Звук

Из Википедије, слободне енциклопедије

Звук је механичка осцилација честица неког еластичног медијума које са кроз њега најчешће простиру као талас и које (углавном) човек чује. Човеков орган слуха може да региструје осцилације у фреквенцијском опсегу од 16 Hz до 20.000 Hz ако оне имају довољни интензитет. Звук се простире кроз медијуме у сва три агрегатна стања. Звук не може да се простире у безвадушном простору. Под звуком се подразумевају и осцилације изван напред наведеног фреквенцијског опсега: инфразвук испод 16 Hz и ултразвук изнад 20.000 Hz.

Област физике која проучава звук зове се акустика.

Брзина звука зависи од карактеристика флуида и може се израчунати по релацији:

c = \sqrt{\frac{p_a \chi}{\rho}}

где је:

Звук се у ваздуху простире као лонгитудинални талас брзином од ц = 344 m/s на температури од 20оC при нормалним атмосферским условима. Брзина звука у ваздуху зависи од температуре ваздуха и може се исказати релацијом: c = c_0 + 0,6 \Theta где је:

  • c – брзина звука на температури \Theta у [m/s],
  • c0 = 330 m/s – брзина звука на \Theta = 0оC и

\Theta – температура ваздуха у [оC].

Брзине звука у неким другим срединима дате су таблици:

Т.1: Брзина простирања звука[1][2].

Материјал v [m/s] [dB]
Гума
50
Вода
1480
Слана вода (21оC, салинитет 3,5 %)
1520
Плексиглас
1800
Дрво (меко)
3350
Дрво (јела)
3800
Армирани бетон
3400
Челик
5050
Алуминијум
5150
Стакло
5200
Гипсана плоча
6800

Под дејством звука честице ваздуха осцилују око свог равнотежног положаја стварајући час на једну, час на другу страну надпритисак у односу на свој равнотежни положај при атмосферском притиску (сл.1). Промене атмосферског притиска изазване звуком називају се звучни притисак. Ове промене су у односу на атмосферски притисак мале.

Сл.1: Осцилације честица у звучном пољу.

Појаву осцилација честица ваздуха, дакле звук, могуће је пратити као промене притиска п односно промене густине ваздуха \rho па је преко ове две физичке величине могуће описати звук и њих користити за проучавања у области акустике. На сл.2 приказане су промене притиска при најједноставнијем облику осцилација Са друге стране честицу која осцилује могу да описују и друге физичке величине карактеристичне за осцилаторно кретање: померај честице (удаљење од равнотежног положаја ξ [м]), брзина осциловања честице в [m/s] или пак убрзање честице а [m/s2]. Све ове наведене физичке величине су физичке величине И реда.

Сл.2: Простопериодичне промене звучног притиска.

Поред њих за проучавање се користе и физичке величине II реда (сразмерне снази): звучна снага ПА [W], звучна енергија Е [Ј], густина звучне енергије w [Ј/м3] и интензитет звука И [W/м2].

За проучавања у акустици најчешће се користи (звучни) притисак п.

Сматра се да је просечна вредност најнижег звучног притиска који човек може да чује:

п = 2*10-5 Pa = 20 \muPa

Ова вредност се назива праг чујности.

Прецизности ради, а пошто се ради о променљивој физичкој величини (осцилацијама или таласу) горе дата вредност звучног притиска на прагу чујности је ефективна вредност звучног притиска.

Звучни притисци величине 100 Па изазивају бол у човечијем слушном систему па се те вредности описују као граница бола.

Као нормални атмосферски притисак пА може се узети притисак:

пА = 1000 hPa (1000 mbar),


па произилази да је звучни притисак на прагу чујности 5*109 пута мањи од атмосферског притиска.

Јачина звука зависи од амплитуде осцилација.

Висину звука одређује фреквенција осцилација. Боја је одређена садржајем компоненти.

Видео 1: 1000 Hz.
Видео 2: 315 Hz.
Сл.3: Вебер-Флечерове криве.

Свака периодично или непериодична промељива величина може се, под одређеним условима, Фуријевом анализом и Фуријевом трансформацијом разложити на низ простопериодичних компоненти. Ове компоненте имају фреквенцију која је целобројни умножак основне фреквенције, а њихове амплитуде представљају опадајући низ што даје изузетне могућности за даље проучавање било каквог сложеног звука.

Ако се звук састоји од само једне простопериодичне компоненте кажемо да се ради о чистом тону или једноставно тону.

Човеков слушни систем различито је осетљив за различите фреквенције. Горе наведени праг чујности односи се на тон фреквенције 1000 Hz. Некако, за ту компоненту људско ухо и најостљивије. За ниже, али и више тонове људско ухо није тако осетљиво па ће се објективно осцилација исте амплитуде чути слабије. На видеу 1 и видеу 2 прикани су упоредни примери за 1 kHz и 315 Hz једнаких амплитуда. На сл.3 су приказане познате Вебер-Флечерове криве које показују у којој мери се субјективни осећај јачине звука разликује од његове објективне јачине.

Из практичних разлога у акустици је у употреби логаритамска јединица јачине звука изражена у децибелима [dB].

