Проблемы влияния внешних факторов на слуховые характеристики человека

Влияние внешних факторов на основные характеристики
звука и слуховые характеристики человека
(проект с компьютерным сопровождением)
Михайлов Михаил Михайлович
Научный руководитель – учитель физики Шипуля Лидия Августовна
Средняя общеобразовательная школа №40, г. Томск
Томск, ул. Никитина, 24
С О Д Е Р Ж А Н И Е:
стр
3
3
3-4
4-5
5-8
8
9-10
10-11
11
12
12-14
14
14-15
15-16
Цель проекта
Акустика
Звук как средство передачи и восприятия
информации.
Скорость звука
Характеристики звука
Эффект Доплера
Орган слуха
Область слышимости звука
Ухо как спектральный прибор
Голосовой орган человека
Характеристики голоса человека
Проблемы влияния внешних факторов на слуховые
характеристики человека.
Заболевания, вызывающие нарушение слуха.
Опыт: «Определение чувствительности уха»
Цель проекта.
Я заинтересовался темой влияния различных внешних факторов на
слуховые характеристики человека. В своём проекте я попытался
раскрыть эту важную и интересную тему. Мой проект может быть
полезен людям, начинающим изучать акустику, так как содержит
основные ФИЗИЧЕСКИЕ данные и понятия.
Акустика.
Область физики, в которой изучают звуковые явления и их
взаимосвязь с другими явлениями физики, называют акустикой. Она
изучает волны с частотой от 1 до 1013 Гц. Физическая природа волн в
этом диапазоне едина, однако в зависимости от частоты им присущи
некоторые особенности. Например, при высоких частотах длина волн
столь мала, что становится сравнимой с размерами комплексов
молекул и даже крупных молекул. Поэтому такие короткие волны
особенно интенсивно взаимодействуют с веществом, в котором они
распространяются.
Для возникновения и распространения звуковых волн необходимо
прежде всего наличие источника звука и упругой среды: твёрдой,
жидко или газообразной.
Основными
разделами
акустики
являются:
общая
акустика
(занимается
теоретическим
и
экспериментальным
изучением
закономерностей
излучения,
распространения
и
приёма
упругих
колебаний в различных системах и средах), прикладная (чрезвычайно
обширная область акустики, к которой относится, прежде всего,
электроакустика, а также акустические измерения, архитектурная и
строительная
акустика)
и
психофизиологическая
(занимается
изучением звукоизлучающих и звукопринимающих органов человека и
животных).
Звук как средство восприятия и передачи информации.
Звуковые волны играют важную роль в жизни человека и других
существ, живущих на поверхности нашей планеты. Чем определяется
отданное
природой
звуку
предпочтение
перед
волнами
других
диапазонов? Несмотря на гораздо меньшую (на 5 порядков) скорость
распространения и способность быстро затухать в воздухе, звук как
средство восприятия и особенно передачи информации имеет ряд
преимуществ по сравнению со светом. Звук хорошо распространяется в
темноте, в тумане, в лесу, в горах, в воде, в земле, способен
преодолевать преграды, недоступные свету. Звуковые волны требуют
гораздо меньше энергетических затрат на излучение (оценка,
подтверждающая
это
положение,
приводится
в
задаче).
Ненаправленность звуковых волн вместе со способностью к дифракции
делает их незаменимым средством коммуникации при отсутствии прямой
видимости. Быстрое затухание не является при этом недостатком,
поскольку дальность распространения оказывается достаточной для
целей коммуникации. По сравнению с упругими волнами других
диапазонов звук имеет то преимущество, что его длины волн
соизмеримы с размерами тела человека и окружающих его предметов. А
известно, что «видеть» с помощью волн можно лишь тогда, когда
длина волны не превышает размеров исследуемого объекта.
Наша планета характеризуется чрезвычайным разнообразием и
изменчивостью акустического ландшафта. Одни звуки возникают в
результате взаимодействия различных сил природы (движения воды,
воздуха, атмосферного электричества), другие – как своеобразное
проявление жизнедеятельности живых существ. Для живых существ
звуковая картина мира является одним из важнейших источников
информации обо всём, что происходит вокруг. Охотники по треску
хрустнувшей ветки издалека узнавали о приближении врага или
добычи. Аборигены Австралии, прикладывая ухо к земле, получали
довольно точную информацию о передвижении в округе людей и
животных. А «язык» тамтамов задолго до изобретения радио и
телевидения играл роль средства массовой информации в джунглях
Тропической Африки.
