Физика звука - звуковая симптоматика приобретенных пороков сердца

Колебания и волны. Понимание физической характеристики тонов и шумов сердца невозможно без ознакомления с основами физики звука.
Звук представляет собой колебательное, волновое движение. Звуковые волны возникают и распространяются в самых разнообразных средах: воздухе, жидкостях, твердых телах и тканях живого организма.
- Примером простого колебательного движения может служить качание маятника. Если отклонить его из положения равновесия, то под влиянием силы тяжести он будет с возрастающей скоростью двигаться обратно к положению равновесия. В точке равновесия маятник разовьет максимальную скорость и, хотя сила тяжести уже не будет оказывать влияния, он по инерции продолжит свое движение. Теперь сила тяжести оказывает
уже тормозящее влияние. Достигнув крайней точки, маятник остановится, но тут же под действием силы тяжести возобновит обратное движение (рис. 1). Такие колебания маятника называются собственными, или свободными.


Рис. 1. Колебания маятника.
/ — положение равновесия- 2, 3 — крайние точки отклонения.
Процесс колебания маятника может быть представлен и как переход потенциальной энергии (маятник в положении крайнего отклонения) в кинетическую (маятник в движении) и кинетической энергии в потенциальную.
Естественно, что в условиях опыта маятник, предоставленный сам себе, в конце концов остановится вследствие сопротивления воздуха и трения в подвесе.
На примере колебания маятника могут быть определены основные величины, характеризующие любое колебательное движение.
Размах колебаний маятника, его наибольшее отклонение от положения равновесия, называется амплитудой колебания (А). Время, за которое маятник совершит одно полное колебание, или время между двумя последовательными прохождениями тела через положение равновесия в одном и том же направлении называется периодом колебания (Т). Число полных колебаний маятника за 1 секунду есть частота колебаний (f).

Период и частота для любого процесса колебании связаны между собой соотношением:

Например, если продолжительность одного периода равна V50 секунды, то за 1 секунду колебание повторится 50 раз,, т. е. частота колебаний будет 50 периодов в секунду.

Рис. 2. Запись колебаний маятника.
За единицу частоты принимают одно колебание в секунду. Эта единица получила название «герц» (Гц).
Графическая регистрация колебания маятника может быть осуществлена следующим образом. На маятнике укрепляется писчик, под которым с равномерной скоростью движется лента (рис. 2). Таким образом, процесс колебания будет записан в виде кривой. Кривая позволяет судить о форме колебания, измерить его амплитуду и, если известна скорость движения ленты, установить период и частоту колебания (рис. 3).
Приведенная кривая носит название синусоиды. Синусоидальные колебания представляют собой наиболее простой вид колебаний, они называются также гармоническими.
Как мы указывали выше, в условиях опыта амплитуда колебаний постепенно уменьшается и колебание в конце концов прекращается — маятник останавливается.
Такое колебание называется затухающим. Кривая затухающего колебания показана на рис. 4.

Рис. 3. Синусоида колебания.
Г—период колебания, а —амплитуда.

Рис. 4. Кривая затухающего колебания.
Сравнивая незатухающее (гармоническое, свободное) и затухающее колебания, мы видим, что последнее не представляет собой периодического процесса, так как при нем состояние движения не будет в точности повторяться (например, максимальное отклонение маятника уже не повторится). Однако для характеристики затухающего колебания пользуются теми же понятиями, что и для характеристики незатухающего.
Следует различать колебания с медленным и быстрым затуханием (рис. 5).
В природе, в технике все колебания вследствие трения являются затухающими. Однако в природе и технике распространен и иной тип колебаний, когда на колеблющееся тело действуют внешние периодически изменяющиеся силы. Если подвесить какое-нибудь тело и раскачивать его, действуя на него силой, величина и направление которой периодически меняются, то в этом

Случае тело будет совершать колебания не Самостоятельно, не свободно, а под действием этой хилы. Такие, колебания называются вынужденными в отличие от описанных нами выше свободных колебаний. Вынужденные колебания тела могут происходить с любой частотой, которая определяется частотой изменений внешней силы.
Колебания изолированного маятника, рассмотренные нами выше, определяются свойствами самого маятника.

