От какой характеристики волны зависит громкость звука. Общие сведения.Параметры,свойства звука. Частота ν колебаний различных источников звука

Цели:

• Ввести понятие звуковых колебаний, выяснить характеристики и свойства звуковых колебаний.
• Показать единство природы, взаимосвязь физики, биологии, музыки.
• Воспитание бережного отношения к своему здоровью.

Оборудование: компьютер с мультимедиапроектором, камертон, линейка, зажатая в тисках, звуковой генератор.

План урока.

1. Орг. Момент
2. Изучение нового материала.
3. Дом. Задание.

Человек живет в мире звуков. Что же такое звук? Как он возникает? Чем один звук отличается от другого? Сегодня на уроке мы с вами попробуем ответить на эти и многие другие вопросы, связанные со звуковыми явлениями.

Раздел физики, изучающий звуковые явления называется акустикой.

Упругие волны, способные вызвать у человека слуховые ощущения называются звуковыми.

Человеческое ухо способно воспринимать механические колебания, происходящие с частотой от 20 до 20000 Гц. (Демонстрация на звуковом генераторе волн с частотой от 20 до 20000 Гц)

Любое колеблющееся со звуковой частотой является источником звука. Но источниками звука могут не только колеблющиеся тела: полет пули в воздухе, сопровождается свистом, бурное течение воды – шумом.

Сам факт выделения из достаточно большого набора частот, называемых звуковыми, связан со свойством слуха человека воспринимать именно эти волны.

Различные живые существа имеют различные границы восприятия звука.

Все источники звука можно разделить на естественные и искусственные.

(демонстрации: звучание камертона и линейки зажатой между тисками.)

Рассмотрим свойства звука.

1. Звук это продольная волна.
2. Распространяется звук в упругих средах (воздух, вода, различные металлы)
3. Звук имеет конечную скорость.

Давайте прослушаем сообщение о том, как были определены скорость звука в воде и других веществах.

(Сообщение учащихся)

Проверь себя.

1. Часы установлены по звуку сигнала от удаленного радиоприемника. В каком случае часы будут установлены более точно: летом или зимой?
   (Летом, так как скорость звука в воздухе увеличивается с температурой)
2. Могут ли космонавты при выходе в открытый космос общаться между собой при помощи звуковой речи?
   (На расстоянии нет, т.к. в космическом вакууме нет условий для распространения звуковых волн. Однако если космонавты соприкоснутся шлемами скафандров, они могут услышать друг друга.)
3. Почему столбы линий электропередач гудят при ветре?
   (При ветре провода совершают хаотические колебательные движения, воздействуя на изоляторы, укрепленные на столбах. В столбах возбуждаются стоячие звуковые волны.)

Характеристики звука.

1. Громкость звука.
2. Высота звука
3. Тембр звука.

Громкость звука – характеристика амплитуды звуковой волны.
(показать эксперимент с камертоном и генератором)

Громкость звука зависит от амплитуды колебаний: чем больше амплитуда, тем громче звук.

Но если бы мы сравнивали звуки различных частот, то кроме амплитуды нам пришлось бы еще сравнивать и их частоты. При одинаковых амплитудах как более громкие мы воспринимаем частоты, которых лежат в пределах от 1000 до 5000 Гц.

Единица громкости звука называется сон.

В практических задачах громкость звука принято характеризовать уровнем громкости, измеряемым в фонах , или уровнем звукового давления , измеряемых в белах (Б) или децибелах (дБ), составляющих десятую часть бела.

Тихий шепот, шелест листвы - 20 дБ

Обычная речь - 60 дБ

Рок-концерт - 120 дБ

При увеличении громкости на 10дБ интенсивность звука увеличивается в 10 раз.

Задача: Рассчитайте во сколько раз интенсивность звука на рок -концерте больше обычной речи?

(1000000 раз)

Громкость, равную 120 дБ, называют болевым порогом. При длительном воздействии такого звука происходит необратимое ухудшение слуха: человек, привыкший к рок - концертам уже никогда не услышит тихий шепот или шелест листьев.

Высота звука – характеристика частоты звуковой волны, чем больше частота колебаний источника звука, тем выше издаваемый им звук.

Кто в полете быстрее машет крыльями – муха, шмель или комар?

Частота колебаний крыльев насекомых и птиц в полете, Гц

Каких птиц и насекомых мы слышим, а каких нет?

У какого насекомого самый высокий звук? (У комара)

Частота звуковых колебаний, соответствующих человеческому голосу, составляет от 80 до 1400 Гц.

При увеличении частоты в 2 раза звук повышается на октаву – именно из этих соображений и была выбрана октава. Каждая октава делится на 12 интервалов в полтона каждая.

Тембр звука определяется формой звуковых колебаний.

Мы знаем, что ветви камертона совершают гармонические (синусоидальные) колебания. Таким колебаниям присуща только одна строго определенная частота. Гармонические колебания являются самым простым видом колебаний. Звук камертона является чистым тоном.

Чистым тоном называется звук источника, совершающего гармонические колебания одной частоты.

Звуки от других источников (например, звуки различных музыкальных инструментов, голоса людей, звук сирены и многие другие) представляют собой совокупность гармонических колебаний разных частот, т. е. совокупность чистых тонов.

Самая низкая (т. е. самая малая) частота такого сложного звука называется основной частотой , а соответствующий ей звук определенной высоты - основным тоном (иногда его называют просто тоном). Высота сложного звука определяется именно высотой его основного тона.

Все остальные тоны сложного звука называются обертонами . Частоты всех обертонов данного звука в целое число раз больше частоты его основного тона (поэтому их называют также высшими гармоническими тонами).

Обертоны определяют тембр звука, т. е. такое его качество, которое позволяет нам отличать звуки одних источников от звуков других. Например, мы легко отличаем звук рояля от звука скрипки даже в том случае, если эти звуки имеют одинаковую высоту, т.е. одну и ту же частоту основного тона. Отличие этих звуков обусловлено разным набором обертонов (совокупность обертонов различных источников может отличаться количеством обертонов, их амплитудами, сдвигом фаз между ними, спектром частот).

Проверь себя.

1. Как по звуку можно отличить работает дрель вхолостую или под нагрузкой?
2. Чем музыкальные звуки отличаются от шума?
   (Шум отличается от музыкального тона тем, что ему не соответствует какая-либо определенная высота звука. В шуме присутствуют колебания всевозможных частот и амплитуд.)
3. Проекция скорости одной из точек звучащей струны виолончели меняется со временем так, как показано на графике. Определите частоту колебаний проекции скорости.

Человек обладает таким уникальным органом как ухо – приемник звука. Давайте рассмотрим, как человек слышит.

Звуковые волны, распространяющиеся в воздухе, проделывают сложный путь, прежде чем мы воспримем их. Сначала они проникают в ушную раковину и заставляют вибрировать барабанную перепонку, замыкающую наружный слуховой проход. Слуховые косточки доносят эти колебания до овального окна внутреннего уха. Пленка, которая закрывает окно, передает вибрации, заполняющей улитку жидкости. Наконец колебания достигают слуховых клеток внутреннего уха. Головной мозг воспринимает эти сигналы и распознает шумы, звуки, музыку, речь.

Одна из важнейших характеристик голоса его тембр, т.е. набор спектральных линий, среди которых можно вы делить 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 играют 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 мир, магнитофонная запись человеческого голоса считается неоспоримым юридическим документом, подделать который не возможно

Спектры голосов певцов отличаются от спектра голос 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 до 35 и более процентов (рис. слева), в то время как у опытных - 15-30%, а у начинающих - 3-5% (рис., справа).

Принято выделять три разновидности голосов для обоих полов: у мужчин - бас, баритон, тенор; у женщин - альт, меццо-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.

Рассматривая звуковые колебания нельзя не обратить, внимание на влияние шумов на организм человека.

