Акустика раздел физики. Акустика. Природа звука. Физические характеристики звука. Тоны и шумы. Основные направления современной акустики

АКУСТИКА (от греч. akustikos - слуховой) - область физики, в к-рой исследуются упругие и волны от самых низких частот (условно от 0 Гц) до предельно высоких (10 12 -10 13 Гц), процессы их возбуждения и распространения, взаимодействие их с веществом и разнообразные применения.

А.- одна из самых древних областей знания. Она возникла за неск. веков до н. э. как учение о звуке, т. е. об упругих волнах , воспринимаемых человеческим ухом (отсюда и происхождение назв. "А."). Начало становления А. как физ. науки (17 в.) связано с исследованиями системы, музыкальных тонов, их источников (струны, трубы), с измерениями скорости распространения звука. До нач. 20 в. А. развивалась как раздел механики. Создавалась общая теория ме-ханич. колебаний, и распространения звуковых волн в среде, разрабатывались методы измерений параметров звуковых волн - звукового давления, потока энергии, скорости распространения. Диапазон исследуемых упругих волн расширился и охватил области ниже (инфразвук) и выше () области слышимых частот. Создание методов разложения сложного колебат. процесса на простые составляющие (метод Фурье) заложило основы анализа звука н синтеза сложного звука из простых составляющих. Весь этот классич. этап развития А. подытожен к нач. 20 в. Рэлеем (Дж. У. Стретт, J. W. Strutt).

Новый этап развития А. начался в 20-е гг. 20 в. в связи с развитием радиотехники и радиовещания, к-рые вызвали необходимость разработки методов и средств преобразвания эл--магн. энергии в акустическую, и обратно. В связи с развитием электроники и строения вещества возникли новые направления в А.

В совр. А. можно выделить ряд разделов. Общие закономерности излучения, распространения и приёма упругих колебаний п волн изучает теория звука, широко использующая матем. методы, разработанные в общей теории колебаний и волн. Наряду с волновым подходом для рассмотрения задач распространения звука в определ. условиях (малость длины волны по сравнению с масштабом препятствий) пользуются и представлениями о звуковых лучах. По этому методич. признаку из общей теории звука выделяется раздел лучевой А., или геометрической акустики (аналогично геом. оптике).

Применительно к различным характерным моделям сред распространения волн и адекватным им методам рассмотрения акустич. полей сформировались такие направления теории звука, как статистич. А., акустика движущихся сред, кристаллоакустика . Быстро развивается нелинейная акустика ,связанная с изучением волн большой амплитуды, для к-рых свойства среды нельзя, как при классич. подходе, считать неизменными; сами звуковые волны большой интенсивности возмущают среду, вследствие чего нарушается и возникает взаимодействие разл. волновых мод. Развитие нелинейной А. обусловлено, в частности, мощным техн. прогрессом и возникшей необходимостью рассмотрения излучения звука источниками большой мощности.

Важнейший раздел А., наиб. тесно связанный с другими ведущими областями совр. физики,- физ. А., занимающаяся изучением особенностей распространения упругих волн в веществе - газообразном, твёрдом или жидком, исследованием взаимодействия волн с веществом на разных уровнях, в частности акустоэлектронного взаимодействия , акустооптического, фонон-фононного взаимодействия и др. видов взаимодействия упругих волн с квазичастицами. Подразделами физ. А. являются молекулярная акустика ,квантовая А., оптоакустика и др. Методы физ. А.- неотъемлемая часть арсенала эксперим. средств совр. физики.

Распространение акустич. волн в естеств. средах - атмосфере, водах Мирового океана, в земной коре и связанные с этим явления изучаются в атмосферной акустике, гидроакустике, геоакустике . Акустич. волны являются важнейшим средством зондирования этих сред, средством получения информации об их строении и о наличии в них разнообразных включений. К гидроакустике тесно примыкает такая важная и широко развитая прикладная область, как гидролокация .

Огромное прикладное значение как в технике физ. эксперимента, так и в промышленности, на транспорте, в медицине и др. имеет т. н. УЗ-техника (см. Ультразвук ).В устройствах УЗ-техники используются как ультразвуковой, так и гиперзвуковой, а частично и звуковой диапазоны частот. УЗ применяется как средство воздействия на вещество (напр., УЗ-технология в промышленности, терапия и хирургия в медицине), для получения информации (контрольно-измерит. применения УЗ, УЗ-диагностика, гидролокация), обработки сигналов (акустоэлектроника, акустооптика) .

Особый раздел А.- биол. А.- занимающаяся вопросами распространения акустич. волн в живых тканях, воздействия УЗ на биоткань, изучением звукоизлучающих и звукопринимающих органов у живых организмов. Исследованием органов и процессов звуковосприятия и звукоизлучения у человека, а также проблемами речеобразования, передачи и восприятия речи занимается физиологич. и психологич. А. Результаты этих исследований используются в звукотехнике, архитектурной А., при разработке систем передачи речи, в теории информации и связи, в музыке, медицине, биофизике и т. п.

Лит.: Стретт Дж. В. (лорд Рэлей), Теория звука, пер. с англ., 2 изд., т. 1-2, М., 1955; Михайлов И. Г., Соловьев В. А., Сырников Ю. П., Основы молекулярной акустики, М., 1964; Физическая акустика, [под ред. У. Мэзона и Р. Терстона], пер. с англ., т. 1-7, М., 1966-74; Физика и техника мощного ультразвука, под ред. Л. Д. Розенберга, [кн. 1-3], М., 1967-70; Исакович М. А., Общая акустика, М., 1973; Эльпинер И. Е., Биофизика ультразвука, М., 1973; Руденко О. В., Солуян С. И., Теоретические основы нелинейной акустики, М., 1975; Скучик Е., Основы акустики, пер. с англ., т. 1-2, М., 1976; Тэйлор Р., Шум, [пер. с англ.], М., 1978; Урик Р. Д., Основы гидроакустики, пер. с англ., Л., 1978; Бреховских Л. М., Лысанов Ю. П., Теоретические основы акустики океана, Л., 1982; Xаясака Т., Электроакустика, пер. с япон., М., 1982. И. П. Голямина .

У этого термина существуют и другие значения, см. Акустика (значения).

Аку́стика (от греч. ἀκούω (аку́о) — слышу) — наука о звуке, изучающая физическую природу звука и проблемы, связанные с его возникновением, распространением, восприятием и воздействием. Акустика является одним из направлений физики (механики), исследующих упругие колебания и волны от самых низких (условно от 0 Гц ) до высоких частот.

Акустика является междисциплинарной наукой, использующей для решения своих проблем широкий круг дисциплин: математику, физику, психологию, архитектуру, электронику, биологию, медицину, гигиену, теорию музыки и другие.

ФОРМУЛЫ

Основные формулы

Уравнение плоской волны

Или , где — смещение точек среды с координатой х в момент времени t ; ω — угловая частота; υ — скорость распространения коле баний в среде (фазовая скорость); k — волновое число; ; λ — длина волны.

Длина волны связана с периодом Т колебаний и частотой ν соотношениями и

Разность фаз колебаний двух точек среды, расстояние между которыми (разность хода) равно Δ x ,

где λ — длина волны.

Уравнение стоячей волны

Или

Фазовая скорость продольных волн в упругой среде:

в твердых телах , где Е — модуль Юнга; р — плотность вещества;

в газах ,или ,
где γ — показатель адиабаты (γ = c p / c v — отношение удельных теп-
лоемкостей газа при постоянных давлении и объеме); R — моляр-
ная газовая постоянная; Т— термодинамическая температура; М— молярная масса; р — давление газа.

Акустический эффект Доплера

где ν — частота звука, воспринимаемого движущимся прибором (или ухом); υ — скорость звука в среде; u пр — скорость прибора относительно среды; u ист — скорость источника звука относительно среды; ν 0 — частота звука, испускаемого источником.

Амплитуда звукового давления

p 0 =2 πνρυ A ,

где ν — частота звука; А — амплитуда колебаний частиц среды; υ — скорость звука в среде; ρ — ее плотность.

Средняя объемная плотность энергии звукового поля

где ξ 0 — амплитуда скорости частиц среды; ω — угловая частота звуковых волн.

Энергия звукового поля, заключенного в некотором объеме V ,

Поток звуковой энергии

где W — энергия, переносимая через данную поверхность за вре мя t .

Интенсивность звука (плотность потока звуковой энергии)

· Интенсивность звука связана со средней объемной плотностью энергии звукового поля соотношением

I = J , где J — скорость звука в среде.

· Связь мощности N точечного изотропного источника звука с интенсивностью звука

I = N /(4 p r 2 ),

где r — расстояние от источника звука до точки звукового поля, в которой определяется интенсивность.

· Удельное акустическое сопротивление среды

Z S = rJ .

· Акустическое сопротивление

Z a = Z S / S ,

где S — площадь сечения участка акустического поля (например, площадь поперечного сечения трубы при распространении в ней звука).

· Уровень интенсивности звука (уровень звуковой мощности) (дБ)

L P =10 1 g (I / I 0 ),

где I 0 — условная интенсивность, соответствующая нулевому уровню интенсивности (I 0 =1 пВт/м 2).

· Уровень громкости звука L N в общем случае является сложной функцией уровня интенсивности и частоты звука и определяется по кривым уровня громкости (рис. 7.1). На графике по горизонтальной оси отложены логарифмы частот звука (сами частоты указаны под соответствующими им логарифмами). На вертикальной оси отложены уровни интенсивности звука в децибелах. Уровни громкости звука отложены по вертикальной оси, соответствующей эталонной частоте v =1000 Гц. Для этой частоты уровень громкости, выраженный в децибелах, равен уровню интенсивности в децибелах. Уровень громкости звуков других частот определяется по кривым громкости, приведенным на графике. Каждая кривая соответствует определенному уровню громкости.

Кривые уровней громкости

Частота, Гц

Рис. 7.1

Закон сохранения полной механической энергии системы.

Запишем основной закон динамики для каждой точки:

, k = 1, 2, 3 ,…, n

Умножим скалярно это уравнение на (учтено ):

Проинтегрируем записанное уравнение по времени:

Просуммируем полученные уравнения:

– теорема об изменении кинетической энергии системы материальных точек: изменение кинетической энергии системы материальных точек равно сумме работ всех внешних и внутренних сил, действующих на элементы системы.

Эта теорема справедлива для материального тела и для системы материальных тел.

Под кинетической энергией материального тела понимаем:

Под кинетической энергией системы материальных тел понимаем:

В случае, когда все внутренние силы системы являются консервативными:

Если также и внешние силы консервативны:

Величина – полная механическая энергия системы.

