Акустический звук и его влияние на организм человека

IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Акустический звук и его влияние на организм человека

Бояркин Т.А. 1
1Забайкальский краевой лицей-интернат
Сажина Т.В. 1
1Забайкальский краевой лицей-интернат
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Вместе с развитием промышленности и с ростом городов на человека стало влиять огромное количество невидимых факторов. К невидимым факторам относится звук или какофоническое скопление звуков – шум. Шум – звук, в котором измене­ние акустического давления, воспринимаемое ухом, беспорядочно и повторя­ется через разные промежутки времени. Как и все физические явления,  шум имеет и положительные качества и отрицательные. Человек никогда не бывает в полной тишине, влияние звука на него происходит всегда и везде. Люди слушают музыку, чтобы расслабиться, поднять себе настроение или отправляются за город, чтобы послушать звуки природы. Отсюда следует, что шум оказывает благотворное влияние на нас. Однако звук может быть вредным и опасным для человека. [2]

Актуальность. Сегодня актуальна проблема влияния шума на здоровье человека. Одним из распространенных неблагоприятных физических факторов, пагубно влияющих, на здоровье человека является звуковой шум. Ученые во многих странах мира ведут исследования с целью выяснения влияния интенсивности шума, уровня громкости звука, шумов и «шумовых загрязнений» на здоровье человека, а гигиеническая проблема борьбы с шумом является на сегодня наиболее актуальной.

Моя работа над данным проектом вызвана желанием узнать, что такое акустический звук, как он влияет на человека, и как можно уменьшить пагубное воздействие звука на слух и психическое состояние человека. В процессе исследования был проведен опрос учащихся о влиянии шума на их состояние здоровья и работоспособность.

Цель работы: изучить влияние шума и звука на здоровье человека.

Объект исследования: акустический звук как явление.

Предмет исследования: воздействие шума и звука на организм человека.

Задачи:

1.Изучить и проанализировать научную литературу по проблеме исследования.

2.Выяснить влияние шума и звука на здоровье человека.

3.Провести опрос и проанализировать полученные результаты.

4.Предложить способы защиты от шума, сформулировать рекомендации по снижению шума.

В качестве гипотезы мы предположили, что имеются способы обезопасить подростков от деструктивного влияния акустических звуков на организм (прослушивание музыки через наушники mp3плееров), сохранить слух, если изучить особенности звука, его влияние на организм и выработать рекомендации понижения «шумового загрязнения».

II. Теоретический аспект

2.1. Звуковые колебания. Разновидности акустических колебаний.

Ощущение звука есть особое ощущение, несравнимое ни с каким другим из наших ощущений. Прямо или косвенно, но все вопросы, связанные со звуком должны ухом, как органом слуха. Однако исследования, которые составляют основу звука переносятся в область механики. Достаточно самого беглого наблюдения для того, чтобы доказать, что звучащие тела находятся в состоянии колебания и что звуковые явления и явления колебаний тесно связаны друг с другом. С точки зрения физики, звук – это механические колебания, которые распространяются в упругой среде: воздухе, воде, твёрдом теле и т.п.Способность человека воспринимать упругие колебания, слушать их отразились в названии учения о звуке – акустика (от греческого akustikos – слуховой, слышимый). [8]

Колебания от 16 до 20000 Гц воспринимаются ухом человека. Колебания источников звуковых волн (струн, голосовых связок и т.д.) создают в среде последовательно сменяющие друг друга сжатия и разрежения. Когда периодические изменения давления достигают барабанной перепонки, она совершает вынужденные колебания. Эти колебания анализирует по амплитуде и частоте внутреннее ухо, имеющее форму улитки, рецепторы которого настроены на различные звуковые частоты. Затем колебания передаются в мозг по слуховому нерву и воспринимаются как слышимые звуки. [13]

Разновидности акустических сигналов.

Под словом «звук» в жизни мы обычно подразумеваем звук слышимый. Однако на самом деле это понятие включает в себя гораздо больше. Ведь акустические сигналы подразделяются на инфразвук, слышимый звук, ультразвук и гиперзвук. Механические колебания, частота которых превышает 20000 Гц, называется ультразвуковыми, а колебания с частотами менее 16 Гц – инфразвуковыми. Ультразвук и инфразвук распространены в природе так же широко, как и волны звукового диапазона. Их излучают и используют для своих «переговоров» дельфины, летучие мыши и некоторые другие живые существа. Ультразвук находит широкое применение в технике.