Длительное воздействие шумов на человека приводит к повреждению центральной нервной системы, повышению кровяного и внутричерепного давления, нарушению нормальной работы сердца, головокружению. Вредное воздействие сильных шумов на человека было замечено давно. Еще 2000 лет назад в Китае в качестве наказания заключенные подвергались непрерывному воздействию звуков флейт, барабанов и крикунов, пока не падали замертво. При мощности шума 3 кВт и частоте 800 Гц нарушается способность глаза к фокусировке. Мощность шума 5-8кВт дезорганизует работу скелетной мускулатуры, вызывает паралич, потерю памяти. Мощность шума около 200кВт приводит к смерти. Поэтому в больших городах запрещено использование резких и громких сигналов. Значительно снижают шумы деревья, кустарники, которые их поглощают. Поэтому вдоль дорог с интенсивным автомобильным движением необходимы зеленые насаждения. Тишина значительно повышает остроту слуха.

Д/З §34-38 упр. 31(1), упр.32 (2,3) практическое задание: определение зависимости высоты тона от частоты колебаний, используя кусочек резиновой нити.

Закончить урок мне хочется вот такими словами. У Н. Рериха есть картина, названная им “Человеческие праотцы”. Юный пастушок играет на свирели, и со всех сторон сходятся к нему большие бурые медведи. Что влечет их? Музыка? Легенда говорит, что предками некоторых славянских племен были медведи. Думается, идут они услышать самую чудесную музыку на свете – голос доброго человеческого сердца.

Литература:

1. А. В. Перышкин, Е. М. Гутник Физика 9 класс Дрофа 2003г.
2. С. В. Громов, Н. А. Родина Физика 8 класс М. Просвещение 2001г.
3. В. Н. Мощанский Физика 9 класс М. Просвещение 1994г.
4. А. В. Аганов, Р.К. Сафиуллин, А. И. Скворцов, Д.А. Таюрский Физика вокруг нас. Качественные задачи по физике.М. Дом педагогики 1998 г.
5. С. А. Чандаева Физика и человек.М. АО Аспект Пресс 1994 г.
6. Естествознание в школе № 1 2004 г

Амплитуда - 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). Спектр (лат. spectrum от лат. specter - виде́ние, призрак) - распределение значений физической величины (обычно энергии, частоты или массы). Графическое представление такого распределения называется спектральной диаграммой. 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 100 кГц, - ультразвуком, от 100 кГц - гиперзвуком. Среди слышимых звуков следует также особо выделить фонетические, речевые звуки и фонемы (из которых состоит устная речь) и музыкальные звуки (из которых состоит музыка).

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

Понятие о звуке.


Звуковые волны могут служить примером колебательного процесса. Всякое колебание связано с нарушением равновесного состояния системы и выражается в отклонении её 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(звуково́е давле́ние - переменное избыточное давление, возникающее в упругой среде при прохождении через неё звуковой волны.)

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 передаётся на соседние частицы, которые, в свою очередь, воздействуют на следующие, и область повышенного давления как бы перемещается в упругой среде. За областью повышенного давления следует область пониженного давления, и, таким образом, образуется ряд чередующихся областей сжатия и разряжения, распространяющихся в среде в виде волны. Каждая частица упругой среды в этом случае будет совершать колебательные движения.

В жидких и газообразных средах, где отсутствуют значительные колебания плотности, акустические волны имеют продольный характер, то есть направление колебания частиц совпадает с направлением перемещения волны. В твёрдых телах, помимо продольных деформаций, возникают также 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.

Физические параметры звука


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 τ , то:

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

Если на колебательную систему с потерями действовать периодической силой, то возникают вынужденные колебания(в ынужденные 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.

Свойство среды проводить акустическую энергию, в том числе и ультразвуковую, характеризуется акустическим сопротивлением. Акустическое сопротивление среды выражается отношением звуковой плотности к объёмной скорости ультразвуковых волн. Удельное акустическое сопротивление среды устанавливается соотношением амплитуды звукового давления в среде к амплитуде колебательной скорости её частиц. Чем больше акустическое сопротивление, тем выше степень сжатия и разряжения среды при данной амплитуде колебания частиц среды. Численно, удельное акустическое сопротивление среды (Z) находится как произведение плотности среды (ρ ) на скорость (с) распространения в ней ультразвуковых волн.

Z = ρc

Удельное акустическое сопротивление измеряется в паскаль-секунда на метр (Па·с/м) или дин с/см³ (СГС); 1 Па·с/м = 10 −1 дин с/см³.

Значение удельного акустического сопротивления среды часто выражается в г/с·см², причём 1 г/с·см² = 1 дин с/см³. Акустическое сопротивление среды определяется поглощением, преломлением и отражением ультразвуковых волн.

Звуковое или акустическое давление в среде представляет собой разность между мгновенным значением давления в данной точке среды при наличии звуковых колебаний и статического давления в той же точке при их отсутствии. Иными словами, звуковое давление есть переменное давление в среде, обусловленное акустическими колебаниями. Максимальное значение переменного акустического давления (амплитуда давления) может быть рассчитано через амплитуду колебания частиц:

P = 2πf ρc A

где Р - максимальное акустическое давление (амплитуда давления);

• f - частота;
• с - скорость распространения ультразвука;
• ρ - плотность среды;
• А - амплитуда колебания частиц среды.

На расстоянии в половину длины волны (λ/2) амплитудное значение давления из положительного становится отрицательным, то есть разница давлений в двух точках, отстоящих друг от друга на λ/2 пути распространения волны, равна 2Р.

Для выражения звукового давления в единицах СИ используется Паскаль (Па), равный давлению в один ньютон на метр квадратный (Н/м²). Звуковое давление в системе СГС измеряется в дин/см²; 1 дин/см² = 10 −1 Па = 10 −1 Н/м². Наряду с указанными единицами часто пользуются внесистемными единицами давления - атмосфера (атм) и техническая атмосфера (ат), при этом 1 ат = 0,98×10 6 дин/см² = 0,98×10 5 Н/м². Иногда применяется единица, называемая баром или микробаром (акустическим баром); 1 бар = 10 6 дин/см².

Давление, оказываемое на частицы среды при распространении волны, является результатом действия упругих и инерционных сил. Последние вызываются ускорениями, величина которых также растёт в течение периода от нуля до максимума (амплитудное значение ускорения). Кроме того, в течение периода ускорение меняет свой знак.

Максимальные значения величин ускорения и давления, возникающие в среде при прохождении в ней ультразвуковых волн, для данной частицы не совпадают во времени. В момент, когда перепад ускорения достигает своего максимума, перепад давления становится равным нулю. Амплитудное значение ускорения (а) определяется выражением:

Если бегущие ультразвуковые волны наталкиваются на препятствие, оно испытывает не только переменное давление, но и постоянное. Возникающие при прохождении ультразвуковых волн участки сгущения и разряжения среды создают добавочные изменения давления в среде по отношению к окружающему её внешнему давлению. Такое добавочное внешнее давление носит название давления излучения (радиационного давления). Оно служит причиной того, что при переходе ультразвуковых волн через границу жидкости с воздухом образуются фонтанчики жидкости и происходит отрыв отдельных капелек от поверхности. Этот механизм нашёл применение в образовании аэрозолей лекарственных веществ. Радиационное давление часто используется при измерении мощности ультразвуковых колебаний в специальных измерителях - ультразвуковых весах.

• 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

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 (см.).

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).

Звуки приносят человеку жизненно важную информацию - с их помощью мы общаемся, слушаем музыку, узнаем по голосу знакомых людей. Мир окружающих нас звуков разнообразен и сложен, однако мы достаточно легко ориентируемся в нем и можем безошибочно отличить пение птиц от шума городской улицы.

