноменах, а также описания результатов проведенных экспериментов.
Технические. Аккумулируют информацию о технических решениях, которые могут найти применение в сфере изучения необъясненных фактов.
Методики. Содержат описания методик, применяемых участниками группы при расследовании фактов и исследовании феноменов.
Медиа. Содержат информацию об отражении феноменов в индустрии развлечений: фильмах, мультфильмах, играх и т.п.
Известные заблуждения. Разоблачения известных необъясненных фактов, собранные в том числе из сторонних источников.

Тип статьи:

Информационные

Особенности восприятия человека. Слух

Звук – это колебания, т.е. периодическое механическое возмущение в упругих средах – газообразных, жидких и твердых. Такое возмущение, представляющее собой некоторое физическое изменение в среде (например, изменение плотности или давления, смещение частиц), распространяется в ней в виде звуковой волны. Звук может быть неслышимым, если его частота лежит за пределами чувствительности человеческого уха, или он распространяется в такой среде, как твердое тело, которая не может иметь прямого контакта с ухом, или же его энергия быстро рассеивается в среде. Таким образом, обычный для нас процесс восприятия звука – лишь одна сторона акустики.

Звуковые волны

Звуковая волна

Звуковые волны могут служить примером колебательного процесса. Всякое колебание связано с нарушением равновесного состояния системы и выражается в отклонении её характеристик от равновесных значений с последующим возвращением к исходному значению. Для звуковых колебаний такой характеристикой является давление в точке среды, а её отклонение - звуковым давлением.

Рассмотрим длинную трубу, наполненную воздухом. С левого конца в нее вставлен плотно прилегающий к стенкам поршень. Если поршень резко двинуть вправо и остановить, то воздух, находящийся в непосредственной близости от него, на мгновение сожмется. Затем сжатый воздух расширится, толкнув воздух, прилегающий к нему справа, и область сжатия, первоначально возникшая вблизи поршня, будет перемещаться по трубе с постоянной скоростью. Эта волна сжатия и есть звуковая волна в газе.
То есть резкое смещение частиц упругой среды в одном месте, увеличит давление в этом месте. Благодаря упругим связям частиц, давление передаётся на соседние частицы, которые, в свою очередь, воздействуют на следующие, и область повышенного давления как бы перемещается в упругой среде. За областью повышенного давления следует область пониженного давления, и, таким образом, образуется ряд чередующихся областей сжатия и разряжения, распространяющихся в среде в виде волны. Каждая частица упругой среды в этом случае будет совершать колебательные движения.

Звуковая волна в газе характеризуется избыточным давлением, избыточной плотностью, смещением частиц и их скоростью. Для звуковых волн эти отклонения от равновесных значений всегда малы. Так, избыточное давление, связанное с волной, намного меньше статического давления газа. В противном случае мы имеем дело с другим явлением – ударной волной. В звуковой волне, соответствующей обычной речи, избыточное давление составляет лишь около одной миллионной атмосферного давления.

Важно то обстоятельство, что вещество не уносится звуковой волной. Волна представляет собой лишь проходящее по воздуху временное возмущение, по прохождении которого воздух возвращается в равновесное состояние.
Волновое движение, конечно, не является характерным только для звука: в форме волн распространяются свет и радиосигналы, и каждому знакомы волны на поверхности воды.

Таким образом, звук, в широком смысле - упругие волны, распространяющиеся в какой-либо упругой среде и создающие в ней механические колебания; в узком смысле - субъективное восприятие этих колебаний специальными органами чувств животных или человека.
Как и любая волна, звук характеризуется амплитудой и спектром частот. Обычно человек слышит звуки, передаваемые по воздуху, в диапазоне частот от 16-20 Гц до 15-20 кГц. Звук ниже диапазона слышимости человека называют инфразвуком; выше: до 1 ГГц, - ультразвуком, от 1 ГГц - гиперзвуком. Среди слышимых звуков следует также особо выделить фонетические, речевые звуки и фонемы (из которых состоит устная речь) и музыкальные звуки (из которых состоит музыка).

