Mehaničke oscilacije tela, prostirući se kroz elastičnu sredinu (vazduh,voda) putem talasnog kretanja, u našem uhu izazivaju subjektivan osećaj zvuka. Oblast nauke, koja putem fizike (mehaničke oscilacije tela, talasno kretanje) i psihologije (psihofizika) objektivno tretira zvučne pojave, zove se Akustika (objektivna, fiziološka, subjektivna, tehnička).
- Objektivna akustika bavi se fizikom proizvodnje, prenosa i prijema zvučnih oscilacija.
- Fiziološka akustika bavi se fizikom slušnih i govornih organa.
-Subjektivna akustika sastoji se od: psihofizike sluha (odnos subjektivnog osećaja zvuka i objektivne akustike) i psihologije sluha (doživljaji osećaja sluha bez razmatranja objektivne akustike). -Elektroakustika (tehnička akustika) je grana elektrotehnike koja tretira pretvaranje zvuka u električne signale i obrnuto. Proučava: elektroakustičke pretvarače (zvučnik,mikrofon), snimanje zvuka i reprodukcija, ozvučavanje prostora, borbu protiv buke, primenu zvuka u tehničke i vojne svrhe, itd.
Deformacija tela u pravcu prostiranja impulsa (zvučna viljuška, oscilacije štapova, oscilacije vazdušnih stubova, oscilacije membrana) zove se longitudinalna (kompresiona) deformacija (duvački instrumenti, bubanj).
Zvučni izvori sa svojim deformacijama vrše sabijanje ili razređivanje vazduha (vode) oko sebe, tako da se zvučni talas u vazduhu (vodi) može prostirati samo longitudinalno (putem kompresije).
Ako je sredina homogena i brzina prostiranja talasa u svim pravcima podjednaka, onda će se talas širiti po koncentričnim sferama i zvaće se sferni (prostorni) talas odnosno zvučni talas.
Radi lakšeg objašnjenja zvučnog talasa koristi se matematički model poznat kao Sinusno talasno kretanje.
- Što veća amplituda, veći je i zvučni pritisak. Što je veći zvučni pritisak, veća je i zvučna snaga.
- Jačina zvuka
zavisi od toga koliko smo udaljeni od izvora.
- Po Weber-Fechner zakonu, uho ima logaritamsku karakteristiku odziva na pobudu i zato je uveden "Nivo" koji predstavlja relativni odnos dve vrednosti, aktuelne vrednosti sa usvojenom
referentnom vrednosti, radi lakšeg merenja i poređenja.
3) HAJGENSOV PRINCIP
"Svaka tačka u koju dođe neki talas, postaje izvor novog talasa" - Hajgensov princip.
- Svaka samostalna tačka centar je svog kružnog talasnog fronta.
- Kombinacija novo stvorenih pojedinačnih kružnih talasnih frontova, utiče da se putem interferencije stvori novi jedinstveni talasni front.
- Pravac prostiranja normalan je na talasni front.
4) INTERFERENCIJA TALASA
Interferencija je slaganje talasa iz dva ili više izvora u jedan jedinstveni talasni front.
Amplituda rezultujućeg talasa kreće se od maksimalno pojačanog (konstruktivna interferencija) pa do maksimalno oslablenjog (destruktivna interferencija) kada imaju istu frekvenciju.
Ako imaju različite frekvencije, onda dolazi i do udara (koncentracija energije talasa).
5) SAVIJANJE TALASA - difrakcija
Difrakcija je prostiranje talasa kroz pukotinu ili savijanje talasa oko objekta . Difrakcija počiva na Hajgensovom principu.
A - Otvor (R) mnogo manji od talasne dužine talasa. Savijanje talasa potpuno. Talas se prostire kružno posle otvora.
B - Otvor reda talasne dužine talasa. Savijanje talasa delimično. Talas se prostire sektorski posle otvora.
C - Otvor mnogo veći od talasne dužine talasa. Savijanje talasa beznačajno. Talas se prostire pravolinijski posle otvora.
- Ako su predmeti mnogo manji u odnosu na talasnu dužinu talasa, difrakcija će biti potpuna i javiće se talas iza predmeta.