• Звуковая волна - упругая продольная волна, вызывающая у человека слуховые ощущения. Колебания источника звука (например, струн или голосовых связок) вызывают появление продольной волны. Достигнув человеческого уха, звуковые волны заставляют барабанную перепонку совершать вынужденные колебания с частотой, равной частоте колебаний источника. Свыше 20 тыс. нитевидных рецепторных окончаний, находящихся во внутреннем ухе, преобразуют механические колебания в электрические импульсы. При передаче импульсов по нервным волокнам в головной мозг у человека возникают определенные слуховые ощущения.

Таким образом, в процессе распространения звуковой волны меняются такие характеристики среды, как давление и плотность.

Звуковые волны, воспринимаемые органами слуха, вызывают звуковые ощущения.

Звуковые волны классифицируются по частоте следующим образом:

• инфразвук (ν < 16 Гц);
• слышимый человеком звук (16 Гц < ν < 20000 Гц);
• ультразвук (ν > 20000 Гц);
• гиперзвук (10 9 Гц < ν < 10 12 -10 13 Гц).

Человек не слышит инфразвук, но каким-то образом эти звуки воспринимает. Так как например, опыты показали, что инфразвук вызывает неприятные тревожные ощущения.

Многие животные могут воспринимать ульразвуковые частоты. Например, собаки могут слышать звуки до 50000 Гц, а летучие мыши - до 100000 Гц. Инфразвук, распространяясь в воде на сотни километров, помогает китам и многим другим морским животным ориентироваться в толще воды.

Физические характеристики звука

Одной из важнейших характеристик звуковых волн является спектр.

• Спектром называется набор различных частот, образующих данный звуковой сигнал. Спектр может быть сплошным или дискретным.

Сплошной спектр означает, что в данном наборе присутствуют волны, частоты которых заполняют весь заданный спектральный диапазон.

Дискретный спектр означает наличие конечного числа волн с определенными частотами и амплитудами, которые образуют рассматриваемый сигнал.

По типу спектра звуки разделяются на шумы и музыкальные тона.

• Шум - совокупность множества разнообразных кратковременных звуков (хруст, шелест, шорох, стук и т.п.) - представляет собой наложение большого числа колебаний с близкими амплитудами, но различными частотами (имеет сплошной спектр). С развитием промышленности появилась новая проблема - борьба с шумом. Возникло даже новое понятие «шумовое загрязнение» среды обитания. Шум, особенно большой интенсивности, не просто надоедает и утомляет - он может и серьезно подорвать здоровье.

• Музыкальный тон создается периодическими колебаниями звучащего тела (камертон, струна) и представляет собой гармоническое колебание одной частоты.

С помощью музыкальных тонов создается музыкальная азбука - ноты (до, ре, ми, фа, соль, ля, си), которые позволяют воспроизводить одну и ту же мелодию на различных музыкальных инструментах.

• Музыкальный звук (созвучие) - результат наложения нескольких одновременно звучащих музыкальных тонов, из которых можно выделить основной тон, соответствующий наименьшей частоте. Основной тон называется также первой гармоникой. Все остальные тоны называются обертонами. Обертоны называются гармоническими, если частоты обертонов кратны частоте основного тона. Таким образом, музыкальный звук имеет дискретный спектр.

Любой звук, помимо частоты, характеризуется интенсивностью. Так реактивный самолет может создать звук интенсивностью порядка 10 3 Вт/м 2 , мощные усилители на концерте в закрытом помещении - до 1 Вт/м 2 , поезд метро - около 10 –2 Вт/м 2 .

Чтобы вызвать звуковые ощущения, волна должна обладать некоторой минимальной интенсивностью, называемой порогом слышимости. Интенсивность звуковых волн, при которой возникает ощущение давящей боли, называют порогом болевого ощущения или болевым порогом.

Интенсивность звука, улавливаемая ухом человека, лежит в широких пределах: от 10 –12 Вт/м 2 (порог слышимости) до 1 Вт/м 2 (порог болевого ощущения). Человек может слышать и более интенсивные звуки, но при этом он будет испытывать боль.

Уровень интенсивности звука L определяют по шкале, единицей которой является бел (Б) или, что гораздо чаще, децибел (дБ) (одна десятая бела). 1 Б - самый слабый звук, который воспринимает наше ухо. Эта единица названа в честь изобретателя телефона Александра Белла. Измерение уровня интенсивности в децибелах проще и поэтому принято в физике и технике.

Уровень интенсивности L любого звука в децибелах вычисляется через интенсивность звука по формуле

\(L=10\cdot lg\left(\frac{I}{I_0}\right),\)

где I - интенсивность данного звука, I 0 - интенсивность, соответствующая порогу слышимости.

В таблице 1 приведен уровень интенсивности различных звуков. Тем, кто при работе подвергается воздействию шума свыше 100 дБ, следует пользоваться наушниками.

Таблица 1

Уровень интенсивности (L ) звуков

Физиологические характеристики звука

Физическим характеристикам звука соответствуют определенные физиологические (субъективные) характеристики, связанные с восприятием его конкретным человеком. Это обусловлено тем, что восприятие звука - процесс не только физический, но и физиологический. Человеческое ухо воспринимает звуковые колебания определенных частот и интенсивностей (это объективные, не зависящие от человека характеристики звука) по-разному, в зависимости от «характеристик приемника» (здесь влияют субъективные индивидуальные черты каждого человека).

Основными субъективными характеристиками звука можно считать громкость, высоту и тембр.

• Громкость (степень слышимости звука) определяется, как интенсивностью звука (амплитудой колебаний в звуковой волне), так и различной чувствительностью человеческого уха на разных частотах. Наибольшей чувствительностью человеческое ухо обладает в диапазоне частот от 1000 до 5000 Гц. При увеличении интенсивности в 10 раз уровень громкости увеличивается на 10 дБ. Вследствие этого, звук в 50 дБ оказывается в 100 раз интенсивнее звука в 30 дБ.

• Высота звука определяется частотой звуковых колебаний, обладающих наибольшей интенсивностью в спектре.

• Тембр (оттенок звука) зависит от того, сколько обертонов присоединяются к основному тону и какова их интенсивность и частота. По тембру мы легко отличаем звуки скрипки и рояля, флейты и гитары, голоса людей (табл. 2).

Таблица 2

Частота ν колебаний различных источников звука

Скорость звука

Скорость звука зависит от упругих свойств, плотности и температуры среды. Чем больше упругие силы, тем быстрее передаются колебания частиц соседним частицам и тем быстрее распространяется волна. Поэтому скорость звука в газах меньше, чем в жидкостях, а в жидкостях, как правило, меньше чем в твердых телах (табл. 3). В вакууме звуковые волны, как и любые механические волны, не распространяются, так как там нет упругих взаимодействий между частицами среды.

Таблица 3.

Скорость звука в различных средах

Скорость звука в идеальных газах с ростом температуры растет пропорционально \(\sqrt{T},\) где T - абсолютная температура. В воздухе скорость звука υ = 331 м/с при температуре t = 0 °C и υ = 343 м/с при температуре t = 20 °C. В жидкостях и металлах скорость звука, как правило, уменьшается с ростом температуры (исключение - вода).

Впервые скорость распространения звука в воздухе была определена в 1640 г. французским физиком Мареном Мерсенном. Он измерял промежуток времени между моментами появления вспышки и звука при ружейном выстреле. Мерсенн определил, что скорость звука в воздухе равна 414 м/с.

Применение звука

Инфразвук в технике пока применять не научились. Зато широкое применение получил ультразвук.

• Способ ориентации или исследования окружающих объектов, основанный на излучении ультразвуковых импульсов с последующим восприятием отраженных импульсов (эха) от различных объектов, называется эхолокацией , а соответствующие приборы - эхолокаторами .

Хорошо известны животные, обладающие способностью к эхолокации - летучие мыши и дельфины. По своему совершенству эхолокаторы этих животных не уступают, а во многом и превосходят (по надежности, точности, энергетической экономичности) современные эхолокаторы, созданные человеком.