- закон сохранения полной механической энергии системы: если все внутренние и внешние силы, действующие на элементы системы консервативны, то ее полная механическая энергия сохраняется.

Если только часть сил, действующих на элементы системы консервативны, то полная механическая энергия не сохраняется. Она может убывать или возрастать.

СОПРОТИВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ Сопротивление материалов является одним из разделов механики деформируемого твердого тела и посвящено изучению инженерных методов расчета на прочность, жесткость и устойчивость деталей машин и элементов сооружений. Под прочностью понимают способность детали выдерживать действие внешней нагрузки без разрушения. Жесткость – это способность детали сопротивляться изменению первоначальных размеров. Для некоторых видов деталей жесткость связана с устойчивостью, то есть способностью детали сохранять определенную первоначальную форму равновесия.

Иногда (в обиходе) под акустикой понимают также акустическую систему — электрическое устройство, предназначенное для преобразования тока переменной частоты в звуковые колебания при помощи электро-акустического преобразования. Также термин акустика применим для обозначения колебательных свойств, связанных с качеством распространения звука в какой-либо системе или каком-либо помещении, например, «хорошая акустика концертного зала».

Термин «акустика» (фр.acoustique ) был введён в 1701 годуЖ. Совёром.

Общая (физическая) акустика — теория излучения и распространения звука в различных средах, теория дифракции, интерференции и рассеяния звуковых волн. Линейные и нелинейные процессы распространения звука.
Геометрическая акустика — раздел акустики, предметом изучения которого являются законы распространения звука. В основе лежит представление о том, что звуковые лучи — это линии,касательные к которым совпадают с направлением распространения энергии акустических колебаний.
Архитектурная акустика — законы распространения звука в закрытых (полуоткрытых, открытых) помещениях, методы управления структурой поля и т. д.
Строительная акустика — защита от шума зданий, промышленных предприятий (расчёт конструкций и сооружений, выбор материалов и т. д.).
Психоакустика — основные законы слухового восприятия, определения связи объективных и субъективных параметров звука, определения законов расшифровки «звукового образа».
Музыкальная акустика — проблемы создания, распространения и восприятия звуков, используемых в музыке .
Биоакустика — теория восприятия и излучения звука биологическими объектами, изучение слуховой системы различных видов животных и др.
Электроакустика — раздел прикладной акустики, занимающийся теорией, методами расчёта и созданием электроакустических преобразователей
Аэроакустика (авиационная акустика) — излучение и распространение шумов в авиационных конструкциях.
Гидроакустика — распространение, поглощение, затухание звука в воде, теория гидроакустических преобразователей, теория антенн и гидроакустических эхолокаторов, распознавание движущихся объектов и др.
Акустика транспорта — анализ шумов, разработка методов и средств звукопоглощения и звукоизоляции в различных видах транспорта (самолётах, поездах, автомобилях и др.)
Медицинская акустика — разработка медицинской аппаратуры, основанной на обработке и передаче звуковых сигналов (слуховые аппараты, диагностические приборы)
Ультразвуковая акустика — теория ультразвука, создание ультразвуковой аппаратуры, в том числе ультразвуковых преобразователей для промышленного применения в гидроакустике, измерительной технике и др.
Квантовая акустика (акустоэлектроника) — теория гиперзвука, создание фильтров на поверхностных акустических волнах
Акустика речи — теория и синтез речи, выделение речи на фоне шумов, автоматическое распознавание речи и т. д.
Цифровая акустика — связана с созданием микропроцессорной (аудиопроцессорной) и компьютерной техники.

Интересными направлениями исследования в акустике на макроскопическом уровне являются

распространение звука в движущихся средах
рассеяние звука на неоднородностях среды и распространение звука в неупорядоченных средах
характер макроскопических течений в поле звуковой волны
поведение вещества в поле сильной ультразвуковой волны, кавитационные явления

На микроскопическом уровне упругое колебание среды описывается фононами — коллективными колебаниями атомов или ионов. В металлах и полупроводниках такие колебания ионов приводят и к колебаниям электронной жидкости, то есть, на макроскопическом уровне, звук может порождать электрический ток. Подраздел акустики, изучающий такие явления и возможности их использования, называется акустоэлектроникой .

Другое близкое по духу направление исследования — акустооптика, то есть изучение взаимодействия звуковых и световых волн в среде, в частности, дифракция света на ультразвуке.

Прежде всего, давайте разберемся с терминами, поскольку понятия «громкоговоритель», «колонка», «динамик», «акустическая система» часто используют наугад, создавая изрядную путаницу.

Громкоговоритель – это устройство, предназначенное для эффективного излучения звука в окружающее пространство в воздушной среде, содержащее одну или несколько головок громкоговорителей при наличии акустического оформления и электрических устройств (фильтры, регуляторы и т.д.).

В отечественной технической литературе сложилась ошибочная практика, в соответствии с которой термин «громкоговоритель» (ГГ) применяется в основном для одиночного громкоговорителя (в зарубежных каталогах он определяется как loudspeaker units или loudspeaker drive element, или driver). В соответствии с требованиями ГОСТ 16122-87 одиночный громкоговоритель должен обозначаться как головка громкоговорителя .

К набору громкоговорителей классов Hi-Fi и Hi-End часто применяют термин акустическая система (AC) (acoustical system или loudspeaker system). Акустическая система включает в себя акустические колонки .

В зависимости от назначения АС существенно различаются по параметрам, конструктивному исполнению и дизайну. Основные виды акустических систем, представленных на современном рынке, условно можно разделить на несколько категорий в зависимости от области их применения:

АС для домашнего применения, которые в свою очередь можно подразделить на системы:

массовые;
категории Hi-Fi и High-End;
АС для домашних аудио видео комплексов типа «Домашний кинотеатр» (Home-Theatre);
для современных компьютерных систем (AC Multi-Media) и др.;

АС для систем озвучивания и звукоусиления, в том числе для конференц-систем и систем перевода речей (к ним, в частности, относятся потолочные акустические системы);
концертно-театральные АС;
студийные АС;
автомобильные (и вообще транспортные) АС;
АС для индивидуального прослушивания (головные стерео телефоны).

Устройство АС

АС могут быть однополосными и многополосными . Однополосные АС используются, как правило, в массовой аппаратуре бюджетного сектора. В высококачественных АС (рис. 1) используется многополосный принцип построения, поскольку применение одной широкополосной головки громкоговорителя не позволяет обеспечить высокое качество звучания.

АС состоит, как правило, из:

головок громкоговорителей , каждая из которых (или несколько одновременно) работают в своем частотном диапазоне;
корпуса ;
фильтрующе-корректирующих цепей , а также других электронных устройств (например, для защиты от перегрузок, индикации уровня и т.д.);
звуковых кабелей и входных клемм;
усилителей для активных акустических систем и кроссоверов (активных фильтров).

Рис. 1. Акустическая система Defender

Головки громкоговорителей

Головки громкоговорителей классифицируются по принципу действия, по способу излучения, по полосе передаваемых частот, по области применения и т.д.

По принципу действия , т.е. по способу преобразования электрической энергии в акустическую, громкоговорители делят на электродинамические, электростатические, пьезокерамические (пьезопленочные), плазменные и др.

Подавляющее большинство головок громкоговорителей электродинамические («динамические» или просто «динамики»). Их принцип действия основан на движении в постоянном магнитном поле проводника или катушки, питаемых переменным током (рис. 2).

Рис. 2. Электродинамический катушечный громкоговоритель

Головка электродинамического громкоговорителя состоит из подвижной системы, магнитной цепи и диффузородержателя (1).

Подвижная система включает в себя подвес (2), диафрагму (3), центрирующую шайбу (4), пылезащитный колпачок (5), звуковую катушку (6) и гибкие выводы.

При пропускании переменного тока по звуковой катушке, помещенной в радиальный зазор магнитной цепи, на нее будет действовать механическая сила. Под действием этой силы возникают осевые колебания катушки и скрепленной с ней диафрагмы. Конструкция электродинамического громкоговорителя очень похожа на конструкцию динамического микрофона, поэтому, в принципе, из динамического микрофона можно получить слабенькую головку громкоговорителя, а из головки громкоговорителя – микрофон. Понятно, что работать все это будет отвратительно, но работать будет.

Рис. 3. Ленточный громкоговоритель

Ленточные громкоговорители (рис. 3) используют тонкую металлическую ленточку, которая помещается в магнитное поле между полюсами магнита и служит одновременно и проводником тока и колеблющимся излучающим элементом.

Ленточные головки гораздо эффективнее динамических, пьезоэлектрических и других, поскольку если площадь конического или купольного диффузора – это площадь видимого круга, то активная площадь ленточного излучателя – это полная развертка сложенной мембраны (эффективная площадь в 2,5 раз больше площади проекции сложенной ленты). Таким образом, для получения необходимого уровня звукового давления требуется меньшее перемещение диффузора.

Рис. 4. Электростатический громкоговоритель

Электростатические громкоговорители (рис. 4) используют излучающий элемент в виде тонкой металлизированной пленки (1) толщиной порядка 6...10 мкм, помещенной между перфорированными электродами (2) (т.е. это конденсатор переменной емкости, где одной из обкладок служит тонкая металлизированная подвижная мембрана). Между мембраной и электродами приложено высокое поляризующее напряжение порядка 8...10 кВ. Переменное звуковое напряжение, под действием которого мембрана колеблется и излучает звук, подводится к неподвижным электродам. Громкоговорители такого типа обеспечивают чистоту и прозрачность звучания за счет малых уровней переходных искажений.

Рис. 5. Модельный ряд электростатических громкоговорителей Final

Рис. 6. Центральный громкоговоритель электростатической АС. Model 200

На рис. 5 показан модельный ряд электростатических громкоговорителей Final, а на рис. 6 – крупным планом центральный громкоговоритель АС.

Рис. 7. Пьезопленочный громкоговоритель

Пьезокерамические (пьезопленочные) громкоговорители (рис. 7) используются в основном в качестве высокочастотного звена в акустических системах. В качестве возбуждающего элемента в них применяется биморфный элемент, полученный путем соединения двух пластин (1), (3) из пьезокерамики (цирконата титана, титаната бария и др.). Биморфный элемент закрепляется с двух сторон, при подведении электрического сигнала в нем происходят изгибные деформации, которые передаются соединенной с ним диафрагме (2). Разновидностью такого типа громкоговорителей являются пьезопленочные излучатели, в них используются высокополимерные пленки, которым при помощи специально отработанной технологии придаются пьезоэлектрические свойства (при их поляризации в сильном магнитном поле). Если такой пленке придать форму купола или цилиндра, то под действием приложенного к ней переменного напряжения она начинает вибрировать и излучать звук, для таких громкоговорителей не требуется применение магнитной цепи.

