ЗАКОН ВЕБЕРА-ФЕХНЕРА И ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗВУКА, ШУМА

Человек воспринимает звук посредством органов слуха, костей черепа и при особенно интенсивном звуке – всем телом.

Орган слуха – слуховой анализатор, т. е. это собственно ухо и следующие за ним орга-ны обработки сигнала на пути к мозгу позволяют человеку воспринимать звук в широкой области изменения частот и интенсивности, различать по силе высоте тона и окраске, уз-навать направление его излучения. Чувствительность этого органа превосходит во многих отношениях свойства лучшей продукции современной электроакустической техники. По-рог слышимости человека лежит настолько низко, что даже его незначительное снижение вышло бы за рамки рационального, т. к. привело к восприятию шумов, сопровождающих процесс пищеварения и кровообращения, сотрясения при ходьбе, шума ветра.

Область слышимости звуков ограничивается не только определенными частотами, а диапазон, воспринимаемый человеческим ухом, превышает 10 октав, но и определенными значениями звукового давления носящего названия динамического диапазона. Верхняя граница слышимого диапазона частот с увеличением возраста человека значительно пони-жается. Динамический диапазон восприятия ограничен нижним пределом – порогом слу-ховой чувствительности (порог слышимости) и верхним пределом – порогом болевого ощущения. Порог слуховой чувствительности меняется в зависимости от частоты звука и условий, при которых воспринимается звук. Например, имеем два тона одинаковой часто-ты, но с разной интенсивностью. По субъективному восприятию они оцениваются как раз-ные тона. При одинаковой интенсивности – как равно громкие. Любые суждения о одина-ковой громкости двух звуковых сигналов основываются на способности равным образом воспринимать и сравнивать ощущения.

В 19 веке немецкий ученый Э. Г. Вебером исследуя природу человеческих ощущений различия между двумя одинаковыми предметами, явлениями определил, что ощущение различия, а именно, начальное или едва заметное различия между двумя ощущениями, в меньшей степени зависит от разности обоих ощущений, а в большей мере зависит от отношения разности ощущений к исходной величине ощущения (стандартное ощущение). Вебер установил, что отношение едва заметного различия к исходной величине ощуще-ния является постоянной величиной (константа Вебера).

К = S_i – S₀ ∕ S₀ = ∆S ∕ S₀ = const,(2)

где S₀ –исходная величина ощущения (стандартное ощущение);

S_i –величина последующего ощущения;

∆S –разность ощущений.

В начале 20 века немецкий ученый Фехнер попытался математически однозначно оп-ределить функцию зависимости величины ощущения от абсолютной интенсивности ощу-щения. При этом были использованы следующие допущения:

за единицу ощущения принимается различие в ощущении по Веберу;

единицы различаются как равно интервальные (эквивалентные);

за нуль шкалы отсчета принят абсолютный порог ощущения.

Исследования показали, что с постоянным равномерным ростом интенсивности ощу-щения их физическая величина логарифмически прогрессирует. С учетом константы Ве-бера Фехнер сформулировал, что величина ощущения определяется как

I₀ = K log I_P, (3)

где I₀– интенсивность человеческого ощущения;

I_P – интенсивность раздражения;

К – постоянная Вебера.

Звуковой диапазон, который воспринимается человеком между абсолютным нижним и верхним (болевым) слуховыми порогами составляет 2∙10^-5÷2∙10² Па, т. е. звуковое давле-ние при абсолютно нижнем слуховом пороге соответствует десятимиллионной части боле-вого порога. Применение такой измерительной шкалы неудобно, но ее можно представить в логарифмическом виде: 2∙lg 10^-5÷2∙ lg 10² Па, т. е. имеется шкала с равнозначными еди-ницами. Такая запись показывает, что звуковое давление растет не с равным увеличением, а удесятеряется от единице к единице. Как можно по этой шкале учитывать интенсив-ность звука? Следуя Фехнеру принимаются следующие допущения:

звуковое давление нижнего порога слуха при частоте 1000 Гц – p₀ является началом новой измерительной шкалы;

всякий раз образуются отношение двойной интенсивности звука (единица измерения бел) и нижней порог слуха всегда постоянная величина интенсивности такого отношения – Бел = p / p₀.