Гиперзвук не распространяется в воздухе, воде и твердых телах при нормальных условиях, т.к. длина волны гиперзвука слишком мала и не пропускает молекулы сквозь себя, от чего и быстро затухает. Отличаются эти разновидности частотой колебаний источника звука: Инфразвук – меньше 16 Гц; Слышимый звук – от 16 Гц до 20 кГц; Ультразвук – больше 20 кГц; Гиперзвук – от 109 Гц до 1012 Гц; [8]

2.2. Основные характеристики и свойства звуковых волн.

Распространение звука сопровождается изменениями давления Δp, которые накладываются на атмосферное давление, равное примерно 10 в 5 степени Па. Величину Δp называют звуковым давлением. От амплитуды звукового давления зависит субъективное качество слухового ощущения.[13]

По мере того, как звуковая волна распространяется в пространстве, она отражается от объектов, встречающихся на её пути, создавая изменения в окружающем воздухе. Когда эти изменения, достигая вашего уха, воздействуют на барабанную перепонку, нервные окончания подают сигнал в мозг, и вы воспринимаете эти колебания как звук. [2]

Звук в воздухе передается продольными волнами, т.е. чередующимися сгущениями и разрежениями. Самой простой формой звуковой волны является синусоида. Наше ухо их слышит как определенный тон. Звук камертона является чистым тоном. (нем. Kammerton — «комнатный звук») — инструмент для фиксации и воспроизведения эталонной высоты звука, которая также называется словом «камертон».

Чистый тон совершает 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 (те 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. [7]

Все остальные тоны сложного звука называются обертонами. Обертоны определяют тембр звука, т.е. такое его качество, которое позволяет нам отличать звуки одних источников от звуков других. Такие несинусоидальные колебания, включая человеческую речь, ухо реагирует ощущением «сложного звука», обладающего узнаваемым тембром. 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 же этих звуков обусловлено разным наборам обертонов (совокупность обертонов различных источников может отличаться количеством обертонов, их амплитудами, сдвигом фаз между ними, спектром частот),

Таким образом, высота звука определяется частотой его основного тона: чем больше частота основного тона, тем выше звук.

Тембр звука определяется совокупностью его обертонов. [9 с.132]

Синусоида чётко демонстрирует три основных физических критерия звука – частоту, амплитуду и фазу.Чем реже частота колебаний, тем звук ниже.[15]Частота - это величина, характеризующая количество колебаний в секунду. Она измеряется в количестве периодов колебания либо в герцах (ГЦ). Человеческое ухо может воспринимать звук в диапазоне от 20 Гц (низкочастотные) и до 20 КГц (высокочастотные).

Амплитуда. Чем больше амплитуда звуковой волны (колебаний), тем громче звук.Понятие амплитуды (или интенсивности) звуковой волны имеет отношение к силе звука, которую человеческие органы слуха воспринимают как объём или громкость звука. Громкость звука – это субъективное качество слухового ощущения, позволяющее располагать все звуки по шкале от тихих до громких. Громкость звука принято характеризовать уровнем звукового давления, измеряемым в белах (Б) или децибелах (дБ), составляющих десятую часть бела.

Фаза звуковой волны. Фазы звуковой волны используется для того, чтобы описать свойства двух звуковых волн. Если две волны имеют одинаковую амплитуду и частотность, то говорят, что две звуковые волны находятся в фазе. Фаза измеряется в диапазоне от 0 до 360, где 0 – это значение, показывающее, что две звуковые волны синхронны (в фазе), а 180 – значение, означающее противоположность волн друг к другу (находятся в противофазе). Когда две звуковые волны находятся в фазе, то два звука накладываются и сигналы усиливают друг друга. При совмещении двух сигналов, не совпадающих по амплитуде, из-за разницы давления идёт подавление сигналов, что приводит к нулевому результату, то есть звук исчезает. Этот феномен известен как “подавление фазы”.