По способу излучения акустической энергии головки громкоговорителей делятся на головки прямого излучения, у которых диафрагма излучает звук непосредственно в окружающую среду, и рупорные (рис. 8), у которых диафрагма излучает звук через рупор. Если рупорный громкоговоритель имеет предрупорную камеру, то он называется узкогорлым рупорным громкоговорителем, а если используется только рупор, то это широкогорлый рупорный громкоговоритель.

Рис. 8. Рупорный громкоговоритель

Рупорные громкоговорители широко используют при создании систем озвучивания улиц, стадионов, площадей, систем звукоусиления в различных помещениях, бытовых высококачественных систем, систем оповещения и др.

Причины распространения рупорных громкоговорителей обусловлены, прежде всего, тем, что они обладают большей эффективностью, их КПД составляет 10-20 % и более (в обычных громкоговорителях КПД меньше 1...2 %); кроме того, применение жестких рупоров позволяет формировать заданную характеристику направленности, что очень важно при проектировании систем звукоусиления. Однако при использовании рупорных громкоговорителей возникают проблемы, связанные с тем, что для излучения низких частот необходимо значительно увеличивать размеры рупора, а большие уровни звукового давления в предрупорной камере создают дополнительные нелинейные искажения.

Конструкция головок громкоговорителей зависит от того, в какой полосе частот они должны работать. По этому признаку громкоговорители разделяются на:

широкополосные (OO «full-range»);
низкочастотные (воспроизводимый диапазон примерно 20-40...500-1000 Гц) («woofer», «subwoofer»);
среднечастотные (диапазон 0,3-0,5...5-8 кГц) («mid-range»);
высокочастотные (1-2..16-30 кГц) («tweeter») и др.

Большая часть мощности аудиосигналов обычно приходится на низкочастотные ГГ, поэтому они должны воспринимать нагрузки до 200 Вт и более, сохраняя тепловую и механическую прочность. Эти ГГ имеют низкую резонансную частоту (16...30 Гц) и должны быть рассчитаны на большой ход подвижной системы вплоть до ±12...15 мм.

Внешний вид современного низкочастотного ГГ для высококачественных АС показан на рис. 9.

Основным излучающим элементом громкоговорителя является диафрагма. Диафрагмы современных низкочастотных ГГ изготавливаются из сложных композиций на основе натуральной длинноволокнистой целлюлозы с различными добавками. Иногда в состав такой композиции входит до 10-15 составляющих. Все шире используют синтетические пленочные композиции на основе полиолефинов (полипропилена и полиэтилена) и композиционные материалы на основе ткани «кевлар».

Рис. 9. НЧ громкоговоритель

АС для домашних кинотеатров, (особенно центрального и фронтальных каналов, а также сабвуфера) требует применения тщательно экранированных НЧ ГГ.

Среднечастотные громкоговорители (СЧ ГГ) используются в диапазоне ча- стот от 200... 800 Гц до 5...8 кГц, где чувствительность слуха ко всем видам ис- кажений максимальна, поэтому требования к их качеству наиболее жесткие.

Высокочастотные громкоговорители (ВЧ ГГ). (рис. 10). Требования к ним за последние годы резко возросли в связи с увеличением спектральной плотности мощности в высокочастотной части спектра в современной электронной музыке, расширением частотного и динамического диапазона программ, воспроизводимых цифровой звуковоспроизводящей аппаратурой и др.

В современных АС высокочастотные ГГ используются, как правило, в диапазоне частот от 2...5 до 30...40 кГц. Обеспечить равноценное качественное воспроизведение звука в таком широком диапазоне при помощи одного ГГ чрезвычайно трудно. Поэтому большая часть выпускаемых в настоящее время ВЧ ГГ применяются в диапазоне от 2... 5 до 16... 18 кГц, а в некоторых АС устанавливаются дополнительные малогабаритные ВЧ ГГ (воспроизводящие частоты от 8... 10 до 30... 40 кГц).

Рис. 10. ВЧ ГГ

Потолочные громкоговорители

Потолочные громкоговорители – это, как правило, электродинамические диффузорные громкоговорители, заключенные в пластиковые или металлические корпуса. Их используют для озвучивания помещений и в системах аварийного оповещения зданий. Благодаря большому углу раскрытия диаграммы направленности звука и широкому диапазону воспроизводимых частот потолочные громкоговорители способны довольно качественно воспроизводить звук, кроме того, они гармонично вписываются практически в любой интерьер.

Потолочные громкоговорители обеспечивают более равномерное по сравнению с другими громкоговорителями распределение звука по объему помещения и не требуют при этом установки мощных усилителей. Их применение особенно эффективно для озвучивания больших помещений с высотой потолка до 5 м.

Для удобства монтажа корпус потолочного громкоговорителя снабжается специальными приспособлениями: подпружиненными упорами, полозьями или кронштейнами. Многие громкоговорители крепятся к потолочным плитам с помощью шурупов. В отличие от «обычных» систем озвучивания, системы на основе потолочных громкоговорителей высоковольтные, типичное значение напряжения в линии составляет 100 В, поэтому потолочные громкоговорители имеют встроенные трансформаторы.

При проектировании системы оповещения расчет необходимого количества потолочных громкоговорителей и схемы их размещения (рис. 11) производится исходя из требуемого уровня звукового давления на уровне ушей слушателей (обычно берется среднее значение 1,5 м). Для помещений с высотой потолка менее 5 метров такой расчет не представляет трудностей и производится по приближенным формулам. В таблице 1 для определенной высоты потолков и площади помещения указано количество потолочных громкоговорителей, которое дает наилучшее качество звука и наиболее равномерное распределение звуковых волн.

Рис. 11. Схема размещения потолочных громкоговорителей

Параметр S в таблице – это приблизительная площадь, которую озвучивает один потолочный громкоговоритель:

S = {2х(H – 1,5 м)}2, где Н – высота потолка.

Таблица 1. К расчету системы оповещения

P	103,5	101	99	97,5	96
P/2	100,5	98	96	94,5	93
H/S	3	3,5	4	4,5	5
25	2	1	1	1	1
35	3	2	1	1	1
50	4	2	1	1	1
80	6	3	2	2	1
100	7	4	3	2	2
150	10	6	4	3	2
200	13	8	5	4	3
300	20	11	7	5	4
400	26	15	10	7	5
500	33	19	12	8	6
600	40	22	14	10	8
700	46	26	17	12	9
800	53	30	19	13	10
900	59	33	22	15	11
1000	66	37	24	17	12

В таблице:
P – звуковое давление на уровне 1,5 м, когда потолочный громкоговоритель работает на полную мощность;
P/2 – звуковое давление на уровне 1,5 м, когда потолочный громкоговоритель работает на половину максимальной мощности;
H – высота потолка;
S – площадь помещения.

Если высота потолков больше 5 метров, устанавливать потолочные громкоговорители не рекомендуется. Однако если необходимо использовать именно потолочные громкоговорители, следует принять меры для повышения равномерности распределения звука и снижения эффекта реверберации (эха). Если потолочные громкоговорители размещены слишком близко друг к другу, то на уровне ушей слушателей звук будет распределяться неравномерно. Если увеличить расстояние между соседними громкоговорителями, то уровень звукового давления может оказаться недостаточным для хорошей слышимости. Повышение уровня звука громкоговорителей в этом случае влечет за собой увеличение реверберации, особенно в помещениях, отделанных стеклом, мрамором и т.д. Реверберацию можно снизить с помощью звукопоглощающих материалов: ковров, гобеленов, портьер и др.

На рис. 12 и 13 показаны примеры врезных и навесных потолочных громкоговорителей компании Kramer Electronics.

Корпус акустической системы. Основные виды корпусов и их назначение

Корпус АС выполняет многообразные функции. В области НЧ он блокирует эффект «акустического короткого замыкания», возникающий за счет сложения излучаемого звука от передней и тыловой поверхности диафрагмы в противофазе, что приводит к подавлению низкочастотного излучения.

Применение корпуса позволяет увеличить интенсивность излучения на низких частотах, а также увеличить механическое демпфирование громкоговорителей, что позволяет «сгладить» резонансы и уменьшить неравномерность амплитудно-частотной характеристики. Корпус оказывает существенное влияние не только в области низких, но и в области средних и высоких частот. Правильно спроектированный и изготовленный корпус оказывает огромное влияние на качество звука.

При проектировании корпусов АС чаще всего используют такие варианты конструктивного оформления, как бесконечный экран, закрытый корпус, корпус с фазоинвертором, лабиринт, трансмиссионная линия и др.

Бесконечный экран возникает, когда громкоговорители устанавливаются в стене комнаты с достаточно большим объемом за ним. Для такой установки громкоговорителей характерен эффект «бубнения» на низких частотах, поскольку отсутствует демпфирование.

Закрытый корпус. В современных АС применяют в основном закрытые корпуса компрессионного типа. Принцип работы компрессионного оформления состоит в том, что в них используются громкоговорители с очень гибким подвесом и большой массой, т.е. низкой резонансной частотой. В этом случае упругость воздуха в корпусе становится определяющим фактором, именно она начинает вносить основной вклад в возвращающую силу, приложенную к диафрагме.

Корпус с фазоинвертором – корпус, в котором сделано отверстие, что позволяет использовать излучение тыльной поверхности диффузора. Максимальный эффект достигается в области частоты резонанса колебательной системы, образуемой массой воздуха в отверстии или трубе и массой воздуха в корпусе.

Корпуса с фазоинвертором (рис. 14 а) имеют много разновидностей. Корпус, использующий специальную трубу, вставленную в отверстие, позволяет уменьшить размеры корпуса и при помощи регулировки размеров трубы настраивать фазоинвертор (рис. 14 б).

Если в отверстие корпуса устанавливается пассивный (т.е. без магнитной цепи) громкоговоритель, колебания которого возбуждаются за счет колебаний объема воздуха, заключенного в корпус, то такой корпус называется корпусом с пассивным излучателем (рис. 14 в).

Рис. 14. Корпус АС с различными вариантами фазоинверторов: а – фазоинвертор; б – фазоинвертор с трубой; в – пассивный излучатель

Лабиринт представляет собой вариант корпуса с фазоинвертором, в котором устанавливаются специальные перегородки. Когда длина лабиринта достигает 1/4 длины волны на частоте резонанса низкочастотного громкоговорителя, он действует аналогично фазоинвертору. Применение лабиринта расширяет возможности для настройки на более низкие частоты. Резонансы на гармониках от основной резонансной частоты трубы демпфируются звукопоглощающими материалами на стенках корпуса (рис. 15 а).