Различают продольные и поперечные звуковые волны в зависимости от соотношения направления распространения волны и направления механических колебаний частиц среды распространения.
В жидких и газообразных средах, где отсутствуют значительные колебания плотности, акустические волны имеют продольный характер, то есть направление колебания частиц совпадает с направлением перемещения волны. В твёрдых телах, помимо продольных деформаций, возникают также упругие деформации сдвига, обусловливающие возбуждение поперечных (сдвиговых) волн; в этом случае частицы совершают колебания перпендикулярно направлению распространения волны. Скорость распространения продольных волн значительно больше скорости распространения сдвиговых волн.

Воздух не везде однороден для звука. Известно, что воздух постоянно находится в движении. Скорость его движения в различных слоях не одинакова. В слоях, близких к земле, воздух соприкасается с её поверхностью, зданиями, лесами и поэтому скорость его здесь меньше, чем вверху. Благодаря этому и звуковая волна идёт не одинаково быстро вверху и внизу. Если движение воздуха, т. е. ветер - попутчик звуку, то в верхних слоях воздуха ветер будет сильнее подгонять звуковую волну, чем в нижних. При встречном ветре звук вверху распространяется медленнее, чем внизу. Такое различие в скоростях сказывается на форме звуковой волны. В результате искажения волны звук распространяется не прямолинейно. При попутном ветре линия распространения звуковой волны изгибается вниз, при встречном - вверх.

Ещё одна причина неравномерного распространения звука в воздухе. Это - различная температура отдельных его слоёв.

Неодинаково нагретые слои воздуха, подобно ветру, изменяют направление звука. Днём звуковая волна изгибается вверх, потому что скорость звука в нижних более нагретых слоях больше, чем в верхних слоях. Вечером, когда земля, а с ней и близлежащие слои воздуха, быстро остывают, верхние слои становятся теплее нижних, скорость звука в них больше, и линия распространения звуковых волн изгибается вниз. Поэтому по вечерам на ровном месте бывает лучше слышно.

Наблюдая за облаками, часто можно заметить, как на разных высотах они движутся не только с различной скоростью, но иногда и в разных направлениях. Значит, ветер на различной высоте от земли может иметь неодинаковые скорость и направление. Форма звуковой волны в таких слоях будет также изменяться от слоя к слою. Пусть, например, звук идёт против ветра. В этом случае линия распространения звука должна изогнуться и направиться вверх. Но если на её пути встретится слой медленно движущегося воздуха, она вновь изменит своё направление и может снова вернуться на землю. Вот тогда-то на пространстве от места, где волна поднимается в высоту, до места, в котором она возвращается на землю, и возникает «зона молчания».

Органы восприятия звука

Слух - способность биологических организмов воспринимать звуки органами слуха; специальная функция слухового аппарата, возбуждаемая звуковыми колебаниями окружающей среды, например, воздуха или воды. Одно из биологических пяти чувств, называемое также акустическим восприятием.

Ухо человека воспринимает звуковые волны длиной примерно от 20 м до 1,6 см, что соответствует 16 - 20 000 Гц (колебаний в секунду) при передаче колебаний по воздуху, и до 220 кГц при передаче звука по костям черепа. Эти волны имеют важное биологическое значение, например, зву¬ковые волны в диапазоне 300-4000 Гц соответствуют человеческому голосу. Звуки выше 20 000 Гц имеют малое практическое значение, так как быстро тормозятся; колебания ниже 60 Гц воспринимаются благодаря вибрационному чувству. Диапазон частот, которые способен слышать человек, называется слуховым или звуковым диапазоном; более высокие частоты называются ультразвуком, а более низкие - инфразвуком.
Способность различать звуковые частоты сильно зависит от конкретного человека: его возраста, пола, подверженности слуховым болезням, тренированности и усталости слуха. Отдельные личности способны воспринимать звук до 22 кГц, а возможно - и выше.
Человек может различать несколько звуков одновременно благодаря тому, что в ушной улитке одновременно может быть несколько стоячих волн.

Ухо - сложный вестибулярно-слуховой орган, который выполняет две функции: воспринимает звуковые импульсы и отвечает за положение тела в пространстве и способность удерживать равновесие. Это парный орган, который размещается в височных костях черепа, ограничиваясь снаружи ушными раковинами.

