проект по теме" Психоакустика. Влияние звука на человека"

Исследовательская работа по физике на тему:

Звук. Влияние звука на человека.

(Акустика и психоакустика. Влияние звука на человека)

Исследование выполнили

Ученицы 9 «А» класса МБОУ СОШ № 1

Кодрик Екатерина

Хабалова Виктория

г. Ардон 2012г

Содержание

Введение………………………………………………………………………….

Глава 1. Теоретическое исследование звука и его основных физических параметров.........................................................................

1.  Звук. Понятие о звуке……………………………………………………
2.  Физические параметры звука……………………………………………
3.  Влияние звуковых раздражителей на человека…..………………….

Выводы …………………………..………………………………………………

Глава 2. Практическое исследование звука с точки зрения психоакустики…………………………………………………………………

2.1 Акустика и психоакустика……………………………….………………

2.2 Механизм расшифровки звуковой информации человеком…….

2.3 ЭЭГ как способ регистрации влияния звука на мозг человека…….

Выводы …………………………………………………………………............

Заключение ……………………………………………………………………..

Литература …………………………………………………………………….

Приложение …………………………………………………………………….

Введение

Мир, окружающий нас, можно назвать миром звуков: голоса людей и музыка, шум ветра и машин, звуки природы.  Человек  с помощью слуха получает информацию об окружающем мире. Не меньшее значение звук имеет для животных.  Данное исследование  рассматривает влияние звука на мозговую активность человека.

Человек живет в мире звуков, этот мир неотъемлемая часть его жизни. В природе громкие звуки редки и шум относительно слаб и непродолжителен. Звук дает человеку необходимую информацию (помимо восприятия голоса) об окружающей обстановке, звук может предупредить об опасности (приближение автомобиля, об уровне звука человек может судить о скорости движения автомобиля), соответственно человек реагирует на слуховую информацию.

Звук так же влияет на эмоциональное состояние человека, журчание воды, пение птиц, журчание прибоя и так далее – успокаивает человека, эти звуки снимают стресс. Совсем по-другому действуют громкие звуки (для человека с древности громкий звук был сигналом опасности), они поражают слуховой аппарат, нервные центры, могут вызвать болевые ощущения и шок.

Глава 1. Теоретическое исследование звука и его основных физических параметров

1. Звук. Понятие о звуке

     Звук, в широком смысле — упругие волны, распространяющиеся в какой-либо упругой среде и создающие в ней механические колебания; в узком смысле — субъективное восприятие этих колебаний специальными органами чувств животных или человека. Звук — это объективно существующее в природе физическое явление, вызываемое механическими колебаниями какого-либо упругого тела (туго натянутой струны или мембраны, голосовых связок, металлической или деревянной пластины, воздушного столба, заполняющего корпус духовых инструментов и т.п.), в результате чего образуются звуковые волны, воспринимаемые ухом и преобразуемые в нем в нервные импульсы.

Как и любая волна, звук характеризуется амплитудой и спектром частот. Обычно человек слышит звуки, передаваемые по воздуху, в диапазоне частот от 16—20 Гц до 15—20 кГц. Звук ниже диапазона слышимости человека называют инфразвуком; выше: до 1 ГГц, — ультразвуком, от 1 ГГц — гиперзвуком. Среди слышимых звуков следует также  выделить фонетические, речевые звуки и фонемы (из которых состоит устная речь) и музыкальные звуки (из которых состоит музыка).

Звуковыми волнами называются периодически чередующиеся сгущения и разрешения в окружающей упругой — например воздушной (то есть газовой) — среде (звукопроводящими средами являются также жидкости и твердые тела), вне которой, как, скажем, в вакууме, звук возникнуть вообще не может. Звуковые волны, распространяющиеся в атмосфере от источника звука равномерно во все стороны (подобно радиоволнам), воспринимаются органами нашего слуха и при помощи определенных участков нервной системы передаются в головной мозг, где и осознаются как конкретные звуки; звук – физическое явление в виде распространения звуковых колебаний в воздухе или ощущения слушателя.

  Различают продольные и поперечные звуковые волны в зависимости от соотношения направления распространения волны и направления механических колебаний частиц среды распространения.

Звуковые волны могут служить примером колебательного процесса. Всякое колебание связано с нарушением равновесного состояния системы и выражается в отклонении ее характеристик от равновесных значений с последующим возвращением к исходному значению. Для звуковых колебаний такой характеристикой является давление в точке среды, а её отклонение — звуковым давлением.

