Основы биоакустики. 
Биофизика звука

Акустика

Акустика — раздел физики, исследующий упругие колебания и волны от самых низких частот до предельно высоких (1012 — 1013 Гц).

В узком смысле под акустикой понимают учение о звуке, т. е. об упругих колебаниях и волнах в газах, жидкостях, твердых телах, воспринимаемых человеческим ухом (частоты от 16 до 20 000 Гц). Источник звука: колеблющиеся тела (струны, мембраны). Всякое звучащее тело колеблется. В музыкальных инструментах источником звука являются: колеблющиеся струны (скрипка, гитара, фортепиано), колебания мембраны (барабан), колебания пластин (ксилофон), колебания частей инструмента (колокол, гонг), колебания столба воздуха (флейта, труба, орган).

Слышимый звук

Слышимый звук — явление субъективного восприятия акустических волн человеком или животным.

Высота тона зависит от частоты звука. Комариный писк соответствует частоте порядка 10 Кгц, мычание быка — 50 Гц, бас — 80 Гц, колоратурное сопрано до 1400 Гц, рекордная высота женского голоса (при пении) 2,35 Кгц. Тембр звука определяется частотным составом, это особое качество звука, его звуковая окраска, характерная для каждого инструмента и голоса.

Энергетической характеристикой звука является интенсивность (см. колебания и волны).

Звуковым или акустическим давлением (Р) называют добавочное (избыточное) над средним давлением окружающей среды, например, над атмосферным, образующееся в участках сгущения в акустической волне. Для плоской волны интенсивность звука связана со звуковым давлением зависимостью:

(2),.

где — плотность среды (вещества);

— скорость распространения волны (звука);

— удельное волновое или акустическое сопротивление среды.

Например, едва переносимый человеком звук гудка локомотива создает избыточное давление в 90 Па.

По эмпирическому закону Вебера-Фехнера, прирост силы ощущения пропорционален логарифму отношения интенсивностей двух сравниваемых звуковых раздражений: lg (J J0), где L — громкость звука, К — коэффициент пропорциональности, J0 — порог слышимости.

Если увеличивать раздражение в геометрической прогрессии (т.е. в одинаковое число раз), то ощущение этого раздражения возрастает в арифметической прогрессии (т.е. на одинаковые величины).Максимальная интенсивность волн воспринимается субъективно как звук, равна приблизительно 10 Втм2 и вызывает болевые ощущения. Наименьшее значение интенсивности звука, вызывающее звуковое ощущение, называют порогом слышимости.

(J0 = 10−12 Втм2).

Шкала уровней интенсивности звука строится следующим образом: значение J0 принимают за начальный уровень шкалы, уровень любой другой интенсивности J выражают через десятичный логарифм отношения J к J0, т. е. принимается к = 1.

L = lgJ J0

Единицей уровня интенсивности является бел (Б), чаще используется единица в 10 раз меньшая — децибел (дБ). Порог слышимости 0 дБ.

Разговор нормальным голосом 60 дБ, болевой порог 130 дБ, разрыв барабанной перепонки при 160 дБ.

Для оценки субъективного восприятия звука введены понятия громкости (L) и уровня громкости (L), которые учитывают зависимость порога слышимости от частоты. Громкость — субъективная оценка звука, которая характеризует слуховое ощущение. Для двух звуковых волн с одинаковой частотой громкость измеряется в фонах.

Опыт показывает, что наблюдаемая частота зависит от скорости движения источника звука. Это явление получило название эффекта Доплера.

При отражении звука от движущегося тела наблюдателем воспринимается звук повышенной или пониженной частоты. Эта частота называется доплеровской (g).

Частота, регистрируемая наблюдателем, равна: = 0 ±g, где 0 — частота неподвижного источника.

По эффекту Доплера можно определять ряд параметров кровотока в сосудистой системе; скорость эритроцитов, скорость и направление кровотока, наличие эмболии и т. д.

5.7 Голосовой аппарат имеется не у всех представителей животного мира, и многие из них пользуются для создания звука органами, несущими другие функциональные нагрузки (крылья, ноги и т. п.). У млекопитающих основную роль в общении играют голосовые звуки, создаваемые гортанью, находящейся в верхней части трахеи и представляющей собой хрящевую трубку, открытую с обоих концов. Роль резонатора выполняют гортанные мешки, ротовая и носовая полости и даже легкие.

Шумом называют звук, отличающийся сложной, хаотической, неповторяющейся временной зависимостью (звуки от вибраций машин, аплодисменты, шорохи, скрипы, согласные звуки речи).

В биологической акустике шумом считают любые звуки, затрудняющие правильное восприятие звуковых сигналов, а также раздражающие нервную систему человека ли животных с соответствующими нарушениями нормальных физиологических функций их организма. Для нормальной жизнедеятельности шум не должен превышать определенного — 30 дБ, для большинства учреждений — не больше 55 дБ.

В связи с комплексной механизацией производственных процессов в животноводческих комплексах значительно возросли шумы по сравнению с естественными условиями. Это приводит у коров к нарушениям рубцового пищеварения, снижению лактации, нарушениям кровообращения, терморегуляции тела, поступлению рефлекса к принятию пищи. У свиноматок шумы (70−80 дБ) приводят к прекращению и даже полной потере лактации.

У кур интенсивные шумы (в 90−100 дБ) вызывают резко выраженные изменения в физиологическом состоянии, снижается их яйценоскость, живой вес.

Слабые шумы природного происхождения не только не вредны (например, шум тихого дождя), но даже благотворно влияют на состояние человека и животных.

Полное отсутствие шума тоже может привести к психическим расстройствам.

Колебание и волны, частоты которых лежат выше области восприятия человеческим ухом, называются ультразвуком. Для получения ультразвука используют механические и электрические генераторы. Для регистрации ультразвука применяют пьезоэлектрические преобразователи, в которых акустические колебания преобразуются в электрические.

Ультразвуковые волны по своей природе не отличаются от волн слышимого диапазона, и распространение ультразвука подчиняется законам, общим для всех акустических волн (законы отражения, преломления, рассеяния и т. д.) На границе воздух — ткань происходит практически полное отражение ультразвука. Некоторые животные, преимущественно ведущие ночной образ жизни, используют для эхолокации как звуки слышимого диапазона (козодои, стрижи — саланганы), так и ультразвук (летучие мыши и дельфины).

Акустические колебания с частотами ниже 16 Гц называются инфразвуком. Инфразвуки распространяются на очень большие расстояния. Обладая большой длиной волны, он огибает препятствия (деревья, здания), кроме того, он приводит в резонансные колебания твердые тела больших размеров (стены, дома, двери), которые сами становятся источниками инфразвука, от которого практически нет защиты. Генераторами незатухающих инфразвуковых волн служат устройства, подобные органным трубам или свисткам. Инфразвук не воспринимается человеческим ухом, т.к. вызываемые им колебания барабанной перепонки слишком медленные. Инфразвук оказывает отрицательное влияние на человека и животных: он вызывает недомогание, усталость, головные боли, нарушается координация движений и зрения, может вызвать также вынужденные колебания различных органов: печени и почек, и др. Под действием инфразвука резонансные колебания сердца могут привести к разрывам кровеносных сосудов. Инфразвук оказывает отрицательное воздействие на молокоотдачу и другие физиологические функции сельскохозяйственных животных.