§ 11. ДОСЛІДЖУЄМО, ЯК СПРИЙМАЄ ЗВУК ЛЮДИНА

• Назад до змісту довідника

ДОСЛІДЖУЙ

Візьми кілька скляних бокалів і наповни їх різною кількістю води (мал. 11.1). Проведи вологим пальцем по краю кожного бокала. Від цього бокали починають коливатися і видавати різні звуки. Скільки води в бокалі, який видає найвищий звук?

Найвищий звук видає бокал, у якому налито найменше води.

Система «бокал + вода» з меншою кількістю води має меншу загальну масу. Менша маса коливається з більшою власною частотою, а чим вищою є частота коливань, тим вищим за тоном сприймається звук.

ДУМАЙ

1. Назви акустичні та фізіологічні характеристики звуку.

Акустичними (фізичними) характеристиками звуку є частота коливань, амплітуда коливань, інтенсивність (сила звуку) та гармонічний спектр (наявність обертонів).

Фізіологічними характеристиками звуку, які визначають його сприйняття слуховим апаратом людини, є:

• висота звуку (визначається частотою коливань);
• гучність звуку (визначається амплітудою коливань та інтенсивністю звукової хвилі);
• тембр звуку (визначається формою звукової хвилі та набором обертонів).

2. Поясни, чим відрізняється звук 40 дБ від 80 дБ.

Звук рівнем $80\text{ дБ}$ перевищує звук рівнем $40\text{ дБ}$ на $40\text{ дБ}$.

Шкала децибелів є логарифмічною: зростання рівня звуку на кожні $10\text{ дБ}$ відповідає десятикратному зростанню інтенсивності хвилі. Різниця у $40\text{ дБ}$ означає, що фізична інтенсивність (густина потоку енергії) звуку $80\text{ дБ}$ перевищує інтенсивність звуку $40\text{ дБ}$ у $10^4$ разів, тобто в $10\,000$ разів. За суб’єктивним сприйняттям людиною звук $80\text{ дБ}$ (інтенсивний вуличний рух) сприймається приблизно в 16 разів гучнішим за звук $40\text{ дБ}$ (тиха розмова), адже фізіологічне відчуття подвоюється приблизно кожні $10\text{ дБ}$.

3. Джміль під час польоту «гуде» гучніше, ніж бджола. Хто з комах частіше змахує крилами?

Частіше змахує крилами бджола.

Висота тону визначається частотою коливань джерела. Бджола під час польоту видає значно вищий за тоном звук (дзижчання), ніж низьке гудіння джмеля. Це означає, що крила бджоли здійснюють більшу кількість коливань за одну секунду, ніж масивніші крила джмеля.

4. Чому людина сприймає звуки однакової амплітуди, але різних частот як звуки різної гучності?

Людське вухо має неоднакову чутливість до різних частот звукового спектра.

Органи слуху найбільш чутливі до звуків середнього діапазону від $1000\text{ Гц}$ до $4000\text{ Гц}$. Звукові коливання тієї самої амплітуди на низьких частотах (до $100\text{ Гц}$) або на дуже високих частотах (понад $10\,000\text{ Гц}$) вухо сприймає як значно тихіші, тому що поріг чутності для цих меж є суттєво вищим.

5. Чи буде відрізнятися звучання симфонічного оркестру в концертному залі й на відкритому просторі? Поясни.

Звучання симфонічного оркестру буде суттєво відрізнятися.

У залі звукові хвилі відбиваються від стін, стелі й підлоги, завдяки чому виникає акустичний резонанс та явище реверберації. Це підсилює гучність, додає звуку об’єму, тривалості та барвистості тембру. На відкритому просторі звукові хвилі вільно розсіюються на всі боки без відбиття, через що музика звучить тихо, сухо та втрачає багатство обертонів.

6. Що таке акустичний резонанс? Наведи приклади застосування акустичного резонансу.

Акустичний резонанс — це явище різкого зростання амплітуди вимушених коливань коливальної системи, коли частота зовнішньої звукової хвилі збігається з її власною частотою коливань.

Приклади застосування акустичного резонансу:

• порожнисті корпуси (деки) музичних інструментів — гітари, скрипки, віолончелі, які резонують із коливаннями струн і багаторазово підсилюють звук;
• резонансні дерев’яні ящики, на яких кріплять камертони для отримання чистого й гучного еталонного тону;
• резонаторні порожнини голосового апарату людини (гортань, порожнина рота і носа), які підсилюють звук голосових зв’язок і створюють індивідуальний тембр мовлення.

ДІЙ

1. Виконай вимірювання (у класі або вдома). Для цього завантаж додаток для вимірювання шуму (наприклад, Decibel X, Sound Meter, NIOSH Sound Level Meter). Проведи вимірювання рівня звуку в різних місцях. Занеси дані в таблицю.