     Звуком называются механические колебания упругой (твердой, жидкой или газообразной) среды, влекущие за собой возникновение в ней последовательно чередующихся участков сжатия и разряжения. Если произвести резкое смещение частиц упругой среды в одном месте, например, с помощью поршня, то в этом месте увеличится давление. Благодаря упругим связям частиц давление передается на соседние частицы, которые, в свою очередь, воздействуют на следующие. Таким образом, область повышенного давления как бы перемещается в упругой среде. За областью повышенного давления следует область пониженного давления. Если же производить непрерывные смещения частиц упругой среды с какой-то частотой, то образуется ряд чередующихся областей сжатия и разряжения, распространяющихся в среде в виде волны. Каждая частица упругой среды в этом случае будет совершать колебательные движения, смещаясь то в одну, то в другую сторону от первоначального положения.
      В жидких и газообразных средах, где отсутствуют значительные колебания плотности, акустические волны имеют продольный характер, то есть в них совпадают направления колебания частиц и перемещения волны. В твердых телах и плотных биотканях помимо продольных деформаций, возникают также и упругие деформации сдвига, обусловливающие возбуждение поперечных (сдвиговых) волн, в этом случае частицы совершают колебания перпендикулярно направлению распространения волны. Скорость распространения продольных волн значительно больше скорости распространения сдвиговых волн.

Графическое изображение звуковой волны:

λ - длина волны
А - амплитуда
Р - акустическое давление.

       Профиль акустической волны, как правило, имеет знакопеременный характер, причем давление считается положительным, если участок среды в данный момент времени испытывает сжатие, и отрицательный при разряжении.
      Если колебания могут быть выражены математически в виде функции, значение которой через равные промежутки времени повторяются, то они называются периодическими. Наименьший интервал времени повторения колебательного процесса соответствует периоду (Т). Величина, обратная периоду колебаний, называется частотой.

f = 1/T

      Она показывает число полных колебаний в секунду. Частота колебаний измеряется в герцах (Гц) или в более крупных кратных единицах - килогерцах (кГц) и мегагерцах (МГц).

    Частота колебаний связана с длиной волны (λ) соотношением:

λ = c/f

где с - скорость распространения звуковых волн (м/с).

      В соответствии с частотой, звуковые волны принято разделять на следующие диапазоны:
инфразвук - до 16 Гц
слышимый звук - 16 Гц - 20000 Гц
ультразвук - 20 кГц - 1000 МГц
гиперзвук - выше 109 Гц.

2.  Физические параметры звука

Физические параметры звуковой волны:

- частота,

- длина волны,

- период,

- амплитуда,

- интенсивность,

- скорость,

- вектор волны (направление).

Различают продольные и поперечные звуковые волны в зависимости от соотношения направления распространения волны и направления механических колебаний частиц среды распространения.

Поперечные волны, также известные как волны сечения, имеют дополнительную собственность поляризации.

По характеру колебательных движений звуки можно разделить на чистые тоны, сложные тоны и шумы. С чистыми тонами мы в природе практически не встречаемся.  Окружающие нас звуки, в основном, сложные. В них, помимо основного тона, имеется масса добавочных тонов. А звуки, состоящие из смеси тонов самых разных частот, в которых невозможно выделить основной тон, называются шумами.

          Звуковые особенности могут зависеть от типа звуковых волн (продольный против поперечной) так же как от особенностей физических свойств среды передачи.

         Важной физической характеристикой звуковых колебаний является амплитуда волны, или амплитуда смещения.

          Амплитудой волны называется максимальное смещение колеблющихся частиц среды от положения равновесия. Другими словами амплитуда — это модуль максимального отклонения тела от положения равновесия. Амплитуда звуковых волн и аудиосигналов обычно относится к амплитуде давления воздуха в волне, но иногда описывается как амплитуда смещения относительно равновесия (воздуха или диафрагмы говорящего). Её логарифм обычно измеряется в децибелах (дБ). Форма изменения амплитуды называется огибающей волной. Другое определение амплитуды: амплитуда — наибольшее значение, которое принимает какая-либо величина, изменяющаяся по гармоническому закону.

Максимальное значение сигнала — наибольшее мгновенное значение сигнала на протяжении заданного интервала времени

Минимальное значение сигнала — наименьшее мгновенное значение сигнала на протяжении заданного интервала времени

Размах сигнала — разность между максимальным и минимальным значениями сигнала на протяжении заданного интервала времени

Амплитуда называется постоянной, если её величина не зависит от времени и пространственного положения (в этом случае волна называется незатухающей).

Виды амплитуды:

- пиковая амплитуда (пик, peak amplitude, peak) — это отклонение от некоего среднего значения симметричных периодических волн (вроде синусоидальных, прямоугольных или пилообразных);

- пик-пик амплитуда, размах (пик-пик, peak-to-peak amplitude, pp) — это разница между положительным и отрицательным пиками;

- среднеквадратичная амплитуда (root mean square, RMS) — это квадратный корень среднего по времени значения квадрата отклонения графика от горизонтальной оси асимметричных волн (периодических импульсов в одном направлении; сложных волн, особенно для неповторяющихся сигналов вроде шума). Пиковая амплитуда в этом случае становится неочевидной и обычно не используется. Например, мощность, переносимая акустической или электромагнитной волной или электрическим сигналом, пропорциональна квадрату среднеквадратичной амплитуды (и в общем случае не пропорциональна квадрату пиковой амплитуды).      

Мощность звука при одной и той же частоте зависит от амплитуды колебания звучащего тела. Тело, совершающее колебания с большей амплитудой, будет вызывать более резкое изменение среды, и звук будет сильнее.  