С учетом исследований Вебера-Фехнера полученное выражение можно записать в ви-де силы звука (интенсивности)

L = 2 lg (р / р₀).(4)

В физической акустике такая запись представляет уровень звукового давления или уровень интенсивности звука. Для большей дифференциации ее переводят посредством образования десятичных единиц в так называемую шкалу децибел, дБ, и зависимость (4) в окончательном виде

L = 20 lg (p / p₀).(5)

Шкала децибел является физической (объективной) шкалой, которая в какой-то мере по исследованиям Фехнера соответствует законам слухового восприятия человеком. Шка-ла имеет нуль при пороге слышимости, болевой порог лежит в пределах 140 дБ. Объек-тивная оценка необходима при измерениях шума, определении воздействия шума на чело-века и расчете средств защиты от действия шума. Шкала децибел не применима для оцен-ки громкости звука, т. к. громкость является субъективной оценкой звука.

Громкость звука. Субъективное восприятие громкости звука или шума человечески ухом зависит не только от уровня звукового давления (L, дБ), но и от спектрального соста-ва, иными словами существует частотная зависимость (частотная коррекция) чувствитель-ности восприятия слухового аппарата человека. Эту зависимость используют при измере-нии акустических величин, например, звукового давления. Два звука, имеющие одинако-вый уровень звукового давления, но разную частоту (например, 200 и 1000 Гц), расцени-ваются ухом как разные по громкости. Первый будет казаться значительно слабее (тише), чем второй, т. к. ухо менее чувствительно к восприятию низких частот. Следовательно, по величине уровня звукового давления, являющегося физической характеристикой звука, нельзя судить о громкости восприятия ухом. Для возможности приближенной сравнитель-ной оценки громкости восприятия введено понятие уровня громкости звука, единица измерения которого фон (безразмерная величина).

В физиологической акустике для количественной оценки уровня громкости применя-ется метод субъективного сравнения данного измеряемого звука с эталонным звуком час-тоты 1000 Гц, уровень которого может изменяться в ту или иную сторону до тех пор, пока оба звука (измеряемый и эталонный) не будут ощущаться равногромкими. Таким образом, уровнем громкости данного звука или шума называется уровень звукового давления рав-ногромкого с ним на слух звука с частотой 1000 Гц. Например, уровень звукового давле-ния эталонного тона с частотой 1000 Гц равногромкого с измеряемым составляет 60 дБ, то уровень громкости измеряемого звука равен 60 фон.

Шкала уровней громкости установлена следующим образом: за 0 фон принят уровень громкости эталонного тона частоты 1000 Гц, средние квадратическое звуковое давление которого равно пороговому давлению р₀ = 2∙10^-5 н/м². Уровни громкости эталонного тона частоты 1000 Гц – L_S, имеющего звуковое давление р, определяются соотношением, фон:

L_S = 20 lg (р / р₀). (6)

Таким образом, 1 фон есть уровень громкости звука (L_s), для которого УЗД (L) равно-громкого с ним звука частоты 1000 Гц равен 1 дБ.

Высота звука – элемент слухового восприятия, связанный с частотой звуковых коле-баний. Частота является основной качественной характеристикой звукового процесса, т. к. при постепенном изменении частоты простого тона ухо человека отмечает определенное характерное изменение качества звука. Высота звука может быть определена, как качество звукового восприятия, которое позволяет расположить звуки по частотной шкале, идущей от низкого в высокому звуку. Важнейшим свойством восприятия высоты звука ухом чело-века является изменение частоты тона в одинаковом отношении, т. е. при одинаковом при-росте логарифма частоты получается ощущение одинакового изменения высоты. При уд-воении частоты высота тона изменяется на одинаковую величину, независимую от того, изменяется ли частота от 50 до 100 Гц, от 200 до 400 Гц или от 2000 до 4000 Гц. Следова-тельно, постоянное отношение крайних частот соответствующих звуков во всем частот-ном диапазоне, является интервал высоты. Например, интервал, ограниченный частотами 200 и 500 Гц, равен интервалу с граничными частотами 100 и 250 Гц. Простейшие интер-валы воспринимаются и распознаются независимо от частоты входящих в них тонов. Для измерения интервала высоты звука применяется ряд единиц, построенных по логарифми-ческому принципу. В музыке основным является интервал, ограниченный частотами, от-ношение которых равно 2 – октава.

Ухо человека способно различать небольшую разницу в частотах звука. Для количест-венного выражения этой способности был определен минимальный прирост по частоте, который различается ухом. Минимальный прирост чувствительности к первоначальной частоте звука был назван разностным или дифференцированным порогом частоты. Эти пороги (наименьшие в диапазоне частот 500÷5000 Гц) равны 0,003. Это значит, что изме-нение частоты звука всего на 3 Гц при тоне 1000 Гц уже распознаются ухом как другая частота.