Рис. 15. Корпус АС типа лабиринта (а) и типа трансмиссионной линии (б)

Трансмиссионная линия – это разновидность лабиринта. Она отличается от лабиринта тем, что звукопоглощающим материалом забивается весь объем корпуса, и поперечное сечение линии делается переменным – больше у конуса, меньше у отверстия (рис. 15 б). Корпуса такого типа очень сложны в настройке.

Если в корпусе установлены две одинаковых ГГ на один фазоинвертор, то это называется «низкочастотное оформление с симметричной нагрузкой». Такое оформление часто используют в сабвуферах.

Лучше звучат АС со сглаженными углами, обтекаемой формы, с несимметричным расположением ГГ, однако изготавливать корпуса таких АС сложно и дорого, поэтому подавляющее большинство АС выпускается в корпусах прямоугольной формы. Для уменьшения дифракционных эффектов на углах передней панели применяются специальные меры, в том числе размещение звукопоглощающих материалов («акустическое одеяло»), оптимизация соотношения размеров передней панели и глубины корпуса, подбор несимметричного расположения громкоговорителей и др.

Стремление сдвинуть дифракционные пики-провалы на АЧХ в более высокочастотную область и тем самым снизить их влияние заставляет использовать максимально узкие передние панели. Сложные внешние конфигурации многих современных АС обусловлены не только эстетическими соображениями, но и стремлением уменьшить дифракционные эффекты. Чтобы снизить излучение звука от стенок АС, обычно стараются увеличить их жесткость и массу.

В современных АС корпус представляет собой довольно сложную и дорогостоящую конструкцию (рис. 16). В качестве критерия эффективности принятых мер по звукоизоляции корпуса принято считать разницу между уровнем звукового давления, излучаемого стенками корпуса и уровнем звукового давления от акустической системы в целом, она должна составлять не менее 20 дБ.

Рис. 16. Разрез АС

Кроме объективных измерений, при проектировании проводится прослушивание АС в корпусах различной конструкции.

Фильтрующе-корректирующие цепи

Обеспечить качественное воспроизведение звука с помощью однополосной АС практически невозможно или сложно, поэтому они применяются только в бюджетных решениях, например, в дешевых колонках для компьютеров. Высококачественные АС за редкими исключениями являются многополосными. Для того, чтобы подать на каждую ГГ сигналы своего частотного поддиапазона, используют электрические разделительные фильтры («кроссоверы»).

В большинстве АС для домашнего применения используются т.н. пассивные фильтры, которые включают между усилителем и громкоговорителем (рис. 17).

Рис. 17. Пассивные фильтры («пассивные кроссоверы») в АС

Пассивные фильтры обычно размещаются внутри АС, увеличивая их массу и габариты. Пассивные фильтры в АС бывают первого, второго, третьего и четвертого порядка. Крутизна спада фильтров первого порядка – 6 дБ/октаву, второго – 12 дБ/октаву, третьего – 18 дБ/октаву и четвертого – 24 дБ/октаву.

Простейшие фильтры – это фильтры первого порядка, они занимают мало места и недороги, но имеют недостаточную крутизну спада полос пропускания. Положительная черта этих фильтров – отсутствие фазового сдвига между твиттером (ВЧ-головкой) и другим динамиком.

Фильтры второго порядка (или фильтры Баттерворта, по имени создателя математической модели этих фильтров) обладают более высокой чувствительностью, но дают фазовый сдвиг в 180 градусов, что означает несинхронный ход мембран ВЧ-головки и другого динамика. Для устранения этой проблемы необходимо поменять полярность подключения проводов на твиттере.

Фильтры третьего порядка имеют хорошие фазовые характеристики при любой полярности подключения. На рис. 18 показана АЧХ фильтра третьего порядка, а на рис. 19 – его электрическая схема.

Рис. 18. АЧХ фильтра третьего порядка

Рис. 19. Электрическая схема фильтра третьего порядка

Рис. 20. АЧХ трехполосного фильтра

В трехполосных АС АЧХ фильтра выглядит так, как показано на рис. 20.

Фильтры Баттерворта четвертого порядка имеют высокую крутизну спада полосы пропускания, что резко уменьшает взаимовлияние динамиков в области разделения частот. Сдвиг по фазе составляет 360 градусов, то есть на практике он отсутствует. Однако проблема состоит в том, что у таких фильтров величина фазового сдвига непостоянна, что может вызвать неустойчивую работу АС. Оптимизировать схему фильтра четвертого порядка применительно к АС удалось Линквицу и Рили. Их фильтр состоит из двух последовательно соединенных фильтров Баттерворта второго порядка для ВЧ ГГ и для НЧ ГГ. Такой фильтр не имеет фазовых сдвигов и позволяет проводить временную коррекцию для динамиков, не излучающих звук в одной плоскости. Эти фильтры обеспечивают самые лучшие акустические характеристики.

В «активных» АС со встроенными многополосными усилителями применяются активные фильтры, включенные до усилителя и также называемые кроссоверами (рис. 21).

Рис. 21. Использование кроссоверов

По сравнению с пассивными, активные фильтры имеют ряд преимуществ: меньшие габариты, лучшую перестраиваемость частот раздела, большую стабильность характеристик и т.д. Однако пассивные фильтры обеспечивают больший динамический диапазон, меньший уровень шумов и нелинейных искажений. К числу их недостатков можно отнести температурную нестабильность, что приводит к изменению формы АЧХ при повышении уровня подводимого сигнала (так называемая «компрессия мощности»), а также необходимость тщательного выбора высокоточных элементов (резисторов, конденсаторов и т.д.), к разбросу параметров которых характеристики фильтров могут быть очень чувствительны. В последние годы ряд зарубежных фирм начали применять в акустических системах цифровые фильтры, обеспечивающие в реальном времени функции фильтрации, коррекции и адаптации к реальным условиям прослушивания.

Кроме фильтров, в современных акустических системах достаточно часто используются электронные устройства для защиты громкоговорителей от тепловых и механических перегрузок. Защита как от длительных, так и от кратковременных (пиковых) перегрузок осуществляется с применением различных вариантов пороговых схем, пороги срабатывания которых должны быть меньше, чем тепловые постоянные головок громкоговорителей (Т = 10...20 мс). Кроме того, во многих бытовых системах используются различные варианты индикации перегрузок.

Основные характеристики АС

Характеристик АС существует довольно много, одни из них имеют большее значение для пользователя, другие меньшее, отечественные и зарубежные характеристики АС и методики их измерения не всегда совпадают. Мы кратко рассмотрим только основные характеристики АС.

Эффективный рабочий (эффективно воспроизводимый) диапазон частот – диапазон, в пределах которого уровень звукового давления, развиваемого АС, не ниже заданного, по отношению к уровню, усредненному в определенной полосе частот. В рекомендациях МЭК 581–7 минимальные требования к этому параметру составляют 50 – 12500 Гц при спаде 8 дБ по отношению к уровню, усредненному в полосе частот 100 – 8000 Гц.

Значение этой характеристики сильно влияет на естественность звучания акустики. Чем ближе рабочий диапазон АС к максимальному диапазону, воспринимаемому органами слуха человека (16 – 20000 Гц), тем лучше, естественнее звучит АС. Эффективный рабочий диапазон зависит от характеристик головок громкоговорителей, от акустического оформления АС и от параметров разделительного фильтра (кроссовера).

На низких частотах решающую роль играет объем корпуса АС. Чем он больше, тем более эффективно воспроизводятся низкие частоты, поэтому, в частности, сабвуферы всегда довольно громоздки. С воспроизведением высоких частот проблем обычно не возникает, поскольку современные твиттеры позволяют воспроизводить даже ультразвук. Нередко диапазон воспроизводимых частот АС превышает верхнюю границу слышимости человека. Считается, что в этом случае более точно передается тембр сложной фонограммы, например, симфонической музыки. Типичные значения: 100 – 18000 Гц для полочной акустики и 60 – 20000 Гц для напольной.

Серьезные производители АС обычно приводят график звукового давления, развиваемого АС в зависимости от частоты (график амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), по которому можно определить эффективный рабочий диапазон частот АС и неравномерность АЧХ.

Степень неравномерности АЧХ характеризуется отношением максимального значения звукового давления к минимальному, или по другой методике, отношением максимального (минимального) значения к среднему, в заданном диапазоне частот, выраженное в децибелах. В рекомендациях МЭК 581-7, определяющих минимальные требования к аппаратуре Hi-Fi, указывается, что неравномерность АЧХ не должна превышать ±4 дБ в диапазоне 100 – 8000 Гц.

Характеристика направленности позволяет оценить пространственное распределение излучаемых акустической системой звуковых колебаний, и оптимально расположить акустические системы в различных помещениях. Об этом параметре позволяет судить диаграмма направленности АС, представляющая собой зависимость уровня звукового давления от угла поворота АС относительно его рабочей оси в полярных координатах, измеренная на одной или нескольких фиксированных частотах. Иногда спад амплитудно частотной характеристики при повороте АС на некоторый фиксированный угол, отображается на основном графике, в виде дополнительных ответвлений АЧХ.

Характеристическая чувствительность – это отношение среднего звукового давления, развиваемого АС в заданном диапазоне частот (обычно 100 – 8000 Гц) на рабочей оси, приведенное к расстоянию 1 м и подводимой электрической мощности 1 Вт. В большинстве моделей АС категории Hi-Fi уровень характеристической чувствительности составляет 86-90 дБ (в технической литературе вместо дБ часто указывается дБ/м/Вт). Существуют высококачественные широкополосные АС с чувствительностью 93 – 95 дБ/м/Вт и более.

Характеристическая чувствительность определяет, какой динамический диапазон способна обеспечить АС. Широкий динамический диапазон позволяет с большой достоверностью воспроизводить сложные музыкальные произведения, особенно джазовую, симфоническую, камерную музыку.

Коэффициент нелинейных искажений характеризует появление в процессе преобразования отсутствовавших в исходном сигнале спектральных составляющих, искажающих его структуру, то есть, в конечном счете, точность воспроизведения. Это очень важный параметр, поскольку вклад АС в общий коэффициент нелинейных искажений всего звукового тракта, как правило, является максимальным. Например, коэффициент нелинейных искажений современного усилителя составляет сотые доли процента, в то время как типичное значение этого параметра для АС – единицы процентов. При увеличении мощности сигнала коэффициент нелинейных искажений возрастает.

Электрическая (акустическая) мощность – определяет уровень звукового давления и динамический диапазон (с учетом характеристической чувствительности), который потенциально может обеспечить АС в определенном помещении.

Используется несколько определяемых разными стандартами видов мощностей:

Характеристическая мощность , при которой АС обеспечивает заданный уровень среднего звукового давления. В рекомендациях МЭК значение этого уровня установлено 94 дБ на расстоянии 1 метр.