Орган слуха и равновесия представлен тремя отделами: наружным, средним и внутренним ухом, каждый из которых выполняет свои конкретные функции.

Наружное ухо состоит из ушной раковины и наружного слухового прохода. Ушная раковина - сложной формы упругий хрящ, покрытый кожей, его нижняя часть, называемая мочкой,- кожная складка, которая состоит из кожи и жировой ткани.
Ушная раковина у живых организмов работает как приемник звуковых волн, которые затем передаются во внутреннюю часть слухового аппарата. Значение ушной раковины у человека намного меньше, чем у животных, поэтому у человека она практически неподвижна. Но вот многие звери, поводя ушами, способны гораздо точнее, чем человек, определить нахождение источника звука.

Складки человеческой ушной раковины вносят в поступающий в слуховой проход звук небольшие частотные искажения, зависящие от горизонтальной и вертикальной локализации звука. Таким образом мозг получает дополнительную информацию для уточнения местоположения источника звука. Этот эффект иногда используется в акустике, в том числе для создания ощущения объёмного звука при использовании наушников или слуховых аппаратов.
Функция ушной раковины - улавливать звуки; ее продолжением является хрящ наружного слухового прохода, длина которого в среднем составляет 25-30 мм. Хрящевая часть слухового прохода переходит в костную, а весь наружный слуховой проход выстлан кожей, содержащей сальные, а также серные железы, представляющие собой видоизмененные потовые. Этот проход заканчивается слепо: от среднего уха он отделен барабанной перепонкой. Уловленные ушной раковиной звуковые волны ударяются в барабанную перепонку и вызывают ее колебания.

В свою очередь, колебания барабанной перепонки передаются в среднее ухо.

Среднее ухо
Основной частью среднего уха является барабанная полость - небольшое пространство объемом около 1см³, находящееся в височной кости. Здесь находятся три слуховые косточки: молоточек, наковальня и стремечко - они передают звуковые колебания из наружного уха во внутреннее, одновременно усиливая их.

Слуховые косточки - как самые маленькие фрагменты скелета человека, представляют цепочку, передающую колебания. Рукоятка молоточка тесно срослась с барабанной перепонкой, головка молоточка соединена с наковальней, а та, в свою очередь, своим длинным отростком - со стремечком. Основание стремечка закрывает окно преддверия, соединяясь таким образом с внутренним ухом.
Полость среднего уха связана с носоглоткой посредством евстахиевой трубы, через которую выравнивается среднее давление воздуха внутри и снаружи от барабанной перепонки. При изменении внешнего давления иногда «закладывает» уши, что обычно решается тем, что рефлекторно вызывается зевота. Опыт показывает, что ещё более эффективно заложенность ушей решается глотательными движениями или если в этот момент дуть в зажатый нос.

Внутреннее ухо
Из трех отделов органа слуха и равновесия наиболее сложным является внутреннее ухо, которое из-за своей замысловатой формы называется лабиринтом. Костный лабиринт состоит из преддверия, улитки и полукружных каналов, но непосредственное отношение к слуху имеет только улитка, заполненная лимфатическими жидкостями. Внутри улитки находится перепончатый канал, также заполненный жидкостью, на нижней стенке которого расположен рецепторный аппарат слухового анализатора, покрытый волосковыми клетками. Волосковые клетки улавливают колебания жидкости, заполняющей канал. Каждая волосковая клетка настроена на определенную звуковую частоту, причем клетки, настроенные на низкие частоты, располагаются в верхней части улитки, а высокие частоты улавливаются клетками нижней части улитки. Когда волосковые клетки от возраста или по другим причинам гибнут, человек теряет способность воспринимать звуки соответствующих частот.

Пределы восприятия

Человеческое ухо номинально слышит звуки в диапазоне от 16 до 20 000 Гц. Верхний предел имеет тенденцию снижаться с возрастом. Большинство взрослых людей не могут слышать звук частотой выше 16 кГц. Ухо само по себе не реагирует на частоты ниже 20 Гц, но они могут ощущаться через органы осязания.