Скорость, с которой частицы среды колеблются около среднего положения, называется колебательной.

Колебательные характеристики звука.

Колебательная скорость(U) определяется выражением:

U= wAcosw(t-x/c),

 где W=2pf – круговая частота

A – амплитуда смешения частиц среды

t - время

x – расстояние от колеблющейся частицы до источника колебаний

           c – скорость распространения колебаний в среде                                              

w(t-x/c) – фаза колебаний.

Колебательная скорость измеряется в м/с или см/с. В энергетическом отношении реальные колебательные системы характеризуются изменением энергии вследствие частичной её затраты на работу против сил трения и излучение в окружающее пространство. В упругой среде колебания постепенно затухают. Для характеристики затухающих колебаний(затухающие колебания — колебания, энергия которых уменьшается с течением времени. ) используются коэффициент затухания (S), логарифмический декремент (D) и добротность (Q).                                                                                  

Коэффициент затухания отражает быстроту убывания амплитуды с течением времени. Если обозначить время, в течение которого амплитуда уменьшается в е = 2,718 раза, через t, то:

S=1/t

Уменьшение амплитуды за один цикл характеризуется логарифмическим декрементом. Логарифмический декремент равен отношению периода колебаний ко времени затухания t:

Q=T/t

Если на колебательную систему с потерями действовать периодической силой, то возникают вынужденные колебания(вынужденные колебания — колебания, происходящие под воздействием внешних сил, меняющихся во времени), характер которых в той или иной мере повторяет изменения внешней силы. Частота вынужденных колебаний не зависит от параметров колебательной системы. Напротив, амплитуда зависит от массы, механического сопротивления и гибкости системы. Такое явление, когда амплитуда колебательной скорости достигает максимального значения, называется механическим резонансом. При этом частота вынужденных колебаний совпадает с частотой собственных незатухающих колебаний механической системы.

При частотах воздействия, значительно меньших резонансной, внешняя гармоническая сила уравновешивается практически только силой упругости. При частотах возбуждения, близких к резонансной, главную роль играют силы трения. При условии, когда частота внешнего воздействия значительно больше резонансной, поведение колебательной системы зависит от силы инерции или массы.                                                                                                                                                  Скорость звука скорость распространения упругих волн в               среде —   как продольных в газах, жидкостях и твердых телах, так и поперечных (сдвиговых) в твердой среде. Определяется упругостью и плотностью среды. Скорость звука в газах, жидкостях и изотропных твёрдых средах обычно величина постоянная для данного вещества, в монокристаллах зависит от направления распространения волны и при заданных внешних условиях обычно не зависит от частоты волны и её амплитуды. В тех случаях, когда это не выполняется и скорость звука зависит от частоты, говорят о дисперсии звука. Впервые измерена Уильямом Дерхамом.

Как правило, в газах скорость звука меньше, чем в жидкостях, а в жидкостях скорость звука меньше, чем в твёрдых телах, поэтому при сжижении газа скорость звука возрастает.

Генерация Звука                                                                                                

Обычно для генерации звука применяются колеблющиеся тела различной природы, вызывающие колебания окружающего воздуха. Примером такой генерации может служить использование голосовых связок, динамиков или камертона. Большинство музыкальных инструментов основано на том же принципе. Исключением являются духовые инструменты, в которых звук генерируется за счёт взаимодействия потока воздуха с неоднородностями в инструменте. Для создания когерентного звука применяются так называемые звуковые или фононные лазеры.

Громкость звука

Гро́мкость зву́ка — субъективное восприятие силы звука (абсолютная величина слухового ощущения). Громкость главным образом зависит от звукового давления, амплитуды и частоты звуковых колебаний. Также на громкость звука влияют его спектральный состав, локализация в пространстве, тембр, длительность воздействия звуковых колебаний и другие факторы.

Единицей абсолютной шкалы громкости является сон. Громкость в 1 сон — это громкость непрерывного чистого синусоидального тона частотой 1 кГц, создающего звуковое давление 2 мПа.

Уровень громкости звука — относительная величина. Она выражается в фонах и численно равна уровню звукового давления (в децибелах — дБ), создаваемого синусоидальным тоном частотой 1 кГц такой же громкости, как и измеряемый звук (равногромким данному звуку). Звук        Громкость, дБ:

Порог слышимости                    0

Тиканье наручных часов        10

Шепот                                   20

Звук настенных часов        30

Приглушенный разговор        40

Тихая улица                          50

Обычный разговор                 60

Шумная улица                          70

Опасный для здоровья уровень 75

Пневматический молоток              90

Кузнечный цех                                100

Громкая музыка                          110

Болевой порог                                   120

Сирена                                            130

Реактивный самолет                 150

Смертельный уровень                 180

Шумовое орудие                         200

Частота звука, который может воспринять ухо человека от 16 герц до 16000 герц. Колебания большей частоты называют ультразвуком, а меньшей частоты – инфразвуком. Причем восприятие тихих звуков у человека намного лучше чем громких, поэтому нормальный уровень звука (шума) считается 20-30 децибелов (уровень звукового давления), а допустимая величина 80 децибел. Звук уровнем в 130 децибел (дБ) может вызвать у человека болевые ощущения, а 150 дБ становиться непереносимым (смертельно опасен).