• Зроби висновки: де рівень звуку перевищує безпечні норми (60–70 дБ для постійного впливу).

Рівень звуку перевищує санітарну норму ($60\text{–}70\text{ дБ}$) у шкільному коридорі під час перерви ($78\text{ дБ}$) та вздовж жвавої автомагістралі ($72\text{ дБ}$). Тривале перебування в таких зонах перевтомлює нервову систему й погіршує слух.

• Запропонуй 3–5 ідей для зменшення шуму.

1. Використовувати протишумні навушники або беруші під час роботи з гучними інструментами та ремонту.
2. Встановлювати шумозахисні екрани вздовж автодоріг і висаджувати зелені насадження (дерева й чагарники поглинають шум).
3. Облаштовувати житло шумопоглинальними панелями та сучасними двокамерними склопакетами.
4. Обмежувати гучність звуку в персональних навушниках до рівня не більше $60\,\%$ від максимуму.

2. Для діагностики гостроти слуху використовують дослідження — аудіограму. Вона являє собою графік, де на горизонтальній осі відображено частоти. Вертикальна вісь аудіограми визначає поріг чутливості — найтихіший звук, який людина може чути на відповідній частоті. Якщо слух гарний, то аудіограма вийде плоскою та буде розміщена на рівні 20 дБ. На мал. 11.7 представлено результат деякого дослідження. Проаналізуй аудіограму.

• Який поріг чутливості для повітряної провідності при частоті 2000 Гц?

За графіком на малюнку 11.7 поріг чутливості для повітряної провідності (червона лінія з кружечками) на частоті $2000\text{ Гц}$ становить $30\text{ дБ}$.

• Яке значення має поріг кісткової провідності при 4000 Гц?

За графіком поріг кісткової провідності (синя лінія з кружечками) на частоті $4000\text{ Гц}$ дорівнює $50\text{ дБ}$.

• На якій частоті різниця між повітряною та кістковою провідністю найбільша?

Найбільша розбіжність між кривими спостерігається на частоті $2000\text{ Гц}$ (де повітряна становить $30\text{ дБ}$, а кісткова досягає $70\text{ дБ}$), а також у діапазоні низьких частот $125\text{–}1000\text{ Гц}$ ($10\text{ дБ}$ проти $50\text{ дБ}$).

• Якою є ця різниця в децибелах?

Ця різниця становить:
$70\text{ дБ} - 30\text{ дБ} = 40\text{ дБ}$

• На яких частотах повітряна та кісткова провідність майже однакові?

Криві максимально зближуються на частоті $8000\text{ Гц}$ (значення становлять $20\text{ дБ}$ і $40\text{ дБ}$, різниця скорочується до мінімальних $20\text{ дБ}$).

• Опиши, як змінюється поріг повітряної провідності в діапазоні від 250 до 8000 Гц.

У діапазоні від $250\text{ Гц}$ до $1000\text{ Гц}$ поріг тримається на стабільному рівні $10\text{ дБ}$. На частоті $2000\text{ Гц}$ поріг тимчасово підвищується до $30\text{ дБ}$, після чого на частотах $4000\text{ Гц}$ та $8000\text{ Гц}$ повертається до позначки $20\text{ дБ}$.

• Опиши, як змінюється кісткова провідність у цьому ж діапазоні.

У діапазоні $250\text{–}1000\text{ Гц}$ кісткова провідність перебуває на рівні $50\text{ дБ}$. На частоті $2000\text{ Гц}$ поріг погіршується до максимуму $70\text{ дБ}$, а потім на частотах $4000\text{ Гц}$ і $8000\text{ Гц}$ поступово спадає до $50\text{ дБ}$ і $40\text{ дБ}$.

• Зроби висновок: який тип слухового порушення показує ця аудіограма — кондуктивне (передавання звуку) чи сенсоневральне (сприйняття звуку).

Наявність відчутного розриву між графіками (кістково-повітряного інтервалу понад $15\text{–}20\text{ дБ}$) вказує на кондуктивне порушення слуху (порушення механічного передавання звуку через зовнішнє або середнє вухо), за якого показники сприйняття через повітря й через кістку суттєво відрізняються.

• Уяви, що пацієнту потрібно дібрати слуховий апарат. На якій частоті апарат повинен найбільше посилювати звук? Чому саме на цій частоті?

Слуховий апарат повинен найбільше підсилювати звук на частоті $2000\text{ Гц}$. На цій частоті графік демонструє найбільшу втрату слуху (найвищий поріг чутності до $70\text{ дБ}$), тому пацієнт потребує максимальної апаратної корекції саме в цьому частотному діапазоні.