В процессе эволюции у животных выработалась способность
воспринимать звуки как сигналы о процессах, происходящих в
окружающей среде, как средство ориентации и приспособления к её
изменениям, как необходимое условие жизнедеятельности. Слух и
артикуляционная деятельность играют в жизнедеятельность человека
второстепенную по сравнению со зрением роль. Однако одновременное
существование и слухового, и зрительного каналов восприятия у
живых существ значительно повышает надежность и точность передачи
и приёма информации об окружающей среде.
Скорость звука.
Мысль измерить скорость звука впервые пришла английскому
философу Фрэнсису Бэкону. По его совету этим занялся французский
учёный Марен Марсенн. В 1630 г. он провёл наблюдение над выстрелом
из мушкета. Расстояние между наблюдателем и мушкетом было поделено
на время, прошедшее между вспышкой от выстрела и долетевшим до
наблюдателя. Наёденная скорость звука составляла 448 м/с.
Спустя
полвека
Исаак
Ньютон
вычислил
скорость
звука
теоретически, исходя из упругих свойств звука и зависимости объема
газа от давления, зависимости, выраженной законом Бойля-Мариотта.
Он получил значение, в
два раза меньше значения из опыта
Марсенна.
В 1738 году французская Академия наук повторила измерение
скорости звука. Получили значение в 337 м/с.
В 1808 году французский учёный Пуассон выяснил, что закон
Бойля-Мариотта неприменим для описания распространения звука в
воздухе.
В 1822 году близ Парижа снова был проведёны опыты, в которых
приняли участие учёные: Гей-Люссак, Араго, Гумбольдт и другие. Они
выяснили, что скорость звука зависит от температуры. В сухом
воздухе при 0С она равна 331,5 м/с, а при 20С – 344 м/с.
Скорость звука в воздухе определяется по формуле:
c=p/
Это формула Лапласа.
Хотя в формулу и входит давление , скорость звука от давления
не зависит. При возрастании давления увеличивается и плотность
воздуха, а при убывании давления уменьшается плотность, поэтому
отношение p/ остаётся постоянным.
Формула Лапласа даёт значения скорости звука в воздухе, хорошо
согласующиеся с экспериментальными, например, для сухого воздуха
=1,40 и с=332 м/с при 0С.
Скорость звука зависит от температуры воздуха. Эту зависимость
легко установить, воспользовавшись формулой Менделеева-Клайперона:
pV=RT
где R – молярная газовая постоянная; Т – термодинамическая
температура; V - молярный объём. Подставив значение p в формулу
Лапласа, получим:
C =RT/(V)
Так как V= - молярная масса газа, то:
c=RT/
Из этой формулы следует, что при увеличении температуры на 1К
скорость звука в воздухе возрастает примерно на 0,5м/с. Скорость
звука зависит не только от температуры воздуха, но и от его
влажности. Например, для водяного пара =1,32. При комнатной
температуре и средней влажности скорость звука в воздухе равна 340
м/с.
Последние две формулы применимы не только для определения
скорости звука в воздухе, но и в любом газе или смеси газов.
Например, при 0С скорость звука в кислороде с=315 м/с, в
углекислом газе с=258 м/с, в водороде с=1263 м/с. Такое большое
значение скорости звука в водороде определяется его малой молярной
массой.
Характеристики звука.
Область звукового пространства, в которой распространяются
звуковые волны, называют звуковым полем.
При распространении синусоидальной звуковой волны и при
отсутствии поглощения в каждой точке звукового поля смещения
частиц среды и их скорости изменяются по гармоническому закону.
Кроме того, при прохождении волны в каждой точке звукового поля
возникает избыточное давление p, обусловленное деформацией среды.
В случаях звуковых волн его принято называть звуковым давлением.
Звуковая
волна
переносит
энергию
в
направлении
своего
распространения.
Величину,
равную
отношению
потока
звуковой
энергии
сквозь
поверхность,
перпендикулярную
направлению
распространения звука, к площади этой поверхности, называют
интенсивностью звука:
I=Ф/S
Так же интенсивность звука равна отношению квадрата амплитуды
звукового давления к удвоенному акустическому сопротивлению среды:
I=p02/(2pc)
Чтобы возникло ощущение звука, волны, распространяющиеся в
воздухе или другой упругой среде, достигшие уха человека, должны
иметь частоту от 16 до 20000 Гц. Кроме того, давление звука должно
превышать некоторую минимальную величину. Конечно, в каждой точке
среды давление непрерывно колеблется и поэтому, для характеристики
звука в акустике используют среднеквадратичное или эффективное
звуковое давление.