1.3 Влияние звуковых раздражителей на человека

Для живых организмов, в том числе и человека, звук является одним из воздействий окружающей среды.

В природе громкие звуки редки, шум относительно слаб и непродолжителен. Сочетание звуковых раздражителей дает животным и человеку время, необходимое для оценки их характера и формирования ответной реакции. Звуки и шумы большой мощности поражают слуховой аппарат и нервные центры, могут вызвать болевые ощущения и шок. Так действует шумовое загрязнение.

Шумы вызывают функциональные расстройства сердечно-сосудистой системы, оказывают вредное воздействие на зрительный и вестибулярный анализаторы, снижает рефлекторную деятельность, что часто становится причиной несчастных случаев и травм.

Уровень шума измеряется в единицах, выражающих степень звукового давления - децибелах. Это давление воспринимается не беспредельно. Уровень шума в 20-30 децибелов (дБ) практически безвреден для человека, это естественный шумовой фон. Что же касается громких звуков, то здесь допустимая граница составляет примерно 80 децибелов. Звук в 130 децибелов уже вызывает у человека болевое ощущение, а 150 становится для него непереносимым. Недаром в средние века существовала казнь "под колокол". Гул колокольного звона мучил и медленно убивал осужденного.

Очень высок уровень и промышленных шумов. На многих работах и шумных производствах он достигает 90-110 децибелов и более. Не намного тише и у нас дома, где появляются все новые источники шума - так называемая бытовая техника.

         Долгое время влияние шума на организм человека специально не изучалось, хотя уже в древности знали о его вреде и, например, в античных городах вводились правила ограничения шума.

         В настоящее время ученые во многих странах мира ведут различные исследования с целью выяснения влияния шума на здоровье человека. Их исследования показали, что шум наносит ощутимый вред здоровью человека, но и абсолютная тишина пугает и угнетает его. Так, сотрудники одного конструкторского бюро, имевшего прекрасную звукоизоляцию, уже через неделю стали жаловаться на невозможность работы в условиях гнетущей тишины. Они нервничали, теряли работоспособность. И, наоборот, ученые установили, что звуки определенной силы стимулируют процесс мышления, в особенности процесс счета.

Каждый человек воспринимает шум по-разному. Многое зависит от возраста, темперамента, состояния здоровья, окружающих условий.

Некоторые люди теряют слух даже после короткого воздействия шума сравнительно уменьшенной интенсивности.

         Постоянное воздействие сильного шума может не только отрицательно повлиять на слух, но и вызвать другие вредные последствия - звон в ушах, головокружение, головную боль, повышение усталости.

Очень шумная современная музыка также притупляет слух, вызывает нервные заболевания.

         Шум обладает аккумулятивным эффектов, то есть акустические раздражение, накапливаясь в организме, все сильнее угнетают нервную систему. Поэтому перед потерей слуха от воздействия шумов возникает функциональное расстройство центральной нервной системы. Особенно вредной влияние шум оказывает на нервно-психическую деятельность организма.

         Процесс нервно-психических заболеваний выше среди лиц, работающих в шумных условиях, нежели у лиц, работающих в нормальных звуковых условиях.

Как показали исследования, неслышимые звуки также могут оказать вредной воздействие на здоровье человека. Так, инфразвуки особое влияние оказывают на психическую сферу человека: ухудшается настроение, иногда появляется ощущение растерянности, тревоги, испуга, страха, а при высокой интенсивности – чувство слабости, как после сильного нервного потрясения.  

В настоящее время врачи говорят о шумовой болезни, развивающейся в результате воздействия шума с преимущественным поражением слуха и нервной системы.

Полезные звуки

В первую очередь, это, конечно, звуки природы: журчание ручья, пение птиц, звуки волн и дождя, песни дельфинов. Эти звуки позволяют отключиться от городской суеты и направить свой внутренний взор к собственным истокам – живой природе. Результат: снятие стресса, состояние покоя и релаксации, снижение артериального давления, улучшение самочувствия в целом, улучшение настроения. В Интернете звуки природы представлены в огромном количестве, например, неплохая коллекция здесь.

Классическая музыка пишется на высоких частотах, которые благоприятно воздействуют на сознание и организм человека. Произведения Моцарта активизируют процессы головного мозга, дают энергетическую подзарядку. Слушая Баха и Вивальди, вы обретете состояние гармонии, равновесия, и очень поможете своему сердцу: произведения этих композиторов имеют идеальный музыкальный ритм (60 ударов в минуту), который соответствует нормальному, здоровому биению сердца. Людям с сердечными заболеваниями рекомендуется также слушать Моцарта.