Рис, 5. Кривая медленного (слева) и быстрого (справа) затухания.
Иначе обстоит дело, если колебание происходит в системе связанных между собой упругой связью маятников. Колебательное движение от одного маятника к другому передается не мгновенно. Каждый последующий маятник благодаря инерции приходит в движение постепенно. Следовательно, колебательное движение передается от одного маятника к другому с определенной скоростью, которая зависит от силы упругой связи и инерции маятников. Эта скорость тем больше, чем больше упругость и меньше масса маятников.
Описанное колебательное движение называется волновым.
В действительности изолированных колебаний одного тела не существует. В какой бы среде ни находилось колеблющееся тело, оно вызывает колебание окружающей среды, что ведет к образованию и распространению волн.
Звук представляет собой волновое колебательное движение, которое распространяется в той или иной среде. Например, звуки разговорной речи обязаны своему происхождению колебаниям голосовых связок и распространению звуковых волн по воздуху. Звуки сердца (тоны и шумы) есть результат колебаний различных анатомических структур (клапанов, хорд) и крови. Звуковая волна при этом распространяется по прилегающим тканям и достигает поверхности грудной клетки.
Сила звука. Если частота колебаний, как это было сказано выше, определяется числом колебаний в единицу времени, то сила колебания зависит от величины амплитуды колебаний. Чем больше амплитуда, тем сильнее звук. Отсюда ясно, что звуковая волна, распространяясь, несет с собой определенную энергию в направлении своего движения. Звук слышен благодаря переносу звуковой волной энергии источника звукового колебания.
Сила, или интенсивность, звука измеряется количеством энергии, переносимой звуковой волной за 1 секунду через площадку в 1 см2.
Диапазон изменений силы звука огромен. Самые слабые звуки, воспринимаемые нашим ухом, имеют интенсивность 1СН6 вт/см21. Сила же самых интенсивных звуков равна 10-2 вт/см2. Таким образом, разница между самыми слабыми и самыми сильными звуками составляет Ш14 (!).
Чтобы избежать таких громадных цифр, в акустике пользуются логарифмическими масштабами и вводят понятие децибела (дб).
Если принять минимальную интенсивность различимого человеком тона в 2000 Гц, к которой наше ухо наиболее чувствительно, за единицу, а все более громкие звуки выражать в десятичных логарифмах отношения к этой единице, то мы получим ряд простых чисел от 0 до 14 (!g 1=0- lg 1014= 14).
Эти числа называются белами. Для удобства каждый бел делится на 10 частей — децибел. Таким образом, децибел есть 0,1 десятичного логарифма отношения двух интенсивностей. Количество децибел выражается формулой:
где 10 — сила звука, принятая за единицу, а I1 — сила
измеряемого звука.
вт — ватт.                                   .................. ..............................................
Пользование шкалой децибелов позволяет весь огромный диапазон интенсивностей звука уложить в 140 единиц (положительных и отрицательных).
Соотношение между децибелами и ваттами на 1 см2 следующее:

Кроме интенсивности звука — объективного физического фактора, существует также физиологическое понятие субъективной громкости звука. Последняя связана

Рис. 6. Сложение двух волн (Л и В) и образование результирующей волны (С).
с особенностями восприятия звуков слуховым анализатором (подробнее об этом см. в главе II).
Сложные звуки. При записи чистого звукового тона определенной частоты образуется простейшая синусоидальная кривая колебаний. Однако кривые распространяющихся в воздухе (и других средах) звуковых волн имеют более сложную форму, а у таких звуков, как шум, они вообще не имеют устойчивой формы.
При образовании сложных звуков происходит сложение волн с разными частотами и амплитудами- результирующая волна имеет сложный вид (рис. 6). Через определенный промежуток времени кривая повторяется, т. е. при сложении двух синусоидальных колебаний получается периодическое колебание, но более сложной формы. Сложение большего числа колебаний с кратным отношением частот (1:2:3:4...) и разными амплитудами даст новые сложные формы результирующих колебаний, но всякий раз это будут периодические колебания.
Всякое сложное периодическое колебание, таким образом, есть сумма гармонических колебаний.
На основе теоремы Фурье любое сложное периодическое колебание может быть представлено суммой синусоидальных колебаний, включающей основную частоту и ряд последующих кратных частот, или гармоник (обертонов).
Такое представление сложного колебания называется его спектральным разложением.
Непериодические процессы, например звук выстрела, также можно представить суммой гармонических колебаний и соответствующим этой сумме спектром частот. Однако эта сумма и спектр будут существенно отличаться от спектрального представления периодических процессов. Если последние имеют линейчатый спектр, так как частоты составляют целое кратное от основной частоты, то при непериодическом колебании линии спектра настолько сближаются, что разделить их невозможно и получается сплошной спектр (рис. 7).
Классификация звуков. По форме и характеру звуковой волны принято различать три вида звуков.