- Ako su predmeti reda veličine talasne dužine talasa, difrakcija će biti delimična i javiće se segmentni talas iza predmeta.
- Ako su predmeti mnogo veći u odnosu na talasnu dužinu talasa, difrakcija će slabo dolaziti do izražaja pa iza predmeta uglavnom neće biti talasa.
6) ODBIJANJE TALASA - refleksija
Odbijanje talasa počiva na Hajgensovom principu. Ugao odbijenog talasa jednak je uglu upadnog talasa.
Prelamanje talasa počiva na Hajgensovom principu. Prelamanje talasa nastaje na graničnoj površini između dve sredine sa različitom gustoćom u kojima i talasi imaju različite brzine. Talas u medijumu 1 sa brzinom C1 nadolazi na graničnu površinu između dve sredine, te po Hajgensovom principu, svaka tačka na ovoj površini postaje izvor novog talasa u medijumu 2 sa brzinom C2. Animacija prikazuje slučaj kada je brzina talasa C1 veća od brzine talasa C2, pa je odbojni ugao talasa Q2 manji od upadnog ugla talasa Q1.
8) REZONANSA
Rezonansa se javlja kada se poklopi prinudna frekvencija oscilovanja sa nekom od prirodnih frekvencija oscilatora ili rezonatora. Tada dolazi do maksimalnog povećanja amplituda oscilujućih
čestica, što se kod rezonatora manifestuje kao maksimalno pojačanje zvuka. Kada su prigušenja mala, rezonantna frekvencija je približno jednaka prirodnoj frekvenciji sistema.
Rezonator je ograničena sredina određenih oblika i dimenzija kako bi se u njima stvorili stojeći talasi određenih frekvencija odnosno rezonantne frekvencije.
Najpoznatiji akustični rezonatori su muzički instrumenti koji kada se pobudi vazdušna masa unutar njihovih određenih oblika i dimenzija (okidanje strune, duvanje u instrument, udaranje u
membranu), tonovi se jače čuju, usled većeg emitovanja zvučne energije.
9) STOJEĆI TALAS
Interferencija talasa kroz slaganje dva ravanska talasa koji imaju istu amplitudu, istu talasnu dužinu, istu frekvenciju i prostiru se u istom pravcu, ali u suprotnim smerovima (crveni i plavi talas), naziva se Stojeći talas (crni talas), onaj koji se ne kreće u prostoru.
Stojeći talasi ne prenose energiju kroz prostor, već dolazi samo do preraspodele energije između dva čvora (crvena tačka).
U prostoru gde je čvor, zvuka neće biti, a gde je trbuh, zvuk će biti prenaglašen.
Zvučni talas kao i drugi talasi, prenose energiju. Ako se zvučnom izvoru ne dovodi energija onda će se njegova energija oscilovanja smanjivati usled zračenja u okolnu sredinu.
Muzički instrument je kao i ostali izvori zvuka, pretvarač snage, jer pretvara dovedenu snagu (muzičara, električnu ili mehaničku) u akustičnu snagu izvora uz velike gubitke.
Na primer, pijanista svojih 200 W (toplote, sagorevanja energije u kretanje, itd) pretvori u 0,4 W zvuka klavira.
Prostiranjem zvuka kroz vazduh, zvučna energija pretvara se u druge oblike energije (toplota) i bespovratno troši. Proces gubljenja energije zove se disipacija.
12) DOPLEROV EFEKAT
Doplerov efekat je efekat promene frekvencije zvuka ako postoji kretanje između zvučnog izvora i posmatrača.
- Kada zvučni izvor ide ka posmatraču ili obrnuto, posmatrač će čuti višu frekvenciju tona od one koju zvučni izvor stvarno daje.
- Kada zvučni izvor ide od posmatrača ili obrnuto, posmatrač će čuti nižu frekvenciju tona od one koju zvučni izvor stvarno daje.
- U momentu prolaza zvučnog izvora kod posmatrača ili obrnuto, posmatrač će čuti poznatu promenu visine frekvencije.
13) SUBJEKTIVNA JAČINA ZVUKA
Subjektivni doživljaj jačine zvuka nije linearna funkcija jačine zvučne pobude već zavisi od nivoa zvučnog pritiska i frekvencije, koje je uslovljeno fizičkim i fiziološkim karakteristikama uha.