Народная и религиозная музыка, мантры, церковные песнопения, индийская классическая музыка, вальс – именно эти стили музыки гармонизируют работу мозга человека, выравнивают его энергетическое поле.

Написанные Бахом и Генделем произведения в стиле «барокко» улучшают память, помогают в изучении иностранных языков.

В настоящее время ученые во многих странах мира ведут различные исследования с целью выяснения влияния шума на здоровье человека. Их исследования показали, что шум наносит ощутимый вред здоровью человека, но и абсолютная тишина пугает и угнетает его. Так, сотрудники одного конструкторского бюро, имевшего прекрасную звукоизоляцию, уже через неделю стали жаловаться на невозможность работы в условиях гнетущей тишины. Они нервничали, теряли работоспособность. И, наоборот, ученые установили, что звуки определенной силы стимулируют процесс мышления, в особенности процесс счета.

Влияние шума на организм человека

Как уже говорилось ранее человек способен воспринимать звуки частотой от 16 до 20000 Гц различной силы и интенсивности от еле слышимых до болевых. В ухе человека находится около 25000 клеток, которые реагируют на звук. Всего человек различает 34 тысячи звуков различной частоты. Звуки частотой меньше 16-20 Гц называют инфразвуковыми, а частотой более 20000 Гц – ультразвуковыми.

Звук, а следовательно и шум имеет 2 характеристики:

1 – физическая (объективная)

2 – физиологическая (субъективная)

Физическая – колебательное движение среды характеризуется звуковым давлением. Наименьшая сила звука, которая воспринимается слуховым аппаратом человека, называется порогом слышимости данного звука при частоте колебаний 1000 Гц Па или I= 10-12 Вт / м2. Порогом слышимости называется минимальный уровень звукового давления на данной частоте, вызывающий слуховое ощущение.

Человеческое ухо реагирует не на абсолютный прирост силы звука, а на относительное изменение силы звука. Изменение интенсивности и звукового давления воспринимаемого звука огромно и составляет соответственно 1014 и 107 раз.

Оказывается, даже небольшой шум создает серьезную нагрузку на нервную систему человека, влияет на психическое здоровье. Не случайно одной из пыток, которые раньше использовали китайцы, было монотонное воздействие шума на протяжении долгого времени. Это может привести даже к полной потере рассудка. Если шум не настолько навязчив, сознание и организм адаптируются, мы можем даже не осознавать, что слышим шум, но это не значит, что он на нас не влияет. При этом звуки, которые производит сам человек, не оказывают на него негативного влияния, а посторонний шум может «наградить» различными заболеваниями.

Устойчивый постоянный шум оказывает меньшее влияние на организм человека, чем нерегулярно возникающий высокочастотный. Шум способствует быстрому наступлению у человека чувства усталости. Шум с уровнем интенсивности более 60 дБ тормозит нормальную пищеварительную деятельность желудка. При шуме 80-90 дБ число сокращений желудка в минуту уменьшается на 37%. Установлено, что при интенсивности шума более 60 дБ выделение слюны и отделение желудочного сока понижается на 44%. Временное, а иногда и постоянное повышение кровяного давления, повышенная раздражительность, понижение работоспособности, душевная депрессия и т.п. являются следствием действия шума.

   Неопределенные шумы, не доходящие до сознания, также вызывают истощение центральной нервной системы, в результате чего они могут служить причиной незаметных до поры нарушений в организме.

Следует учитывать:

Если один источник шума создает уровень звукового давления 90 дБ, а другой – 84 дБ, то их суммарный уровень не равен 174 дБ, а всего примерно 91 дБ (добавим к уровню 90 дБ – 1 дБ). Из этого следует, что для успешного снижения шума необходимо, в первую очередь, выявить и заглушить наиболее интенсивный источник шума, так как добавка шумов меньшей интенсивности незначительны.

При наличии множества примерно одинаковых источников шума устранение одного или двух из них, практически не снижает общего шума.

Последствия громкого звука на состояние и здоровье человека.

Помимо ухудшения слуха (до полной потери слуха), возможны боли в ушах, головные боли, длительные депрессивные состояния после посещения дискотек из-за шокового состояния вызванного громким звуком.

Звукотерапия

Для решения многих психологических проблем и лечения определенных органов, настраивания организм на исцеление, используется звукотерапия – прослушивание игры на определенных музыкальных инструментах:

Скрипка способствует самопознанию, развивает сострадание, лечит душевные раны.

Флейта снимает озлобленность и раздражительность, помогает излечиться от несчастной любви, очищает бронхи и всю дыхательную систему.

Арфа и струнные нормализует кровяное давление и работу сердца, помогает при истерии.

Пианино благотворно воздействует на почки и мочевой пузырь, щитовидную железу.

Саксофон активизирует сексуальную энергию, благоприятен для половой системы.

Звуки балалайки прекрасно исцеляют пищеварительную систему.

Аккордеон и баян активизируют работу органов брюшной полости.

Орган помогает привести в порядок мысли, гармонизирует потоки энергии в позвоночнике.

Кларнет улучшает кровообращение и избавляет от уныния.

