11
1 1. Физика звука У овом поглављу објашњено је како звук настаје и како се простире. Физичка појава звука везана је за осциловање честица еластичне средине, тако да се може говорити о простирању звука кроз ваздух, воду (сонар), али и кроз чврсте материјале; звука једино не може бити у вакууму. 1.1. Звучни притисак Док нема звука у ваздуху, силе привлачења или одбијања између честица еластичне средине распореде их равномерно у одређеној запремини. Зависно од тога колико су густо сабијене честице ваздуха у јединици запремине постоји већи или мањи притисак - то је атмосфер- ски притисак који се не мења брзо, па се назива и статички притисак. Његове промене дешавају се споро, нпр. у току дана са променом временских прилика. Када се у ваздуху активира неки звучни извор, он изводи поједине честице ваздуха из свог равнотежног положаја прибилижавајући их суседним честицама еластичне средине у једном правцу (згушњавају се, тј. повећава се сила њиховог одбијања), а истовремено удаљавајући их од суседних честица са супротне стране (разређују се, тј. смањује се сила одбијања из тог правца). То је еквивалентно као кад се изведе математичко клатно из равнотежног положаја и потом пусти - започињу осцилације. Изведена из равнотежног положаја, под дејством поменутих сила честица ваздуха настоји да се врати у равнотежни положај, и убрзава крећући се ка њему, али због инерције наставља да се креће удаљавајући се од свог равотежног положаја на другу страну све док је силе одбијања/привлачења са суседним честицама не успоре, зауставе и упуте назад у правцу равнотежног положаја... тако настају звучне осцилације честица еластичне средине. Осцилације честица еластичне средине у звучном пољу описују се преко помераја, брзине и убрзања, који су праћени променама звучног притиска у времену и простору 1 - долази до сабијања и разређивања честица еластичне средине. Већ сада важно је напоменути да се са звуком не преносе честице еластичне средине - оне само осцилују око свог равнотежног положаја (као математичко клатно), а кроз простор се преноси талас промене звучног притиска који чуло слуха перципира као звук. Простирање звука описује се преко три основне физичке карактеристике: 1) Брзина звука - 2) Фреквенција - 3) Таласна дужина - Брзина звука претставља брзину којом се звук простире кроз неку еластичну средину - обележава се са c и изражава у метрима у секунди - [m/s]. Фреквенција звука претставља број (периода) осцилација честица еластичне средине у једници времена, а диктира је звучни извор 1 Промене звучног притиска у времену и простору су повезане преко акустичке таласне једначине.

1. Физика звукаvtsns.edu.rs/wp-content/uploads/2014/03/AT-1.1... · Физика звука Ä овом поглављу објашњено је како звук настаје

  • Upload
    others

  • View
    7

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: 1. Физика звукаvtsns.edu.rs/wp-content/uploads/2014/03/AT-1.1... · Физика звука Ä овом поглављу објашњено је како звук настаје

1

1. Физика звука

У овом поглављу објашњено је како звук настаје и како се простире. Физичка појава звука

везана је за осциловање честица еластичне средине, тако да се може говорити о простирању звука

кроз ваздух, воду (сонар), али и кроз чврсте материјале; звука једино не може бити у вакууму.

1.1. Звучни притисак

Док нема звука у ваздуху, силе привлачења или одбијања између честица еластичне

средине распореде их равномерно у одређеној запремини. Зависно од тога колико су густо

сабијене честице ваздуха у јединици запремине постоји већи или мањи притисак - то је атмосфер-

ски притисак који се не мења брзо, па се назива и статички притисак. Његове промене дешавају се

споро, нпр. у току дана са променом временских прилика.