Высота определяется главным образом частотой звука, но зависит также от его силы и состава сложного звука. Единицей (субъективной) измерения высоты звука является мел.

Тембр звука – это качественная характеристика окраски звука. Даже звуки одинако-вой высоты могут отличаться друг от друга тембром. Тембр звука зависит от относитель-ной интенсивности дополнительных колебаний обычно более высоких частот, чем основ-ная частота, определяющая высоту звука. Непосредственных количественных параметров, которые служили бы однозначной характеристикой тембра, не существует. При анализе звука музыкальных инструментов измеряется относительная интенсивность отдельных составляющих спектра. Иначе можно сказать, что тембр определяется видом функции рас-пределения интенсивности звука по частотам.

Маскировка – заглушение одного звука другим. В практике часто возникает задача о маскировке полезного сигнала шумом или до какого уровня надо снизить данный звук, чтобы он не стал слышен на фоне шума. При нормировании шума машин или механизмов необходимо знать, в какой мере один звук маскирует другой.

Количественная мера маскировки (при маскируемом сигнале, имеющем достаточно уз-кий спектр) определяется как число децибел, на которое возрастает порог слышимости маскируемого тона в присутствии другого звука по сравнению с порогом восприятия его тона ухом человека в тишине.

Установлено, что тон определенной частоты эффективнее маскируется более низкими частотами. Например, пароходный гудок низкого тона практически заглушает все более высокие звуки. Широкополосные гладкие шумы оказывают значительно больший маски-рующий эффект, чем чистые тоны. При этом чистый тон, звучащий в присутствии широ-кополосного шума, может маскироваться только сравнительно близкими по частоте спект-ральными составляющими этого шума.

 

6.2.1. Влияние шума на организм человека

Согласно текста документа Международной Организации Труда (ILO) «Защита трудя-щихся от шума и вибрации на производстве» – «… шум и вибрация являются сегодня дву-мя важными факторами создающими опасность на рабочих местах. Шум и вибрация, пре-вышающие определенные пороговые значения, наносят вред здоровью и работоспособно-сти людей, начиная от слабого телесного расстройства и кончая серьезными заболевания-ми». Отметим, что Всемирный Совет Здоровья (WHO) определяет здоровье не только как отсутствие болезней, но и как полное психическое, физическое и социальное здоровье.

В настоящее время особое значение в индустриальных странах приобретают вызывае-мые шумом повреждения слуха, поскольку они носят необратимый характер, а тенденция к дальнейшему распространению вызванной шумом тугоухости продолжают сохраняться. Для работников многих профессий повреждения слуха приводит к трудностям в восприя-тии звуковых сигналов, что может отразиться на их профессиональных способностях и повысить вероятность возникновения несчастных случаев на производстве и городском транспорте. Исследования медиков-гигиенистов показали, что даже шум достаточно низ-кой интенсивности оказывает так называемое «экстраануральное» воздействие на челове-ка, при котором изменяется процесс кровообращения, например, сокращается минутный объем крови, повышается сопротивление стенок периферийных сосудов и сокращается приток крови к коже. Расширение зрачков приводит к уменьшению остроты зрения, что вредно при определенных видах деятельности (например, часовой мастер, механик по точ-ным работам). Длительное воздействие шума вызывает торможение секреции слюнных желез, ускорение обмена веществ, изменение электрического сопротивления кожи, сниже-ние температуры, усиление мускульного потенциала, нарушение глубины сна вплоть до пробуждения. Перечисленные здесь реакции вызваны воздействием шума на вегетатив-ную нервную систему организма. Воздействие шума вызывает повышенное выделение гормона надпочечных желез и адреналина, которые вместе с изменениями некоторых дру-гих показателей представляют собой типичную картину стрессовой реакции. Этому веге-тативному ответу на воздействие шума соответствует общая активизация организма, что в производственных условиях снижает работоспособность.

Таким образом, с учетом вышеприведенного, можно говорить о двух видах воздейст-вия шума на человека:

специфическое воздействие – воздействие на органы слуха;

неспецифическое воздействие – воздействие на весь организм.

