12. Основные физические свойства звука:

1. Высота.

Как Вы знаете, источником звучания инструмента является колебание струн, переходящее в колебание воздуха. Таким образом, толстые и длинные струны издают низкий (мягкий) звук, а вот тонкие и короткие - высокий. То есть получается, что звук будет выше, при меньшей массе музыкального тела.

При этом соотношение частоты колебания звуков между звуками отстоящих друг от друга на октаву равно 2 к 1. То есть Соль первой октавы имеет частоту 392 Гц, а второй октавы - в два раза больше - 784 Гц

Тут приведем таблицу звуков частот каждой из нот!!!

2. Громкость звука

Так же может называться динамикой и силой звука. Идиница измерения - децибелы (обозначается дБ). При этом если звук увеличивается в 2-а раза, это значит увеличение громкости звука на 10 дБ. Чрезмерная громкость звука вредна для человеческого здоровься, так вредный порог начинается с 90 дБ, а болезненный со 130 дБ, при этом звук более 180 дБ уже смертельно опасен.

Исли мы приведем таблицу громкости, то будет видно, что рок-концерты обладают весьма существенной динамикой.

Фортепьяно	60 дБ
Идущий поезд	100 дБ
Реактиыный самолёт	110 дБ
Артелирийский обстрел	130 дБ
Рок-концерт	110-120 дБ

От сюда видно, что рок-концерты находятся во вредном диапазоне звучания. Именно поэтому во многих странах действую ограничения на громкость звука. В принципе на концерты мы ходим не каждый день, поэтому организм успешно справляется с таким стрессом.

3. Тембр

Понятие тембра можно рассмотреть на примере певцов. Вспомните - каждый певец имеет неповторимое звучание своего голаса, а всё благодаря чему ? Благодаря уникальному строению своих голосовых связок и различных резонаторов внутренних органов (легкие, горло, зубы и так далее), которые добавляют к "основному" звучанию (к основному тону) различные призвуки. Именно голоса с одинаковой частотой звучат совершенно по-разному.

Так и у гитары (да и у любого струнного инструмента). Во время игры струны звучат не только целиком, но к их звучанию добаляются коллебания половины струны, четверти и так далее. Да, эти звуки называются обертонами. Об обертонах мы говорим в статье о Флажолетах в нашем самоучителе.

Ну и осталось сказать только о человеческом слухе. Слух делится на три типа - тембровый, звуковысотный, динамический. То есть некоторые люди воспринимают звуки по-разному. Одни люди больше обращают внимание на громкость звука, другие на его чувсвительность и интонацию. Одним из самых полезных для музыканта является - звуковысотный слух. Именно он позволяет улавливать различие между тонами (по сути слышать каждую ноту), тем самым помагая уловить эмоциональную окраску произведения.

Чем больше человек занимается музыкой, тем больше у него начинает развиваться музыкальный слух во всех его проявлениях.

14.Физика слуха

Ушная раковина у человека играет существенной роли для слуха. Она способствует определению локализации источника звука при его расположении в переднезаднем направлении. Звук от источника попадает в ушную раковину. В за­висимости от положения источника в вертикальной плоскости звуковые волны будут по-разному дифрагировать на уш­ной раковине из-за ее специфической формы. Это приведет и к из­менению спектрального состава звуковой волны, попадающей в слуховой проход.

Обладая двумя звукоприемниками (ушами), человек и живот­ные способны установить направление на источник звука и в гори­зонтальной плоскости (бинауральный эффект). 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.

Кроме фазового различия бинауральному эффекту способству­ет неодинаковость интенсивностей звука у разных ушей, а также и «акустическая тень» от головы для одного уха. Звуковая волна проходит через слуховой проход и частично от­ражается от барабанной перепонки. В результате интерференции падающей и отраженной волн может возникнуть акустический резонанс. В этом случае 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 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, при прямом переходе звуковой волны из воздуха в воду передается лишь 0,123% 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.

Еще одна из функций среднего уха — ослабление передачи ко­лебаний в случае звука большой интенсивности. Это осуществля­ется рефлекторным расслаблением мышц косточек среднего уха.

Среднее ухо соединяется с атмосферой через слуховую (евста­хиеву) трубу.

Наружное и среднее ухо относятся к звукопроводящей систе­ме. Звуковоспринимающей системой является внутреннее ухо.

Главной частью внутреннего уха является улитка, преобразую­щая механические колебания в электрический сигнал. Кроме улитки к внутреннему уху относится вестибулярный аппарат, который к слуховой функции отношения не имеет.

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 перилим-фы — сложные колебания основной мембра­ны — раздражение волосковых клеток (ре­цепторы кортиева органа) — генерация элек­трического сигнала.

