Звук

Звук је механички талас фреквенција од 20 -{Hz}- до 20 -{kHz}-, то јест у распону у којем га чује људско уво. Звук фреквенције ниже од 20 -{Hz}- назива се инфразвуком, звук фреквенције више од 20 -{kHz}- ултразвуком, а ако је фреквенција виша од 1 -{GHz}-, хиперзвуком. Звук настаје више или мање периодичним осциловањем извора звука који у непосредној околини мења притисак средства (медијума), поремећај притиска преноси се на суседне честице медијума и тако се шири у облику углавном лонгитудиналних таласа у гасовима и течностима и лонгитудиналних и трансверзалних таласа у чврстим телима. Брзина звука углавном зависи од густине и еластичних сила у чврстим и течним срединама, а у гасовима од густине, температуре и притиска. Осим у уобичајеним мерним јединицама брзине (-{m/s}-, -{km/h}-), мери се и ненормираном јединицом мах (Махов број). Када авион досегне брзину звука (око 343 -{m/s}-), притисак се непосредно пред авионом поремети, отпор знатно порасте, па настају ударни таласи, које посматрачи на тлу доживљавају као прасак (такозвано пробијање звучнога зида).

Звук се шири без преноса масе, али се звуком преносе импулс силе и енергија. У вези с тим, дефинишу се јачина, ниво јачине, гласноћа и ниво гласноће звука (акустика).ANSI S1.1-1994. American National Standard: Acoustic Terminology. Sec 3.03. Као и код осталих врста таласа, и у ширењу звука очитују се појаве својствене сваком таласном кретању, као што су апсорпција, Доплеров учинак, интерференција таласа, лом (рефракција), одбијање (рефлексија), огиб (дифракција).

У музици, звук се разликује од тона у ужем смислу речи и од шума по односима парцијалних тонова или парцијала. Парцијали тона максимално су хармонични, док су парцијали звука тек деломично хармонични (више је нехармоничних горњих парцијалних тонова него код звука), а код шума су односи парцијала потпуно нехармонични. Основна обилежја звука (висина, јачина, трајање и боја) истозначна су с основним обилежјима тона, само их је теже прецизно одредити него за тон. Појам звук користи се у музици, понајприје у свакодневној употреби, и као синоним за појединачна и скупна обилежја звука (на пример боју звука) или осетни утисак звука неких музичких инструмената или ансамбала (на примјер звук оргуља, звук збора).zvuk, „Хрватска енциклопедија“, Лексикографски завод Мирослав Крлежа, -{www.enciklopedija.hr}-, 2016.

Звук се шири због еластичне везе међу молекулима средства. У гасовима и течностима таласи звука су искључиво лонгитудинални (то јест шире се у истом правцу у којем се крећу честице медијума при осциловању), док у чврстим телима таласи могу бити такође трансверзални, то јест честице медијума могу осциловати и усправно на правац ширења таласа. Звук се не може ширити кроз вакуум. Извор звука је увек механичко осциловање неког тела. Кад се удари о неки предмет, на пример тргне напета жица, чује се звук, а тај осећај звука престаје чим се спречи осциловање тела. Енергија звука шири се неким средством (медијумом) у облику механичког таласа. То средство је обично ваздух, а може бити и текуће или еластично чврсто тело. Без средства у којем се шире механички таласи не може се чути звук. Према правилности осциловања разликују се тон, шум и бука. Тон је звук који се састоји од хармонијских осцилација, док су шум и бука смеса осцилација различитих фреквенција и амплитуда.Велимир Круз: „Техничка физика за техничке школе“, "Школска књига" Загреб, 1969.

Својства Звучни талас се кроз различите медијуме креће различитим брзинама. У ваздуху, тај се талас, креће брзином од приближно 343 -{m/s}-, у води се креће приближном брзином од 1 500 -{m/s}-, а у гвозденој жици око 5 000 -{m/s}-. Што је материјал гушћи, то се звук кроз њега преноси дуже и брже. Звук је одређен, као и остали таласи, са две физичке величине, фреквенцијом и таласном дужином. Број осцилација које материјал чини у једној секунди се назива фреквенција, ознака је -{f}-, а мерна јединица -{Hz}- (Херц). Нормално људско уво може да чује звукове на фреквенцијама од 16 -{Hz}- до 20 000 -{Hz}-. Све звучне фреквенције испод 16 -{Hz}- се називају инфразвуковима или подзвуковима, а звукове фреквенције више од 20 000 -{Hz}- се називају ултразвуковима или надзвуковима; они се користе у техници и медицини. Таласна дужина, с друге стране, је размак између два суседна највећа згушњења, као и између два суседна разређења, медијума кроз коју се талас шири. У основи звукове можемо поделити на две групе: шумове и тонове. Шум је звук који настаје неправилним осциловањем звучног извора при чему се фреквенција стално мјења, док тон настаје правилним осциловањем звучног извора и фреквенција је стална.Handel, S. (1995). Timbre perception and auditory object identiﬁcation. Hearing, 425-461.Kendall, R. A. (1986). The role of acoustic signal partitions in listener categorization of musical phrases. Music Perception, 185-213.Matthews, M. (1999). Introduction to timbre. In P. R. Cook (Ed.), Music, cognition, and computerized sound: An introduction to psychoacoustsic (pp. 79–88). Cambridge, Massachusetts: The MIT press.