Поред великог фреквенцијског опсега од скоро 10 октава специфичност у акустици је и велики динамички опсег при чему је однос снаге најмањег и највећег сигнала чак 1014 (однос звучног притиска 107). Оно што је важно имати у виду да је анализом појаве често потребно водити рачуна истовремено и о сасвим слабом и о врло јаком звуку који могу да се разликују управо за вредност динамичког опсега. Проблеми великог динамичког опсега ефикасно се превазилазе увођењем логаритамске јединице децибел, па се уместо звучног притиска у паскалима дефинише ниво звука Л у дБ преко релације:

L = 20\log \frac{p}{p_0}

где је:
п – звучни притисак о коме је реч, а
п0 – референтни звучни притисак п0 = 2*10-5 Па.

Интензитет звука[уреди]

Интензитет звука у правцу простирања звучног таласа дефинише се као количник звучне енергије ΔЕ која у времену Δт прође кроз површину ΔС нормалну на правац простирања:

Сл.4: Интензитет звука. Простирање звука у простору.
I = \frac{\Delta E}{\Delta t \Delta S}

Ниво звука изражен преко интензитета звука дат је релацијом:

L = 10\log \frac{I}{I_0}

где је:

  • I – интензитет о коме је реч, а
  • I0 – референтни интензитет I0 = 2*10-12 W/m².

Објективни и субјективни осећај јачине звука[уреди]

Два тона различите фреквенције а исте објективне јачине изазваће различит осећај субјективне јачине.

У жељи да се (субјективни) осећај јачине звука објективизује и уведе мера која ће представљати човеков осећај јачине звука уведена је фреквенцијска пондеризација (погледај чланак: Фонометар). Фреквенцијске пондеризације обележавају се словима А, Б, Ц, Д. Данас је најчешће у употреби А-пондеризација. Поступак фреквенцијске пондеризације је једноставан. Усвојено је да се тон фреквенције 1000 Hz мери његовом стварном објективном јачином, а тон неке друге фреквенције коригује – пондеризује – на тај начин што се од његове стварне вредности одузима одређен број децибела. Тако нпр. тон фреквенције 1000 Hz и објективне јачине 60 дБ после фреквенцијске пондеризације типа А имаће исту вредност, дакле LA = 60 dBA, али тон фреквенције 160 Hz и објективне јачине 60 дБ после А-пондеризације биће регистрован јачином 43,9 dB. У табели Т.2 су дате фреквенцијске карактеристике А, Б, Ц и Д пондеризације у дБ.

Т.2: Фреквенцијска пондеризација.[3].

Номинална
фреквенција [Hz]
Егзактна
фреквенција [Hz]
А pond. Б pond. Ц pond. Д pond.
10
10,00
-70,4
-38,2
-14,3
-26,6
12,5
12,59
-63,4
-33,2
-11,2
-24,6
16
15,85
-56,7
-28,5
-8,5
-22,6
20
19,95
-50,5
-24,2
-6,2
-20,6
25
25,12
-44,7
-20,4
-4,4
-18,7
31,5
31,62
-39,4
-17,1
-3,0
-16,7
40
39,81
-34,6
-14,2
-2,0
-14,7
50
50,12
-30,2
-11,6
-1,3
-12,8
63
63,10
-26,2
-9,3
-0,8
-10,9
80
79,43
-22,5
-7,4
-0,5
-9,0
100
100,0
-19,1
-5,6
-0,3
-7,2
125
125,9
-16,1
-4,2
-0,2
-5,5
160
158,5
-13,4
-3,0
-0,1
-4,0
200
199,5
-10,9
-2,0
-0,0
-2,6
250
251,2
-8,6
-1,3
-0,0
-1,6
315
316,2
-6,6
-0,8
-0,0
-0,8
400
398,1
-4,8
-0,5
-0,0
-0,4
500
501,2
-3,2
-0,3
-0,0
-0,3
630
613,0
-1,9
-0,1
-0,0
-0,5
800
794,3
-0,8
-0,0
-0,0
-0,6
1000
1000
0
0
0
0
1250
1259
+0,6
-0,0
-0,0
+2,0
1600
1585
+0,1
-0,0
-0,1
+4,9
2000
1995
+1,2
-0,1
-0,2
+7,9
2500
2512
+1,3
-0,2
-0,3
+10,4
3150
3162
+1,2
-0,4
-0,5
+11,6
4000
3981
+1,0
-0,7
-0,8
+11,1
5000
5012
+0,5
-1,2
-1,3
+9,6
6300
6310
-0,1
-1,9
-2,0
+7,6
8000
7943
-1,1
-2,9
-3,0
+5,5
10000
10000
-2,5
-4,3
-4,4
+3,4
12500
12590
-4,3
-6,1
-6,2
+1,4
16000
15850
-6,6
-8,4
-8,5
-0,7
20000
19950
-9,3
-11,1
-11,2
-2,7

Референце[уреди]

  1. ^ Howard W. Самс & Company – „Handbook for Sound Енинеерс“
  2. ^ Wolfgang Фасолд – „Бау- унд Раумакустик“
  3. ^ Борислав Б. Будисављевић – „Бука - основи, анализа, извори и заштита“

Спољашње везе[уреди]