Akustika, Zvuk, Zvučni talasi (valovi)

Zvuk
Zvučni talasi (valovi)

   Zvučni talasi su mehanički talasi koje opažamo čulom sluha. Naše uho može da registruje zvučne oscilacije čije frekvencije leže u granicama od 16 Hz do 20 000 Hz. Oscilacije ispod 16 Hz ne osjećamo čulom sluha i one se zovu infra-zvuk. oscilacije čija je frekvencija preko 20 000 Hz takođe   ne možemo čuti i one se zovu ultrazvuk.

   Zvučni talasi do nas obično dospijevaju vazduhom. međutim, zvuk se može kretati kroz sve supstancijalne sredine: čvrste, tečne i gasovite.
   Zvuk se u vazduhu obrazuje tako što se čestice vazduha naizmenično zgušnjavaju ili razjeđuju u pravcu kretanja. Kažemo da su zvučni talasi u vazduhu longtudinalni talasi.
U bezvazdušnom prostoru (vakuumu), zrak se ne može prostirati. To se može ustanoviti pomoću električnog zvonceta, stavljenog ispod staklene posude. Kada se iz posude izvuče vazduh pomoću vakuum pumpe, zvuk se više ne čuje.

Prema tome, da bi čuli zvuk mora postoja izvor zvuka koji osciluje frekvencijom od 16 Hz do          20 000 Hz i sredina kroz koju se zvuk prostire do našeg uha.

   Kod zvuka razlikujemo ton i šum. Šum ima neprekidni akustični spektar (zastupljene sve frekvencije). Ton ima određenu frekvenciju. Pored osnovne frekvencije, ton često sadrži i tzv. više harmonike. Osnovnu frekvenciju uho osjeća kao visinu tona. ukoliko je osnovna frekvencija viša ton je viši.

   Pored visine tona, čulom sluha razlikujemo i boju tona. Npr. dva muzička instrumenta proizvode tonove iste visine, ali se oni razlikuju po boji tona. Tonovi iste frekvencije razlikuju se po boji kada se viši tonovi različito kombinuju sa osnovnim tonom.

Zvuk ima i jačinu. jačina tona zavisi od amplitude i frekvencije i tretira se kao fizička jačina tona. pošto uho ima raličitu osjetljivost na razne frekvencije onda se uvodi i tzv. subjektivna ili fiziološka jačina tona.

Ako frekvencije tonova stoje u prostim odnosima dobije se prijatan osjećaj koji se zove konsonancija. Konsonancija je utoliko bolja ukoliko je odnos frekvencija prostiji. Najbolju konsonanciju imaju dva tona čije frekvencije stoje u odnosu 1:2. Takva dva tona predstavljaju oktavu. Slijedeća najprostija relacija je 2:3 i zove se kvinta, itd.

Brzina zvuka zavisi od sredine kroz koju zvuk prolazi. Brzina zvuka u vazduhu je eksperimentalno određena još u 16. stoljeću, kada je izračunato da iznosi oko 330 m/s.

Na primjer brzina zvuka u vodi je 1450 m/s. u morskoj vodi je veća i iznosi 1550 m/s, što zavisi od procenta soli i temperature vode. kroz čvrsta tijela brzina je još veća. npr. kroz bakar je 3500 m/s, kroz aluminij 5000 m/s, a kroz staklo 5500 m/s.

Jačina zvuka

Jedna od najvažnijih karakteristika zvuka je njegova jačina.
Pod jačinom zvuka podrazumijva se odnos srednje snage koja se prenosi zvučnim talasom i površine S koja je okomita na pravac prostiranja talasa, I=P/S.
   Gornja definicija se odnosi na fizičku ili objektivnu jačinu zvuka. ipak objektivnoj jačini ne odgovara subjektivna ocjena jačine zvuka, jer čovječije uho nije podjednako osjetljivo na sve frekvencije. Čovjek frekvencije ispod 16 Hz i preko 20 000 Hz uopšte ne osjeća kao zvuk. Najosjetljiviji je na frekvenciji od 700 Hz do 5000 Hz.
   Da bi zvučni talas izazvao osjećaj zvuka, mora da ima neku minimalnu jačinu koja se zove prag čujnosti. standardni prag čujnosti se uzima za frekvenciju 1kHz i iznosi I=10 (na -12-tu) puta W/m(na kvadrat)
   Kada jačina zvuka raste mi ga čujemo sve jače dok ne dostigne tzv. granicu bola. ona iznosi I(max)=10 W/m (na kvadrat).
   Kada jačina zvuka pređe tu granicu osjećamo bol.
   Čovjek osjeća promjenu jačine zvuka u logaritamskoj skali. Zbog toga se uvodi termin subjektivna jačina zvuka (nivo jačine zvuka) L, L =10log puta I/I(nula)

Jedinica za nivo jačine zvuka je decibel (dB). tako npr. prag čujnosti ima 0 dB, granica bola 130 dB, šapat 20 dB, govor 60 dB, a gradski saobraćaj 70 dB.
   Trajna buka (larma) loše utiče na zdravlje čovjeka. Stoga se preduzimaju mjere za akustičnu izolaciju, prostorija, upotrebom specijalnih materijala. Takođe i rad u potpunoj tišini može negativno uticati na čovjeka, jer izaziva pospanost i tromost.

Izvori zvuka

   Izvor zvuka može biti svako tijelo koje osciluje sa frekvencijom u intervalu čujnosti uha. U praksi se, ipak, koriste samo takvi izvori koji zadovoljavaju određene uslove. To su najčešće zategnute žice, štapovi, vazdušni stubovi (svirale), ploče (membrane), itd. Skoro svi muzički instrumenti mogu se svesti na jedan od gore navedenih tipova.

   Osnovna karakteristika zvučnog izvora je sopstvena frekvencija i snaga koju može da emituje u okolni prostor. Da bi se povećala snaga zvučnog izvora koristi se efekt rezonacije. Zvučni izvor treba da posjeduje i sposobnost reprodukcije, tj. da i poslije dužeg vremena emituje zvuk sa istim karakteristikama.
   opisat ćemo oscilovanje žice zategnute na dva kraja i vazdušnog stuba u cijevi zatvorenoj na jednom kraju.
   U zategnutoj žici, koja je učvršćena na oba kraja, pobuđuje se tzv. transverzalni stojeći talas. kod stojećeg talasa se obrazuju čvorovi na utvrđenom kraju. To su mjesta koja uopšte ne osciluju. Ona mjesta koja osciluju sa najvećom amplitudom nazivaju se trbusi stojećeg talasa. Razmak između dva  susjedna čvora jednak je polovini talasne dužine, a razmak između čvora i susjednog trbuha jednak je četvrtini talasne dužine.