Фізика звуку - звукова симптоматика набутих вад серця
Коливання і хвилі. Розуміння фізичної характеристики тонів і шумів серця неможливо без ознайомлення з основами фізики звуку.
Звук являє собою коливальний, хвильовий рух. Звукові хвилі виникають і поширюються в найрізноманітніших середовищах: повітрі, рідинах, твердих тілах і тканинах живого організму.
- Прикладом простого коливального руху може служити хитання маятника. Якщо відхилити його з положення рівноваги, то під впливом сили тяжіння він буде зі зростаючою швидкістю рухатися назад до положення рівноваги. У точці рівноваги маятник розвине максимальну швидкість і, хоча сила тяжіння вже не буде впливати, він за інерцією продовжить свій рух. Тепер сила тяжіння надає
вже гальмівний вплив. Досягнувши крайньої точки, маятник зупиниться, але тут же під дією сили тяжіння відновить зворотний рух (рис. 1). Такі коливання маятника називаються власними, або вільними. 
Мал. 1. Коливання маятника.
/ - Положення рівноваги- 2, 3 - крайні точки відхилення.
Процес коливання маятника може бути представлений і як перехід потенційної енергії (маятник в положенні крайнього відхилення) в кінетичну (маятник в русі) і кінетичної енергії в потенційну.
Природно, що в умовах досвіду маятник, наданий сам собі, врешті-решт зупиниться внаслідок опору повітря і тертя в підвісі.
На прикладі коливання маятника можуть бути визначені основні величини, що характеризують будь-який коливальний рух.
Розмах коливань маятника, його найбільше відхилення від положення рівноваги, називається амплітудою коливання (А). Час, за який маятник здійснить одне повне коливання, або час між двома послідовними проходженнями тіла через положення рівноваги в одному і тому ж напрямку називається періодом коливання (Т). Число повних коливань маятника за 1 секунду є частота коливань (f).
Період і частота для будь-якого процесу коливанні пов`язані між собою співвідношенням: 
Наприклад, якщо тривалість одного періоду дорівнює V50 секунди, то за 1 секунду коливання повториться 50 раз ,, т. Е. Частота коливань буде 50 періодів в секунду. 
Мал. 2. Запис коливань маятника.
За одиницю частоти приймають одне коливання в секунду. Ця одиниця отримала назву «герц» (Гц).
Графічна реєстрація коливання маятника може бути здійснена наступним чином. На маятнику зміцнюється пісчік, під яким з рівномірною швидкістю рухається стрічка (рис. 2). Таким чином, процес коливання буде записаний у вигляді кривої. Крива дозволяє судити про форму коливання, виміряти його амплітуду і, якщо відома швидкість руху стрічки, встановити період і частоту коливання (рис. 3).
Наведена крива носить назву синусоїди. Синусоїдальні коливання являють собою найбільш простий вид коливань, вони називаються також гармонійними.
Як ми зазначали вище, в умовах досвіду амплітуда коливань поступово зменшується і коливання в кінці кінців припиняється - маятник зупиняється.
Таке коливання називається загасаючим. Крива затухаючого коливання показана на рис. 4.
Мал. 3. Синусоїда коливання.
Г-період коливання, а -амплітуда. 
Мал. 4. Крива затухаючого коливання.
Порівнюючи незатухаюче (гармонійне, вільне) і загасаюче коливання, ми бачимо, що останнє не є періодичного процесу, так як при ньому стан руху не буде в точності повторюватися (наприклад, максимальне відхилення маятника не постане два рази). Однак для характеристики затухаючого коливання користуються тими ж поняттями, що і для характеристики невщухаючого.
Слід розрізняти коливання з повільним і швидким загасанням (рис. 5).
У природі, в техніці все коливання внаслідок тертя є затухаючими. Однак в природі і техніці поширений і інший тип коливань, коли на тіло, що коливається діють зовнішні періодично змінюються сили. Якщо підвісити яке-небудь тіло і розгойдувати його, діючи на нього силою, величина і напрямок якої періодично змінюються, то в цьому
Випадку тіло буде здійснювати коливання не Самостійно, не є вільним, а під дією цієї кволі. Такі, коливання називаються змушеними на відміну від описаних нами вище вільних коливань. Вимушені коливання тіла можуть відбуватися з будь-якою частотою, яка визначається частотою змін зовнішньої сили.
Коливання ізольованого маятника, розглянуті нами вище, визначаються властивостями самого маятника. 
Рис, 5. Крива повільного (зліва) і швидкого (праворуч) загасання.
Інша справа, якщо коливання відбувається в системі пов`язаних між собою пружним зв`язком маятників. Коливальний рух від одного маятника до іншого передається не миттєво. Кожен наступний маятник завдяки інерції починає рухатися поступово. Отже, коливальний рух передається від одного маятника до іншого з певною швидкістю, яка залежить від сили пружного зв`язку та інерції маятників. Ця швидкість тим більше, чим більше пружність і менше маса маятників.
