ПриклАкустика-1_1

С.А.ЛУНЬОВА

ПРИКЛАДНА АКУСТИКА

Київ 2012

1

Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут»

Факультет електроніки Кафедра акустики та акустотехніки

Затверджено на засіданні кафедри протокол №6 від 14.12.2011 р.

Конспект лекцій

з курсу

«ПРИКЛАДНА АКУСТИКА»

для студентів напряму підготовки 6.050803 «Акустотехніка»

Автор Луньова Світлана Андріївна

Рекомендовано Вченою радою факультету електроніки

протокол № від «___»_______2012 р.

Відповідальний редактор: В.С.Дідковський Рецензенти: І.В.Сенченко,

М.О.Трохименко

Київ 2012

2

АНОТАЦІЯ

Матеріал рукопису відповідає лекційному курсу «Прикладна акустика», який викладається для студентів спеціальності «Акустичні засоби та системи». Конспект лекцій викладений у наступній послідовності: кредитний модуль «ПА-1» охоплює розділи 1 і 2; розділ 3 викладається в кредитному модулі «ПА-2».

В розділі 1 розглянуті основні закономірності слухового сприйняття людини. Розуміння слухових характеристик і взаємозв’язку між суб’єктивними і об’єктивними параметрами звуку необхідне для подальшого аналізу впливу приміщення на розбірливість мови і психоемоційне сприйняття музики.

Розділ 2 присвячений особливостям поширення звуку в приміщеннях і викладенню практично застосовних теорій архітектурної акустики. Розглянуті проблеми розповсюдження звуку в приміщеннях, розрахунок рівнів проникаючих шумів і методи підвищення звукоізоляції. Розділ також містить рекомендації з питань акустичного проектування, що стосуються вибору форми приміщення, пропорційності його розмірів, оформлення стелі і стін, встановлення розсіювачів звуку. Проаналізовані акустичні особливості приміщень в залежності від їх типу.

В розділі 3 викладаються питання теоретичної електроакустики і електроакустичної апаратури. Поряд з аналізом характеристик направленості груп випромінювачів та приймачів звуку, а також оцінкою ефективності перетворювачів, детально розглядаються конструкції і характеристики електродинамічного гучномовця та електродинамічних і електростатичних мікрофонів. Конспект лекцій призначений для студентів вищих закладів освіти за напрямом підготовки «Акустотехніка».

3

ЛЕКЦІЯ 1

Розділ 1. Психофізіологічна акустика

Психофізіологічна акустика вивчає акустичні особливості будови слухового і мовного апарату, а також, і головним чином, характеристики слухового сприйняття і мови. Для того, щоб вирішувати задачі електроакустики і архітектурної акустики по створенню оптимального звукового поля, необхідно розуміти, як ми сприймаємо звукові сигнали, тобто який зв'язок існує між фізичними характеристиками звуку і суб'єктивними характеристиками нашого сприйняття.

1.1. Слух

1.1.1. Історія розвитку отології, аудіології і слухопротезування

Роботи по дослідженню слуху стимулювалися, головним чином, необхідністю лікування слухових патологій. Витоки цих робіт – в працях учених Стародавньої Греції, Єгипту і Риму. Одна з якнайдавніших робіт, що дійшли до наших днів, - "Еберс папірус", написана групою єгипетських священиків 1600 років до нашої ери. Ця робота містить методи дослідження слуху і перелік ліків від глухоти. На вищому рівні дослідження продовжив Гіппократ (400 років до нашої ери), а потім Аристотель. Аристотель вперше описав трубку, що сполучає середнє вухо з носоглоткою.

Згодом цю трубку відкрив в XV столітті професор римського університету Євстахій, праці якого пролежали 100 років в невідомості

вбібліотеці Ватикану. Через 150 років трубку назвали євстахієвою.

УXIX столітті практично відома детальна будова вуха і відкриті слухові черепні нерви. Значний внесок в дослідження слухових нервів зробили англійський і французький лікарі Віліс і Дюверней. У СанктПетербурзі був виданий "Атлас органів слуху" професора Буяльського. В цей же час були опубліковані видатні роботи італійського анатома Корті і професора Юр’євського університету Рейснера, уточнюючі будову равлика.