Pэф=<p2>
<p2>=1/TT0p2dt
Где <p2> - среднее значение квадрата звукового давления за
время, равное периоду Т его изменения. Если эффективное давление
звука меньше некоторой величины, называемой порогом слышимости, то
он ухом не воспринимается. Порог слышимости имеет наименьшее
значение порядка 2*10-5Па при частотах звука от 1,5 до 3 кГц. С
другой стороны, при большом значении эффективного давления звука
он перестаёт восприниматься ухом как звук, а вызывает лишь болевое
ощущение. Наибольшее значение эффективного давления звука, при
превышении которого в ушах возникает ощущение боли, называют
порогом болевого ощущения. Он в значительно меньшей степени, чем
порог слышимости, зависит от частоты звука. Максимальное значение
около 200 Па порог болевого ощущения достигает при частотах от 0,5
до 1 кГц.
Наибольший
по
эффективному
давлению
диапазон
слышимости
соответствует частоте около 1 кГц. Поэтому звук частотой 1 кГц
выбран в качестве эталона для сравнения с ним звуков других
частот. Порог слышимости с частотой 1 кГц, равный 2*10-5 Па,
называют стандартным порогом слышимости.
Эффективное звуковое давление и интенсивность звука являются
объективными характеристиками звука. В отличие от них громкость
звука – субъективная оценка силы слухового ощущения звука.
Громкость воспринимаемого ухом звука зависит не только от
эффективного звукового давления, частоты и длительности звука, но
и от чувствительности уха.
Оценку
громкости
определяют
по
измеренному
значению
эффективного звукового давления, как логарифм отношения давления
p, создаваемого данным звуком, к эффективному звуковому давлению,
соответствующему стандартному порогу слышимости p0:
Lp=lgp/p0.
Безразмерную величину Lp называют уровнем звукового давления и
выражают в белах.
Оценка громкости звука по уровню ощущения основывается на
психофизическом законе Вебера-Фехнера, по которому изменение силы
ощущения
пропорционально
логарифму
отношения
энергий
двух
сравниваемых ощущений. Исследования С.Н. Ржевкина показали, что
этот закон неудовлетворительно передаёт нарастание громкости, а
вблизи порога слышимости вообще теряет всякий смысл.
Звуки с одинаковыми интенсивностями, но разными частотами
создают неодинаковое ощущение громкости.
Кроме громкости в субъективном слуховом восприятии звука
человек способен различать ещё частоту и тембр звука.
Высота звука определяется его частотой. Чем больше частота,
тем выше звук. Ухо весьма чувствительно к изменениям частоты
простого звука (тона). Например, в области частот около 2 кГц
человек может различать два тона, которые отличаются друг от друга
по частоте на 3-6 Гц, а самый высокий – 4184 Гц.
Тембр
звука
определяется
его
гармоническим
спектром
и
характеризует специфический оттенок. Например, на слух можно легко
отличить звук рояля от звука скрипки тем, что оба инструмента дают
различные обертоны и поэтому гармонический спектр издаваемых ими
звуков различен. Для объективной оценки тембра звука его надо
разложить на гармонические составляющие, т.е. определить спектр
звука.
Гельмгольц, впервые производивший анализ
звуков, использовал для этого набор резонаторов
с воздушной полостью. Впоследствии они получили
название резонаторов Гельмгольца. Каждый из них
представляет собой тонкостенный металлический
шар с узким выходным отверстием, вставляющимся в
ухо.
С
противоположной
стороны
резонатора
находится более широкое отверстие, через которое
Рис 1
звуковые
волны
проникают
внутрь
объёма
резонатора. Собственная частота колебаний резонаторов зависит от
их объёма и приближённо может быть определена по формуле:
0c/2*d/V
где d-диаметр входного отверстия, V-объём полости резонатора,
c-скорость звука в воздухе. Входящие в состав сложного звука
простые тоны сильно возбуждают лишь те резонаторы, собственная
частота которых ближе всего к частоте данного тона. В настоящее
время
состав
звуков
исследуется
с
помощью
специальной
электроакустической аппаратуры.
Наличие
у
человека
парного
слухового
органа
создаёт
возможность устанавливать направление, в котором находится от него
источник звука, т.е. создаётся бинауральный (двуушный) эффект.