Труба исцеляет радикулит, а цимбала – печень.

Барабан стимулирует кровеносную систему, восстанавливает нормальный ритм сердца.

Гитара, контрабас и виолончель лечат почки, благоприятно воздействуют на сердце и тонкую кишку.

2.1 Акустика и психоакустика. Влияние звука на человека

Звуковые волны (звук) — это упругие продольные волны, которые, воздействуя на слуховой аппарат человека, вызывают определенные (слуховые) ощущения.

Человеческое ухо воспринимает в виде звука упругие колебания, частота которых находится в пределах от 16 до 20000 Гц. Такие колебания называются акустическими.

Акустика — раздел физики, в котором рассматриваются свойства звуковых волн, закономерности их возбуждения, распространения и действия на встречные препятствия.

Аку́стика (от греч. ἀκούω (аку́о) — слышу) — наука о звуке, изучающая физическую природу звука и проблемы, связанные с его возникновением, распространением, восприятием и воздействием. Акустика с одной стороны является одним из направлений физики (механики), которая занимается проблемами создания и распространения механических колебаний; исследующих упругие колебания и волны от самых низких (условно от 0 Гц) до предельно высоких частот (1011 1013 Гц); с другой стороны, поскольку занимается и проблемами восприятия звука, тесно связана с психофизикой, музыкальной психологией и др.

     Вопросы, которыми занимается акустика, очень  разнообразны. Некоторые из них связаны со свойствами и особенностями нашего слуха.

     Предметом физиологической акустики и является сам орган слуха, его устройство и действие.

     Архитектурная акустика изучает распространение звука в помещениях, влияние на звук размеров и формы помещений, свойств материалов, покрывающих стены и потолки, и т.д.  При этом опять имеется в виду слуховое восприятие звука.

     Музыкальная акустика исследует музыкальные инструменты и условия их наилучшего звучания.

          В прикладной акустике изучение шумов проводится в связи с проблемой борьбы с их вредностью, для усовершенствования шумопеленгаторов в гидроакустике,  а также для повышения точности измерений в  аналоговых и цифровых устройствах обработки  информации. Продолжительные сильные шумы  (порядка  90 дБ и более) оказывают вредное действие на нервную  систему человека, шум морского прибоя или леса - успокаивающее.

Психоакустика

Психоакустика является составной частью психофизики, которая изучает воздействие всех внешних стимулов (света, звука, давления, химической энергии и др.) на сенсорные органы (зрение, обоняние, слух, осязание ), т. е. она пытается связать изменения в окружающем мире с изменениями в наших внутренних ощущениях и выразить эту связь количественно. Психоакустика занимается изучением воздействия всех видов звуков на сенсорные органы слуха (в том числе шумов, сигнальных звуков и др.); изучая музыкальные звуки, она входит как составная часть в музыкальную акустику.  

     Психоаку́стика — наука, изучающая психологические и физиологические особенности восприятия звука человеком.

Понимание психоакустических процессов дает возможность ученым и инженерам сконцентрировать свое внимание на слуховых возможностях, не учитывая менее значимые возможности других систем. Следует также отметить, что психоакустика изучает не только физиологические особенности восприятия звука, но и психологические аспекты этого восприятия.

Основные задачи психоакустики:

-  понять, как слуховая система расшифровывает звуковой образ;

-  установить основные соответствия между физическими стимулами и слуховыми ощущениями;

- выявить, какие именно параметры звукового сигнала являются наиболее значимыми для передачи семантической (смысловой) и эстетической (эмоциональной) информации.

 Чтобы лучше разобраться в этом вопросе, сначала необходимо ознакомиться с пределами восприятия звука человеком.

Считается, что ухо человека воспринимает звуки, которые находятся в частотном диапазоне от 20 до 20 000 Hz. На самом же деле большая часть взрослых не слышит звуков с частотой, превышающей 16 000-18 000 Hz.

Частоты ниже 20 Hz могут не ощущаться ухом, но они способны проявлять себя через органы осязания. Ухо человека начинает различать разницу в частоте звука, превышающую 2 Hz. Однако в некоторых случаях можно заметить и меньшую разницу.

Что касается громкости, то нижним порогом слышимости считается 0 dB, а вот значение верхнего зависит от того, при какой громкости начнет физически разрушаться ухо. На эту величину влияет длительность прослушивания.

Человеческое ухо может нормально реагировать на повышение громкости до 120 dB, если оно будет недолгим. В то же время длительное прослушивание звуков, громкость которых превышает 80 dB, может привести даже к потере слуха.

         Все вышесказанное относится к восприятию звука с участием барабанной перепонки, которая реагирует только на изменения давления. Однако существует и другой способ восприятия звука, в котором не участвует барабанная перепонка и называется он микроволновым слуховым эффектом.

В этом случае ткани вокруг ушной улитки чувствительны к модулированному излучению в микроволновом диапазоне от 1 до 300 GHz.

Человеческое ухо различает спектральный состав звуковой волны, не анализируя при этом ее фазу. Однако фазовая информация все же распознается человеком, и этим занимаются специальные отделы мозга, которые отвечают за обработку звука.