Некоторые формы глухоты связаны с пора­жжение рецепторного аппарата улитки. В этом случае улитка не генерирует электрические сигналы при воздействии механических ко­лебаний. Можно помочь таким глухим, для этого необходимо имплантировать электроды в улитку и подавать на них 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. 6.12, здесь 1 — основной корпус, , 2 — заушина с микрофоном3 — вилка электрического разъема для подсоединения к имплантируе­мым электродам.

15.Ультразвук — упругие звуковые колебания высокой частоты. Человеческое ухо воспринимает распространяющиеся в среде упругие волны частотой приблизительно до 16-20 кГц; колебания с более высокой частотой представляют собой ультразвук (за пределом слышимости). Обычно ультразвуковым диапазоном считают полосу частот от 20 000 до миллиарда Гц. Звуковые колебания с более высокой частотой называют гиперзвуком. В жидкостях и твердых телах звуковые колебания могут достигать 1000 ГГц.

Диагностическое применение ультразвука в медицине (УЗИ)

Основная статья: Ультразвуковое исследование

Благодаря хорошему распространению ультразвука в мягких тканях человека, его относительной безвредности по сравнению с рентгеновскими лучами и простотой использования в сравнении с магнитно-резонансной томографией ультразвук широко применяется для визуализации состояния внутренних органов человека, особенно в брюшной полости и полости таза.

[править] Терапевтическое применение ультразвука в медицине

Помимо широкого использования в диагностических целях (см. Ультразвуковое исследование), ультразвук применяется в медицине как лечебное средство.

Ультразвук обладает действием:

противовоспалительным, рассасывающим

аналгезирующим, спазмолитическим

кавитационным усилением проницаемости кожи

Фонофорез — сочетанный метод, при котором на ткани действуют ультразвуком и вводимыми с его помощью лечебными веществами (как медикаментами, так и природного происхождения). Проведение веществ под действием ультразвука обусловлено повышением проницаемости эпидермиса и кожных желез, клеточных мембран и стенок сосудов для веществ небольшой молекулярной массы, особенно — ионов минералов бишофита. ^[1] Удобство ультрафонофореза медикаментов и природных веществ:

лечебное вещество при введении ультразвуком не разрушается

синергизм действия ультразвука и лечебного вещества

Показания к ультрафонофорезу бишофита: остеоартроз, остеохондроз, артриты, бурситы, эпикондилиты, пяточная шпора, состояния после травм опорно-двигательного аппарата; Невриты, нейропатии, радикулиты, невралгии, травмы нервов.

Наносится бишофит-гель и рабочей поверхностью излучателя проводится микро-массаж зоны воздействия. Методика лабильная, обычная для ультрафонофореза (при УФФ суставов, позвоночника интенсивность в области шейного отдела — 0,2-0,4 Вт/см2., в области грудного и поясничного отдела — 0,4-0,6 Вт/см2).

16.Инфразвук. Вибрация. Инфразвуком называют механические (упругие) волны с частотами, меньшими тех, которые воспринимает ухо че­ловека (< 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 об наруживать взрыв на большом удалении его от источника, по из­меренным инфразвуковым волнам прогнозировать цунами и т. д. Так как длина волны инфразвука больше, чем у слышимых зву­ков, то инфразвуковые волны сильнее дифрагируют и проникают в помещения, обходя преграды.

Инфразвук оказывает неблагоприятное влияние на функци­ональное состояние ряда систем организма: вызывает усталость, головную 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. § 5.5). Частоты собственных колебаний тела человека в положении лежа (3—4 Гц), стоя (5—12 Гц), частоты 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.

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;

амплитуды смещения, скорости и 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 .

Вибрации являются источником слышимых звуков, ультра­звуков и инфразвуков.

17. Вя́зкость (вну́треннее тре́ние) — одно из явлений переноса, свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. Механизм внутреннего трения в жидкостях и газах заключается в том, что хаотически движущиеся молекулы переносят импульс из одного слоя в другой, что приводит к выравниванию скоростей — это описывается введением силы трения.

Вязкость жидкостей

[править] Динамическая вязкость

Внутреннее трение жидкостей, как и газов, возникает при движении жидкости вследствие переноса импульса в направлении, перпендикулярном к направлению движения. Справедлив общий закон внутреннего трения — закон Ньютона:

Коэффициент вязкости η (динамическая вязкость) может быть получен на основе соображений о движениях молекул. Очевидно, что η будет тем меньше, чем меньше время t «оседлости» молекул. Эти соображения приводят к выражению для коэффициента вязкости, называемому уравнением Френкеля-Андраде:

η = Ce^{w / kT}

Иная формула, представляющая коэффициент вязкости, была предложена Бачинским. Как показано, коэффициент вязкости определяется межмолекулярными силами, зависящими от среднего расстояния между молекулами; последнее определяется молярным объёмом вещества V_M. Многочисленные эксперименты показали, что между молярным объёмом и коэффициентом вязкости существует соотношение

где с и b — константы. Это эмпирическое соотношение называется формулой Бачинского.