Длительность воздействия. Время является одним из решающих факторов стойкого изменения слуховых порогов вследствие длительного воздействия высокого звукового да-вления. Результатом таких изменений является шумовая глухота – тугоухость. Шумовая глухота начинается в большинстве случаев с временно ограниченного подъема слухового порога в диапазоне частот 4000÷5000 Гц. При раннем распознавании временной потери слуха можно посредством отдыха снова понизить слуховые пороги – слух значительно по-правляется в течение 2 недель, но в зависимости от интенсивности воздействующего зву-ка и в течение полугода.

Временной интервал перехода от временно ограниченного снижение слуха в следствие воздействия интенсивного шума в необратимую потерю слуха – шумовую глухоту (тугоу-хость) по исследованиям Taylor, Pearson, Mair и Burns (1965) происходит большей частью в первые 5 лет, в последующие 5÷7 лет потеря слуха достигает окончательного значения. Если интенсивность воздействия шума на человека невысока, то потеря слуха может нас-тупить и через 20 лет воздействия.

Потеря слуха, наряду с продолжительностью воздействия шума, обуславливается свойствами самого шума – временной, спектральной характеристиками и интенсивно-стью. Длительное воздействие шума может вызвать проходящую (обратимую) глухоту или остающуюся глухоту (необратимую, «тугоухость»), которая сводится к функциональ-ному повреждению слуховых клеток (волосковых клеток) внутреннего уха. Как правило, у работающих в условиях интенсивного шума через 5 лет появляется тугоухость, а через 10 лет возможно поражение слуха. По показаниям медицинской статистики заболеваемость представителей «шумовых» профессий на 10÷15 % выше чем у других профессий. Шум (звук) очень высокой интенсивности (>140 дБ) может привести к травме органов слуха: перфорации барабанной перепонки, вывиху или перелому слуховых косточек или мгно-венному (острому) повреждению волосковых клеток.

Наряду с объективными условиями возникновения шумовой глухоты большое значе-ние имеют индивидуальные различия между людьми. Насколько распространена глухота, обусловленная воздействием шума? Выявлено, что в США уже в 1967 г. было 5 миллио-нов человек с нарушением слуха из-за интенсивного шума на рабочем месте. В индустри-альных странах глухота, обусловленная шумом, занимает первое место среди профессио-нальных заболеваний.

Наряду с шумом, инфра- и ультразвук оказывают вредное влияние на организм челове-ка. Инфразвук − звуковые колебания и волны с частотами, лежащими ниже полосы слы-шимых (акустических) частот −16 Гц. Инфразвук оказывает воздействие на вестибуляр-ный аппарат, сердечно-сосудистую систему, а при высокой интенсивности на внутренние органы человека. Результатом воздействия инфразвука является угнетение центральной нервной системы −человек испытывает чувство страха, головную боль, боль в ушах, про-исходит нарушение равновесия. Влияние ультразвука на организм человека выражается в возникновении сдвигов в состоянии нервной, сердечно-сосудистой и эндокринных систе-мах, быстрой утомляемости. Низкочастотный ультразвук может вызвать локальные воз-действия, поражая нервный и сердечно-сосудистый аппарат в месте контакта.

Адаптация слуха. Чувствительность слуха во время действия шума или звука не оста-ется без изменения. При полной тишине чувствительность возрастает, а под влиянием шу-мового воздействия снижается. Такая временная перестройка функции слухового анализа-тора, выражающаяся в некотором повышении порога слышимости, называется адаптацией слуха. Умеренное понижение слуховой чувствительности является целесообразной реак-цией приспособления организма к условиям внешней среды и играет защитную роль про-тив сильных и продолжительно действующих шумов.

Длительное воздействие шума или звука приводит к патологическому состоянию орга-нов слуха, к его утомлению. Утомление характеризуется не только значительными сдвига-ми в чувствительности, но и более замедленной обратной адаптацией. Утомление наступа-ет при перераздражении звукового анализатора и в отличии от адаптации, которая способ-ствует работоспособности, всегда снижает работоспособность анализатора. При частых и длительных перераздражениях и в случае недостаточного отдыха наступает явление шу-мовой травмы – тугоухость.

На чувствительности слуха очень сказывается возраст – пожилые люди в большинст-ве случаев слышат хуже, чем молодые. Такие потери слуха частично являются следствием ухудшения кровоснабжения и других нарушений обмена веществ, которые ведут к дегене-рации сенсорной части слуха. Звукопроводящая система теряет с возрастом эластичность и способность к колебаниям, а вместе с этим способность к проведению звука.