Німецький фізик Гельмгольц ввів поняття "тембр звуку" і запропонував резонансну теорію сприйняття звуку.

4

УXX столітті для перевірки характеристик слуху почали будувати звуконепроникні камери. Одна з перших була споруджена в 1904 році в Утрехті, потім – в Ленінграді, за ініціативою Павлова.

Під час Другої Світової війни і відразу після були запропоновані нові тести для дослідження слуху. Багато з них використовується в сучасній медицині (тести Люшера, автоматичної аудіометрії Бекеші, реєстрації мікрофонних потенціалів Уївера і Брея).

Видатні учені післявоєнного періоду – Ундріц, Тємкін, Варданян, Коломойченко (його ім'ям названий Інститут отоларингології в Києві).

У1948 році на Міжнародному конгресі в Стокгольмі наука досліджень характеристик слуху – аудіологія виділилася з отології.

Паралельно дослідженням характеристик слуху і будови слухового апарату розроблялися і засоби слухопротезування.

Утварин – рухома вушна раковина, а людина приставляла долоню, щоб розчути тихі звуки. Також використовувалися роги і морські раковини, щоб фокусувати звук в зовнішньому слуховому проході.

Перші спеціально виготовлені великі слухові трубки застосовувалися не для туговухих, а для переговорів на великі відстані.

Протягом 300 років, починаючи з XVI століття, користувалися металевим стержнем в якості слухового пристрою для кісткового звуковідтворення. Це явище не могли тоді пояснити і в літературі називали казуїстикою.

Комерційне виробництво слухових трубок було засновано в Лондоні в 1800 році Рейном. Рейн також виготовив акустичний трон для короля Португалії. Трубки могли допомогти при незначній втраті слуху (15-25) дБ на частотах 500-2000 Гц.

У1875 році був створений електроакустичний слуховий апарат Бела (вугільний мікрофон, електромагнітний телефон і джерело живлення). З цього винаходу починається розвиток електроакустики. Модернізація першого слухового апарату була здійснена через 50 років Лейтером – телефон був замінений на мініатюрний.

Сучасні слухові апарати з програмним управлінням можуть допомогти людям з втратою слуху до 60 дБ (IV ступінь глухоти). В сучасному світі 6% населення страждає зміною слухової функції (2% страждають значною втратою слуху). Причиною тому є епідемії грипу, вживання антибіотиків, старіння, дія шумів і вібрацій.

5

1.1.2. Слуховий апарат людини

1.1.2.1. Будова вуха

Вухо знаходиться в скроневій кістці. Це одна з 32 кісток, утворюючих череп.

Слуховий апарат складається із зовнішнього, середнього і внутрішнього вуха.

Рис. 1.1

I – зовнішнє вухо:

1 – вушна раковина;

2– зовнішній слуховий прохід;

II – середнє вухо:

3– барабанна перетинка;

4– молоточок;

5– коваделко;

6– стремінце;

7– євстахієва труба;

8– півкруглі кільця;

6

III– внутрішнє вухо: 9 – равлик; 10 – овальне вікно;

11 – кругле вікно;

12 – слуховий нерв.

4, 5, 6 – слухові кісточки.

Вушна раковина служить для фокусування звукових сигналів, але на низьких частотах своїх функцій не виконує, оскільки мала в порівнянні з довжиною хвилі.

Слуховий прохід можна вважати каналом з жорсткими стінками завдовжки 2-2,5 см, з частотою резонансу приблизно 2400 Гц.

Барабанна перетинка – овальна мембрана з розмірами 1 на 0,85 см. Має вигляд конічної діафрагми, обернутої вістрям у бік внутрішнього вуха. Площа приблизно 80 мм. Мембрана – чотиришарова: тонка шкіра; два шари м'язів – окружні і радіальні; шар слизу.