По разнице между фазами звуковых волн, которые пришли в правое и левое ухо, можно понять, откуда идет звук. Причем в этом деле наиболее важна именно информация о разнице фаз, а не данные об изменении громкости звука.

Теперь рассмотрим, что такое эффект слуховой маскировки. В некоторых ситуациях один звук может полностью скрывать другой. Примером может послужить скрытие звуком двигателя в салоне автомобиля звука речи пассажиров.

При слуховой маскировке звук с большей громкостью всегда вызывает снижение восприятия звука с меньшей. При этом, чем меньше разница АЧХ маскирующего и маскируемого звука, тем сильнее эффект маскировки.

Эффект слуховой маскировки изменяется в результате смещения маскируемого звука ниже или выше по величине частоты относительно маскирующего. Звук с более низкой частотой сильнее маскирует звук с высокой. Так же стоит отметить, что маскировка высокочастотным звуком низкочастотного звука невозможна.

Бывают случаи, когда человеческое ухо слышит низкочастотные звуки, которых в реальности не было. Объясняется это нелинейностью колебаний базилярной мембраны в ухе и возможностью появления в ней колебаний с разностной частотой между двумя с более высокой. Этот эффект называется фантомом.

Некоторые коммерческие звуковые системы используют эффект фантома для расширения области воспроизводимых низких частот в случаях, когда адекватное воспроизведение таких частот напрямую невозможно.

Неудивительно, что психоакустика активно применяется в технологиях сжатия звука с потерями, например в форматах  Mp3 или WMA, обеспечивающих высококачественную компрессию сигнала с потерей данных, которые практически не различимы на слух. Этому способствует использование психоакустических моделей слуха.

Акустика и психоакустика тесно взаимодействуют в области музыкального синтеза или обработки звука, ведь все заинтересованы в том, чтоб звук влиял на слушателей (другой вопрос в положительную или отрицательную сторону - это уже зависит от поставленных целей). В это взаимодействие включились многие музыканты, композиторы и звукоинженеры, тем кто создает записи с ощущением пространства и глубины.

2.2 Механизм расшифровки звуковой информации человеком

Звуковой сигнал любой природы может быть описан определенным набором физических характеристик: частота, интенсивность, длительность, временная структура, спектр и др.

         Им соответствуют определенные субъективные ощущения, возникающие при восприятии звуков слуховой системой: громкость, высота, тембр, биения, консонансы-диссонансы, маскировка, локализация-стереоэффект и т.п.

Слуховые ощущения связаны с физическими характеристиками неоднозначно и нелинейно, например, громкость зависит от интенсивности звука, от его частоты, от спектра и т.п.

Еще в прошлом веке был установлен закон Фехнера, подтвердивший, что эта связь нелинейна: "Ощущения пропорциональны отношению логарифмов стимула". Например, ощущения изменения громкости в первую очередь связаны с изменением логарифма интенсивности, высоты - с изменением логарифма частоты и т.д.

Всю звуковую информацию, которую человек получает из внешнего мира (она составляет примерно 25% от общей), он распознает с помощью слуховой системы и работы высших отделов мозга, переводит в мир своих ощущений, и принимает решения, как надо на нее реагировать.

Общий механизм передачи звука упрощенно может быть представлен следующим образом: звуковые волны проходят звуковой канал и возбуждают колебания барабанной перепонки. Эти колебания через систему косточек среднего уха передаются овальному окну, которое толкает жидкость в верхнем отделе улитки (лестнице преддверия), в ней возникает импульс давления, который заставляет жидкость переливаться из верхней половины в нижнюю через барабанную лестницу и геликотрему и оказывает давление на перепонку круглого окна, вызывая при этом его смещение в сторону, противоположную движению стремечка. Движение жидкости вызывает колебания базилярной мембраны (бегущая волна). Преобразование механических колебаний мембраны в дискретные электрические импульсы нервных волокон происходят в органе Корти. Когда базилярная мембрана вибрирует, реснички на волосковых клетках изгибаются, и это генерирует электрический потенциал, что вызывает поток электрических нервных импульсов, несущих всю необходимую информацию о поступившем звуковом сигнале в мозг для дальнейшей переработки и реагирования.

Высшие отделы слуховой системы (включая слуховые зоны коры), можно рассматривать как логический процессор, который выделяет (декодирует) полезные звуковые сигналы на фоне шумов, группирует их по определенным признакам, сравнивает с имеющимися в памяти образами, определяет их информационную ценность и принимает решение об ответных действиях.

Важнейшим свойством слуховой системы является возможность определения высоты звука. Это свойство имеет огромное значение для выделения и классификации звуков в окружающем звуковом пространстве, эта же способность слуховой системы лежит в основе восприятия интонационного аспекта музыки, то есть мелодии и гармонии.