Када се у ваздуху активира неки звучни извор, он изводи поједине честице ваздуха из свог

равнотежног положаја прибилижавајући их суседним честицама еластичне средине у једном

правцу (згушњавају се, тј. повећава се сила њиховог одбијања), а истовремено удаљавајући их од

суседних честица са супротне стране (разређују се, тј. смањује се сила одбијања из тог правца). То

је еквивалентно као кад се изведе математичко клатно из равнотежног положаја и потом пусти -

започињу осцилације. Изведена из равнотежног положаја, под дејством поменутих сила честица

ваздуха настоји да се врати у равнотежни положај, и убрзава крећући се ка њему, али због

инерције наставља да се креће удаљавајући се од свог равотежног положаја на другу страну све

док је силе одбијања/привлачења са суседним честицама не успоре, зауставе и упуте назад у

правцу равнотежног положаја... тако настају звучне осцилације честица еластичне средине.

Осцилације честица еластичне средине у звучном пољу описују се преко помераја, брзине

и убрзања, који су праћени променама звучног притиска у времену и простору1 - долази до

сабијања и разређивања честица еластичне средине. Већ сада важно је напоменути да се са

звуком не преносе честице еластичне средине - оне само осцилују око свог равнотежног положаја

(као математичко клатно), а кроз простор се преноси талас промене звучног притиска који чуло

слуха перципира као звук.

Простирање звука описује се преко три основне физичке карактеристике:

1) Брзина звука -

2) Фреквенција -

3) Таласна дужина -

Брзина звука претставља брзину којом се звук простире кроз неку еластичну средину -

обележава се са c и изражава у метрима у секунди - [m/s]. Фреквенција звука претставља број

(периода) осцилација честица еластичне средине у једници времена, а диктира је звучни извор

1 Промене звучног притиска у времену и простору су повезане преко акустичке таласне једначине.

Page 2: 1. Физика звукаvtsns.edu.rs/wp-content/uploads/2014/03/AT-1.1... · Физика звука Ä овом поглављу објашњено је како звук настаје

2

који изазива те осцилације. Обично се обележава са f, а представља реципрочну вредност од

периоде осциловања, , тако да је јединица за фреквенцију реципрочна вредност од

секунде као јединице за време, . Готово никад звук није сачињен само од једне

фреквенције него садржи читав спектар фреквенција. Пут који превали звучни талас (простирући

се брзином c) за време једне периоде осциловања Т назива се таласна дужина, а зависи од

еластичне средине кроз коју се преноси звук. Дакле, релација која повезује ове три физичке

величине је:

(1)

У наставку ће са више детаља бити описане ове три физичке величине и преко њих објашњене:

појаве које прате простирање звука (закретање, преламање, стварање стојећих таласа,

пробијање звучног зида),

понашања звука када наиђе на препреку (заобилажење препреке, одбијање и апсорбо-

вање, преламање),

а разумевање ових физичких појава помоћи ће и

разумевању неких аспеката перцепције звука (осећај висине тона и Доплеров ефекат,

бинаурална локализација правца из ког долази звук), и даље

разумевању стерео и окружујућег (енгл. surround) звука, усмерености микрофона и

звучника, избора и поставки микрофона и звучника, појаве микрофоније итд.

1.2. Брзина звука

Колика је брзина звука? У ваздуху, звук прелази око 330-340 m/s, што значи да му је

потребно око 3 секунде да превали растојање од 1 km. Прерачунато у километре на час

видимо да је брзина звука десетак пута већа од брзине којом се крећу аутомобили на брзим

аутопутевима. Дакле, брзина звука је далеко већа од брзине коју достижу и најбржи аутомобили,

али је достижна за авионе који се крећу надзвучном брзином (тзв. супер-сонични авиони).

Интересантан је ефекат "пробоја звучног зида" који се дешава у моменту када авион (као извор

звука) убрзава и достиже брзину звука, о чему ће касније бити још речи.

Са друге стране, брзина звука је неупоре-

диво мања од брзине којом се простиру електро-

магнетни таласи, укључујући светлост. Брзина

светлости 300.000 km/s је толико већа од брзине

звука да можемо сматрати да она тренутно прелази

пут од неколико километара.

Колико времена је потребно светлости да пређе пут од: а) 300 km, б) 3 km, ц) 1 km?

Ако севне муња и након тога измеримо 6 s док не зачујемо грмљавину, колико је она далеко од нас?