Эхолокаторы, используемые под водой, называются гидролокаторами или сонарами (название sonar образован из начальных букв трех английских слов: sound - звук; navigation - навигация; range - дальность). Сонары незаменимы при исследованиях морского дна (его профиля, глубины), для обнаружения и исследования различных объектов, движущихся глубоко под водой. При их помощи могут быть легко обнаружены как отдельные большие предметы или животные, так и стаи небольших рыб или моллюсков.

Волны ультразвуковых частот широко используются в медицине в диагностических целях. УЗИ-сканеры позволяют исследовать внутренние органы человека. Ультразвуковое излучение, в отличие от рентгеновского, безвредно для человека.

Литература

1. Жилко, В.В. Физика: учеб. пособие для 11 класса общеобразоват. шк. с рус. яз. обучения / В.В. Жилко, Л.Г. Маркович. - Минск: Нар. Асвета, 2009. - С. 57-58.
2. Касьянов В.А. Физика. 10 кл.: Учебн. для общеобразоват. учреждений. - М.: Дрофа, 2004. - С. 338-344.
3. Мякишев Г.Я., Синяков А.З. Физика: Колебания и волны. 11 кл.: Учеб. для углубленного изучения физики. - М.: Дрофа, 2002. - С. 184-198.

С помощью данного видеурока вы сможете изучить тему «Источники звука. Звуковые колебания. Высота, тембр, громкость». На этом занятии вы узнаете, что такое звук. Также мы рассмотрим диапазоны звуковых колебаний, воспринимаемые человеческим слухом. Определим, что может быть источником звука и какие необходимы условия для его возникновения. Также изучим такие характеристики звука, как высота, тембр и громкость.

Тема урока посвящена источникам звука, звуковым колебаниям. Поговорим мы и о характеристиках звука - высоте, громкости и тембре. Прежде чем говорить о звуке, о звуковых волнах, давайте вспомним, что механические волны распространяются в упругих средах. Часть продольных механических волн, которая воспринимается человеческими органами слуха, называется звуком, звуковыми волнами. Звук - это воспринимаемые человеческими органами слуха механические волны, которые вызывают звуковые ощущения .

Опыты показывают, что человеческое ухо, органы слуха человека воспринимают колебания частотами от 16 Гц до 20000 Гц. Именно этот диапазон мы и называем звуковым. Конечно, существуют волны, частота которых меньше 16 Гц (инфразвук) и больше 20000 Гц (ультразвук). Но этот диапазон, эти разделы человеческим ухом не воспринимаются.

Рис. 1. Диапазон слышимости человеческого уха

Как мы говорили, области инфразвука и ультразвука человеческими органами слуха не воспринимаются. Хотя могут восприниматься, например, некоторыми животными, насекомыми.

Что такое ? Источниками звука могут быть любые тела, которые совершают колебания со звуковой частотой (от 16 до 20000 Гц)

Рис. 2. Зажатая в тиски колеблющаяся линейка может быть источником звука

Обратимся к опыту и посмотрим, как образуется звуковая волна. Для этого нам потребуется металлическая линейка, которую мы зажмем в тиски. Теперь, воздействуя на линейку, мы сможем наблюдать колебания, но никакого звука не слышим. И тем не менее вокруг линейки создается механическая волна. Обратите внимание, когда линейка смещается в одну сторону, здесь образуется уплотнение воздуха. В другую сторону - тоже уплотнение. Между этими уплотнениями образуется разряжение воздуха. Продольная волна - это и есть звуковая волна, состоящая из уплотнений и разряжений воздуха . Частота колебаний линейки в данном случае меньше звуковой частоты, поэтому мы не слышим этой волны, этого звука. На основе опыта, который мы только что пронаблюдали, в конце XVIII века был создан прибор, который называется камертон.

Рис. 3. Распространение продольных звуковых волн от камертона

Как мы убедились, звук появляется в результате колебаний тела со звуковой частотой. Распространяются звуковые волны во все стороны. Между слуховым аппаратом человека и источником звуковых волн обязательно должна быть среда. Эта среда может газообразной быть, жидкой, твердой, но это обязательно должны быть частицы, способные передавать колебания. Процесс передачи звуковых волн должен обязательно происходить там, где есть вещество. Если вещества нет, никакого звука мы не услышим.

Для существования звука необходимы:

1. Источник звука

2. Среда

3. Слуховой аппарат

4. Частота 16-20000 Гц

5. Интенсивность

Теперь перейдем к обсуждению характеристик звука. Первая - это высота звука. Высота звука - характеристика, которая определяется частотой колебаний . Чем больше частота у тела, которое производит колебания, тем звук будет выше. Давайте вновь обратимся к линейке, зажатой в тиски. Как мы уже говорили, мы видели колебания, но не слышали звука. Если теперь длину линейки сделать меньше, то мы будем слышать звук, но увидеть колебания будет гораздо сложнее. Посмотрите на линейку. Если мы подействуем на нее сейчас, звука никакого мы не услышим, но зато наблюдаем колебания. Если укоротим линейку, мы услышим звук определенной высоты. Мы можем сделать длину линейки еще короче, тогда мы услышим звук еще большей высоты (частоты). То же самое мы можем пронаблюдать и с камертонами. Если мы возьмем большой камертон (он еще называется демонстрационный) и ударим по ножкам такого камертона, то можем пронаблюдать колебание, но звука не услышим. Если возьмем другой камертон, то, ударив по нему, услышим определенный звук. И следующий камертон, настоящий настроечный камертон, который используется для настройки музыкальных инструментов. Он издает звук, соответствующий ноте ля, или, как говорят еще, 440 Гц.

Следующая характеристика - тембр звука. Тембром называется окраска звука . Как можно проиллюстрировать эту характеристику? Тембр - это то, чем отличаются два одинаковых звука, исполненные различными музыкальными инструментами. Вы все знаете, что нот у нас всего семь. Если мы услышим одну и ту же ноту ля, взятую на скрипке и на фортепиано, то мы отличим их. Мы сразу сможем сказать, какой инструмент этот звук создал. Именно эту особенность - окраску звука - и характеризует тембр. Нужно сказать, что тембр зависит от того, какие воспроизводятся звуковые колебания, кроме основного тона. Дело в том, что произвольные звуковые колебания довольно сложные. Они состоят из набора отдельных колебаний, говорят спектра колебаний . Именно воспроизведение дополнительных колебаний (обертонов) и характеризует красоту звучания того или иного голоса или инструмента. Тембр является одним из основных и ярких проявлений звука.

Еще одна характеристика - громкость. Громкость звука зависит от амплитуды колебаний . Давайте посмотрим и убедимся, что громкость связана с амплитудой колебаний. Итак, возьмем камертон. Сделаем следующее: если ударить по камертону слабо, то амплитуда колебаний будет небольшая и звук будет тихий. Если теперь по камертону ударить сильнее, то и звук гораздо громче. Это связано с тем, что амплитуда колебаний будет гораздо больше. Восприятие звука - вещь субъективная, зависит от того, каков слуховой аппарат, каково самочувствие человека.

Список дополнительной литературы:

А так ли хорошо знаком вам звук? // Квант. — 1992. — № 8. — C. 40-41. Кикоин А.К. О музыкальных звуках и их источниках // Квант. — 1985. — № 9. — С. 26-28. Элементарный учебник физики. Под ред. Г.С. Ландсберга. Т. 3. - М., 1974.

Основные физические характеристики звука - частота и интенсивность колебаний. Они и влияют на слуховое восприятие людей.

Периодом колебания называется время, в течение которого совершается одно полное колебание. Можно привести в пример качающийся маятник, когда он из крайнего левого положения перемещается в крайнее правое и возвращается обратно в исходное положение.

Частота колебаний - это число полных колебаний(периодов)за одну секунду. Эту единицу называют герцем (Гц). Чем больше частота колебаний, тем более высокий звук мы слышим, то есть звук имеет более высокий тон. В соответствии с принятой международной системой единиц, 1000 Гц называется килогерцем (кГц), а 1.000.000 - мегагерцем (МГц).