Максимальная (предельная) шумовая или паспортная мощность, при которой АС может длительное время работать без механических и тепловых повреждений при испытаниях специальным шумовым сигналом, близким по спектру реальным музыкальным программам (розовый шум). По методике измерений она совпадает с паспортной мощностью, определяемой в отечественных стандартах.

Максимальная (предельная) синусоидальная мощность – мощность непрерывного синусоидального сигнала в заданном диапазоне частот, при которой АС может длительно работать без механических и тепловых повреждений.

Максимальная (предельная) долговременная мощность, которую акустика выдерживает без механических и тепловых повреждений в течение одной минуты, при таком же испытательном сигнале, как и для паспортной мощности. Испытания повторяются 10 раз с интервалом в 1 минуту.

Максимальная (предельная) кратковременная мощность, которую выдерживает АС при испытании шумовым сигналом с таким же распределением, как и для паспортной мощности, в течение 1 секунды. Испытания повторяются 60 раз с интервалом в 1 минуту.

Пиковая (максимальная) музыкальная мощность – излюбленный параметр для характеристики АС непонятного происхождения. Методика измерения, определяемая немецким стандартом DIN 45500, следующая: на АС подается сигнал частотой ниже 250 Гц и длительностью менее 2 секунд. Акустика считается прошедшей испытания, если при этом нет заметных на слух искажений. Понятно, что «под заметными на слух искажениями» можно понимать что угодно. В результате на корпусах АС от никому не известных производителей появляются наклейки типа «P.M.P.O. … (или Musical Power…)…100!, …200! и даже… …1000 Wt!». Понятно, что о хоть сколько-нибудь качественном звуке, создаваемом такими АС, говорить не приходится.

При выборе АС для УНЧ желательно, чтобы реальная максимальная мощность АС превышала мощность усилителя приблизительно на 30 и более процентов. В этом случае вы будете застрахованы от выхода из строя акустики из-за подачи на нее сигнала недопустимо большого уровня. Конечно, хорошие АС имеют схемы защиты от перегрузки, но лучше не рисковать.

Какая мощность усилителя достаточна для качественного воспроизведения звука? Во многом это определяется параметрами помещения, характеристиками акустических систем, потребностями самого слушателя. При выборе усилителя для озвучивания небольшой жилой комнаты можно считать, что мощность усилителя должна быть не менее 20 Вт.

Наиболее распространенные значения электрического (входного) сопротивления (импеданса) : 4, 8 или 16 Ом. Этот параметр важен при выборе усилителя, с которым будет работать АС. Следует использовать АС с сопротивлением, соответствующим указанному в паспорте усилителя. Такое решение будет обеспечивать идеальное согласование характеристик акустики и усилителя, то есть наилучшее качество звука.

Измерения характеристик АС в условиях, отличающихся от условий специально оборудованных акустических лабораторий заводов-изготовителей – дело чрезвычайно сложное, дорогостоящее и, главное, дающее очень приблизительные результаты. Высококачественные звуковые анализаторы и измерительные микрофоны с предусилителями, удовлетворяющие всем международным требованиям проведения измерений, чрезвычайно дороги и далеко не всякая российская фирма может себе позволить их приобретение. Правда, современные методики измерения в большинстве случаев позволят обойтись без акустически заглушенной камеры.

Аудио кабели

Аудио кабели – это, на первый взгляд, наименее важный компонент аудио подсистемы инсталляции или домашнего кинотеатра, поэтому их часто приобретают, что называется «на сдачу». И совершают серьезную ошибку.

Понятно, что любой кабель влияет на проходящий по нему сигнал. Вопрос состоит в том, как именно кабель влияет на сигнал и насколько сильно это влияние.

Выбор аудио кабелей определяется параметрами качества аудио сигнала с одной стороны и конструктивно-финансовыми соображениями с другой. Действительно, при выполнении некоторых инсталляций приходится прокладывать сотни метров аудио кабелей. Можно подсчитать, во сколько обойдутся, например, серебряные микрофонные кабели общей массой 100 кг…

Проводниками в любом электрическом кабеле или проводе являются металлы. В аудио кабелях используют в основном медь и серебро. В 1984 году фирма Hitachi выпустила межблочный кабель SAX-102, который сразу обратил на себя внимание профессионалов. Он был изготовлен из так называемой бескислородной меди OFC (Oxygen Free Copper). Теперь такую медь применяют почти все специализированные «кабельные» фирмы. Чем хороша бескислородная медь? Металл проводника можно рассматривать как последовательное соединение гранул металла. Внутри каждой гранулы кристаллическая структура сохраняет идеальность, но границы раздела между гранулами нарушают кристаллическую решетку. Как правило, причинами появления границ раздела является пленки окислов, соединений кислорода с металлами. За счет того, что OFC отливается и вытягивается определенным образом, длина идеальных гранул увеличивается. Обычная медь высокой степени чистоты содержит около 5000 гранул на метр кабеля. Улучшение технологии OFC привело к появлению более качественной бескислородной высокопроводящей меди OFHC (Oxygen Free High Conductivity), количество гранул на метр в которой составило 1000. Существуют и другие разновидности технологии получения проводов из бескислородной меди.

Похожие технологии применяют и к серебряным проводникам. Результат – появление длинногранулированного серебра с высокой степенью очистки, например, FPS (функционально превосходное серебро) от AudioQuest или PSS (Perfect Surface Silver – серебро с идеальной поверхностью). Это очень дорогие провода. Серебро часто используется как плакирующее покрытие медного провода, причем чтобы исключить потенциальное влияние неоднородностей на передачу сигнала, поверхность полируется до зеркального блеска.

В качестве изоляторов аудио проводов и кабелей в бытовой технике используются в основном полиэтилен, полихлорвинил и фторопласт (известный как тефлон). Для внешних покрытий кабелей используют искусственные каучуки, силиконовые резины, полипропилены и пр. Чаще всего используют полиэтилен, лучшими диэлектрическими характеристиками обладает фторопласт, но он относительно дорог, что сдерживает его применение. Иногда в качестве изолятора используют вспененный полиэтилен или фторопласт.

Поскольку аудио кабели соединяют усилитель с колонками и работают с довольно большими токами, разработчики в первую очередь обращают внимание на активное сопротивление проводника: чем оно меньше, тем лучше. Во-первых, потому что омическое сопротивление кабеля соединяется последовательно с выходным сопротивлением УНЧ и входным сопротивлением АС, и относительно высокоомный соединительный провод может резко ухудшить качество работы УНЧ и АС, а, во-вторых, по закону Джоуля-Ленца термический разогрев провода пропорционален второй степени протекающего через него тока. Уменьшения омического сопротивления проводящих линий добиваются увеличением их сечения. Поэтому аудио кабели довольно толстые. Акустические провода являются относительно низкочастотными (рабочий диапазон укладывается в 4-5 порядков: от единиц герц до сотни килогерц). И все же большинство разработчиков, добившись минимальной величины удельного сопротивления (0,001–0,05 Ом/м), стараются уменьшать индуктивность провода (типичная величина удельной индуктивности – 0,2–0,5 мкГн/м). Практически все провода, за исключением плоских ленточных, выполняются в виде жгутов, собранных из отдельных тонких жил. Самые простые представляют собой пару изолированных проводников («лапша»); такая конструкция встречается чаще всего ввиду ее наименьшей стоимости. Скрученные жилы постоянно меняют свое положение: одни уходят с поверхности внутрь, другие, наоборот, от центра выходят к поверхности. Поскольку распределение плотности тока по сечению проводника не меняется, чтобы оставаться вблизи поверхности кабеля, ток переходит через поверхность раздела от одной жилы к другой. Бывает, что контакт между отдельными жилами не всегда хорош (на поверхности каждой жилы есть слой окислов, плохо проводящих ток), и многочисленные переходы через барьеры сопротивления теоретически могут оказать влияние на передаваемый сигнал. Если разделать старый сетевой провод в резиновой изоляции, обращает на себя внимание темная пленка окислов. Такой провод без зачистки не паяется, омметр показывает довольно большое сопротивление…

Для уменьшения влияния скин-эффекта каждую тонкую жилу порой снабжают собственной изоляцией, однако такие кабели нетехнологичны, поскольку трудно автоматизировать процесс разделки жил такого кабеля.

Акустические кабели характеризуются большим разнообразием конструкций, отличающихся не только внутренним строением, но и внешними признаками: круглые в сечении, плоские, как тонкие ленты, одиночные, сдвоенные, счетверенные и т.д. Несмотря на высокую стоимость, плоские провода очень популярны в инсталляциях домашнего кинотеатра, поскольку они легко прячутся под обои, ковры и т.п. Пользуются спросом попарно сдвоенные провода, которые удобны для подключения акустики по схемам Bi-Wiring и Bi-Amping.

Разновидностью АС являются АС домашних кинотеатров, к которым предъявляются специфические требования. О них будет рассказано в отдельной брошюре.

Акустика - область физики, исследующая упругие колебания и волны от самых низких частот до предельно высоких (10 12 -10 13 Гц). Современная акустика охватывает широкий круг вопросов, в ней выделяют ряд разделов: физическая акустика, которая изучает особенности распространения упругих волн в различных средах, физиологическая акустика, изучающая устройство и работу звуковоспринимающих и звукообразующих органов у человека и животных, и др. В узком смысле слова под акустикой понимают учение о звуке, т.е. об упругих колебаниях и волнах в газах, жидкостях и твердых телах, воспринимаемых человеческим ухом (частоты от 16 до 20 000 Гц).

8.1. ПРИРОДА ЗВУКА. ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Звуковые колебания и волны - частный случай механических колебаний и волн. Однако в связи с важностью акустических понятий для оценки слуховых ощущений, а также в связи с медицинскими приложениями целесообразно некоторые вопросы разобрать специально. Принято различать следующие звуки:

1) тоны, или музыкальные звуки;

2) шумы;

3) звуковые удары.

Тоном называется звук, являющийся периодическим процессом. Если этот процесс гармонический, то тон называется простым или чистым, а соответствующая плоская звуковая волна описывается уравнением (7.45). Основной физической характеристикой чистого тона является частота. Ангармоническому 1 колебанию соответствует сложный тон. Простой тон издает, например, камертон, сложный тон создается музыкальными инструментами, аппаратом речи (гласные звуки) и т.п.

Сложный тон может быть разложен на простые. Наименьшая частота ν ο такого разложения соответствует основному тону, остальные гармоники (обертоны) имеют частоты, равные 2ν ο , 3ν ο и т.д. Набор частот с указанием их относительной интенсивности (амплитуды А) называется акустиче-

1 Ангармоническое - негармоническое колебание.