Слухові кісточки – найменші кісточки в організмі, розмір – 3-4 мм. Молоточок прикріплений одним кінцем до барабанної перетинки, а другим – стикається з коваделком, яке за допомогою зв'язки сполучене зі стремінцем.

Основа стремінця закриває вхід в равлик – овальне вікно – отвір, затягнутий тонкою плівкою. Кругле вікно – додатковий отвір в основі равлика, також затягнутий плівкою.

Євстахієва труба сполучає порожнину середнього вуха з носоглоткою. При зміні атмосферного тиску повітря входить і виходить через євстахієву трубу, завдяки чому барабанна перетинка не реагує на повільні зміни статичного тиску. При різкій зміні тиску труба відкривається ширше в момент ковтання.

Півкруглі кільця виконують функції органу рівноваги. Закінчення слухового нерва знаходяться в равлику. Порожнини зовнішнього і середнього вуха заповнені повітрям.

Робота зовнішнього і середнього вуха:

При змінах зовнішнього тиску, що відбувається зі звуковою частотою, барабанна перетинка здійснює коливальні рухи, що передаються через систему слухових кісточок на основу стремінця, яке подібно до поршня проштовхує рідину в равлику, примушуючи її здійснювати рух вздовж равлика. Посилення коливань у вусі відбувається в результаті дії механізму важеля (системи слухових кісточок), приблизно в 1,5 рази; в результаті зменшення площі

7

овального вікна в порівнянні з площею барабанної перетинки, приблизно в 20 разів; а також в результаті зміни щільності середовища ( c повітря змінюється на c лімфатичної рідини). За різними

даними сумарне підсилення складає від 45 до 90 разів.

1.1.2.2.Внутрішнє вухо

Увнутрішньому вусі енергія механічних коливань перетворюється в електричну енергію нервових імпульсів. Равлик є трубкою завдовжки 32-37 мм, що звужується, загорнену подібно до равлика вгору на 2,5 оберти. В зв'язку з цим внутрішні порожнини равлика називаються сходами.

Будова равлика (розгорнутого)

Рис. 1.2

1 – серединні сходи – мембрана складної будови, що розділяє равлик на дві рівні частини;

2– переддверні сходи;

3– барабанні сходи;

4– овальне вікно;

5– кругле вікно;

6– гелікотрема – отвір, що сполучає переддверні і барабанні сходи.

8

Довжина серединних сходів приблизно 32 мм, ширина біля стремінця – 1/6 мм, біля гелікотреми – 0,5 мм.

Горизонтальний розріз розгорнутого равлика

наростання жорсткості мембрани

Рис. 1.3

Серединні сходи мають складну структуру. На їх основній мембрані розташований орган Корті, де знаходяться нервові волоскові клітини.

Розглянемо поперечний розріз равлика:

Рис. 1.4

1 – основна або базилярна мембрана;

2 – орган Корті;

3 – покривна мембрана;

4 – мембрана Рейснера;

5– перегородка равлика;

6– слуховий нерв;

7– кісткова пластинка.

9

Орган Корті має 1 ряд внутрішніх волоскових клітин (ВВК) і 3 ряди зовнішніх волоскових клітин (ЗВК). У кожному ряду приблизно 3500 чутливих кліток. Відстань між ними близько 9 мкм.

Волоскові клітини пов'язані з корою головного мозку слуховими нервами.

Волокна слухового нерва проходять через так звані завиткові перфорації в кістковій пластині.

Покривна мембрана одним краєм сполучена з перегородкою равлика, а іншим – вільно прилягає до кортієвого органу.

Мембрана Рейснера – дуже тонка мембрана, що обмежує серединні сходи.

Сходи переддверні і барабанні сходи заповнені перилімфою (висока концентрація іонів Na і низька K , як в спинномозковій рідині і в сироватці крові).

Серединні сходи заповнені ендолімфою (висока концентрація іонів K і низька Na ). Ендолімфа – єдина рідина в організмі, багата

калієм. Високий рівень K негативно впливає на функції волоскових клітин. Тому канал кортієвого органу заповнений кортилімфою

(високий вміст іонів Na ).

10