В отношении звуковых волн очень важно упомянуть такую характеристику, как скорость распространения. В каждой среде звук распространяется с разной скоростью: скорость звука в воздухе - приблизительно 340 м/с.; скорость звука в воде — 1500 м/с.; скорость звука в металлах, в стали — 5000 м/с. [10]

У животных и человека по два уха для того, чтобы определять, где расположен источник звука, благодаря восприятию его двумя ушами называют бинауральным эффектом. [13]

Свойства звуковых волн делятся на звуковые явления: отражение звуковых волн, эхо; преломление; поглощение; дифракция; интерференция; резонанс. [6 ]

2.3. Влияние звуков на человека

...Спит, убаюканная ленью Людской врагини -- тишины. (А. Блок)

Тишины хочу, тишины. Нервы, что ли, обожжены? (А. Вознесенский)

Который же из поэтов прав в этом заочном споре? Оба. Да оба, потому что стихотворение Блока относится к времени, когда человек жил среди полей и глухих лесов, вопль же Вознесенского характерен для современного "машинизированного" образа жизни. Впрочем, вредное влияние шума отмечалось еще в древности Ювеналом и Лукрецием Каром. [7]

Природные звуки не способны нанести серьезный вред организму человека. Потому, что все живые существа в процессе эволюции приспосабливались, и наш слух адаптировался под этот вид звуков.

Шум – совокупность непериодических звуков различной амплитуды и частоты. Существует три вида шумов:

Неравномерные, прерывистые.

Равномерные или непрерывные.

Импульсные, мгновенные.

Акустическое воздействие (первые два вида), превышающее допустимые нормы, наносит вред здоровью человека и всей природе. Учёные выделяют такое понятие как «шумовое загрязнение» – шум, воспринимаемый человеком в качестве помехи, один из вариантов физического загрязнения среды. Нормальным (комфортным) считается акустический режим при уровне звука 10-65 дБ. Максимально дискомфортным является уровень звука выше 80 дБ.

Шум может вызывать раздражение и агрессию, повышение артериального давления, тиннитус (шум в ушах), потерю слуха. [11]

Как короткий, так и продолжительный шум, способны вызвать сильнейший стресс у всех живых существ. При постоянном воздействии человеку может казаться, что он привык к шуму, но такой гул приводит к рассеиванию внимания, усталости и падению работоспособности к бессоннице. «Переломный момент» шумового загрязнения — 80 дБ, всё, что выше этого показателя, может нанести серьёзный вред организму человека. При этом на сегодняшний день уровень шума в городах сильно превышает допустимые нормы.

Таблица. Вероятность (%) нарушения слуха при воздействии шума.

Эквивалентный уровень шума, дБ(А)

Продолжительность работы, лет

5

10

15

20

До 80

0

0

0

0

85

1

3

5

6

90

4

10

14

16

95

7

17

24

28

100

12

29

37

42

105

18

42

53

58

110

26

55

71

78

Нарушением слуха при вычислениях для таблицы считалось стойкое снижение постоянного порога слуха не менее чем на 25 дБ. [11] Из данных таблицы можно сделать вывод, что при высоких уровнях шума (звука) слуховая чувствительность падает уже через 3 года. При средних – обнаруживается гораздо позже, через 5-10 лет, то есть снижение происходит медленно, болезнь развивается постепенно.Далее рассмотрим таблицу влияния шума на здоровье человека по уровню дБ:

Таблица. Интенсивность шума различных источников

Допустимый уровень (0-60дБ)

Пример шумового воздействия

Уровень шума дБ

Эффект воздействия на организм человека

Зимний лес в безветренную погоду

0

Критический уровень слышимости

Дыхание, тиканье часов, шум волн

10

Очень слабое воздействие на слух

Шёпот, шелест листьев

20

Сельская местность

30

Библиотека, тихий музыкальный фон, тихая беседа

35-40

слабое воздействие на слух

Предельно допустимый уровень (60-100дБ)

Машбюро, типографии, уличные шумы

50

Раздражающее воздействие на слух

Салон автомобиля, громкая речь

60

Автомагистраль, пылесос, вечеринка

70

Машиностроительные заводы, оживленная городская улица, миксер

80

Угроза для слуха

Тяжелый грузовик

90

Недопустимый уровень (100-170дБ и более)

Поезд

100

Угроза для слуха

Оркестр поп-музыки

110

Порог боли у человека

Наушники на максимальной громкости

120

Удар грома

130

Взлет реактивного самолета

140

Разрыв барабанной перепонки

Старт космической ракеты

150

Выстрел из винтовки

160

Выстрел из орудия

170

   Сегодня подавляющее число молодых людей ходят в наушниках. Многие расценивают это признак технического прогресса, однако отоларингологи всего мира бьют тревогу – мы стоим на пороге появления «глухого поколения».