ским спектром (см. 6.4). Спектр сложного тона линейчатый; на рис. 8.1 показаны акустические спектры одной и той же ноты (ν 0 = 100 Гц), взятой на рояле (а) и кларнете (б). Таким образом, акустический спектр - важная физическая характеристика сложного тона.

Шумом называют звук, отличающийся сложной неповторяющейся временной зависимостью.

Рис. 8.1

К шуму относятся звуки от вибрации машин, аплодисменты, шум пламени горелки, шорох, скрип, согласные звуки речи и т.п.

Шум можно рассматривать как сочетание беспорядочно изменяющихся сложных тонов. Если попытаться с некоторой степенью условности разложить шум в спектр, то окажется, что этот спектр будет сплошным, например спектр, полученный от шума горения бунзе-новской газовой горелки (рис. 8.2).

Звуковой удар - это кратковременное звуковое воздействие: хлопок, взрыв и т.п. Не следует путать звуковой удар с ударной волной (см. 7.10).

1 Строго говоря, в этой формуле под р следует понимать среднюю амплитуду звукового давления.

8.2. ХАРАКТЕРИСТИКИ СЛУХОВОГО ОЩУЩЕНИЯ. ЗВУКОВЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

В 8.1 рассматривались объективные характеристики звука, которые могли быть оценены соответствующими приборами независимо от человека. Однако звук является объектом слуховых ощущений, поэтому оценивается человеком субъективно.

Воспринимая тоны, человек различает их по высоте.

Высота - субъективная характеристика, обусловленная прежде всего частотой основного тона.

В значительно меньшей степени высота зависит от сложности тона и его интенсивности: звук большей интенсивности воспринимается как звук более низкого тона.

Тембр звука почти исключительно определяется спектральным составом.

На рис. 8.1 разные акустические спектры соответствуют разному тембру, хотя основной тон и, следовательно, высота тона одинаковы.

Громкость - еще одна субъективная оценка звука, которая характеризует уровень слухового ощущения.

Несмотря на субъективность, громкость может быть оценена количественно путем сравнения слухового ощущения от двух источников.

В основе создания шкалы уровней громкости лежит важный психофизический закон Вебера-Фехнера: если увеличивать раздражение в геометрической прогрессии (т.е. в одинаковое число раз), то ощущение этого раздражения возрастает в арифметической прогрессии (т.е. на одинаковую величину).

Применительно к звуку это означает, что если интенсивность звука принимает ряд последовательных значений, например а1 0 , а 2 1 0 , а 3 1 0 (а - некоторый коэффициент, а >1) и т.д., то соответствующие им ощущения громкости звука Е 0 , 2Е 0 , 3E 0 и т.д.

Математически это означает, что громкость звука пропорциональна логарифму интенсивности звука.

Если действуют два звуковых раздражения с интенсивностями I и I 0 , причем I 0 - порог слышимости, то на основании закона Вебера- Фехнера громкость относительно него связана с интенсивностями следующим образом:

E = klg(I / I,), (8.3)

где k - некоторый коэффициент пропорциональности, зависящий от частоты и интенсивности.

Если бы коэффициент k был постоянным, то из (8.1) и (8.3) следовало бы, что логарифмическая шкала интенсивностей звука соответствует шкале громкостей. В этом случае громкость звука, так же как и интенсивность, выражалась бы в белах или децибелах. Однако сильная зависимость k от частоты и интенсивности звука не позволяет измерение громкости свести к простому использованию формулы (8.3).

Условно считают, что на частоте 1 кГц шкалы громкости и интенсивности звука полностью совпадают, т.е. k = 1 и E b = lg(I/I 0), или, по аналогии с (8.2):

Е ф = 10 lg(I/l0). (8.4)

Для отличия от шкалы интенсивности звука в шкале громкости децибелы называют фонами (фон).

Громкость на других частотах можно измерить, сравнивая исследуемый звук со звуком частотой 1 кГц. Для этого с помощью звукового гене-ратора 1 создают звук частотой 1 кГц. Изменяют интенсивность звука до тех пор, пока не возникнет слуховое ощущение, аналогичное ощущению громкости исследуемого звука. Интенсивность звука частотой 1 кГц в децибелах, измеренная по прибору, равна громкости этого звука в фонах.

Для того чтобы найти соответствие между громкостью и интенсивностью звука на разных частотах, пользуются кривыми равной громкости (рис. 8.4). Эти кривые построены на основании средних данных, которые были получены у людей с нормальным слухом при измерениях, проводимых по описанному выше методу.

Нижняя кривая соответствует интенсивностям самых слабых слышимых звуков - порогу слышимости; для всех частот Еф = 0, для 1 кГц интенсивность звука I 0 = 1 пВт/м 2 . Из приведенных кривых видно, что среднее человеческое ухо наиболее чувствительно к частотам 2500- 3000 Гц. Каждая промежуточная кривая соответствует одинаковой громкости, но разной интенсивности звука для разных частот. По отдельной кривой, равной громкости, можно найти интенсивности, которые при определенных частотах вызывают ощущение этой громкости. Используя совокупность кривых равной громкости, можно найти для разных

1 Звуковым генератором называют электронный прибор, генерирующий электрические колебания с частотами звукового диапазона. Однако сам звуковой генератор не является источником звука. Если же создаваемое им колебание подать на динамик, то возникает звук, тональность которого соответствует частоте генератора. В звуковом генераторе предусмотрена возможность плавного изменения амплитуды и частоты колебаний.

частот громкости, соответствующие определенной интенсивности. Например, пусть интенсивность звука частотой 100 Гц равна 60 дБ. Какова громкость этого звука? На рис. 8.2 находим точку с координатами 100 Гц, 60 дБ. Она лежит на кривой, соответствующей уровню громкости 30 фон, что и является ответом.

Чтобы иметь определенные представления о различных по характеру звуках, приведем их физические характеристики (табл. 8.1).

Таблица 8.1

Метод измерения остроты слуха называют аудиометрией. При аудио-метрии на специальном приборе (аудиометре) определяют порог слухового ощущения на разных частотах; полученная кривая называется ау-диограммой. Сравнение аудиограммы больного человека с нормальной кривой порога слухового ощущения помогает диагностировать заболевание органов слуха.

Для объективного измерения уровня громкости шума используется шумомер. Структурно он соответствует схеме, изображенной на рис. 8.3. Свойства шумомера приближаются к свойствам человеческого уха (см. кривые равной громкости на рис. 8.4), для этого для разных диапазонов уровней громкости используются корректирующие электрические фильтры.

8.3. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗВУКОВЫХ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ В КЛИНИКЕ

Звук, как и свет, является источником информации, и в этом главное его значение.

Звуки природы, речь окружающих нас людей, шум работающих машин многое сообщают нам. Чтобы представить значение звука для человека, достаточно временно лишить себя возможности воспринимать звук - закрыть уши.

Естественно, 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 или фонендоскоп. Фонендоскоп (рис. 8.5) состоит из полой капсулы 1 с передающей звук мембраной 2, прикладываемой к телу больного, от нее идут резиновые трубки 3 к уху врача. В полой капсуле возникает резонанс столба воздуха, вследствие чего усиливается звучание и улучшается ау-скультация.

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 интерпретации. Запись фонокардио-граммы производят с помощью фонокардиографа (рис. 8.6), состоящего из микрофона, усилителя, системы частотных фильтров и регистрирующего устройства. На рис. 8.7 показана нормальная фонокардиограмма.

Принципиально отличным от двух изложенных выше звуковых методов является перкуссия. В этом методе выслушивают звучание отдельных частей тела при простукивании их.

Представим замкнутую полость, заполненную воздухом внутри какого-нибудь тела. Если вызвать в этом теле звуковые колебания, то при определенной частоте звука воздух в полости начнет резонировать, выделяя и усиливая тон, соответствующий размеру и положению полости.

Схематично тело человека можно представить как совокупность газонаполненных (легких), жидких (внутренние органы) и твердых (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.

8.4. ВОЛНОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ. ОТРАЖЕНИЕ ЗВУКОВЫХ ВОЛН. РЕВЕРБЕРАЦИЯ

Звуковое давление р зависит от скорости υ колеблющихся частиц среды. Вычисления показывают, что

Таблица 8.2

Используем (8.8) для вычисления коэффициента проникновения звуковой волны из воздуха в бетон и в воду:

Эти данные производят впечатление: оказывается, только очень малая часть энергии звуковой волны проходит из воздуха в бетон и в воду. Во всяком закрытом помещении отраженный от стен, потолков, мебели звук падает на другие стены, полы и пр., вновь отражается и поглощается и постепенно угасает. Поэтому даже после того, как источник звука прекратит действие, в помещении все еще остаются звуковые волны, которые создают гул. Особенно это заметно в больших просторных залах. Процесс постепенного затухания звука в закрытых помещениях после выключения источника называют реверберацией.

Реверберация, с одной стороны, полезна, так как восприятие звука усиливается за счет энергии отраженной волны, но, с другой стороны, чрезмерно длительная реверберация может существенно ухудшить восприятие речи, музыки, так как каждая новая часть текста перекрывается предыдущими. В связи с этим обычно указывают некоторое оптимальное время реверберации, которое учитывается при постройке аудиторий, театральных и концертных залов и т.п. Например, время реверберации заполненного Колонного зала Дома Союзов в Москве равно 1,70 с, заполненного Большого театра - 1,55 с. Для этих помещений (пустых) время реверберации соответственно 4,55 и 2,06 с.

8.5. ФИЗИКА СЛУХА

Слуховая система связывает непосредственный приемник звуковой волны с головным мозгом.

Используя понятия кибернетики, можно сказать, что слуховая система получает, перерабатывает и передает информацию. Из всей слуховой системы для рассмотрения физики слуха выделим наружное, среднее и внутреннее ухо.

Наружное ухо состоит из ушной раковины 1 и наружного слухового прохода 2 (рис. 8.8).

Рис. 8.9

Ушная раковина у человека не играет существенной роли для слуха. Она способствует определению локализации источника звука при его расположении в сагиттальной плоскости. Поясним это. Звук от источника попадает в ушную раковину. В зависимости от положения источника в вертикальной плоскости (рис. 8.9) звуковые волны будут по-разному дифрагировать на ушной раковине из-за ее специфической формы. Это приведет и к разному изменению спектрального состава звуковой волны, попадающей в слуховой проход (более детально вопросы дифракции рассматриваются в 24.6). Человек в результате опыта научился ассоциировать изменение спектра звуковой волны с направлением на источник звука (направления А, Б и В на рис. 8.9).