Положение источника звука по отношению к голове наблюдателя
определяется расстоянием и углами в горизонтальной и вертикальной
плоскостях. Человек способен довольно хорошо различать угол в
горизонтальной плоскости до 3. Угол в вертикальной плоскости и
расстояние определяются на слух весьма грубо.
Эффект Доплера.
Вы,
наверное,
замечали,
как
изменяется
звук
сирены
электропоезда, когда тот проносится мимо платформы, на которой вы
стоите. Когда поезд приближается, тон сирены высокий и тревожный;
когда же поезд пронесётся мимо, её звук резко меняется: становится
более низким, как бы успокаивающим. Сирена создаёт в воздухе
одинаковое количество колебаний и при приближении поезда, и при
его удалении, скажем 100 Гц. Но, приближаясь к вашему уху, она как
бы догоняет свой звук, а удаляясь, как бы увозит его с собой.
Скорость звука – 340 м/с, скорость поезда примем для простоты
расчёта в 34 м/с. Предположим, что сирена, приближаясь к вам,
гудит 1 секунду, за это время она возбудит 100 колебаний; если бы
поезд не двигался, вы бы услышали звук с частотой 100 гц. Но поезд
приближается. Допустим, что сирена начала гудеть за 340 метров до
платформы. Первое из её колебаний ваш слух уловит ровно через
секунду. Но она гудит-то всего 1 секунду, и за эту секунду поезд
промчится 34 м. Последнее колебание произойдёт в 306 м от вас и вы
его услышите через 306/304 сек, т.е. через 0,9 сек. Со времени,
когда вы услышали первое колебание, прошло всего 0,9 секунд, так
как сирена перестала гудеть, когда вы услышали её первое
колебание. Таким образом, все 100 колебаний вы восприняли за 0,9
сек, а частота услышанного вами звука стала 100/0,9 гц, т.е.
111гц. Повторив те же рассуждения для удаляющегося поезда, мы
найдём, что частота звука уменьшится до 91 гц.
Изменение частоты звука вследствие эффекта Доплера можно
подсчитать по формуле:
=0/(1u/)
Где u-скорость, с которой движется источник распространяемого
звука, -скорость звука в воздухе (340 м/с), 0-частота источника
звука, -слышимая частота. Знак «-» в знаменателе относится к
приближающемуся источнику звука, а «+» - к удаляющемуся.
Когда же тело движется со скоростью звука или даже быстрее,
сначала вы увидите сам объект, а потом услышите производимый им
шум.
Явление изменения частоты звука, воспринимаемого приёмником,
при движении приёмника или источника звука относительно среды, в
которой распространяется звук, называется эффектом Доплера.
Орган слуха.
Функцию улавливания звука принял на себя специальный орган –
орган слуха. Ухо – орган слуха человека – имеет сложное строение.
Оно состоит из наружного, среднего и внутреннего уха. К наружному
уху относятся ушная раковина и слуховой проход. Ушная раковина –
рупорообразная воронка, выполняющая две функции: улавливания и
концентрации звуковых волн и защиты. В последнее время узнали об
одном интересном свойстве ушной раковины: согласно представлениям
древней китайской медицины её можно рассматривать как перевёрнутое
изображение эмбриона человека в утробе матери. При этом на ушной
раковине можно обнаружить изображения (проекции) всех органов тела
человека, в связи с чем разработана методика лечения больных путём
иглоукалывания биологически активных точек на ушной раковине,
соответствующих проекции
Рис 2 больного органа. При этом был обнаружен
любопытный факт: активных точек на поверхности ушной раковины
оказалось 100, в то время как на всём теле человека их 700.
Объяснение этому факту может быть дано через установленные связи
точек на ушной раковине с определёнными центрами головного мозга.
Слуховой проход соединяет ушную
раковину со средним ухом, которое
представляет
собой
замкнутую
полость
объёмом
около
1
см3,
расположенную в толще височной кости
черепа
человека.
От
слухового
прохода
её
отделяет
барабанная
перепонка – тонкое, гибкое, но в то же время достаточно прочное
образование. Звуковые волны вызывают колебания этой туго, как кожа
барабана, натянутой перепонки. В то же время она служит
препятствием для попадания внутрь уха пылевых частиц, воды,
микроорганизмов. Находящаяся за барабанной перепонкой полость
содержит самые маленькие в организме человека косточки: молоточек,
наковаленку и стремечко. К этим косточкам присоединяются две самые
маленькие в организме человека мышцы: стремянная и мышца,
натягивающая барабанную перепонку.