Ovakva dinamička karakteristika uha prikazana je izofonskim krivama (linije sa istim brojem fona bez obzira na frekvenciju) kao Subjektivna jačina zvuka - A [fona], za jednostavne
sinusne zvuke.
Objektivna jačina zvuka prikazana kroz Nivo jačine zvuka - L [dB SIL] nije podesna za prikazivanje subjektivne jačine zvuka zbog osetljivosti uha na frekvenciju.
Subjektivna jačina zvuka u fonima određena je eksperimentalno, menjanjem nivoa zvučnog pritiska odgovarajućeg tona sve dok subjektivna ocena njegove jačine nije izjednačena sa subjektivnom jačinom tona na 1000 Hz.
Svi tonovi koji se nalaze na jednoj izofonskoj liniji imaju istu subjektivnu jačinu zvuka koja je jednaka onoj na 1000 Hz. Na primer, subjektivna jačina zvuka od 30 fona pri 1000 Hz kome je
dovedeno 30 dB SPL, ima istu subjektivnu jačinu zvuka pri 100 Hz ako mu se dovede 45 dB SPL.
1000 Hz je uzeta kao referentna vrednost gde je Subjektivna jačina zvuka - A [fona] jednaka Objektivnoj jačini zvuka - L [dB].
Sa slike uočavaju se sledeći fenomeni:
- Naše uho manje je osetljivo kada su u pitanju niske i visoke frekvencije.
(Proizvođači manipulišu svojim proizvodima ističući frekvencije na kojima je uho manje osetljivo).
- Razlika u osetljivosti na različitim frekvencijama je izražejnije pri niskim zvučnim pritiscima nego pri visokim. (Zato je uvedena frekvencijska korekcija pri nižim frekvencijama-LOUDNES).
- Osetljivost uha na subjektivnu jačinu zvuka pri svim nivoima jačine zvuka (0÷130 dB SPL) najveća je u području od 3.000÷4.000 Hz, zbog geometrije uha.
-
Najveća linearnost uha je u oblasti od 80÷100 dB SPL. (Nivo zvučnog pritiska za kvalitetan prijem zvučnih frekvencija).
-
Osetljivost i analizatorska sposobnost ljudskog uha najveća je u području srednjotonskih frekvencija od 250÷6.000 Hz.
-
Subjektivna jačina dve različite frekvencije sa istim brojem fona identična je za ljudsko uho.
-
Pomoću izofonskih linija može se naći veza između objektivne i subjektivne jačine zvuka, odnosno fona i decibela i obrnuto.
- Dinamički opseg informacionog polja (rastojanje od praga čujnosti do granice bola) različit je za niske (najmanji), srednje (najveći) i visoke tonove (srednji).
Subjektivna jačina zvuka meri se fonometrom. Fon je jedinica za subjektivnu jačinu jednostavnih sinusnih zvukova, dok je Son jedinica za subjektivnu jačinu složenih muzičkih zvukova, ali je komplikovano za razmatranje.
14) KVALITET ZVUKA
Oscilacije zvučnog pritiska koje nadražuju čulo sluha zovu se Zvučni spektar.
Zvučni spektar sastoji se od:
-
Osnovnih tonova (osnovna frekvencija oscilovanja)
-
Harmonika (celobrojni umnošci frekvencije osnovnih tonova)
-
Šuma (složene nepravilne neperiodične oscilacije)
-
Dinamike (odnos između najglasnijeg i najtišeg tona)
-
Takta (najmanji deo muzičke kompozicije)
Da bi smo prepoznali izvor zvuka, on pored osnovnih tonova (čist ton), mora da ima i harmonike (boja tona) koji ga bliže određuju. Identična frekvencija osnovnog tona na svim instrumentima, isto se čuje. Jedino zvučna viljuška od instrumenata daje približno osnovni ton.
Uho može da prima i razlikuje sledeće raznovrsne utiske:
- Visina tona - visinu zvuka određuje osnovna frekvencija oscilacije - uho oseća razlike u frekvenciji tona kao visina tona - što je frekvencija veća dobija se osećaj višeg tona.