Динамическая вязкость жидкостей уменьшается с увеличением температуры, и растёт с увеличением давления.

[править] Кинематическая вязкость

В технике, в частности, при расчёте гидроприводов и в триботехнике, часто приходится иметь дело с величиной

и эта величина получила название кинематической вязкости. Здесь ρ, — плотность жидкости; η — динамическая вязкость (см. выше).

Кинематическая вязкость в старых источниках часто указана в сантистоксах (сСт). В систему СИ эта величина переводится следующим образом:

1 сСт = 1мм² / 1c = 10 ^{− 6} м² / c

[править] Ньютоновские и неньютоновские жидкости

Ньютоновскими называют жидкости, для которых вязкость не зависит от скорости деформации. В уравнении Навье — Стокса для ньютоновской жидкости имеет место аналогичный вышеприведённому закон вязкости (по сути, обобщение закона Ньютона, или закон Навье):

где σ_i,j — тензор вязких напряжений.

Среди неньютоновских жидкостей, по зависимости вязкости от скорости деформации различают псевдопластики и дилатантные жидкости. Моделью с ненулевым напряжением сдвига (действие вязкости подобно сухому трению) является модель Бингама. Если вязкость меняется с течением времени, жидкость называется тиксотропной. Для неньютоновских жидкостей методика измерения вязкости получает первостепенное значение.

С повышением температуры вязкость многих жидкостей падает. Это объясняется тем, что кинетическая энергия каждой молекулы возрастает быстрее, чем потенциальная энергия взаимодействия между ними. Поэтому все смазки всегда стараются охладить, иначе это грозит простой утечкой через узлы.

18. Уравнение или закон Пуазёйля (закон Хагена — Пуазёйля или закон Гагена — Пуазёйля) — закон, определяющий расход жидкости при установившемся течении вязкой несжимаемой жидкости в тонкой цилиндрической трубе круглого сечения.

Сформулирован впервые Готтхильфом Хагеном (нем. Gotthilf Hagen, иногда Гаген) в 1839 году и вскоре повторно выведен Ж. Л. Пуазёйлем (фр. J. L. Poiseuille) в 1840 году. Согласно закону, секундный объёмный расход жидкости пропорционален перепаду давления на единицу длины трубки (градиенту давления в трубе) и четвёртой степени радиуса (диаметра) трубы:

Q — расход жидкости в трубопроводе;

D — диаметр трубопровода;

Закон Пуазёйля работает только при ламинарном течении и при условии, что длина трубки превышает так называемую длину начального участка, необходимую для развития ламинарного течения в трубУравнение или закон Пуазёйля (закон Хагена — Пуазёйля или закон Гагена — Пуазёйля) — закон, определяющий расход жидкости при установившемся течении вязкой несжимаемой жидкости в тонкой цилиндрической трубе круглого сечения.

Сформулирован впервые Готтхильфом Хагеном (нем. Gotthilf Hagen, иногда Гаген) в 1839 году и вскоре повторно выведен Ж. Л. Пуазёйлем (фр. J. L. Poiseuille) в 1840 году. Согласно закону, секундный объёмный расход жидкости пропорционален перепаду давления на единицу длины трубки (градиенту давления в трубе) и четвёртой степени радиуса (диаметра) трубы:

Q — расход жидкости в трубопроводе;

D — диаметр трубопровода;

Закон Пуазёйля работает только при ламинарном течении и при условии, что длина трубки превышает так называемую длину начального участка, необходимую для развития ламинарного течения в трубке.

Закон Ампера

Одним из главных проявлений магнитного поля является его

силовое действие на движущиеся электрические заряды и токи

В результате обобщение многочисленных опытных данных

А.М.Ампером был установлен закон, определяющий это силовое

воздействие.

Приведем его в дифференциальной форме, что позволит вычислять силу, действующую на различные контуры с током, расположенные в магнитном поле.

Произведение Idi называют элементом тока. Сила, действующая со стороны магнитного поля на элемент тока,

Доделать!!!!!!!!!

Ультразвук и его применение в медицине.

Ультразвуком (УЗ) называют механические колебания и волны с частотами более 20 кГц. Верхним пределом ультразвуковых частот условно можно счи­тать 10⁹—10¹⁰ Гц. Этот предел определяется межмолекулярными расстояниями и поэтому зависит от агрегатного состояния веще­ства, в котором распространяется ультразвуковая волна Д.ля генерирования УЗ используются устройства, называемые УЗ-излучателями. Наибольшее распространение получили элек­тромеханические излучатели, основанные на явлении обратного пьезоэлектрического эффекта.. Основной частью такого излучателя является пластина или стержень / 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.. Если к электродам приложить переменное электрическое напряже­ние от генератора, то пластина благодаря обратному пьезоэффекту начнет вибрировать, излучая механическую волну соответствую­щей частоты.