Среднее ухо играет роль резонатора: звук, проходя его,
многократно усиливается (в целом в 40 раз). Это объясняется
действием двух физических законов: рычага и сохранения энергии.
Рычаг с выигрышем в силе в 2 раза создают косточки внутреннего
уха. Энергия звуковой волны, проходящей через систему внутреннего
уха, остаётся постоянной, но, поскольку выход из среднего уха (так
называемое овальное окно) имеет площадь, в 20 раз меньшую площади
барабанной перепонки, интенсивность звука на выходе в 20 раз
больше, чем на входе.
Внутреннее ухо состоит из евстахиевой трубы и лабиринта.
Евстахиева труба служит для выравнивания давления в барабанной
полости с наружным атмосферным. В нормальном состоянии она
находится в опавшем положении и открывается только при глотании.
Лабиринт
представляет
собой
большое
количество
запутанных,
извивающихся перепончатых канальцев, заполненных особого рода
жидкостью. В лабиринте различают три основные части: улитку,
полукружные канальцы и преддверие лабиринта. Улитка содержит
кортиев орган, непосредственно отвечающий за восприятие звука.
В целом человеческое ухо работает следующим образом. Звуковая
волна колеблет барабанную перепонку, эти колебания через маленькие
косточки передаются на вход в лабиринт. Стремечко, колеблющееся
взад и вперёд, действует как поршень и начинает раскачивать
жидкость в лабиринте. Эти колебания и воспринимаются рецепторами
кортиева органа.
Качества уха как звукоулавливающего
прибора – благодарная тема для обсуждения
на уроках физики. Как известно, звук
характеризуется частотой, интенсивностью и
спектральным
составом.
Но
физические
объективные качества звука, воздействуя на
акустический анализатор человека – ухо,
вызывают в нём физиологические ощущения
высоты, громкости и тембра звука.
Диапазон частот, воспринимаемых органом
слуха человека, составляет 16-20 000 Гц.
Сам факт выделения из достаточно большого
Рис 3
диапазона упругих волн в воздухе набора
частот, называемых звуковыми, связан со свойством слуха человека
воспринимать именно эти волны. Диаграмма, изображенная на рисунке,
позволяет сравнить границы восприятия звука человеком и другими
живыми существами.
Область слышимости звука.
Существуют
границы
и
для
интенсивности
воспринимаемых
ухом
звуков. Для того чтобы звуковая
волна
создавала
ощущение
звука,
необходимо,
чтобы
интенсивность
звука
превосходила
некоторое
значение,
называемое
порогом
слышимости.
Звук,
интенсивность
которого
ниже
порога
слышимости,
ухом не воспринимается, так как он
слишком слаб. С другой стороны, звук
Рис 4
очень большой интенсивности также не
воспринимается как звук, вызывая лишь ощущения боли и давления в
ухе. Максимальная интенсивность звука, при увеличении которой
возникает боль, называется порогом болевого ощущения. Значения
обоих порогов - слышимости и боли – разные в разных областях
частот. Человек лучше всего слышит звуки средних частот, особенно
в области 800 – 2000 Гц, хуже – крайние частоты диапазона ниже 50
Гц и выше 10000 Гц. Существует предположение, почему именно
средняя часть диапазона доступных человеку звуков воспринимается
им лучше всего. На эту часть приходятся частоты, соответствующие
голосам детей и женщин, чью просьбу о помощи человек должен
слышать с большого расстояния при любой интенсивности звука. Для
каждого человека область слышимости своя. Её можно установить при
помощи специальных исследований. Соответствующая лабораторная
работа позволяет установить эту границу каждому для себя.
Ухо как спектральный прибор.
А какова возможность уха как спектрального прибора?
Окружающие человека звуки редко представляют собой чистые
тоны, т.е. колебания одной частоты. Как правило, все звуки в
природе – сложные тоны и шумы. Сложные тоны образуются путём
наложения на основной тон добавочных тонов или обертонов с
частотами, кратными частоте основного тона. Звуки, состоящие из
смеси самых разных частот, в которых невозможно выделить основной
тон называются шумами.
Собственная
частота
колебаний
барабанной
перепонки
уха
человека равна приблизительно 1000 Гц. При воздействии на ухо
колебаний этой частоты наблюдается резонанс. Оказалось, что
большинство окружающих человека «приятных» звуков – шум леса,
дождя, моря и т.д. – определяется именно частотой в 1000 Гц.