• Спроєктуй установку для отримання аудіограми. Скористайся будь-яким джерелом звуку й мобільним застосунком із визначення гучності та частоти звуку.

Схема установки містить три елементи: джерело тону (генератор частот у смартфоні), навушники закритого типу та шумомір для контролю гучності сигналу. Дослідник одягає навушники, а експериментатор подає звукові сигнали частотою від $125\text{ Гц}$ до $8000\text{ Гц}$, фіксуючи мінімальний рівень гучності у децибелах, за якого пацієнт починає чути звук.

3. Виконай завдання за симуляцією 11.2.

Під час роботи з інтерактивною симуляцією акустичних явищ встановлено такі фізичні закономірності:

1. Збільшення амплітуди звукової хвилі викликає зростання сили тиску на барабанну перетинку і сприймається як підвищення гучності.
2. Збільшення частоти джерела призводить до зменшення довжини хвилі та частіших коливань середовища, що сприймається як звук вищого тону.
3. Коли частота зовнішнього збудження збігається з власною резонансною частотою слухового каналу, амплітуда коливань різко зростає через акустичний резонанс.

ВИКОНАЙ ДОСЛІДЖЕННЯ

1. Обгорни паперовий стаканчик канцелярською резинкою. Розтягуй і відпускай резинку з різних боків стаканчика. Поясни, чому змінюється звучання.

Звучання змінюється внаслідок зміни сили натягу та довжини вільної ділянки резинки.

Сильніший натяг збільшує пружну силу і підвищує частоту власних коливань, через що звук стає вищим. Ослаблення натягу або коливання довшої ділянки зменшує частоту коливань, і звук стає нижчим. Сам паперовий стаканчик працює як порожнистий резонатор: він підхоплює коливання резинки, передає їх об’єму повітря всередині та значно підсилює гучність звуку.

2. Спробуй «побачити» звук. Накрий чашку плівкою та насип на неї трохи пшона (мал. 11.8). Увімкни мелодію на смартфоні та піднеси його до чашки. Збільшуй гучність звуку й спостерігай, що відбуватиметься.

При збільшенні гучності зерна пшона починають підстрибувати та хаотично рухатися по натягнутій плівці.

Звукова хвиля від динаміка є механічною хвилею і переносить коливальну енергію в повітрі. Досягаючи тонкої плівки, хвиля викликає її вимушені коливання. Зі зростанням гучності зростає амплітуда хвилі та кількість енергії, яка передається мембрані, що призводить до інтенсивніших підскоків крупинок.

3. Досліди власне сприйняття звуку. Тобі знадобиться мотузка довжиною близько 1 м, лінійка або рулетка, вата. Обкрути мотузку навколо голови так, щоб вона проходила по вухах, а її кінці зійшлися перед очима (мал. 11.9). Смикни пальцем мотузку, ніби струну. Чуєш звук? Який він? Натягни мотузку сильніше. Як змінюється звук? Посмикай мотузку на різних відстанях. Як це впливає на гучність звуку? Затули вуха ватою. Повтори попередні дії. Як змінилися рівень гучності та висота звуку? Занотуй результати дослідження. Зроби висновок, у якому зазнач, від чого залежать вібрація нитки та гучність звуку. Яка провідність звуку — в тілі людини чи в повітрі — є кращою? Чому?

Під час щипка мотузки чути глухий низький звук. При сильнішому натягу нитки звук стає помітно вищим за тоном. Зменшення відстані від точки щипка до вуха робить звук значно гучнішим. Коли вуха затулені ватою, звук не зникає: він залишається добре чутним і відчувається всередині голови, хоча його висота не змінюється.

Занотовані результати спостережень:

• Звичайний натяг: низький глухий тон.
• Сильний натяг: підвищення частоти й висоти звуку.
• Наближення точки щипка до вуха: збільшення гучності.
• Вуха з ватою: збереження високої чутності через кістки черепа.

Висновок:
Частота вібрації нитки залежить від сили її натягу та довжини коливної ділянки, а гучність залежить від амплітуди коливань та відстані до органу слуху. Провідність звуку в тілі людини (кісткова провідність) є кращою за повітряну провідність, оскільки тверді кісткові тканини мають більшу пружність і густину, ніж повітря, тому коливання поширюються в них із меншим загасанням.

4. Перевір ефект Доплера.

• Об’єднайтесь у пари. Виконайте дослідження практично. Вам знадобиться смартфон із додатком-генератором тону (наприклад, «Tone Generator» або подібний, де можна вибрати фіксовану частоту, бажано 500–1000 Гц).
Один учень / одна учениця (спостерігач / спостерігачка) стоїть нерухомо в певному місці. Інший учень / інша учениця (експериментатор / експериментаторка) тримає увімкнений смартфон з тоном і починає швидко, але безпечно бігти прямо до спостерігача, а потім пробігає повз нього і віддаляється. Завдання для спостерігача: уважно слухайте звук. Опишіть, як змінюється висота тону смартфона під час його наближення, проходження повз і віддалення.