Диапазон громкости воспринимаемых звуков огромен. Но барабанная перепонка в ухе чувствительна только к изменению давления. Уровень давления звука принято измерять в децибелах (дБ). Нижний порог слышимости определён как 0 дБ (20 микропаскаль), а определение верхнего предела слышимости относится скорее к порогу дискомфорта и далее - к нарушение слуха, контузия и т. д. Этот предел зависит от того, как долго по времени мы слушаем звук. Ухо способно переносить кратковременное повышение громкости до 120 дБ без последствий, но долговременное восприятие звуков громкостью более 80 дБ может вызвать потерю слуха.

Более тщательные исследования нижней границы слуха показали, что минимальный порог, при котором звук остаётся слышен, зависит от частоты. Этот график получил название абсолютный порог слышимости. В среднем, он имеет участок наибольшей чувствительности в диапазоне от 1 кГц до 5 кГц, хотя с возрастом чувствительность понижается в диапазоне выше 2 кГц.
Существует также способ восприятия звука без участия барабанной перепонки - так называемый микроволновый слуховой эффект, когда модулированное излучение в микроволновом диапазоне (от 1 до 300 ГГц) воздействует на ткани вокруг улитки, заставляя человека воспринимать различные звуки.
Иногда человек может слышать звуки в низкочастотной области, хотя в реальности звуков такой частоты не было. Так происходит из-за того, что колебания базилярной мембраны в ухе не являются линейными и в ней могут возникать колебания с разностной частотой между двумя более высокочастотными.

Синестезия

Один из самых необычных психоневрологических феноменов, при котором не совпадают род раздражителя и тип ощущений, которые человек испытывает. Синестетическое восприятие выражается в том, что помимо обычных качеств могут возникать дополнительные, более простые ощущения или стойкие «элементарные» впечатления - например, цвета, запаха, звуков, вкусов, качеств фактурной поверхности, прозрачности, объемности и формы, расположения в пространстве и других качеств, не получаемых при помощи органов чувств, а существующих только в виде реакций. Такие дополнительные качества могут либо возникать как изолированные чувственные впечатления, либо даже проявляться физически.

Выделяют, например, слуховую синестезию. Это способность некоторых людей «слышать» звуки при наблюдении за движущимися предметами или за вспышками, даже если они не сопровождаются реальными звуковыми явлениями.
Следует учитывать, что синестезия, скорее психоневрологическая особенность человека и не является психическим расстройством. Такое восприятие окружающего мира может почувствовать обычный человек путем употребления некоторых наркотических веществ.

Общей теории синестезии (научно доказанного, универсального представления о ней) пока нет. На денный момент существует множество гипотез и проводится масса исследований в данной области. Уже появились оригинальные классификации и сопоставления, выяснились определенные строгие закономерности. Например, мы ученые уже выяснили, что у синестетов есть особый характер внимания - как бы «досознательный» - к тем явлениям, которые вызывают у них синестезию. У синестетов - немного иная анатомия мозга и кардинально иная его активация на синестетические «стимулы». А исследователи из Оксфордского университета (Великобритания) поставили серию экспериментов в ходе которых выяснили, что причиной синестезии могут быть сверхвозбудимые нейроны. Единственное, что можно сказать точно, что такое восприятие получается на уровне работы мозга, а не на уровне первичного восприятия информации.

Вывод

Волны давления, проходя через внешнее ухо, барабанную перепонку и косточки среднего уха, достигают заполненного жидкостью внутреннего уха, имеющего форму улитки. Жидкость, колеблясь, ударяется о мембрану, покрытую крохотными волосками, ресничками. Синусоидальные составляющие сложного звука вызывают колебания различных участков мембраны. Колеблющиеся вместе с мембраной реснички возбуждают связанные с ними нервные волокна; в них возникают серии импульсов, в которых «закодированы» частота и амплитуда каждой составляющей сложной волны; эти данные электрохимическим способом передаются мозгу.

