2. Энергетические характеристики звука.

В «неозвученном» воздухе молекулы совершают хаотическое тепловое движение. При нормальных условиях (атмосферное давление р₀ = 760 мм рт. ст., температура воздуха t = 0⁰С) средняя скорость молекул в их хаотическом движении – порядка 500 м/с.

При появлении звуковой волны у молекул воздуха появляется дополнительный вид движения – упорядоченные колебания. Энергетические показатели этого вида движения весьма скромны. Максимальная скорость молекул в их упорядоченных колебаниях – величина порядка миллиметров в секунду даже для весьма громкого звука. Однако пренебречь этими движениями молекул – значило бы пренебречь звуком.

Аналогично положение дел с движением электронов в проводнике с током. Их скорость упорядоченного дрейфа в электрическом поле проводника – тоже порядка миллиметров в секунду.

Мы убеждаемся, что наше речевое общение – это общение с очень низким уровнем энергозатрат. Так, мощность, развиваемая человеком при разговоре нормальной громкости составляет 10^-5 Вт.

Если начинает работать источник звука, то энергия колебаний источника постепенно становится энергией колебаний все большего и большего числа частиц «озвучиваемой» среды. От источника звука в окружающую среду устанавливается поток энергии. Плотность этого потока – величина I, измеряемая в джоулях на квадратный метр в секунду; или, что то же самое, в ваттах на квадратный метр: . Такая характеристика доступна для измерений с помощью акустических приборов и называется, применительно к звуку, интенсивностью звука.

Наряду с интенсивностью I нашла применение другая характеристика – акустическое давление - ∆p. Речь идет о дополнительном давлении, избыточном по отношению к атмосферному и обусловленном дополнительным видом движения молекул – их колебанием. Единица измерения акустического давления, как и любого другого – паскаль: 1 Па = 1 Н/м²; связан с миллиметром ртутного столба следующим образом: 1 мм рт. ст. = 133 Па.

Интенсивность звука и акустическое давление связаны между собой. Но тут есть одна тонкость: энергия от источника передается непрерывным потоком, а потому интенсивность звука I – величина постоянная, чего не скажешь об акустическом давлении, которое непрерывно меняется по гармоническому закону. Если иметь в виду эффективное давление ∆p_эф, соответствующее показаниям обычного инерционного измерителя давления, то

∆p_эф = ;

Здесь V – скорость звука; ρ₀ – плотность «неозвученной» среды.

Амплитудное значение акустического давления:

∆Р_max = ∆Р_эф

Возможности нашего слуха поразительны. На частоте 1000 Гц среднестатистический человек воспринимает звуки в диапазане интенсивностей от минимального значения I₀ = 10^-12 Вт/м² (порог слышимости) до порога болевого ощущения, для которого I = 10⁺¹ = 10 Вт/м². Эти значения интенсивности отличаются друг от друга в 10¹³ раз!

Для сравнения: в 10¹³ раз отличаются друг от друга значения масс m₁ = 0,01 мг и m₂ = 100 тонн. Универсальные весы, рассчитанные на такой диапазон, немыслимы. А вот наш слух и наше зрение – работают.

При работе с величинами, способными отличаться друг от друга на много порядков, целесообразно перейти от этих чисел к их логарифмам. Единица измерения интенсивности звука в логарифмической шкале называется белом (в честь Белла, изобретателя телефона). Но практически более удобной оказалась единица, в 10 раз меньшая – децибел. Интенсивность звука I, измеренная в Вт/м², и интенсивность Е, измеренная в децибелах, связаны следующим образом:

Е = 10 lg I/I₀ (1)

Логарифмировать можно лишь безразмерные величины, поэтому под знаком логарифма – не величина I, а дробь, в знаменателе которой – интенсивность I₀ звука на пороге слышимости. Для звука с частотой  = 1000 Гц она принята равной I₀ = 10^-12 Вт/м², что соответствует среднестатистической норме.

Приведем примеры использования децибельной шкалы. Если звук имеет интенсивность I = 10^-5 Вт/м², то в децибелах это будет:

E = 10 lg = 10 lg 10⁷ = 107 = 70 дБ

Если человек имеет повышенную остроту слуха и способен слышать звуки более тихие, чем среднестатистический порог слышимости I₀: например I = 10^-14 Вт/м², то в децибельной шкале такой сверхтихий звук имеет уровень интенсивности:

E = 10 lg = 10 lg 10^-2 = 10(-2) = -20 дБ

Порогу болевых ощущений соответствует уровень интенсивности 130 дБ.

Кстати, звуки, интенсивность которых превосходит 130 дБ, как звуки нами уже не воспринимаются.

Звуку I = I₀ соответствует уровень интенсивности Е = 0 дБ.

Приводим сведения об уровнях интенсивности звука в некоторых частных ситуациях:

Происхождение звука	Интенсивность
	Вт/м2	дБ
Принятый порог слышимости	10-12	0
Сердечные тоны через стетоскоп	10-11	10
Шепот	10-10 - 10-9	20 - 30
Разговор	10-8 - 10-6	40 - 60
Шум на оживленной улице	10-5	80
Шум в вагоне метро	10-3	90
Шум двигателя самолета, музыка на дискотеке	0,1 - 1	110 - 120
Порог болевого ощущения	10	130

3. Ухо

Когда звуковые колебания приходят к нам по воздушной среде, можно говорить о работе нашего органа слуха по каналу воздушной проводимости: наружное ухо – среднее ухо – внутреннее ухо.