Человечество обнаружило благоприятное, успокаивающее действие этих
звуков и стало использовать в лечебных целях.
По поводу природных шумов выяснилась одна очень интересная
деталь: характер многих природных периодических процессов очень
похож
на
частотные
характеристики
музыкальных
произведений.
Несколько лет назад американские астрофизики провели компьютерную
обработку некоторых волновых процессов, происходящих на Солнце, с
целью их трансформации в колебания звуковой частоты. В результате
была записана грампластинка под названием «Музыка Солнца». Судя по
записи, звучание Солнца напоминает величественную органную музыку
с её полифоническим богатством, её мощными басовыми аккордами,
великолепием
и
сочностью
созвучий.
Недавно
была
проведена
количественная обработка ряда параметров Цюрихского озера и озера
Лугано (Швейцария). Музыка озёр, как оказалось, звучит немного
таинственно, напоминая то рокот бури, то игру на органе, то звон
колоколов. В связи с этим возникает естественный вопрос: не
являются
ли
великие
музыканты
гениальными
интерпретаторами,
аранжировщиками подслушанной и понятой ими музыки Вселенной?
Ухо
обладает
способностями
спектрального
прибора:
оно
различает отдельные компоненты сложного звука (например, аккорда).
(Для сравнения упомянем, что орган зрения человека – глаз таким
свойством не обладает: он не раскладывает сложное колебание на
простые составляющие).
Ещё одним важным свойством нашего уха является его способность
определять направление на источник звука по разности времени
прихода звуковых волн в правое и левое ухо – это свойство уха
называется бинауральным эффектом. Для выживания животных и
человека важно не только, кто или что является источником звуковой
волны, но и где он находится. Пространственный слух, основанный на
бинауральном эффекте, позволяет решить эту задачу.
Голосовой орган человека.
Природа снабдила человека не только органом, улавливающим
звук, но и собственным источником звука.
Голосовой орган человека устроен достаточно сложно. Гортань, в
которой рождается звук, расположена в передней части шеи и
представляет собой перевёрнутую книзу усеченную пирамиду, верхнее
основание которой соответствует корню языка, а нижнее – трахее. В
разрезе гортань напоминает песочные часы. Самое узкое место
гортани, перешеек песочных часов, образовано голосовыми связками.
Жесткий хрящевой каркас гортани состоит из отдельных частей,
соединенных связками и способных изменять взаимное положение под
действием мышц. Изменение объёма и формы глотки – главного
резонатора системы голосового аппарата человека – объясняет
разнообразие
разновидностей
голосов,
открывает
возможности
совершенствования техники речи и пения. При выдохе воздух, проходя
через гортань, возбуждает колебания голосовых связок. Колебания
голосовых связок очень сложны: в частности, они колеблются не как
единое целое. В этом движении принимает участие большое (до 40
штук)
количество
отдельных
мышц:
дыхательных,
гортанных,
артикуляционных. Таким образом, воздушная струя, образующаяся во
время выдоха, служит лишь материалом, из которого генерируется
звук. Управляет работой голосовых мышц мозг, передавая необходимые
сигналы с частотой порядка 500 Гц.
Характеристики голоса человека.
Голос человека характеризуется многими параметрами, среди
которых тоновый (частотный) диапазон, громкость, окраска (тембр) и
т.д. В двух формах проявления человеческого голоса – пении и речи
– качества голоса проявляются несколько различно. Частотный
диапазон речи составляет всего лишь 1/10 от общего диапазона
голосовых частот. Обычно же голос человека включает в себя частоты
от 64 до 1300 Гц. Специальными вокальными упражнениями этот
диапазон можно расширить в основном за счёт повышения верхней
тоновой границы. Самый низкий тон, который может быть взят
человеческим голосом, - это «фа» контроктавы с частотой 43,2 Гц.
Самым высоким тоном является «фа» третьей октавы (1354 Гц) из
знаменитой арии царицы Ночи в «Волшебной флейте» В.А. Моцарта.
Однако, некоторые певицы сумели превзойти этот результат: им
оказались доступны частоты 2069 Гц и даже 2300 Гц.