Извори звука Извори звука су физичка тела која осцилују фреквенцијом од 16 до 20 000 -{Hz}- у неком еластичном средству, на пример напета струна или музичка виљушка у ваздуху. Најједноставнији је облик осциловања извора звука хармоничко осциловање. Оно ствара хармоничке таласе. Чисти тон настаје ако се фреквенција осциловања не мења. Сложени тонови садрже више фреквенција. По Фуријеовој теореми сложени тон може се приказати као збир синусних осцилација са основном фреквенцијом ν0 и вишим хармоницима фреквенције -{n · ν0, (n = 1, 2, 3, ...)}-. Шум је последица потпуно неправилног осциловања. Таласи настали осциловањем извора фреквенцијом већом од 20 -{kHz}- описују се као ултразвук (могу их чути неке животиње, на пример пси и шишмиши), а фреквенцијом мањом од 16 -{Hz}- као инфразвук (могу их чути на пример патке и слонови).

Брзина звука

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

где је: pа – атмосферски притисак, - густина ваздуха и = 1,4.

Звук се у ваздуху простире као лонгитудинални талас брзином од c = 344 m/s на температури од 20°C при нормалним атмосферским условима. Брзина звука у ваздуху зависи од температуре ваздуха и може се исказати релацијом:

где је: c – брзина звука на температури у [m/s], c0 = 330 m/s – брзина звука на = 0 °C и – температура ваздуха у [ °C].

Брзине звука у неким другим срединама дате су таблици:Т.1: Брзина простирања звукаHoward W. Самс & Company – „Handbook for Sound Engineers“Wolfgang Фасолд – „Бау- унд Раумакустик“. Материјал v [m/s] [dB] Гума 50 Вода 1480 Слана вода (21 °C, 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.

Појаву осцилација честица ваздуха, дакле звук, могуће је пратити као промене притиска п односно промене густине ваздуха 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 [m]), брзина осциловања честице в [m/s] или пак убрзање честице а [m/s²]. Све ове наведене физичке величине су физичке величине I реда.

мини|250пџ|Простопериодичне промене звучног притиска.

Поред њих за проучавање се користе и физичке величине II реда (сразмерне снази): звучна снага PA [W], звучна енергија E [J], густина звучне енергије w [Ј/m³] и интензитет звука I [W/m²].

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

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

p = 2*10-5 Pa = 20 Pa

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.

мини|Видео 1: 1000 -{Hz}-. мини|Видео 2: 315 -{Hz}-. мини|250п|Вебер-Флечерове криве.

Свака периодично или непериодична променљива величина може се, под одређеним условима, Фуријеовом анализом и Фуријеовом 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. Горенаведени праг чујности односи се на тон фреквенције 1000 Hz. Некако, за ту компоненту људско ухо и најосетљивије. 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:

где је:п – звучни притисак о коме је реч, ап0 – референтни звучни притисак п0 = 2*10-5 Па.

Интензитет звука

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:

мини|250п|Интензитет звука. Простирање звука у простору.

Ниво звука изражен преко интензитета звука дат је релацијом:

где је: I – интензитет о коме је реч, а I0 – референтни интензитет I0 = 1*10−12 W/m².

Јачина звука (ознака -{I}-) је физичка мерна величина која описује енергију звучног таласа у временском раздобљу (интервалу) кроз површину окомиту на смер ширења таласа. Мерна је јединица ват по квадратном метру (-{W/m²}-).

Праг чујности је најмања јачина звука коју људско уво може чути:

Ниво јачине звука (ознака -{L}-) је мерна величина прилагођена осетљивости људскога ува, десетероструки логаритам односа јачине некога звука и прага чујности, односно:

где је: -{I}- - ниво јачине звука; -{I}-0 - праг чујности; -{Np}- - непер;

Źródło i licencja