Распределение по частотам: слышимые звуки - в пределах 15Гц-20кГц, инфразвуки - ниже 15Гц; ультразвуки - в пределах 1,5104 - 109 Гц; гиперзвуки - в пределах 109 - 1013Гц.

Ухо человека наиболее чувствительно к звукам с частотой от 2000 до 5000 кГц. Наибольшая острота слуха наблюдается в возраст 15-20 лет. С возрастом слух ухудшается.

С периодом и частотой колебаний связано понятие о длине волны. Длиной звуковой волны называется расстояние между двумя последовательными сгущениями или разрежениями среды. На примере волн, распространяющихся на поверхности воды, - это расстояние между двумя гребнями.

Звуки различаются также по тембру. Основной тон звука сопровождается второстепенными тонами, которые всегда выше по частоте(обертона). Тембр - это качественная характеристика звука. Чем больше обертонов накладывается на основной тон, тем «сочнее» звук в музыкальном отношении.

Вторая основная характеристика - амплитуда колебаний. Это наибольшее отклонение от положения равновесия при гармонических колебаниях. На примере с маятником - максимальное отклонение его в крайнее левое положение, либо в крайнее правое положение. Амплитуда колебаний определяет интенсивность(силу) звука.

Сила звука, или его интенсивность, определяется количеством акустической энергии, протекающей за одну секунду через площадь в один квадратный сантиметр. Следовательно, интенсивность акустических волн зависит от величины акустического давления, создаваемого источником в среде.

С интенсивностью звука в свою очередь связана громкость. Чем больше интенсивность звука, тем он громче. Однако эти понятия не равнозначны. Громкость - это мера силы слухового ощущения, вызываемого звуком. Звук одинаковой интенсивности может создавать у различных людей неодинаковое по своей громкости слуховое восприятие. Каждый человек обладает своим порогом слышимости.

Звуки очень большой интенсивности человек перестаёт слышать и воспринимает их как ощущение давления и даже боли. Такую силу звука называют порогом болевого ощущения.

53. Путь звуковой волны. Звукопроведение. Звуковосприятие.

Функция звукопроведения состоит в передаче звуковых колебаний составными элементами наружного, среднего и внутреннего уха слуховым рецепторам.

В звукопроведении принимают участие ушная раковина, наружный слуховой проход, барабанная перепонка, слуховые косточки, кольцевая связка овального окна, вторичная барабанная перепонка, перилимфа, основная мембрана.

При раздражении волосковых клеток кортиева органа происходит превращение физической энергии звуковых колебаний в физиологический процесс нервного возбуждения. Это начало процесса слухового восприятия.

Область слухового восприятия 16-20000 Гц.

54. Область звукового восприятия. Чувствительность органа слуха.

ОБЛАСТЬ СЛУХОВОГО ВОСПРИЯТИЯ

16 – 20 000 Гц

Звуки с частотой ниже 16 Гц – инфразвуки

Звуки с частотой выше 20 000 Гц – ультразвуки

Периферический отдел слухового анализатора производит первичный анализ и преобразует физическую энергию звука в электрическую энергию нервного импульса. Проводящие пути передают импульс в мозговые центры. В коре головного мозга происходит превращение энергии нервного возбуждения в ощущение. Кора играет ведущую роль в работе слухового анализатора.

Ухо человека наиболее чувствительно к звукам от 500 до 4000 Гц – это речевой диапазон частот, (1000-3000 Гц).

Минимальная сила звука, способная вызвать ощущение едва слышимого звука – порог слышимости.

Чем ниже порог слышимости, тем выше чувствительность уха к данному звуку. При нормальном слухе величина порога слухового ощущения 0 дБ. При увеличении силы звука ощущение громкости звука усиливается, но при достижении определенной величины нарастание громкости прекращается и появляется ощущение боли – болевой порог. Расстояние между порогом слышимости и порогом неприятных ощущений в области средних частот – 130 дБ.

· Разностным порогом частоты называют минимальный прирост частоты звука к его первоначальной частоте – 3 Гц.

· Разностным порогом силы звука называют минимальный прирост силы звука, дающий усиление первоначальной громкости – 1 дБ.

Таким образом, область слухового восприятия у человека ограничена по высоте и силе звука.

55. Теории звукового восприятия.

Восприятие звуков различной высоты (частоты), согласно резонансной теории Гельмгольца,

обусловлено тем, что каждое волокно основной мембраны настроено на звук определенной частоты.

Так, звуки низкой частоты воспринимаются длинными волнами основной мембраны, расположенными

ближе к верхушке улитки, звуки высокой частоты воспринимаются короткими волокнами основной

мембраны, расположенными ближе к основанию улитки. При действии сложного звука возникают

колебания различных волокон мембраны.

В современной интерпретации резонансный механизм лежит в основе теории места, в соответствии

с которой в состояние колебания вступает вся мембрана. Однако максимальное отклонение основной

мембраны улитки происходит только в определенном месте. При увеличении частоты звуковых

колебаний максимальное отклонение основной мембраны смещается к основанию улитки, где

располагаются более короткие волокна основной мембраны, – у коротких волокон возможна более

высокая частота колебаний. Возбуждение волосковых клеток именно этого участка мембраны при

посредстве медиатора передается на волокна слухового нерва в виде определенного числа импульсов,

частота следования которых ниже частоты звуковых волн (лабильность нервных волокон не превышает

800 – 1000 Гц). Частота воспринимаемых звуковых волн достигает 20 000 Гц. Таким способом

осуществляется пространственный тип кодирования высоты и частоты звуковых сигналов.

При действии тонов примерно до 800 Гц кроме пространственного кодирования происходит еще и

временное (частотное) кодирование, при котором информация передается также по определенным

волокнам слухового нерва, но в виде импульсов (залпов), частота следования которых повторяет

частоту звуковых колебаний. Отдельные нейроны на разных уровнях слуховой сенсорной системы

настроены на определенную частоту звука, т.е. каждый нейрон имеет свой специфический частотный

порог, свою определенную частоту звука, на которую реакция нейрона максимальна. Таким образом,

каждый нейрон из всей совокупности звуков воспринимает лишь определенные достаточно узкие

участки частотного диапазона, не совпадающие между собой, а совокупности нейронов воспринимают

весь частотный диапазон слышимых звуков, что и обеспечивает полноценное слуховое восприятие.

Правомерность этого положения подтверждается результатами протезирования слуха человека, когда

электроды вживлялись в слуховой нерв, а его волокна раздражались электрическими импульсами

разных частот, которые соответствовали звукосочетаниям определенных слов и фраз, обеспечивая

смысловое восприятие речи.

Первая теория была создана британским физиком Резерфордом в 1886 году. Он предположил, что: а) звуковая волна заставляет вибрировать всю базилярную мембрану и частота вибраций соответствует частоте звука; б) частота вибраций мембраны задает частоту нервных импульсов, передаваемых по слуховому нерву. Так, тон частотой 1000 герц заставляет базилярную мембрану вибрировать 1000 раз в секунду, в результате чего волокна слухового нерва разряжаются с частотой 1000 импульсов в секунду, а мозг интерпретирует это как определенную высоту. Поскольку в этой теории предполагается, что высота зависит от изменений звука во времени, ее назвали временной теорией (ее называют также частотной теорией).

Гипотеза Резерфорда вскоре встретилась с серьезными проблемами. Было доказано, что нервные волокна могут передавать не более 1000 импульсов в секунду, и тогда неясно, как человек воспринимает высоту тона с частотой более 1000 герц. Вивер (Weaver, 1949) предложил способ спасения временной теории. Он предположил, что частоты выше 1000 герц кодируются различными группами нервных волокон, каждая из которых активируется в несколько разном темпе. Если, например, одна группа нейронов выдает 1000 импульсов в секунду, а затем 1 миллисекунду спустя другая группа нейронов начинает выдавать 1000 импульсов в секунду, то комбинация импульсов этих двух групп даст 2000 импульсов в секунду. Эту версию временной теории подкрепило открытие, что паттерн нервных импульсов в слуховом нерве повторяет форму волны стимульного тона, несмотря на то, что отдельные клетки реагируют не на каждое колебание (Rose et al., 1967).