Из всего спектра звуков прежде всего выделяют слышимый диапазон: от 20 до 20000 герц, инфразвуки (до 20 герц) и ультразвуки – от 20000 герц и выше. Инфразвуки и ультразвуки человек не слышит, но это не значит, что они не оказывают на него воздействия. Известно, что инфразвуки, особенно ниже 10 герц, способны влиять на психику человека, вызывать депрессивные состояния. Ультразвуки могут вызывать астено-вегетативные синдромы и др.
Слышимую часть диапазона звуков разделяют на низкочастотные звуки – до 500 герц, среднечастотные – 500-10000 герц и высокочастотные – свыше 10000 герц.

Такое подразделение очень важно, так как ухо человека неодинаково чувствительно к разным звукам. Наиболее чувствительно ухо к сравнительно узкому диапазону среднечастотных звуков от 1000 до 5000 герц. К более низко- и высокочастотным звукам чувствительность резко падает. Это приводит к тому, что человек способен услышать в среднечастотном диапазоне звуки с энергией около 0 децибел и не слышать низкочастотные звуки в 20-40-60 децибел. То есть, звуки с одной и той же энергией в среднечастотном диапазоне могут восприниматься как громкие, а в низкочастотном как тихие или быть вовсе не слышны.

Такая особенность звука сформирована природой не случайно. Звуки, необходимые для его существования: речь, звуки природы, – находятся в основном в среднечастотном диапазоне.
Восприятие звуков значительно нарушается, если одновременно звучат другие звуки, шумы близкие по частоте или составу гармоник. Значит, с одной стороны, ухо человека плохо воспринимает низкочастотные звуки, а, с другой, если в помещении посторонние шумы, то восприятие таких звуков может еще более нарушаться и извращаться.

Сейчас в Интернете очень много возможностей проверить остроту своего слуха онлайн. Для этого нужно запустить видео со звуком, частота которого нарастает. Создатели теста рекомендуют проводить проверку в наушниках, чтобы не мешали посторонние шумы. Диапазон звуковых частот в ролике начинается с таких высоких значений, услышать которые могут единицы. Дальше частота звука плавно понижается, и в конце видео слышен звук, который услышит даже человек с ослабленным слухом.

На протяжении ролика пользователю показывают значение частоты звука, который воспроизводится. Условия теста предполагают, что видео нужно остановить в тот момент, когда человек сможет расслышать звук. Далее следует посмотреть, на какой отметке остановилась частота. Ее значение даст понять, что слух в норме, лучше, чем у большинства людей, либо стоит обратиться к врачу. Некоторые тесты показывают, какому возрасту соответствует предельная частота, которую смог услышать человек.

Что собой представляет звук и звуковая волна

Звук — это субъективное ощущение, но слышим мы его, потому что в наше ухо попадает что-то реально существующее. Это звуковая волна. Физиков интересует, как ощущения, которые мы испытываем, связаны с характеристиками звуковой волны.

Звуковые волны — это продольные механические, обладающие малой амплитудой волны, диапазон частот которых 20 Гц-20 кГц. Малая амплитуда — это когда изменение давления вследствие сжатия-разрежения гораздо меньше, чем давление в этой среде. В воздухе в областях сжатия-разрежения изменение давления гораздо меньше атмосферного. Если амплитуда того же порядка или больше атмосферного давления, то это уже не звуковые волны, а ударные, они распространяются со сверхзвуковой скоростью.

Слышимость звуков

Мы уже выяснили, каков диапазон звуковых частот, но что же лежит за его границами? Если частота меньше 20 Гц, такие волны называются инфразвуковыми. Если больше 20 кГц — это ультразвуковые волны. И инфра-, и ультразвук не вызывают слуховых ощущений. Границы достаточно размыты: младенцы слышат 22-23 кГц, нестарые люди могут воспринять 21 кГц, кто-то слышит 16 Гц. То есть чем младше человек, тем выше частоты он может услышать.

Собаки слышат более высокие частоты. Эту их способность используют дрессировщики, они подают команды ультразвуковым свистком, не слышимым людьми. На рисунке показаны диапазоны частот, доступные для восприятия разными животными.

Звук как оружие полицейских

Приведем пример случая, который показывает, что диапазон звуковых частот, слышимых человеком, приблизителен и зависит от индивидуальных особенностей.