Гештальт-психология (geschtalt, нем. - «образ») утверждает, что для разделения и распознавания различной звуковой информации, приходящей к слуховой системе от разных источников в одно и то же время (игра оркестра, разговор многих собеседников и др.) слуховая система использует некоторые общие принципы:

- сегрегация - разделение на звуковые потоки, т.е. субъективное выделение определенной группы звуковых источников, например, при музыкальной полифонии слух может отслеживать развитие мелодии у отдельных инструментов;

- подобие - звуки, похожие по тембру, группируются вместе и приписываются одному источнику, например, звуки речи с близкой высотой основного тона и похожим тембром определяются, как принадлежащие одному собеседнику;

- непрерывность - слуховая система может интерполировать звук из единого потока, например, если в речевой или музыкальный поток вставить короткий отрезок шума, слуховая система может не заметить его, звуковой поток будет продолжать восприниматься как непрерывный;

- «общая судьба» - звуки, которые стартуют и останавливаются, а также изменяются по амплитуде или частоте в определенных пределах синхронно, приписываются одному источнику.

Таким образом, мозг производит группировку поступившей звуковой информации как последовательную («горизонтальную»), определяя распределение по времени звуковых компонентов в рамках одного звукового потока, так и параллельную («вертикальную»), выделяя частотные компоненты, присутствующие и изменяющиеся одновременно. Память объединяет все эти процессы в результате слушания.

Когнитивные процессы, связанные с восприятием музыки имеют непосредственное отношение к таким факторам, как внимание, культурное знание, временная организация в восприятии. Происходит преобразование стимулов в потенциальные представления, которые являются не воспроизведением, но скорее абстракциями свойств стимулов. Мозг все время проводит сравнение поступившей звуковой информации с «записанными» в процессе обучения в памяти звуковыми образами. Сравнивая поступившие сочетания звуковых потоков с имеющимися образами, он или легко их идентифицирует, если они совпадают с этими образами, или, в случае неполного совпадения, приписывает им какие-то особые свойства (например, назначает виртуальную высоту тона, как в звучании колоколов).

Вертикальные и горизонтальные механизмы группировки могут находиться в сложном взаимодействии. Между «конкурирующими» звуковыми образами возможна борьба и взаимный перехват энергии, что часто приводит к изменению признаков высоты, громкости, тембра, характера и т.п. в процессе слухового восприятия.

Человеческий слух во многом подобен спектральному анализатору, то есть, ухо распознаёт спектральный состав звуковых волн без анализа фазы волны. В реальности фазовая информация распознаётся и очень важна для направленного восприятия звука, но эту функцию выполняют ответственные за обработку звука отделы головного мозга. Разница между фазами звуковых волн приходящих на правое и левое ухо позволяет определять направление на источник звука, причём информация о разности фаз имеет первостепенное значение, в отличие от изменения громкости звука воспринимаемого разными ушами. Эффект фильтрации передаточных функций головы играет в этом важную роль.

2.3 Электроэнцефалография как способ регистрации влияния звука на мозг человека (не доделано)

        Наш мозг генерирует электрические потенциалы. Клинические эксперименты показали, что эти потенциалы, или волны мозга, напрямую связаны с разными ментальными и эмоциональными состояниями. Стандартный способ измерения активности волн головного мозга - это электроэнцефалограмма.

Электроэнцефалография представляет собой метод графической регистрации электрической активности головного мозга с помощью прибора, который называется электроэнцефалографом.

В ней есть пять разных ступеней, начиная с дельты, низшего уровня, и до К-комплекса, высшего уровня.

Дельта - это частота 0,5-4,0 Hz, и она связана с глубоким сном, когда отсутствует осознание собственного "я". Однако некоторые люди с высокоразвитой нервной системой сообщали о состояниях глубокого покоя и расслабленного осознания "я" в диапазоне дельта. Как правило, это люди, развивающие свою нервную систему через такие практики, как йога, медитация и так далее.

Следующий уровень активности - это тета, частота 4-8 Hz. Тета связана с расслаблением и сном, сопровождаемым глубоким переживанием визуальных образов, например, сновидений, видений и т.д. Она также связана с некоторыми видами ускоренного обучения. Более того, диапазон тета также часто связывают с феноменом самоисцеления.

От тета мы поднимаемся к альфа, частоте, связанной с легким расслаблением. Диапазон альфа 8-14 Hz, и ее часто используют в методах ускоренного обучения, а также некоторых разновидностях техник селф-хелпа.

Бета - это то, что мы, как правило, называем бодрствованием, это частота 14-23 Hz. Более высокий уровень беты - 23-33 Hz, и она связана с состояниями повышенной ментальной активности. В диапазоне 33 Hz находится К-комплекс, как правило, возникающий короткими вспышками, и связанный с неожиданными озарениями, мгновенным пониманием каких-либо идей или переживаний.

Использование определенных состояний мозга позволяет улучшить внутреннюю активность, например обучение, самоисцеление, изучение измененных состояний сознания и т.д. Хотя измерение активности мозга крайне важно для понимания нейрофизиологии, собственно ментальные, эмоциональные и духовные переживания человека важны для нашего понимания взаимодействия мозга и разума.