Однако способность нервных волокон отслеживать форму волны обрывается примерно на частоте 4000 герц; тем не менее мы можем слышать высоту звука, содержащего гораздо более высокие частоты. Отсюда следует, что должно существовать другое средство кодирования высотного качества звука, по крайней мере на высоких частотах.

Другая теория восприятия высоты звука относится к 1683 году, когда французский анатом Жозеф Гишар Дювернье предположил, что частота кодируется высотой звука механически, путем резонанса (Green & Wier, 1984). Чтобы разобраться в этом предположении, полезно сначала рассмотреть пример резонанса. Когда ударяют по камертону, который находится рядом с пианино, струна пианино, настроенная на частоту камертона, начинает колебаться. Если мы говорим, что ухо работает по тому же принципу, это значит, что в нем есть некая структура, сходная по конструкции со струнным инструментом, причем различные ее части настроены на различные частоты, так что когда на ухо предъявляется некоторая частота, соответствующая часть этой структуры начинает колебаться. Эта идея была в общем правильной: такой структурой оказалась базилярная мембрана.

Как именно колеблется базилярная мембрана, не было известно до 1940 года, когда Георг фон Бекеши измерил ее движения при помощи маленьких отверстий, просверленных в улитках морских свинок и человеческих трупов. Учитывая результаты Бекеши, потребовалось модифицировать теорию локальности; базилярная мембрана вела себя не как пианино с раздельными струнами, а как простыня, которую встряхнули за один конец. В частности, Бекеши показал, что при большинстве частот вся базилярная мембрана приходит в движение, но место наиболее интенсивного движения зависит от конкретной частоты звучания. Высокие частоты вызывают вибрацию в ближнем конце базилярной мембраны; по мере повышения частоты паттерн вибрации сдвигается к овальному окошечку (Bekesy, 1960). За это и другие исследования слуха Бекеши получил в 1961 году Нобелевскую премию.

Как и временные теории, теория локальности объясняет многие, но не все явления восприятия высоты звука. Основные затруднения у теории локальности связаны с тонами низких частот. При частотах ниже 50 герц все части базилярной мембраны вибрируют примерно одинаково. Это значит, что все рецепторы активируются в равной степени, из чего следует, что у нас нет способа различения частот ниже 50 герц. На самом же деле мы можем различать частоту всего в 20 герц.

Таким образом, теории локальности затрудняются объяснить восприятие низкочастотных звуков, а временные теории - восприятие высоких частот. Все это навело на мысль, что восприятие высоты звука определяется как временными паттернами, так и паттернами локализации, причем временная теория объясняет восприятие низких частот, а теория локальности - восприятие высоких частот. Ясно, однако, что там, где один механизм отступает, начинает преобладать другой. На самом деле не исключено, что частоты от 1000 до 5000 герц обслуживаются обоими механизмами (Coren, Ward & Enns, 1999).

Поскольку наши уши и глаза играют столь важную роль в нашей повседневной жизни, были предприняты значительные усилия, направленные на то, чтобы заменить их на искусственные у индивидуумов, страдающих неизлечимыми дефектами этих органов. Некоторые из этих усилий описаны в рубрике «На переднем крае психологических исследований».

56. Стадии сна. Ритмы ЭЭГ при различных стадиях сна. Виды сна. Потребность во сне в различные периоды онтогенеза. Нарушения сна.

Общая характеристика. Сон – это особая активность мозга, при которой выключено сознание и

механизмы поддержания естественной позы, снижена чувствительность анализаторов. Засыпанию

способствует ряд факторов: соблюдение режима сна, т.е. сон в одно и то же время (циркадианный

биоритм), утомление нервных клеток, ослабление активности анализаторов (закрытие глаз, тишина),

удобная поза. Человек может спать и во время шума (шум от автомобилей на улице, невыключенное

радио и т.д.). Следует, однако, помнить, что шум отрицательно влияет на сон, нарушая его глубину,

последовательность фаз и тем самым ухудшая общее самочувствие. Поэтому спальню нужно, насколько

это возможно, изолировать от внешних раздражителей.

Признаки сна: 1) снижение уровня сознания; 2) зевание; 3) понижение чувствительности

анализаторов; 4) урежение сердцебиений и дыхания, снижение секреторной деятельности желез

(слюнных – сухость слизистой рта, слезных – жжение глаз, слипание век).

Продолжительность сна взрослых 7 – 8 ч в сутки. Однако известны случаи, когда люди длительное

время спали значительно меньше и сохраняли высокую работоспособность. Например, Наполеон I и Т.

Эдисон спали по 2 ч. К настоящему времени известно, что люди, спящие 7 – 8 ч в сутки, живут дольше

других при прочих равных условиях. Продолжительность сна у детей зависит от возраста.

Новорожденный спит около 20 ч в сутки, в возрасте 6 мес -15 ч. Естественная потребность во сне с

годами уменьшается. К концу первого года жизни продолжительность сна сокращается до 13 ч в сутки.

Средняя продолжительность сна у детей 2-го года – 12 ч, 9 лет – 10 ч, 13 – 15 лет – 9 ч, 16 – 19 лет – 8 ч

Структура сна. Весь период сна делится на две фазы: медленный и быстрый сон. Сонное состояние

мозга характеризуется возникновением в ЭЭГ «сонных веретен» (12 – 16 колебаний в 1 с) и

синхронизированными крупными медленными волнами ЭЭГ в -диапазоне. Такая фаза сна получила

название медленноволнового (ортодоксального) сна. Это состояние мозга периодически в течение ночи

заменяется быстрой низкоамплитудной десинхронизированной активностью (до 30 колебаний в 1 с),

которая напоминает ЭЭГ человека и животных во время бодрствования. Так как при этом сон не

прерывается, а по некоторым показателям становится даже более глубоким, то эта фаза сна в отличие от

предыдущей получила наименование парадоксального (быстрого) сна. Смена быстрого и медленного

сна происходит через равные промежутки времени со средней длительностью около 90 мин (один

цикл). При этом на медленный сон приходится около 80%, на быстрый – 20 % от всего периода сна.

Одной из характерных черт быстрого сна является возникновение быстрых движений глаз, более

сильное снижение тонуса мышц. На этом фоне у животных возникают различные движения: усов, ушей,

хвоста, подергивания лап, лизательные и сосательные движения, учащается и становится нерегулярным

дыхание, возникает неритмичный и частый пульс, повышается артериальное давление, усиливается

гормональная активность. Весьма существенно, что при этом активность мотонейронов спинного мозга

резко заторможена. В период медленного сна наблюдается урежение дыхания, пульса, снижение

артериального давления, общие движения туловища. Лишение животных парадоксального сна делает

их возбудимыми, раздражительными.