Описане коливальний рух називається хвильовим.
Насправді ізольованих коливань одного тіла не існує. В якому середовищі не знаходилося тіло, що коливається, воно викликає коливання навколишнього середовища, що веде до утворення і поширення хвиль.
Звук являє собою хвильове коливальний рух, яке поширюється в тому чи іншому середовищі. Наприклад, звуки розмовної мови зобов`язані своїм походженням коливань голосових зв`язок і поширенню звукових хвиль по повітрю. Звуки серця (тони і шуми) є результат коливань різних анатомічних структур (клапанів, хорд) і крові. Звукова хвиля при цьому поширюється по прилеглих тканин і досягає поверхні грудної клітини.
Сила звуку. Якщо частота коливань, як це було сказано вище, визначається числом коливань в одиницю часу, то сила коливання залежить від величини амплітуди коливань. Чим більше амплітуда, тим сильніше звук. Звідси ясно, що звукова хвиля, поширюючись, несе з собою певну енергію в напрямку свого руху. Звук чути завдяки перенесенню звуковою хвилею енергії джерела звукового коливання.
Сила, або інтенсивність, звука вимірюється кількістю енергії, яку переносять звуковою хвилею за 1 секунду через площу в 1 см2.
Діапазон змін сили звуку величезний. Найслабші звуки, які сприймаються нашим вухом, мають інтенсивність 1СН6 вт / см21. Сила ж найінтенсивніших звуків дорівнює 10-2 вт / см2. Таким чином, різниця між найслабшими і найсильнішими звуками становить Ш14 (!).
Щоб уникнути таких величезних цифр, в акустиці користуються логарифмічними масштабами і вводять поняття децибели (дБ).
Якщо прийняти мінімальну інтенсивність помітного людиною тони в 2000 Гц, до якої наше вухо найбільш чутливе, за одиницю, а все більш гучні звуки виражати в десяткових логарифмах відношення до цієї одиниці, то ми отримаємо ряд простих чисел від 0 до 14 (! G 1 = 0- lg 1014 = 14).
Ці числа називаються Беламі. Для зручності кожен бел ділиться на 10 частин - децибел. Таким чином, децибел є 0,1 десяткового логарифма відносини двох інтенсивностей. Кількість децибел виражається формулою:
де 10 - сила звуку, прийнята за одиницю, а I1 - сила
вимірюваного звуку.
вт - ват. .................. ................................ ..............
Користування шкалою децибел дозволяє весь величезний діапазон інтенсивностей звуку укласти в 140 одиниць (позитивних і негативних).
Співвідношення між децибелами і ватами на 1 см2 наступне: 
Крім інтенсивності звуку - об`єктивного фізичного фактора, існує також фізіологічне поняття суб`єктивної гучності звуку. Остання пов`язана 
Мал. 6. Складання двох хвиль (Л і В) і освіту результуючої хвилі (С).
з особливостями сприйняття звуків слуховим аналізатором (докладніше про це див. у розділі II).
Складні звуки. При записи чистого звукового тону певної частоти утворюється найпростіша синусоїдальна крива коливань. Однак криві поширюються в повітрі (і інших середовищах) звукових хвиль мають більш складну форму, а у таких звуків, як шум, вони взагалі не мають стійкої форми.
При утворенні складних звуків відбувається складання хвиль з різними частотами і амплітудамі- результуюча хвиля має складний вид (рис. 6). Через певний проміжок часу крива повторюється, т. Е. При складанні двох синусоїдальних коливань виходить періодичне коливання, але більш складної форми. Додавання більшої кількості коливань з кратним відношенням частот (1: 2: 3: 4 ...) і різними амплітудами дасть нові складні форми результуючих коливань, але всякий раз це будуть періодичні коливання.
Будь-яке складне періодичне коливання, таким чином, є сума гармонійних коливань.
На основі теореми Фур`є будь-яке складне періодичне коливання може бути представлено сумою синусоїдальних коливань, що включає основну частоту і ряд наступних кратних частот, або гармонік (обертонів).
Таке уявлення складного коливання називається його спектральним розкладанням.
Неперіодичні процеси, наприклад звук пострілу, також можна уявити сумою гармонійних коливань і відповідним цієї суми спектром частот. Однак ця сума і спектр будуть істотно відрізнятися від спектрального уявлення періодичних процесів. Якщо останні мають лінійчатий спектр, так як частоти складають ціле кратне від основної частоти, то при неперіодичному коливанні лінії спектра настільки зближуються, що розділити їх неможливо і виходить суцільний спектр (рис. 7).
Класифікація звуків. За формою і характером звукової хвилі прийнято розрізняти три види звуків.