- Jačina tona - jačina zvuka zavisi od amplitude oscilacije izvora zvuka - što je amplituda oscilacije izvora zvuka veća, veći je i pritisak vazduha (vode) koji uho oseća kao jači zvuk.
- Boja tona - boja zvuka određena je spektralnim sadržajem talasa (broj harmonika i njihove međusobne relacije-frekvencije, amplitude i faze) i daje poseban osećaj koji nazivamo boja tona.
Parni harmonici daju zvuku toplinu i mekoću, a neparni hladnoću i oštrinu. (Ovo ne brkati sa zastarelom audio tehnologijom koja je unosila dosta izobličenja, a mi to "čuli" toplo i meko).
Svakoj fizičkoj karakteristici zvuka odgovara jedna subjektivna karakteristika zvuka:
- Osnovna frekvencija talasa= Visina tona
- Amplituda talasa = Jačina tona
- Spektralni sadržaj talasa= Boja tona
15) MUZIČKA SKALA TONOVA
Muzička skala tonova nastala je na osnovu psiho-akustičkog osećaja sklada (harmonije) visine tonova.
Veoma važan osnov u muzici je osećaj Disonancije i Konsonancije. Dva tona vrlo bliskih frekvencija usled interferencije daju pojavu udara ili izbijanja koje uho oseća kao naizmenično pojačavanje i slabljenje rezultujućeg tona. Ako je broj udara veći od 5 u sekundi, uho više ne razlikuje udare već se dobija neprijatan osećaj koji se naziva disonancija. Kada broj udara dobije značajnu frekvenciju, prestaje disonancija, a ako frekvencije tonova stoje u prostim odnosima, dobija se prijatan osećaj koji se naziva konsonancija.
Sazvučje dva ili više tonova čovek oseća skladnije ako su sa manjim celim brojem izraženi odnosi njihovih frekvencija (intervali). Sazvučje dva tona oseća se najskladnije ako je njihov odnos 2:1 (oktava) i on se oseća kao sazvučje jednog tona sa istim tonom na drugoj visini. Drugi intervali koji daju skladno sazvučje (konsonaca) zovu se kvinta, kvarta, itd. Tako se u muzici usvaja nekoliko najpodesnijih intervala i obrazuje skala tonova, kao što je skala prikazana na slici.
Ima toga još ali je komplikovano do zla boga i više je za muzičare.
16) ARHITEKTONSKA AKUSTIKA
U zatvorenim prostorijama, zbog zapremine, oblika i materijala, javljaju se složene okolnosti prostiranja zvuka. Zidovi, pod, tavanica, nameštaj i razni predmeti stvaraju sledeće pojave:
-
delom apsorbuju, a delom odbijaju zvučne talase
- ako apsorbcija nije velika, odbijanje se može vršiti po složenim okolnostima i putem reverberacije (odjek) uticati na akustičnost prostorije
- mogu obrazovati stojeće talase (samo do 300 Hz) i rezonanse
- mogu obrazovati eho
- potrebno je uraditi izolaciju od spoljne buke
- Reverberacija (odjek) je vreme za koje po prestanku rada zvučnog izvora, zvuk postaje nečujan (-60 dB).
- Eho je ponavljanje originalnog zvuka koji se jasno čuje iznad reverberacije i ambijentalne buke u prostoru.
- Difuznost prostorije (odnos direktnog i reflektovanog zvuka) je rasprostiranje zvuka po celoj prostoriji sa direktnim i reflektovanim zvukom.
- Izolacija od spoljne buke su aktivnosti da se spreči prodor buke u prostoriju koja slabi intenzitet korisnog zvuka.
Da bi prostorija po subjektivnoj oceni imala dobre akustičke osobine, potrebno je po objektivnom kriterijumu:
- da ima pogodno vreme reverberacije (odjek)
- da ima približno jednaku jačinu reflektovanog zvuka u svim delovima prostorije
-
da ima povoljan odnos direktnog i reflektovanog zvuka na svim mestima slušanja
- da ima minimalne stojeće talase
-
da bude dovoljno izolovana od spoljne buke
- Kod govora, odjek smanjuje razgovetnost.
- Kod muzike, sa
odjekom je prijatnija, življa i izrazitija, a bez odjeka je prigušena i tupa.
www.fininamotaji.in.rs