Рис. 9.2. Классификация стадий сна (А – Е) у человека с учетом особенностей ЭЭГ (по Лумису и др.;

Клайтману и др.). Три нижние кривые представляют собой одновременную запись ЭЭГ, ЭОГ и ЭМГ

указательного пальца во время БДГ-сна (со сновидениями). Обычно его эпизоды возникают в конце каждогоцикла сна

Для оценки глубины сна обычно используют электроэнцефалограмму (ЭЭГ). По особенностям ЭЭГ,

исходя из общепринятых стандартных критериев, выделяют четыре или пять стадий медленного сна. В

состоянии расслабленного бодрствования преобладает -ритм с изменчивой амплитудой (рис. 9.2). В

стадии А сна -ритм постепенно исчезает, между его эпизодами появляются все более длительные

интервалы с очень маленькими -волнами. Это соответствует переходу от бодрствования ко сну

(дремота), она длится несколько минут, причем некоторые авторы относят стадию А сна к

бодрствованию. Для стадии В сна (засыпание и самый поверхностный сон) характерны -волны. В

конце стадии над прецентральной областью мозга можно записать высокоамплитудные «вертекс-

зубцы» длительностью 3 – 5 с, предвещающие наступление стадии С сна (поверхностный сон). После

их появления спящий человек уже не различает слабые внешние раздражители. Характерной

особенностью биоэлектрической активности мозга в этой фазе служат веретенообразные всплески -

ритма («сонные веретена») и К-комплексы. В cmадии D сна (умеренно глубокий сон) регистрируются

быстрые -волны частотой 3,0–3,5 Гц, а в стадии Е сна (глубокий сон) - медленные

(синхронизированные) колебания, представляющие собой почти исключительно крайне медленные -

волны (частотой 0,7 – 1,2 Гц), на которые эпизодически накладываются мелкие -волны.

Рис. 9.3. Соотношение сна и бодрствования, а также БДГ-фазы и медленноволнового сна в различные периодыжизни человека. (по H.P. Roffward и др., 1966)

Наиболее существенное изменение в раннем возрасте – уменьшение обшей длительности сна и значительное снижение в нем доли БДГ-фазы

Затем развивается фаза быстрого сна, характеризующаяся десинхронизацией ЭЭГ (как в стадии В)

и эпизодами быстрых движений глаз (БДГ), которые можно наблюдать со стороны через сомкнутые

веки спящего или записывать методами электроокулографии (см. кривую ЭОГ на рис. 9.2).

Соотношение стадий быстрого и медленного сна и изменения их соотношения в онтогенезе

представлены на рис. 9.3. Остальная мускулатура в фазу быстрого сна, как и во время медленного сна,

атонична, за исключением возникающих иногда судорожных сокращений мышц лица или пальцев (см.

ЭМГ на рис. 9.2), сопровождающихся возрастанием частоты дыхания и сужением сосудов пальцев.

Сновидения – возникающие во сне образные представления и воспринимаемые как реальная

действительность. Детям и взрослым гораздо легче вспомнить содержание только что увиденного сна,

если их разбудить во время БДГ-фазы или тотчас после ее окончания; проснувшись в фазе

медленноволнового сна, человек часто не помнит сновидений. Отмечается высокая частота

воспоминаний в первом случае (60 – 90%) и существенно более низкая, причем значительно

колеблющаяся (от 1 до 74%), во втором. В то же время в медленноволновом сне наблюдается разговор,

снохождение и ночные страхи у детей. По некоторым данным, в 64 % пробуждений от медленного сна

человек рассказывает о психических переживаниях. Причем они, скорее, напоминают не сновидения, а

мысли, рассуждения. Между переживаниями во сне в медленном и парадоксальном сне существуют

значительные различия. В медленном сне во время сновидений зрительные картины менее четки, менее

аффективны, менее длительны и более реальны. Обнаружено, что даже когда людей или животных в

течение длительного времени лишали БДГ-сна, а следовательно, и сновидений, вопреки

существовавшим ранее предположениям, никаких продолжительных физических или психических

расстройств у них не возникало.

Факторы, побуждающие сновидения. 1. Предшествующая сну деятельность (дети продолжают

«играть» во сне, исследователь ставит эксперименты и т.д.). Например, известному физиологу О. Леви

приснилась модель опыта, с помощью которого он открыл медиаторный механизм передачи влияний с

симпатического и парасимпатического нервов на сердце. Менделееву сновидение помогло создать свою

знаменитую таблицу химических элементов. 2. Раздражители, действующие на организм во время сна.

Так, если приложить горячую грелку к ногам, спящему человеку может присниться сон, что он идет по

раскаленному песку. 3. Избыточная импульсация от переполненных или больных внутренних органов

может вызывать кошмарные сновидения. 4. Биологические потребности могут вызвать

соответствующие сновидения, например в случае отклонения показателей гомеостазиса.

Н.И. Касаткин (1973) полагает, что сновидения в период быстрого сна выполняют роль «стража»,

сигнализирующего о внутренних опасностях, ибо в сновидениях могут быть предсказаны заболевания

на 1 – 3 мес раньше их появления. Сны носят преимущественно зрительный характер. У

слепорожденных зрительные образы в снах отсутствуют и преобладают осязательные. К настоящему

времени установлено, что нет людей, не видящих сны, которые возникают в среднем 4 – 6 раз в ночь.

Если пробуждение наступает в стадии быстрого сна, то 70 – 90% людей детально и достаточно

эмоционально рассказывают о своих сновидениях, а если в медленном – лишь 7 – 10%. Часть

сновидений связана с сексуальной жизнью. Такой характер сновидений (у молодых и холостых людей

или при длительном половом воздержании) сопровождается поллюциями. В среднем 70% женщин

также видят сексуальные сны, в период которых может возникать оргазм. Сексуальные мотивы во сне

возникают у девушек в период менструаций.

57. Состояние бодрствования.

Бодрствование – состояние психики, характеризующееся достаточно высоким уровнем электрической активности мозга, свойственным активному взаимодействию индивида с внешним миром. Бодрствование является тем фун­кциональным состоянием, на фоне которого разворачивается любая психическая деятельность. Значи­мость этого состояния для обеспече­ния эффективности деятельности при ее оптимальной физиологичес­кой стоимости чрезвычайно велика. Состояние бодрствования не являет­ся однородным. В нем выделяются активное бодрствование и спокойное бодрствование.

Одну из важнейших ролей в поддержании состояния бодрствования играет ретикулярная формация среднего мозга, от нейронов которой восходящие влияния идут к неспецифическим ядрам таламуса, а от них ко всем зонам коры больших полушарий. Бодрствование образует поле всевозможных сочетаний функций сознания – от состояния спокойного бодрствования через активное, напряженное бодрствование до выраженных аффектов.

В общих чертах схема нашей психики в состоянии бодрствования на основании данных объективной психологии выглядит следующим образом.

Природа раздражений, достигающих мозга, и вместе с тем восприятия имеют двойственный характер. Одни раздражения поступают в мозг от внутренних областей тела и обусловлены они разнообразными органическими процессами. Они возбуждают в мозгу различного рода органические впечатления, оставляющие в нем известные следы способные к оживлению.

Другой порядок раздражений проникает в мозг от воздействий, которые идут извне организма и влияют на мозг посредством, так называемых внешних воспринимающих органов. Они являются материальной основой внешних впечатлений, субъективным показателем которых служат ощущения. Часть внешних впечатлений и образуемых ими следов вступают в соотношение со сферой личности и становятся ее достоянием

Другие же внешние впечатления и их следы до поры, до времени оставаясь вне сферы личности, тем не менее, возбуждают те или другие внешние двигательные или иные реакции, которые в большинстве случаев не вступают в соотношение с личностью, - иначе говоря, остаются незамеченными нами. Сюда относится целый ряд психорефлекторных двигательных реакций, таких, как ходьба, мимические движения и множество других движений, которые принято считать автоматическими. Но с того момента, когда эти движения возбуждают реакцию сосредоточения, они уже вступают в соотношение со сферой личности и становятся в прямую от нее зависимость. Таким образом и бессознательная ассоциативная деятельность, вступая путем внутреннего сосредоточения в соотношение со сферой личности, становится как бы ее достоянием и становится от нее зависимой в том смысле, что может быть оживляема под влиянием личных потребностей

58. Механизмы регуляции сна и бодрствования.