- Звукові удари. Виникають при пострілі, вибуху, удару будь-яких важких тіл і т. П. Ударна хвиля, що відповідає цим звукам, являє собою одиничну хвилю.
- Музичні звуки, або тони. Викликаються періодичними коливаннями джерела звуку. Вони складаються з ряду безперервно наступних хвиль однакової довжини і форми. Такі звуки, що видаються музичними інструментами, співаками.
Музичні звуки (тони) характеризуються не тільки силою і висотою, а й тембром.
Коливань різної частоти відповідає відчуття різної висоти тонів. Чим оольше частота коливань, тим вище тон, чим менше - тим тон нижче.
Відомо, що звуки однієї і тієї ж висоти, відтворені на різних інструментах (скрипці, кларнеті, роялі), співаком або співачкою, будуть відрізнятися один 
Мал. 7.
а - коливання і лінійчатий спектр періодичного процесу-б - коливання і суцільний спектр непериодического процесу (по В. А. Красильникова).
від одного особливої «забарвленням», м`якістю або різкістю, меншою або більшою виразністю. Це якість звуку, його своєрідна «забарвлення», і називається тембром.
Простий, чистий тон дає синусоидальную хвилю. Всякий складний музичний звук складається з ряду простих тонів з кратним відношенням частот, з основним тоном і обертонами (як це вже говорилося вище). У музиці ми маємо справу, таким чином, зі складними звуками, багатими обертонами. Тембр звуку тим повніше і різноманітніше, ніж більше к. Основного тону домішується обертонів різної сили.
- Шуми. Являють собою послідовні неперіодичні удари. Такі, наприклад, шум вітру в листі дерев, брязкіт заліза, скрип і т. П.
У шумах можна виділити основного тону і обертонов- отже, шуми не мають тембру.
Джерелами звуків особливо легко стають тіла, що володіють великою пружністю, наприклад натягнута сталева струна, затиснута одним кінцем сталева пластинка, дзвіночок і т. П. Джерелом звуку можуть бути рідкі тіла і гази. Так, наприклад, нерідко «співає» вода в трубах, «гуде» повітря в димоході. На принципі коливається стовпа повітря влаштовані духові інструменти і орган.
Аналіз звуку. Не будемо зупинятися на ряді «старих» методів аналізу звуку. В даний час аналіз звуку може бути здійснений двома основними шляхами: фізичним, із застосуванням спеціальних приладів-аналізаторів, і графоаналітичним, із застосуванням математичного аналізу на основі теореми Фур`є (гармонійний аналіз).
Фізичні методи дослідження звуку засновані на заміні безпосереднього аналізу звуку аналізом електричних коливань. При цьому звук, що сприймається мікрофоном, перетворюється в електричні коливання, які посилюються. Зрозуміло, мікрофон і підсилювач не повинні вносити спотворень.
Для проведення аналізу електричних коливань використовуються спеціальні прилади - аналізатори, принцип пристрою яких буде викладено нижче.
У зв`язку з цим нам хотілося б навести висловлювання А. А. Харкевича: «Справа в тому, що сучасна тенденція в області техніки полягає в тому, що всі види вимірювань зводяться по можливості до електричних. Ця тенденція виправдана, по-перше, наявністю величезного асортименту першокласних по точності і надзвичайно чутливих приладів, а по-друге, специфічної гнучкістю вимірювань. Не вдаючись в технічні подробиці, відзначимо лише можливість віднесення вимірювального приладу на будь-яку відстань від об`єкта вимірювання, а також те, що електричні вимірювання дозволяють виконувати -вимір швидко мінливих величин. Для цього існують електромеханічні осцилографи, а для особливо швидких процесів - електронні ».
Вивчення спектра звуку, або його частотного складу (характеристики), а також розподілу енергії (інтенсивності) по частотах може бути здійснено за допомогою звукового спектрометра. Сигнал у вигляді електричних коливань, що виникають в мікрофоні при впливі на нього звуку, надходить в спектрометр, де посилюється і проходить через систему фільтрів, що пропускають строго обмежену смугу частот.
«Свідчення» фільтрів збираються комутатором і подаються на екран електронно-променевої трубки.
Час, необхідний для збору «свідчень» фільтрів, визначає час аналізу приладу.
Здатність поділу двох найближчих один до одного спектральних ліній (частот) визначає роздільну здатність аналізатора.
Чим більше роздільна здатність аналізатора (більше фільтрів), тим більше час, необхідний для збору «свідчень» фільтрів, тим, отже, більше час аналізу.
Описаний вище метод звукової спектрометрії придатний тільки для періодично повторюваних процесів. Якщо процес одноразовий, то його можна перетворити в періодичний. Для цього записують його одним з методів звукозапису і розмножують, а потім тим чи іншим способом з`єднують всі записи. При відтворенні процес, таким чином, стає періодичним.