Обладая двумя звукоприемниками (ушами), человек и животные способны установить направление на источник звука и в горизонтальной плоскости (бинауральный эффект; рис. 8.10). Это объясняется тем, что звук от источника до разных ушей проходит разное расстояние и возникает разность фаз для волн, попадающих в правую и левую ушные раковины. Связь между разностью этих расстояний (δ) и разностью фаз (Δφ) выведена в 24.1 при объяснении интерференции света [см. (24.9)]. Если источник звука находится прямо перед лицом человека, то δ = 0 и Δφ = 0, если источник звука расположен сбоку против одной из ушных раковин, то в другую ушную раковину он попадет с запаздыванием. Будем считать приближенно, что в этом случае δ равно расстоянию между ушными раковинами. По формуле (24.9) можно рассчитать для ν = 1 кГц и δ = 0,15 м разность фаз. Она приблизительно равна 180°.

Различным направлениям на источник звука в горизонтальной плоскости будут соответствовать разности фаз между 0° и 180° (для приведенных выше данных). Считают, что человек с нормальным слухом может фиксировать направления на источник звука с точностью до 3°, этому соответствует разность фаз 6°. Поэтому можно полагать, что чело-

Рис. 8.10

век способен различать изменение разности фаз звуковых волн, попадающих в его уши, с точностью до 6°.

Кроме фазового различия бинауральному эффекту способствует неодинаковость интенсивностей звука у разных ушей, а также акустическая тень от головы для одного уха. На рис. 8.10 схематично показано, что звук от источника попадает в левое ухо в результате дифракции.

Звуковая волна проходит через слуховой проход и частично отражается от барабанной перепонки 3. В результате интерференции падающей и отраженной волн может возникнуть акустический резонанс. Это возникает тогда, когда длина волны в четыре раза больше длины наружного слухового прохода. Длина слухового прохода у человека приблизительно равна 2,3 см; следовательно, акустический резонанс возникает при частоте:

Наиболее существенной частью среднего уха являются барабанная перепонка 3 и слуховые косточки: молоточек 4, наковальня 5 и стремечко 6 с соответствующими мышцами, сухожилиями и связками. Косточки осуществляют передачу механических колебаний от воздушной среды наружного уха к жидкой среде внутреннего. Жидкая среда внутреннего уха имеет волновое сопротивление, приблизительно равное волновому сопротивлению воды. Как было показано (см. 8.4), при прямом переходе звуковой волны из воздуха в воду передается лишь 0,122% падающей интенсивности. Это слишком мало. Поэтому основное назначение среднего уха - способствовать передаче внутреннему уху большей интенсивности звука. Используя технический язык, можно сказать, что среднее ухо согласует волновые сопротивления воздуха и жидкости внутреннего уха.

Система косточек на одном конце молоточком связана с барабанной перепонкой (площадь S 1 = 64 мм 2), на другом - стремечком - с овальным окном 7 внутреннего уха (площадь S 2 = 3 мм 2).

На барабанную перепонку действует звуковое давление р 1 , что обусловливает силу

на 8, называется вестибулярной лестницей. Другой канал идет от круглого окна 9, он называется барабанной лестницей 10. Вестибулярная и барабанная лестницы соединены в области купола улитки посредством маленького отверстия - геликотремы 11. Таким образом, оба эти канала в некотором роде представляют единую систему, наполненную пери-лимфой. Колебания стремечка 6 передаются мембране овального окна 7, от нее перилимфе и «выпячивают» мембрану круглого окна 9. Пространство между вестибулярной и барабанной лестницами называется улитковым каналом 12, он заполнен эндолимфой. Между улитковым каналом и барабанной лестницей вдоль улитки проходит основная (базилярная) мембрана 13. На ней находится кортиев орган, содержащий рецептор-ные (волосковые) клетки, от улитки идет слуховой нерв (на рис. 8.9 эти подробности не показаны).

Кортиев орган (спиральный орган) преобразует механические колебания в электрический сигнал.

Длина основной мембраны около 32 мм, она расширяется и утончается в направлении от овального окна на верхушке улитки (от ширины 0,1 до 0,5 мм). Основная мембрана - весьма интересная для физики структура, она обладает частотно-избирательными свойствами. На это обратил внимание еще Гельмгольц, который представлял основную мембрану аналогично ряду настроенных струн пианино. Лауреат Нобелевской премии Бекеши установил ошибочность этой резонаторной теории. В работах Бекеши было показано, что основная мембрана является неоднородной линией передачи механического возбуждения. При воздействии акустическим стимулом по основной мембране распространяется волна. В зависимости от частоты эта волна по-разному затухает. Чем меньше частота, тем дальше от овального окна распространится волна по основной мембране, прежде чем она начнет затухать. Так, например, волна с частотой 300 Гц до начала затухания распространится приблизительно до 25 мм от овального окна, а волна с частотой 100 Гц достигает своего максимума вблизи 30 мм.

На основании этих наблюдений были разработаны теории, согласно которым восприятие высоты тона определяется положением максимума колебания основной мембраны. Таким образом, во внутреннем ухе прослеживается определенная функциональная цепь: колебание мембраны овального окна - колебание перилимфы - сложные колебания основной мембраны - раздражение волосковых клеток (рецепторы кортиева органа) - генерация электрического сигнала.

Некоторые формы глухоты связаны с поражением рецепторного аппарата улитки. В этом случае улитка не генерирует электрические сиг-

налы при воздействии механических колебаний. Таким глухим можно помочь, для этого необходимо имплантировать электроды в улитку и на них подавать электрические сигналы, соответствующие тем, которые возникают при воздействии механического стимула.

Такое протезирование основной функции улитки (кохлеарное протезирование) разрабатывается в ряде стран. В России кохлеарное протезирование разработано и осуществлено в Российском медицинском университете. Кохлеарный протез показан на рис. 8.12, здесь 1 - основной корпус, 2 - заушина с микрофоном, 3 - вилка электрического разъема для подсоединения к имплантируемым электродам.

8.6. УЛЬТРАЗВУК И БГО ПРИМЕНЕНИЯ В МЕДИЦИНЕ

Ультразвуком (УЗ) называют механические колебания и волны, частоты которых более 20 кГц.

Верхним пределом ультразвуковых частот условно можно считать 10 9 -10 10 Гц. Этот предел определяется межмолекулярными расстояниями и поэтому зависит от агрегатного состояния вещества, в котором распространяется ультразвуковая волна.

Для генерирования УЗ используются устройства, называемые УЗ-излучателями. Наибольшее распространение получили электромеханические излучатели, основанные на явлении обратного пьезоэлектрического эффекта (см. 14.7). Обратный пьезоэффект заключа-

ется в механической деформации тел под действием электрического поля. Основной частью такого излучателя (рис. 8.13, а) является пластина или стержень 1 из вещества с хорошо выраженными пьезоэлектрическими свойствами (кварц, сегнетова соль, керамический материал на основе титаната бария и др.). На поверхность пластины в виде проводящих слоев нанесены электроды 2. Если к электродам приложить переменное электрическое напряжение от генератора 3, то пластина благодаря обратному пье-зоэффекту начнет вибрировать, излучая механическую волну соответствующей частоты.

Наибольший эффект излучения механической волны возникает при выполнении условия резонанса (см. 7.6). Так, для пластин толщиной 1 мм резонанс возникает для кварца на частоте 2,87 МГц, сегнетовой соли - 1,5 МГц и титаната бария - 2,75 МГц.

Приемник УЗ можно создать на основе пьезоэлектрического эффекта (прямой пьезоэффект). В этом случае под действием механической волны (УЗ-волны) возникает деформация кристалла (рис. 8.13, б), которая при пьезоэффекте приводит к генерации переменного электрического поля; соответствующее электрическое напряжение может быть измерено.

Применение УЗ в медицине связано с особенностями его распространения и характерными свойствами. Рассмотрим этот вопрос.

По физической природе УЗ, как и звук, является механической (упругой) волной. Однако длина волны УЗ существенно меньше длины звуковой волны. Так, например, в воде длины волн равны 1,4 м (1 кГц, звук), 1,4 мм (1 МГц, УЗ) и 1,4 мкм (1 ГГц, УЗ). Дифракция волн (см. 24.5) существенно зависит от соотношения длины волн и размеров тел, на которых волна дифрагирует. «Непрозрачное» тело размером 1 м не будет препятствием для звуковой длины с длиной 1,4 м, но станет преградой для УЗ-волны с длиной 1,4 мм, возникнет УЗ-тень. Это позволяет в некоторых случаях не учитывать дифракцию УЗ-волн, рассматривая при преломлении и отражении эти волны как лучи (аналогично преломлению и отражению световых лучей).

Отражение УЗ на границе двух сред зависит от соотношения их волновых сопротивлений (см. 8.4). Так, УЗ хорошо отражается на границах мышца-надкостница-кость, на поверхности полых органов и т.д.

Поэтому можно определить расположение и размер неоднородных включений, полостей, внутренних органов и т.п. (УЗ-локация). При УЗ-локации используют как непрерывное, так и импульсное излучения. В первом случае исследуется стоячая волна, возникающая при интерференции падающей и отраженной волн от границы раздела. Во втором случае наблюдают отраженный импульс и измеряют время распространения ультразвука до исследуемого объекта и обратно. Зная скорость распространения ультразвука, определяют глубину залегания объекта.

Волновое сопротивление биологических сред в 3000 раз больше волнового сопротивления воздуха. Поэтому если УЗ-излучатель приложить к телу человека, то УЗ не проникнет внутрь, а будет отражаться из-за тонкого слоя воздуха между излучателем и биологическим объектом (см. 8.4). Чтобы исключить воздушный слой, поверхность УЗ-излу-чателя покрывают слоем масла.

Скорость распространения ультразвуковых волн и их поглощение существенно зависят от состояния среды; на этом основано использование ультразвука для изучения молекулярных свойств вещества. Исследования такого рода являются предметом молекулярной акустики.

Как видно из (7.53), интенсивность волны пропорциональна квадрату круговой частоты, поэтому можно получить УЗ значительной интенсивности даже при сравнительно небольшой амплитуде колебаний. Ускорение частиц, колеблющихся в УЗ-волне, также может быть большим [см. (7.12)], что говорит о наличии существенных сил, действующих на частицы в биологических тканях при облучении УЗ.

Сжатия и разрежения, создаваемые ультразвуком, приводят к образованию разрывов сплошности жидкости - кавитаций.

Кавитации существуют недолго и быстро захлопываются, при этом в небольших объемах выделяется значительная энергия, происходят разогревание вещества, а также ионизация и диссоциация молекул.

Физические процессы, обусловленные воздействием УЗ, вызывают в биологических объектах следующие основные эффекты:

Микровибрации на клеточном и субклеточном уровнях;

Разрушение биомакромолекул;

Перестройку и повреждение биологических мембран, изменение проницаемости мембран (см. гл. 13);

Тепловое действие;

Медико-биологические приложения ультразвука в основном можно разделить на два направления: методы диагностики и исследования и методы воздействия.