Громкость (мощность) голоса человека меняется в широких
пределах в зависимости от ситуации. Например, в интимном разговоре
уровень интенсивности (звукового давления) равен примерно 30 дБ,
при вспышке гнева он возрастает до 60 дБ. В помещении уровень
интенсивности голоса оператора должен быть равен 55 дБ, а на
открытом воздухе 80 дБ. У певцов уровень интенсивности звука
составляет 3—110 дБ и даже 130 дБ на расстоянии 1 м от поющего.
Подобные значения интенсивности звука не могут быть достигнуты ни
одним музыкальным инструментом с вибрирующими частями.
Данные об уровне интенсивности звуков различных источников
приведены в таблице.
Звуковое давление и уровень интенсивности звука
в различных случаях.
Амплитуда звукового
давления, Па
2*103
Уровень интенсивности
звука,
дБ
160
2*102
140
?
120
2
?
100
75
?
70
2*10-2
2*10-4
2*10-5
60
20
0
Примерные условия,
соответствующие данным
таблицы
Механическое повреждение
барабанной перепонки
Реактивный самолет на
расстоянии 30 м
(болевое ощущение)
Рок-музыка в закрытом
помещении
Поезд метро
Шум в салоне автомобиля,
движущегося со скоростью
100 км/ч
Интенсивное уличное
движение
Нормальный разговор
Очень тихий шепот
Порог слышимости
Следующая важная характеристика голоса – его тембр, т.е. набор
спектральных линий, среди которых можно выделить пики, состоящие
из нескольких обертонов, - так называемые форманты. Именно
форманты определяют секрет индивидуального звучания голоса и
позволяют распознавать речевые звуки, так как у разных людей
форманты даже одного и того же звука отличаются по частоте, ширине
и интенсивности. Тембр голоса строго индивидуален, поскольку в
процессе звукообразования важную роль играет специфические для
каждого
индивидуума
резонаторные
полости
глотки,
носа,
околоносовых пазух и т.д. Неповторимость человеческого голоса
можно сравнить лишь с неповторимостью узора отпечатков пальцев. Во
многих
странах
мира
магнитофонная
запись
голоса
считается
неоспоримым юридическим документом, подделать который невозможно.
Спектры
голосов
певцов
отличаются
от
спектра
голоса
обычного человека: в них сильно
выражена
высокая
певческая
форманта,
т.е.
обертоны
с
частотами 2500-3000 Гц, придающие
голосу
звонкий
оттенок.
У
выдающихся певцов они составляют
в спектре 35 и более процентов
Рис 5
(рисунок 3, слева) в то
время как у опытных – 1530%, а у начинающих – 3-5%
(рисунок 3, справа).
Принято
выделять
три
разновидности голосов для
обоих полов. У мужчин –
бас,
баритон,
тенор;
у
женщин
–
альт,
меццоРис 6
сопрано
и
сопрано.
Это
разделение является в большей степени искусственным: оно не
учитывает большое количество «промежуточных» голосов, так как пока
нет объективного метода оценки качества голоса из-за безграничного
сочетания его свойств.
Проблемы влияния внешних факторов на слуховые
характеристики человека.
Акустическая травма – повреждение органа слуха, вызванное
действием звуков чрезвычайной силы. В результате акустической
травмы
во
внутреннем
ухе
возникают
болезненные
изменения,
приводящие к стойкому изменению слуха или даже глухоте. Наиболее
частый вид акустической травмы – шумовая травма, развивающаяся при
длительной работе в условиях шумного производства, например у
котельщиков, ткачей, испытателей моторов и т.д.
Профилактика акустической травмы: мероприятия, направленные на
снижение производственного шума.
К снижению слуховой чувствительности и даже полной утрате
слуха, особенно в подростковом возрасте, ведут постоянные шумовые
воздействия, и в том числе очень громкое исполнение музыки.
Резкое
снижение
слуха
было
отмечено
у
исполнителей
и
постоянных слушателей чрезмерно сильно звучащей музыки. Это
объясняется двумя причинами. Во-первых, барабанная перепонка
сначала сильно растягивается, а затем утрачивает эластичность, что
затрудняет восприятие слабых звуков. Во-вторых, слуховые рецепторы
и соответствующие центры переднего мозга перевозбуждаются.
У
человека
чувствительность
здорового
органа
слуха
восстанавливается спустя 10-15 с после прекращения сильного
звукового воздействия, а длительные шумы увеличивают этот период.
Особенно опасны они для школьников, когда психика ещё недостаточно
сформировалась
и
окрепла,
так
как
приводят
к
стойкому
перевозбуждению нервной системы, психическим заболеваниям и общему
ослаблению организма.