В Вашингтоне полиция нашла способ ненасильственного разгона молодежи. Юноши и девушки постоянно собирались около одной из станций метро, общались. Власти посчитали, что их бесцельное времяпрепровождение мешает другим, т. к. у входа скапливается слишком много людей. Полицейские установили устройство «Москит», издававшее звук на частоте 17,5 кГц. Этот прибор предназначен для отпугивания насекомых, но производители уверяли, что звуковые волны данной частоты воспринимаются только подростками от 13 и не старше 25 лет.

Благодаря устройству от молодежи удалось избавиться, но мужчина 28 лет услышал звук и пожаловался в администрацию города. Местным властям пришлось прекратить использование прибора.

Диапазон длины волны

Волны звуковых частот в разных средах имеют разные характеристики. Отличаются длина и скорость распространения волны. В воздухе (при комнатной температуре) скорость составляет 340 м/ с.

Рассмотрим волны с частотами, находящимися в слышимом для нас диапазоне. Их минимальная длина — 17 мм, максимальная — 17 м. Звук с наименьшей длиной волны находится на грани ультразвука, а с наибольшей — приближается к инфразвуку.

Скорость звуковой волны

Считается, что свет распространяется мгновенно, а для распространения звука нужно определенное время. На самом деле свет тоже имеет скорость, просто она является предельной, быстрее, чем свет, ничего не движется. Что касается звука, то наибольший интерес представляет его распространение в воздухе, хотя скорость звуковой волны в более плотных средах намного выше. Вспомним грозу: вначале мы видим вспышку молнии, затем слышим раскат грома. Звук запаздывает, потому что его скорость во много раз ниже, чем скорость света. Впервые скорость звука измеряли, фиксируя промежуток времени между выстрелом из мушкета и звуком. Затем брали расстояние между орудием и исследователем и делили его на время «опоздания» звука.

Такой способ имеет два недостатка. Во-первых, это погрешность секундомера, особенно на близком расстоянии до источника звука. Во-вторых, это скорость реакции. При таком измерении результаты не будут точными. Для вычисления скорости удобнее брать известную частоту определенного звука. Существует генератор частот, прибор с диапазоном звуковых частот от 20 Гц до 20 кГц.

Его включают на нужную частоту, в ходе эксперимента измеряют длину волны. Перемножив обе величины, получают скорость звука.

Гиперзвук

Длина волны вычисляется путем деления скорости на частоту, поэтому с увеличением частоты длина волны уменьшается. Можно создать колебания настолько высокой частоты, что длина волны будет одного порядка с длиной свободного пробега молекул газа, например, воздуха. Это и есть гиперзвук. Он плохо распространяется, потому что воздух перестает считаться сплошной средой, т. к. длина волны ничтожно мала. В нормальных условиях (при атмосферном давлении) длина свободного пробега молекул равна 10 -7 м. Каков диапазон частот волн? Звуковыми они не являются, потому что мы их не слышим. Если рассчитать частоту гиперзвука, то окажется, что она составляет 3×10 9 Гц и выше. Измеряют гиперзвук в гигагерцах (1 ГГц = 1 миллиард Гц).

Как частота звука влияет на его высоту

Диапазон звуковых частот влияет на диапазон высоты. Хотя высота звука — это субъективное ощущение, но определяется она объективной характеристикой звука, частотой. Высокие частоты порождают высокий звук. Зависит ли высота звука от длины волны? Конечно, скорость, частота и длина волны взаимосвязаны. Однако звук одной и той же частоты будет иметь разную длину волны в разных средах, но восприниматься он будет одинаково.

Мы слышим звук, потому что изменения давления заставляют колебаться нашу барабанную перепонку. Давление меняется с одной и той же частотой, поэтому неважно, что в разной среде длина волны разная. Из-за одинаковой частоты мы воспримем звук как высокий или низкий хоть в воде, хоть в воздухе. В воде скорость звука составляет 1,5 км/ с, что почти в 5 раз больше, чем в воздухе, следовательно, намного больше и длина волны. Но если тело будет вибрировать с неизменной частотой (допустим, 500 Гц) в обоих средах, высота звука будет одинаковой.

Существуют звуки, не имеющие высоты, например, звук «ш-ш-ш». Их колебания частоты не периодические, а хаотичные, поэтому мы воспринимаем их как шум.