Излишне сильный раздражитель – это стресс для внутреннего уха, которое защищается от громких звуков напряжением мышц барабанной перепонки. При кратковременной перегрузке этих мер достаточно, но если долго слушать музыку в наушниках на уровне громкости 90-100 дБ, эти мышцы утомляются и расслабляются, пропуская повреждающий раздражитель к чувствительным волоскам внутреннего уха. Вред наносят высокие частоты и чувствительность к ним резко снижается. Выпадение из зоны слышимости отдельных частот со временем может привести к тугоухости и даже к глухоте к старости.

Во избежание таких опасных последствиймедики рекомендуют слушать музыку в наушниках на средней громкости в 50% и менее нужно не более 3-х часов в день, а также перерывы в прослушивании должны составлять от 30 до 40 минут. Громкую же музыку 80% от максимума слушать более 90 минут в день не рекомендуется. Исследователь Брайн Флигор (Гарвардская медицинская школа, США) говорил: «У подростка, привыкшего к громкой музыке, слух нарушится уже в 23, в 24 или в 25 лет. Впереди еще 60 лет жизни, но слух уже не вернется». [1]

III. Опытно-экспериментальная работа по проблеме влияния шума на здоровье человека.

Микроисследование № 1 Исследование остроты слуха учащихся  9 классов по тесту.   Острота слуха – это минимальная громкость звука, которая может быть воспринята ухом испытуемого. Нормальным слухом считается такой, при котором тиканье ручных часов среднего размера слышно на расстоянии 10 - 15 см. Тест «Определение остроты слуха». Оборудование: механические часы, линейка. Порядок работы:

1.    Приближайте часы до тех пор, пока не услышите звук. Измерьте расстояние от уха до часов в сантиметрах.

2.    Приложите часы плотно к уху и отводите от себя до тех пор, пока не исчезнет звук. Опять определите расстояние до часов.

Результат: нормальным слухом будет такой, при котором тиканье ручны часов среднего размера слышно на расстоянии 10-15 см.

        Вывод:  из 14 учащихся МОУ ООШ с.Колочное нормальный слух имеют 93 % (13 учащихся),  7% (1 ученик) - слух понижен.

Микроисследование № 2

        Цель работы: определение количества  учеников,  слушающих музыку посредством сотового телефона через наушники: в течении какого времени и на какой громкости (max 100%, на 80% от max, не более 50% от max)

Ход работы: Мы провели опрос среди 9-11 классов Заб КЛИ (20). Все 20 человек слушают музыку через наушники, что составляет 100 %.

Из 20 опрошенных, слушают музыку через наушники по времени:

Кол-во чел.

4

4

4

2

2

1

0

0

0

0

0

3

Кол-во часов

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Исходя из опроса тех же учащихся, выяснилось следующее:

Громкость прослушивания музыки

100%

90%

80%

70%

60%

50%

Количество человек

1

1

4

4

2

8

Вывод: 50% (10 чел.) ребят соблюдают нормы громкости звука (50-60дБ) и время прослушивания, однако 25% (2 чел.) из них не соблюдают нормы прослушивания музыки по времени (5-6 часов); 40% ребят (8 чел.) слушают в диапазоне от 70-80дБ – это предельно допустимый уровень, из них 37% (3 чел.) слушают 12 часов при норме от 1,5 до 3 ч., что создает угрозу слуху человека.

5% (1 чел.) слушает музыку в диапазоне 100 дБ в течение 1 часа – это недопустимый уровень прослушивания.  Рекомендации:

1 Слушайте музыку на 80% от max громкости с паузами каждые 90 минут.

2 Используйте внутриканальные наушники в шумных местах

3 Слушайте музыку в двух наушниках. 

4 Если слышите звон в ушах — уменьшите уровень громкости.

Микроисследование № 3

Мы задались вопросом какие типы акустических звуков и как влияют на подростков, обучающихся в нашем лицее.

        Цель работы: определить типы акустических звуков, благоприятно и негативно влияющих на подростков.

Ход работы. Учащимся была предложена анкета с целью выяснения типов акустических звуков. Мы провели опрос среди 9-11 классов Заб КЛИ (20 чел).

Вывод:  

Благоприятно на подростков влияют звуки природы (40%) и музыки (30%).

Большинство ребят раздражают посторонние шумы (60%), но они умеют от них отвлечься (75%).

Когда ребята устают, наверное, от уроков и перемен, то 50% из них перестают воспринимать объяснения учителя, что неудивительно, так, как один ребенок способен создать 60-70дБ шума.