Но когда мы произносим звуки, мы слышим собственную речь в основном по каналу костной проводимости; вклад звуковых колебаний, приходящих кружным путем через воздушную среду, почти нулевой. Канал костной проводимости таков: колебания стенок носоглотки – кости черепа – вход во внутреннее ухо.

Если мы, нырнув, что-то слышим под водой, то мы слышим по каналу костной проводимости; канал воздушной проводимости оказывается заблокированным.

Заметим, кстати, что мы слышим сами себя не совсем так, как нас слышат другие. В этом легко убедиться, записав разговор на магнитофон. При прослушивании записи голоса Ваших собеседников будут звучать как обычно, и только Ваш голос будет звучать «не так»: обнаружится, что Ваш голос звучит немножко выше, чем Вы привыкли считать. Это объясняется тем, что высокочастотные компоненты произносимых нами звуков возникают в основном на выходных участках голосового аппарата и передаются в механизм костной проводимости слабее, чем низкие частоты.

Говоря об остроте слуха, мы в обиходе имеем в виду возможности нашего канала воздушной проводимости звука.

Если этот канал работает безукоризненно, то можно быть уверенным, что и с каналом костной проводимости все в порядке. Однако такое благополучие бывает не всегда.

Потеря слуха по каналу воздушной проводимости не означает переход в категорию глухих: если кортиев орган внутреннего уха – в порядке, то выручит слуховой аппарат.

Рассмотрим цепочку преобразований звуковых колебаний по воздушному каналу.

Наружное ухо: ушная раковина, слуховой проход, барабанная перепонка.

Ушные раковины играют определенную роль, когда мы определяем, откуда исходит звук. Но многие животные используют ушные раковины гораздо эффективнее, чем мы.

По слуховому проходу звук передается на барабанную перепонку, вызывая ее вынужденные колебания. Как мы убедились, глубина этого прохода оказывает влияние на остроту нашего слуха.

Среднее ухо тоже заполнено воздухом; полость среднего уха сообщается с наружной атмосферой через евстахиеву трубу, выходящую в носоглотку. Однако передача звуковых колебаний в среднем ухе осуществляется не по воздуху, а через миниатюрную механическую систему косточек-рычагов: молоточек, наковальня, стремечко.

Дальше по ходу цепочки преобразований следует внутреннее ухо, заполненное жидкостью. Прямая передача звуковых колебаний из воздушной среды в жидкую была бы крайне неэффективной: на границе «воздух-жидкость» звук отразился бы на 99,9%, и лишь чуть больше 0,1% энергии колебаний передалось бы в жидкость.

Для эффективной работы органа слуха в целом, колебания барабанной перепонки необходимо не только передать в жидкость внутреннего уха, но и дополнительно усилить. Система косточек среднего уха – это механическая система рычагов, выполняющая функции усилителя колебаний.

В любой системе рычагов выполняется «золотое правило механики»: каков проигрыш в перемещении, таков выигрыш в силе. Следуя этому правилу, система косточек – рычагов среднего уха способна обеспечить 26-кратное повышение давления в жидкости среднего уха, в сравнении с тем акустическим давлением, которое действует на барабанную перепонку.

Вместе с тем, коэффициент усиления этой миниатюрной механической системы не является константой. Косточки среднего уха имеют совокупность связок, сухожилий и мышц. Сокращение этих мышц происходит рефлекторно в тех случаях, когда поступает звук чрезмерной интенсивности. Усилительный механизм косточек отказывается усиливать колебания, которые и без того слишком сильны. Такова защита внутреннего уха от акустических перегрузок.

Внутреннее ухо. С точки зрения слуха, во внутреннем ухе нас интересует кортиев орган и один из каналов лабиринта, ведущий к нему. В жидкости, заполняющей каналы внутреннего уха, устанавливаются колебания, пришедшие сюда как по воздушной, так и по костной системе звукопроведения. Кортиев орган преобразует эти колебания в электрические импульсы и отправляет их в центральную нервную систему на подсознательный и сознательный анализ.

Рецепторами акустических колебаний являются волосковые клетки кортиева органа. Эти клетки помещаются на базилярной мембране, а их волоски соприкасаются с покровной мембраной. Пространство между этими мембранами заполнено перилимфой.

Данная слоистая структура обеспечивает всю полноту наших ощущений в мире звуков. Каждому значению частоты акустических колебаний соответствует своя зона, свой участок структуры, в пределах которого имеет место резонансное усиление деформаций мембран и, как следствие, возбуждение волосковых клеток, расположенных на этом участке.

Таким образом, волосковые клетки различного расположения имеют различную специализацию по частоте колебаний, на которые они реагируют. Кортиев орган, благодаря особенностям строения, осуществляет спектральный анализ звуков. В диапазоне частот наибольшей остроты слуха мы способны различать значения частоты, отличающиеся на 0,3%