К первому направлению относятся локационные методы и использование импульсного излучения. Это эхоэнцефалография - определение опухолей и отека головного мозга (на рис. 8.14 показан эхоэнцефалограф «Эхо-12»); ультразвуковая кардиография - измерение размеров сердца в динамике; в офтальмологии - ультразвуковая локация для определения размеров глазных сред. С помощью ультразвукового эффекта Доплера изучают характер движения сердечных клапанов и измеряют скорость кровотока. С диагностической целью по скорости ультразвука находят плотность сросшейся или поврежденной кости.

Ко второму направлению относится ультразвуковая физиотерапия. На рис. 8.15 показан используемый для этих целей аппарат УТП-ЗМ. На пациента воздействуют ультразвуком с помощью специальной излу-чательной головки аппарата. Обычно для терапевтических целей применяют ультразвук частотой 800 кГц, средняя его интенсивность около 1 Вт/см 2 и меньше.

Первичным механизмом ультразвуковой терапии являются механическое и тепловое действия на ткань.

При операциях ультразвук применяют как «ультразвуковой скальпель», способный рассекать и мягкие, и костные ткани.

Способность ультразвука дробить тела, помещенные в жидкость, и создавать эмульсии используется в фармацевтической промышленности при изготовлении лекарств. При лечении таких заболеваний, как туберкулез, бронхиальная астма, катар верхних дыхательных путей, применяют аэрозоли различных лекарственных веществ, полученные с помощью ультразвука.

В настоящее время разработан новый метод «сваривания» поврежденных или трансплантируемых костных тканей с помощью ультразвука (ультразвуковой остеосинтез).

Губительное воздействие ультразвука на микроорганизмы используется для стерилизации.

Интересно применение ультразвука для слепых. Благодаря ультразвуковой локации с помощью портативного прибора «Ориентир» можно обнаружить предметы и определять их характер на расстоянии до 10 м.

Перечисленные примеры не исчерпывают всех медико-биологических применений ультразвука, перспектива расширения этих приложений поистине огромна. Так, можно ожидать, например, появления принципиально новых методов диагностики с внедрением в медицину ультразвуковой голографии (см. гл. 24).

8.7. ИНФРАЗВУК

Инфразвуком называют механические (упругие) волны с частотами, меньшими тех, которые воспринимает ухо челвоека (20 Гц).

Источниками инфразвука могут быть как естественные объекты (море, землетрясение, грозовые разряды и др.), так и искусственные (взрывы, автомашины, станки и др.).

Инфразвук часто сопровождается слышимым шумом, например в автомашине, поэтому возникают трудности при измерении и исследовании собственно инфразвуковых колебаний.

Для инфразвука характерно слабое поглощение разными средами, поэтому он распространяется на значительное расстояние. Это позволяет по распространению инфразвука в земной коре обнаруживать взрыв на большом удалении его от источника, по измеренным инфра-звуковым волнам прогнозировать цунами и т.д. Так как длина волны инфразвука больше, чем у слышимых звуков, то инфразвуковые волны лучше дифрагируют и проникают в помещения, обходя преграды.

Инфразвук оказывает неблагоприятное влияние на функциональное состояние ряда систем организма: усталость, головная боль, сонливость, раздражение и др. Предполагается, что первичный механизм действия инфразвука на организм имеет резонансную природу. Резонанс наступает при близких значениях частоты вынуждающей силы и частоты собственных колебаний (см. 7.6). Частота собственных колебаний тела человека в положении лежа (3-4 Гц), стоя (5-12 Гц), частота собственных колебаний грудной клетки (5-8 Гц), брюшной полости (3-4 Гц) и т.д. соответствуют частоте инфразвуков.

Снижение уровня интенсивности инфразвуков в жилых, производственных и транспортных помещениях - одна из задач гигиены.

8.8. ВИБРАЦИИ

В технике механические колебания различных конструкций и машин получили название вибраций.

Они оказывают воздействие и на человека, который соприкасается с вибрирующими объектами. Это воздействие может быть как вредным и приводящим в определенных условиях к вибрационной болезни, так и полезным, лечебным (вибротерапия и вибромассаж).

Основные физические характеристики вибраций совпадают с характеристиками механических колебаний тел, это:

Частота колебаний или гармонический спектр ангармонического колебания;

Амплитуда, амплитуда скорости и амплитуда ускорения;

Энергия и средняя мощность колебаний.

Кроме того, для понимания действия вибраций на биологический объект важно представлять себе распространение и затухание колебаний в теле. При исследовании этого вопроса используют модели, состоящие из инерционных масс, упругих и вязких элементов (см. 10.3).

Вибрации являются источником слышимых звуков, ультразвуков и инфразвуков.

Акустика - раздел физики, изучающий звуковые явления. Акустика подразделяется на общую, физиологическую, архитектурную, музыкальную и другие.

Общая акустика изучает преимущественно явления, касающиеся генерации, распространения (отражение, преломление, поглощение и т.д.) и использования звуковых волн для тех или иных целей. Физиологическая акустика изучает физические основы устройства органов речи и слуха, систему звуковых измерений (связь между характеристиками слухового ощущения и звуковой волны) и т.д. Прочие разделы акустики касаются использования звука в различных прикладных областях.

Звуком называют волны, распространяющиеся в упругих средах, образованные колебаниями с частотой от 16 до 20 000 Гц.частицами среды и воспринимаемые человеческим ухом.

В акустике рассматриваются и пограничные со звуком области: ниже 16 Гц - инфразвук и выше 20 000 Гц - ультразвук .

Источником звука является тело любой природы, находящееся в колебательном движении обычно в результате каких-либо механических воздействий, т.е. для возбуждения звука всегда требуется энергия. При колебаниях тело образует в окружающей среде (например, в воздухе) упругую продольную волну, которая достигая уха, вызывает слуховое ощущение.

Звук распространяется в любых упругих средах. Скорость распространения звука не зависит от частоты колебаний, а зависит от температуры, плотности и упругих свойств среды. Скорость звука в воздухе (0 0 С) составляет 331,5 м/сек. При повышении температуры на 1 0 С она увеличивается примерно на 0,5 м/сек.

V = V 0 +0,5 t 0

В твердых и жидких средах скорость звука значительно выше, в воде, например, около 1500 м/сек. Эта скорость звука принята как средняя для мягких тканей тела человека.

Физические характеристики звука. Тоны и шумы.

Звуковая волна описывается уравнием механической волны

p=p 0 cos ω(t-x/v)

где р и р 0 - звуковое давление в конкретной точке пространства и максимальное звуковое давление соответственно;  - круговая частота, t – время, x - координата точки среды (одномерный случай), v – скорость звуковой волны.

Физическими характеристиками звука являются: звуковое давление, интенсивность, частота, период, скорость звуковой волны и другие Эти характеристики могут быть измерены физическими приборами.

Интенсивностью, или силой звука , называют плотность потока энергии звуковой волны; единицы измерения: Вт/м 2 .

где W-энергия, t-время,

S-площадь, Ф-поток энергии.

Звуковая волна оказывает на тело, помещенное на пути ее распространения давление.

Звуковым , или акустическим, давлением p называют добавочное давление (избыточное над средним давлением окружающей среды), образующееся в участках сгущения частиц в звуковой волне. Оно измеряется в Н/м 2 .

Для плоской гармонической волны звуковое давление p связано с интенсивностью звука (I ) соотношением

, (2)

где p 0 - амплитудное, а p эф - эффективное (среднеквадратичное, которое обычно используется на практике) значения акустического давления.

Произведение скорости звука c в данной среде на плотность среды  называется удельным акустическим сопротивлением среды (волновым сопротивлением среды).

Z:
,

где p - звуковое давление, V - колебательная скорость частицы среды.

Удельный акустический импеданс аналогичен электрическому импедансу
,

где U - напряжение, i -сила тока.

Интенсивность звука:
, (3)

интенсивность плоской волны:

, (4)

где V - средняя скорость смещения частиц в волне.

Сравнение формул 3 и 4 дает нам зависимость скорости смещения частиц в среде от давления
.

(5)

Величину Z называют акустическим импедансом .

Акустический импеданс является основной характеристикой акустических свойств среды, определяющей условия отражения и преломления звука на границе сред. Для воздуха (при нормальных условиях) Z = 430 кг/м 2 сек, для воды примерно 14510 4 кг/м 2 сек, для железа 4  10 7 кг/м 2 сек.

Звуки разделяют на тоны и шумы.

Тоном называется звук, который представляет колебание с постоянной или закономерно изменяющейся по времени частотой . В зависимости от формы колебания частиц среды тоны разделяются на простые (гармонические) и сложные . Сложный тон может быть разложен на простые, получающийся набор частот с амплитудами называется акустическим спектром (рис. 1.). Спектр сложного тона линейчатый.

Спектр сложного тона.

 0 – основной тон,

2 0 , 3 0 и т.д. – обертоны.

Простой тон может быть получен с помощью камертона или звукового

генератора. К сложным относятся звуки музыкальных инструментов, гласные звуки речи человека и др.

Звуковой тон характеризуется частотой (или периодом), амплитудой и формой колебания или его гармоническим спектром, а также величинами, относящимися к звуковой волне: интенсивностью, или силой звука, и звуковым давлением.

Шумом называют звук, отличающийся сложной, неповторяющейся временной зависимостью (рис. 2.).

К шуму относятся звуки от вибрации машин, аплодисменты, шум пламени горелки, шорох, скрип, согласные звуки речи и т.п. Шум можно рассматривать как сочетание беспорядочно меняющихся сложных тонов. Спектр шума - сплошной.

Шумом называют самые различные звуки, представляющие сочетание множества различных тонов, частота, форма, интенсивность и продолжительность которых беспорядочно меняются.

Спектр шума.

100 2000 4000 10000 , Гц

Шум является вредным явлением. Длительное действие шума на орган слуха вызывает ослабление чувствительности уха, может привести к частичной или полной потере слуха. Действуя на нервную систему, шум вызывает повышенную утомляемость, снижение работоспособности, различные нервные заболевания.

Вредность шума зависит от его громкости и спектрального состава. Нормально допустимым уровнем шума считается 40 - 50 дБ.

Для объективного измерения громкости шума применяются приборы, называемые шумомерами. Шумомер содержит микрофон, который преобразует звуковые колебания в электрические. Эти колебания затем усиливаются и средняя мощность их измеряется при помощи микроамперметра со шкалой, градуированной в децибелах громкости.

Акустика раздел физики. Акустика. Природа звука. Физические характеристики звука. Тоны и шумы. Основные направления современной акустики

Физические характеристики звука. Тоны и шумы.

Похожие статьи

Читайте также