Наибольший эффект излучения механической волны возникает при выполнении условия резонанса.

По физической природе УЗ, как и звук , является механической волной.

Однако длина волны УЗ существенно меньше длины звуко­вой волны.

Отражение УЗ на границе двух сред зависит от соотношения их волновых сопротивлений .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 наличия тонкого слоя воздуха между излучателем и биологическим объектом. Чтобы исключить воздуш­ный слой, поверхность УЗ-излучателя 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 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, 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.

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

К первому направлению относятся локационные методы с ис­пользованием главным образом импульсного излучения. Это эхо-энцефалография —определение опухолей и отека головного моз­га 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 Воздействие ультразвуком на пациента произво­дят с помощью специальной излучательной головки аппарата.

Обычно для терапевтических целей применяют ультразвук часто­той 800 кГц, средняя его интенсивность около 1 Вт/см² и меньше.

Первичными механизмами 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 (у льтразвуковой остеосинтез).

Губительное воздействие ультразвука на микроорганизмы ис­пользуется для стерилизации.

Интересно применение ультразвука для слепых. Благодаря ультразвуковой локации с помощью портативного прибора «Ори­ентир» можно обнаруживать 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

Распределения Максвелла и Больцмана.

1. Распределение Максвелла (распределение молекул газа по скоростям). В равновесном состоянии параметры газа (давле­ние ,объем и температура) остаются неизменными, однако микро­состояния — взаимное расположение молекул, их скорости — не­прерывно изменяются. Из-за огромного количества молекул прак­тически нельзя определить значения их скоростей в какой-либо момент, но возможно, считая скорость молекул непрерывной случайной величиной, указать распределение молекул по скоростям. Выделим отдельную молекулу. Хаотичность движения позволяет, например, для проекции скорости v_x молекулы принять нормальный закон распределения. В этом случае, как показал Дж. К. Максвелл, плотность вероятности записывается следующим образом:

т_{) — масса молекулы, Т — термодинамическая температура газа; K- постоянная Больцмана.

Отметим,что из (2.32) можно получить максвелловскую функ­цию распределения вероятностей абсолютных значений скорости {распределение Максвелла по скоростям):

График функции изображен на рисунке. Скорость, соответствующую максимуму кривой Максвелла, называют наивероятнейшей v_B. Ее можно определить, используя условие максимума функции:

откуда

Среднюю скорость молекулы (математическое ожидание) мож­но найти по общему правилу. Так как определяется среднее значение скорости, то пределы интегрирования берут от 0 до оо

где М = m_{0 ,}N_A — молярная масса газа, R = k N_A — универсальная газовая постоянная, N_A — число Авогадро.

При увеличении температуры максимум кривой Максвелла смещается в сторону больших скоростей и распределение молекул по v видоизменяется (Т₁ < Т₂).

Распределение Максвелла позволяет вычислить число моле­кул, скорости которых лежат в определенном интервале изменения v.

Распределение Максвелла можно рассматривать как распреде­ление молекул не только по скоростям, но и по кинетическим энергиям (так как эти понятия взаимосвязаны).

2. Распределение Вольцмана. Если молекулы находятся в ка­ком-либо внешнем силовом поле, например гравитационном поле Земли, то можно найти распределение по их потенциальным энергиям, т. е. установить концентрацию частиц, обладающих не­которым определенным значением потенциальной энергии.

Распределение частиц по потенциальным энергиям в си­ловых полях — гравитационном, электрическом и др. — называют распределением Больцмана.

Применительно к гравитационному полю это распределение может быть записано в виде зависимости концентрации п моле­кул от высоты h над уровнем Земли или от потенциальной энер­гии молекулы m_{0 ,}g h:

)

Выражение справедливо для частиц идеального газа. Графи­чески:

Такое распределение молекул в поле тяготения Земли можно ка­чественно, в рамках молекулярно-кинетических представлений, объяснить тем, что на молекулы оказывают влияние два противо­положных фактора: гравитационное поле, под действием которого все молекулы притягиваются к Земле, и молекулярно-хаотическое движение, стремящееся равномерно разбросать молекулы по всему возможному объему.

В заключение полезно заметить некоторое сходство экспонен­циальных членов в распределениях Максвелла и Больцмана:

В первом распределении в показателе степени отношение кинетической энергии молекулы к kT, во втором — отношение потен­циальной энергии к kT.