1. Звуковые удары. Возникают при выстреле, взрыве, ударе каких-либо тяжелых тел и т. п. Ударная волна, соответствующая этим звукам, представляет собой единичную волну.
2. Музыкальные звуки, или тоны. Вызываются периодическими колебаниями источника звука. Они состоят из ряда непрерывно следующих волн одинаковой длины и формы. Таковы звуки, издаваемые музыкальными инструментами, певцами.

Музыкальные звуки (тоны) характеризуются не только силой и высотой, но и тембром.

Колебаниям разной частоты соответствует ощущение разной высоты тонов. Чем оольше частота колебаний, тем выше тон, чем меньше — тем тон ниже.
Известно, что звуки одной и той же высоты, воспроизведенные на различных инструментах (скрипке, кларнете, рояле), певцом или певицей, будут отличаться друг

Рис. 7.
а — колебания и линейчатый спектр периодического процесса- б — колебания и сплошной спектр непериодического процесса (по В. А. Красильникову).
от друга особой «окраской», мягкостью или резкостью, меньшей или большей выразительностью. Это качество звука, его своеобразная «окраска», и называется тембром.
Простой, чистый тон дает синусоидальную волну. Всякий сложный музыкальный звук состоит из ряда простых тонов с кратным отношением частот, с основным тоном и обертонами (как это уже говорилось выше). В музыке мы имеем дело, таким образом, со сложными звуками, богатыми обертонами. Тембр звука тем полнее и разнообразнее, чем больше к. основному тону примешивается обертонов различной силы.

1. Шумы. Представляют собой последовательные непериодические удары. Таковы, например, шум ветра в листьях деревьев, лязг железа, скрип и т. п.

В шумах нельзя выделить основного тона и обертонов- следовательно, шумы не имеют тембра.
Источниками звуков особенно легко становятся тела, обладающие большой упругостью, например натянутая стальная струна, зажатая одним концом стальная пластинка, колокольчик и т. п. Источником звука могут быть жидкие тела и газы. Так, например, нередко «поет» вода в трубах, «гудит» воздух в дымоходе. На принципе колеблющегося столба воздуха устроены духовые инструменты и орган.
Анализ звука. Не будем останавливаться на ряде «старых» методов анализа звука. В настоящее время анализ звука может быть осуществлен двумя основными путями: физическим, с применением специальных приборов-анализаторов, и графоаналитическим, с применением математического анализа на основе теоремы Фурье (гармонический анализ).
Физические методы исследования звука основаны на замене непосредственного анализа звука анализом электрических колебаний. При этом звук, воспринимаемый микрофоном, преобразуется в электрические колебания, которые усиливаются. Разумеется, микрофон и усилитель не должны вносить искажений.
Для проведения анализа электрических колебаний используются специальные приборы — анализаторы, принцип устройства которых будет изложен ниже.
В этой связи нам хотелось бы привести высказывание А.           А. Харкевича: «Дело в том, что современная тенденция в области техники состоит в том, что все виды измерений сводятся по возможности к электрическим. Эта тенденция оправдана, во-первых, наличием громадного ассортимента первоклассных по точности и чрезвычайно чувствительных приборов, а во-вторых, специфической гибкостью измерений. Не вдаваясь в технические подробности, отметим лишь возможность отнесения измерительного прибора на любое расстояние от объекта измерения, а также то, что электрические измерения позволяют выполнять -измерение быстро меняющихся величин. Для этого существуют электромеханические осциллографы, а для особо быстрых процессов — электронные».
Изучение спектра звука, или его частотного состава (характеристики), а также распределения энергии (интенсивности) по частотам может быть осуществлено с помощью звукового спектрометра. Сигнал в виде электрических колебаний, возникающих в микрофоне при воздействии на него звука, поступает в спектрометр, где усиливается и проходит через систему фильтров, пропускающих строго ограниченную полосу частот.
«Показания» фильтров собираются коммутатором и подаются на экран электронно-лучевой трубки.
Время, необходимое для сбора «показаний» фильтров, определяет время анализа прибора.
Способность разделения двух ближайших друг к другу спектральных линий (частот)определяет разрешающую способность анализатора.
Чем больше разрешающая способность анализатора (больше фильтров), тем больше время, необходимое для сбора «показаний» фильтров, тем, следовательно, больше время анализа.
Описанный выше метод звуковой спектрометрии пригоден только для периодически повторяющихся процессов. Если процесс однократный, то его можно превратить в периодический. Для этого записывают его одним из методов звукозаписи и размножают, а затем тем или иным способом соединяют все записи. При воспроизведении процесс, таким образом, становится периодическим .