Переход от бодрствования ко сну предполагает два возможных пути. Прежде всего не исключено,

что механизмы, поддерживающие состояние бодрствования, постепенно «утомляются». В соответствии

с такой точкой зрения сон - это пассивное явление, следствие снижения уровня бодрствования. Однако

не исключено и активное торможение механизмов, обеспечивающих бодрствование. И.П. Павлов

выделял два механизма развития сна, которые, по существу, подтверждают правомерность позиций

сторонников как пассивной, так и активной теории сна. С одной стороны, сон возникает как явления

охранительного торможения в результате сильного и длительного раздражения какого-либо

отдельного участка коры больших полушарий. С другой стороны, сон возникает как результат

внутреннего торможения, т.е. активного процесса формирования отрицательного условного

рефлекса. Важную роль в регуляции цикла сон – бодрствование играет ретикулярная формация ствола

мозга, где находится множество диффузно расположенных нейронов, аксоны которых идут почти ко

всем областям головного мозга, за исключением неокортекса. Роль РФ в цикле сон – бодрствование

была исследована в конце 1940-х годов учеными Г. Моруцци и Н. Мэгуном, обнаружившими, что

высокочастотное электрическое раздражение этой структуры у спящих кошек приводит к их

мгновенному пробуждению. И напротив, повреждения ретикулярной формации вызывают постоянный

сон, напоминающий кому; перерезка же только сенсорных трактов, проходящих через ствол мозга,

такого эффекта не дает. Наиболее ранними теориями сна были гуморальные. Фактор сна, лишенный

видовой специфичности, был выделен из ликвора коз, подвергнувшихся депривации сна. Согласно

сосудистой (циркуляторной или гемодинамической) теории сна, наступление сна связано со

снижением кровотока в мозге или с его усилением. Современные исследования показали, что в течение

сна действительно происходит колебание кровенаполнения мозга. Р. Лежандр и X. Пьерон (1910)

считали, что сон возникает в результате накопления токсических продуктов обмена вследствие

утомления (гипотоксины). Собакам долгое время не давали спать, а затем забивали, экстрагировали

вещества из мозга и вводили другим собакам. У последних развивались признаки крайнего утомления и

возникал глубокий сон. То же наблюдалось при «переносе» сыворотки крови или спинно-мозговой

жидкости.

В верхних отделах ствола мозга есть две области – ядра шва и голубое пятно, у нейронов которых

такие же обширные проекции, как и у нейронов ретикулярной формации, т.е. достигающие многих

областей ЦНС. Ядра шва захватывают срединную часть продолговатого мозга, моста и среднего мозга.

Разрушение их устраняет синхронизацию ЭЭГ и медленный сон. С помощью специальной методики

флуоресценции гистохимики показали, что нейроны ядер шва синтезируют серотонин и направляют

его через свои аксоны к ретикулярной формации, гипоталамусу, лимбической системе. Серотонин –

тормозной медиатор моноаминергической системы мозга. Блокада синтеза серотонина устраняет у

кошки медленный сон, у которой сохраняется лишь парадоксальный сон.

В среднем мозге (покрышка) обнаружено скопление нейронов, синтезирующих норадреналин

(голубое пятно). Стимуляция голубого пятна вызывает торможение нейронной активности во многих

структурах мозга при росте двигательного возбуждения животного и ЭЭГ-десинхронизации. Полагают,

что активирующее влияние голубого пятна осуществляется через механизм торможения тормозных

интернейронов. Ядра шва и голубое пятно действуют как антагонисты. Медиатором в клетках ядер

шва служит серотонин (5-гидрокситриптамин, 5-НТ), а голубого пятна – норадреналин. Разрушение

ядер шва у кошки приводит к полной бессоннице в течение нескольких дней; но за несколько

последующих недель сон нормализуется. Частичная бессонница может быть также вызвана

подавлением синтеза 5-НТ п-хлорфенилаланином. Ее можно устранить введением 5-

гидрокситриптофана, предшественника серотонина (последний не проникает через гематоэн-

цефалический барьер). Двустороннее разрушение голубого пятна приводит к полному исчезновению

БДГ-фаз, не влияя на медленноволновый сон. Истощение запасов серотонина и норадреналина под

влиянием резерпина вызывает, как и следовало ожидать, бессонницу. Однако оказалось, что нейроны

ядер шва наиболее активны и выделяют максимум серотонина не во время сна, а при бодрствовании.

Кроме того, возникновение БДГ, по-видимому, обусловлено активностью нейронов не столько голубого

пятна, сколько более диффузного подголубого ядра. Судя по результатам недавних экспериментов,

серотонин служит и медиатором в процессе пробуждения, и «гормоном сна» в бодрствующем

состоянии, стимулируя синтез или высвобождение «веществ сна» (факторов сна), которые в свою

очередь вызывают сон. Структуры таламуса выполняют функцию «пейсмекера» для вызова

ритмических потенциалов веретен во сне и -ритма в бодрствовании. Таламокортикальный механизм

можно рассматривать как механизм внутреннего торможения, способного изменять активность мозга

частично или глобально таким образом, что сенсорные, моторные и высшие функции мозга

подавляются.

Структуры, ответственные за медленный сон, находятся в каудальной части мозгового ствола,

главным образом – в продолговатом мозге. Наличие сходных гипногенных структур было установлено

также и в задней части моста. Двигательные и ЭЭГ-проявления фазы парадоксального сна связаны с

активацией структур в области моста. Эта фаза сна сокращается при эмоциональном стрессе, при этом

удлиняется период засыпания.

Рядом с голубым пятном имеется группа гигантских ретикулярных нейронов, которые направляют

свои аксоны вверх и вниз к различным структурам мозга. В бодрствовании и медленном сне эти

нейроны малоактивны, но их активность весьма высока во время парадоксального сна.

Были сделаны попытки обнаружить особые вещества либо после длительного лишения сна, либо у

спящего человека. Первый из этих подходов основан на предположении о том, что фактор(ы) сна во

время бодрствования накапливаются до вызывающего сон уровня, а второй – на гипотезе, согласно

которой они образуются или выделяются во сне.

Оба подхода дали определенные результаты. Так, при проверке первой гипотезы из мочи и

спинномозговой жидкости человека и животных был выделен небольшой глюкопептид – фактор S,

вызывающий медленноволновый сон при введении другим животным. Существует, по-видимому, и

фактор сна с БДГ. Второй подход привел к открытию индуцирующего глубокий сон нонапептида (в

настоящее время он уже синтезирован), так называемого пептида -сна (SIP, delta-sleep inducing

peptide). Однако пока неизвестно, играют ли эти и многие другие «вещества сна», обнаруженные при

проверке обеих гипотез, какую-либо роль в его физиологической регуляции. Более того, выделенные

пептиды часто вызывают сон лишь у животных определенного вида; кроме того, он возникает и под

действием других веществ.

Однако сросшиеся девочки-близнецы могли спать порознь, что свидетельствует о второстепенной

роли гуморальных факторов и решающей роли в развитии сна нервной системы.

Развивается представление о том, что цикл бодрствование – сон обеспечивается системой двух

центров. К. Экономо на основе клинических наблюдений больных с повреждениями различных

участков гипоталамуса предположил, что центр бодрствования локализован в заднем, а центр сна – в

его передних отделах. С. Рэнсон, производя локальные повреждения различных участков гипоталамуса,

подтвердил это мнение. В настоящее время считают, что гипоталамус является критической зоной для

регулирования цикла бодрствование – сон. Это мнение подтверждается и тем, что как высокочастотное,

так и низкочастотное электрическое раздражение преоптической области гипоталамуса вызывает

синхронизацию электроэнцефалограммы и поведенческий сон. Противоположный эффект, а именно

поведенческое и электроэнцефалографическое пробуждение Т.Н. Ониани наблюдал при раздражении

заднего гипоталамуса. Это позволяет предположить наличие реципрокного взаимоотношения между

передней и задней областями гипоталамуса и его значение для регуляции чередования различных фаз

цикла бодрствование – сон. По данным Т.Н. Ониани, в цикле бодрствование – сон мультинейронная

активность ретикулярной формации.