65% подростков могут заснуть под громкий, надоедливый шум и 80% легко просыпаются под звук будильника.

36% ребят задумываются об увеличивающемся уровне шума, который может привести к печальным последствиям.

IV. Заключение:

В теоретическом аспекте нашего проекта мы изучили природу звуков с точки зрения физики. Мы выяснили, что звук – это механические колебания, которые распространяются в упругой среде: воздухе, воде, твёрдом теле и т.п. Любой источник звука колеблется. Колебания от 16 до 20000 Гц воспринимаются ухом человека, т.е. подразумевается звук слышимый.

Акустические сигналы подразделяются на инфразвук, слышимый звук, ультразвук и гиперзвук. Механические колебания, частота которых превышает 20000 Гц, называется ультразвуковыми, а колебания с частотами менее 16 Гц – инфразвуковыми. Звуковые колебания характеризуются амплитудой (интенсивностью), частотой и фазой. Самой простой формой звуковой волны является синусоида, человеческое ухо слышит ее как определенный тон. Каждый тон характеризуется высотой, зависящей от частоты волн и частично от их интенсивности.Несинусоидальные колебания, включая человеческую речь, ухо реагирует ощущением «сложного звука», обладающего узнаваемым тембром.

Единица громкости звука называется сон. Громкость звука принято характеризовать уровнем звукового давления, измеряемым в децибелах (дБ).

В каждой среде звук распространяется с разной скоростью. Самая высокая скорость распространения звука в металлах. У животных и человека по два уха для того, чтобы определять, где расположен источник звука, благодаря восприятию его двумя ушами называют бинауральным эффектом.

Далее мы рассмотрели тему с биологической и гигиенической точки зрения. Звуки могут, как благотворно влиять на здоровье человека, так и негативно (разрушающе).

Учёные выделяют понятие  «шумовое загрязнение». Нами были изучены шумы различной природы и разграничены по уровням в децибелах. Повышенный уровень шума может привести к серьезным заболеваниям.

В первом микроисследовании мы попытались установить есть ли подростки в возрасте 14-17 лет с ослабленным слухом. Проведя эксперимент, получили следующие результаты: 93 % (13 учащихся),  7% (1 ученик) - слух понижен. Оказалось, что у одного испытуемого имеется диагноз-тугоухость.

По второму исследованию мы получили следующие результаты:все (100%) опрошенные подростки пользуются наушниками. В итоге: 50% (10 чел.) ребят соблюдают нормы громкости звука (50-60дБ) и время прослушивания, однако 25% (2 чел.) из них не соблюдают нормы прослушивания музыки по времени (5-6 часов)

40% ребят (8 чел.) слушают в диапазоне от 70-80дБ – это предельно допустимый уровень, из них 37% (3 чел.) слушают 12 часов при норме от 1,5 до 3 ч., что создает угрозу слуху человека.

5% (1 чел.) слушает музыку в диапазоне 100дБ в течение 1 часа – это недопустимый уровень прослушивания.

Исходя из нашего микроисследования, ребятам были предложены рекомендации по сбережению слуха.

Целью 3- го микроисследования было узнать какие типы акустических звуков влияют на подростков благотворно и раздражающе. Таким образом мы сделали вывод:

Комфортные звуки (музыки, природы) предпочитают – 70%

Шумовое загрязнение раздражающе влияет на – 60%

Литература

1. Безопасная громкость звука в наушниках.- https://meduniver.com

2. Влияние шума на здоровье человека. – www. alfaland.ioso.ru

3. Защита от шума. - www.fizika.ru/theory

4. Камертон https://ru.wikipedia.org/wiki/

5. Конкурс «Я иду на урок» «Звуковые волны». - www.top.list.ru

6. Свойства звуковых волн. https://megaobuchalka.ru/

7. Теория звука.т.1.Стретт Дж.В. (лорд Рэлей)-(1955)

8. Удивительный мир звука И.И.Клюкин

9. «Физика. 8 класс». Громов С.В., Родина Н.А. - М: Просвещение, 2000

10. Что такое звук и какими характеристиками обладают звуковые волны – статья https://zen.yandex.ru/media/popsci/

11. Шумовое загрязнение -https://ru.wikipedia.org/wiki/

12. Экологический практикум.// журнал «Биология в школе» №7, 2000. [school- science.ru ]

13. Энциклопедия для детей. Физика, т. 16, ч. 2 М. Аванта 2000 г.

Просмотров работы: 37