Під час швидкого наближення смартфона з увімкненим генератором тону спостерігач чує звук більш високої частоти, ніж встановлена на приладі. У момент пробігання поруч висота тону збігається зі справжньою. Коли експериментатор віддаляється, висота звуку помітно падає і тон стає нижчим.

• Виконайте дослідження теоретично. Сирена машини швидкої допомоги має частоту $\nu_0 = 700\text{ Гц}$. Вона рухається до нерухомого спостерігача зі швидкістю $30\text{ м/с}$. Швидкість звуку в повітрі — $340\text{ м/с}$. Обчисліть, яку частоту чує спостерігач, коли машина: а) наближається; б) віддаляється. Зробіть висновок: як зміна швидкості авто впливає на сприйняту частоту.

Дано:

• $\nu_0 = 700\text{ Гц}$
• $v_{\text{дж}} = 30\text{ м/с}$
• $v = 340\text{ м/с}$
• $v_{\text{сп}} = 0\text{ м/с}$

Знайти:

• $\nu_1 - ?$ (машина наближається)
• $\nu_2 - ?$ (машина віддаляється)

Розв’язання:
Загальна формула ефекту Доплера:
$\nu = \nu_0 \cdot \dfrac{v \pm v_{\text{сп}}}{v \mp v_{\text{дж}}}$

Оскільки спостерігач нерухомий ($v_{\text{сп}} = 0\text{ м/с}$):
а) коли джерело звуку наближається, знаменник зменшується:
$\nu_1 = \nu_0 \cdot \dfrac{v}{v - v_{\text{дж}}}$
$\nu_1 = 700\text{ Гц} \cdot \dfrac{340\text{ м/с}}{340\text{ м/с} - 30\text{ м/с}} = 700 \cdot \dfrac{340}{310}\text{ Гц} = \dfrac{23800}{31}\text{ Гц} \approx 767{,}74\text{ Гц}$

б) коли джерело звуку віддаляється, знаменник збільшується:
$\nu_2 = \nu_0 \cdot \dfrac{v}{v + v_{\text{дж}}}$
$\nu_2 = 700\text{ Гц} \cdot \dfrac{340\text{ м/с}}{340\text{ м/с} + 30\text{ м/с}} = 700 \cdot \dfrac{340}{370}\text{ Гц} = \dfrac{23800}{37}\text{ Гц} \approx 643{,}24\text{ Гц}$

Відповідь: а) $\nu_1 \approx 767{,}74\text{ Гц}$; б) $\nu_2 \approx 643{,}24\text{ Гц}$. Збільшення швидкості авто при русі назустріч збільшує сприйняту частоту звуку, а при русі від спостерігача — зменшує її.

ОПРАЦЮЙ ІНФОРМАЦІЮ

1. Підготуй інформаційний проєкт на одну із запропонованих тем або самостійно обери тему: 1. Звуки живої природи. 2. Як захистити свій слух від набутих вад. 3. Вади слуху.

Обрано тему 2: «Як захистити свій слух від набутих вад»

Слух забезпечує орієнтацію в просторі та можливість спілкування. Сучасні жителі міст щодня стикаються зі шкідливим шумовим навантаженням понад $80\text{ дБ}$ через транспорт, виробництва та гучну музику в навушниках.

Для надійного збереження слуху слід дотримуватися кількох правил гігієни:

• контролювати тривалість і рівень звуку в навушниках за правилом «60 на 60» (гучність не вище $60\,\%$ і тривалість прослуховування до 60 хвилин на день);
• використовувати захисні беруші або будівельні навушники під час ремонтних робіт та перебування на галасливих подіях;
• не очищати слуховий прохід гострими предметами чи ватними паличками, щоб не травмувати тонку барабанну перетинку;
• надавати вухам повноцінний відпочинок у повній тиші після перебування в шумних приміщеннях.

2. На основі цього тексту склади профорієнтаційну рекламу однієї з професій.

Опануй закони звуку — стань інженером-акустиком!

Мрієш створювати зали з ідеальним звучанням для світових зірок чи захищати мегаполіси від шкідливого шуму? Обирай фах інженера-акустика!

Ця професія об’єднує закони фізики, інженерію та сучасні технології:

• проєктування акустики сучасних концертних комплексів, театрів та звукозаписних студій;
• розробка передових шумозахисних бар’єрів для автомагістралей та промислових об’єктів;
• використання цифрових технологій для комп’ютерного моделювання поширення звукових хвиль.

Знання частоти, амплітуди й акустичного резонансу допоможуть тобі творити звуковий комфорт майбутнього!