Защитить уши от повреждения сильной звуковой волной, например,
при взрывных работах, близком выстреле пушки, можно, открыв рот
перед взрывом. Давление воздуха в этом случае с обеих сторона
барабанной перепонки выравнивается через евстахиевы трубы.
Не рекомендуется излишне сильно кашлять, чихать, сморкаться:
можно повредить барабанные перепонки и органы внутреннего уха,
внести инфекцию.
Заболевания, вызывающие нарушение слуха.
Орган слуха состоит из двух систем, участвующих в проведении
звука по структурам наружного, среднего и внутреннего уха - это
звукопроводящий и звуковоспринимающий аппараты.
Заболевания, вызывающие нарушения слуха, также делятся на две
основные группы. К первой группе относятся заболевания, связанные
с нарушением проведения звука по звукопроводящим структурам: ушная
раковина, наружный слуховой проход, барабанная перепонка и цепь
слуховых
косточек.
Во
второй
группе
имеются
заболевания,
возникающие в результате нарушения функции рецепторного аппарата
улитки (спиральный орган) и проведения электрического импульса по
слуховому нерву до слуховой зоны коры головного мозга. К
заболеваниям звукопроводящего аппарата относят редко встречающиеся
наследственные недоразвития отдельных структур наружного, среднего
и
внутреннего
уха,
обусловленные
генетическими
факторами.
Значительно чаще встречаются воспалительные заболевания наружного
слухового прохода (наружные отиты, фурункулы, грибковые проявления
и др.), а также избыточное образование ушной серы (серные пробки),
затрудняющие
проведение
звука.
Но
самыми
частыми
и
распространенными заболеваниями являются острые и хронические
воспаления среднего уха.
Как
правило,
воспалительные
заболевания
сопровождаются
скоплением жидкости или гнойного отделяемого в барабанной полости
и, как следствие, нарушением подвижности слуховых косточек. К
числу редких заболеваний относят отосклероз, при котором основание
стремени,
находящееся
в
овальном
окне,
фиксируется
вновь
образованной
губчатой
костью,
теряет
способность
передавать
звуковые колебания на жидкие среды улитки. И, наконец, при
травматических поражениях черепа могут возникать механические
нарушения в цепи слуховых косточек.
К
заболеваниям
звуковоспринимающего
аппарата
относят
токсические поражения рецепторного аппарата плода в утробе матери
во
время
беременности
(инфекции,
злоупотребление
курением,
алкоголем, венерические заболевания и др.). В первый год жизни у
нормального ребенка могут возникнуть заболевания, которые нарушают
функцию рецепторного аппарата в результате возникновения детских
инфекций, цереброспинального менингита, лечения антибиотиками
ототоксического действия (стрептомицин, канамицин, мономицин и
др.) У таких людей возникает сенсоневральная тугоухость, глухота,
переходящая затем в глухонемоту - отсутствие слуха, приводящее к
нарушению речи. У взрослых людей поражение рецептора слухового
анализатора связано с воздействием на структуры внутреннего уха
большого количества неблагоприятных внешних и внутренних факторов:
акустические
травмы,
гриппозная
интоксикация,
ототоксическое
действие антибиотиков, остеохондроз, гипертония, атеросклероз,
опухоли,
сосудистые
нарушения
кровоснабжения
улитки
и
др.
Сосудистые
нарушения
кровоснабжения
улитки
наиболее
часто
отмечаются у людей старшего поколения и у долгожителей, которые
также проявляются в нарушении разборчивости слов и речи, и это
называется пресбиакузисом (старческая тугоухость).
Опыт: Определение чувствительности уха
Возьмите часы и медленно приближайте их к уху до момента,
когда станет слышно едва заметное тиканье. Найденное расстояние
измерьте в сантиметрах. Чем больше расстояние звучащего предмета
до уха, тем выше слуховая чувствительность и ниже слуховой порог.
Под слуховым порогом понимают силу раздражения, которое вызывает
едва заметное ощущение. При проведении этого опыта глаза должны
быть закрыты.
Продолжим опыт. Приблизьте часы к самому уху и медленно
отводите их до того момента, пока не прекратится звук. Снова
измерьте расстояние между звучащим предметом и ухом. Как правило,
оно будет больше, чем в первом случае. Это происходит оттого, что
нервная система настроилась на восприятие данного раздражителя.
Благодаря этому произошло повышение слуховой чувствительности.