Page 3: 1. Физика звукаvtsns.edu.rs/wp-content/uploads/2014/03/AT-1.1... · Физика звука Ä овом поглављу објашњено је како звук настаје

3

Брзина преноса телекомуникационих сигнала је толико

већа од брзине звука да је често потребно мање времена

да се глас пренесе од уста говорника до телефона, него

што је потребно да тај глас стигне од телефона до неког

уређаја за снимање у оближњем граду.

Пар секунди након разговора преко телефона може да се заврши и његово снимање у било којој

тачки на свету. Још док разговор траје, како пристиже снимљени говор он може да се аутоматски

препознаје (шта, ко и како је рекао) и непосредно по завршетку разговора његов транскрипт се за

трен може послати као текстуална порука било ком и било где на земаљској кугли.

1.2.1. Зависност брзине звука од температуре

Брзина звука кроз ваздух зависи од влажности, вискозности и још неких фактора, а пре

свега од температуре ваздуха и може се изразити као:

(2)

где је температура изражена у степенима Целзи-

јуса. Дакле, на око 0оC брзина звука је око 330 m/s, а

може да буде и мања ако је температура "у минусу",

док је на температурама око 20оC на којима најчешће

боравимо брзина звука и преко 340 m/s и може да

буде и већа на високим летњим температурама.

1.2.1.1. Закретање (рефракција) звука

Чињеница да се звук брже простире

кроз топлије него кроз хладније слојеве

ваздуха доводи до закретања (рефракције)

таласног фронта. Тако ће се појавити тзв.

звучне сенке у предвечерје врелог топлог

дана, када су плочници и тло још увек

загрејани и греју доње слојеве ваздуха, а из

горњих слојева ваздуха се спушта свежији

(хладнији) ваздух - сл. 1). Обрнуто, изјутра -

када се тло охлади у току ноћи, а гране сунце и

почне да загрева горње слојеве ваздуха -

таласни фронт ће се закретати на доле. Ову

појаву опажамо тако што чујемо звук из неких

Ако телекомуникациони пут између мобилног телефона и уређаја за снимање износи 50.000 km, а ауто-матско препознавање говора/говорника/емоција се завршава 200 ms након пријема говорног сигнала, колико ће протећи време док тајни агент у близини поменутог мобилног телефона не добије писани из-вештај шта је и ко причао преко тог мобилног телефона? (занемарују се сва остала кашњења на мрежи)

Израчунати време потребно да глас стигне од уста говорника до микро-фона на телефону удаљеном 10 cm.

Колики пут може да пређе електро-магнетни талас за исто време?

Израчунати брзине звука на температурама: а) -40

оC, б) -20

оC, в) 0

оC, г) +20

оC, д) +40

оC.

Израчунати температуре при којима је брзина звука тачно: а) 330 m/s, б) 340 m/s.

Слика 1. Закретање таласног фронта због различите

температуре појединих слојева ваздуха

Page 4: 1. Физика звукаvtsns.edu.rs/wp-content/uploads/2014/03/AT-1.1... · Физика звука Ä овом поглављу објашњено је како звук настаје

4

удаљених извора звука (нпр. довикивање пастира, удаљена пруга, водопад и сл.) у доба дана када

су слојеви ваздуха и тла подједнаке температуре па нема закретања таласног фронта него се звук

простире паралелно са површином тла, а у неко друго доба дана се због рефракције не чују ти

удаљени извори звука.

До појаве рефракције - закретања таласног

фронта долази и при простирању звука кроз

друге средине - нпр. кроз воду (сонар). Ако је

површина воде загрејана, а доњи слојеви су

хладнији - брзина подводног звука ће опадати

са дубином. У супротном, ако су горњи слојеви

хладни, па чак и прекривени ледом, а на дну

имамо неке изворе топле воде, закретање

звучног таласног фронта ће бити ка површини,

слика 2.

1.2.2. Зависност брзине звука од средине кроз коју се простире

У течностима и кроз чврсте средине брзина звука је већа него у ваздуху јер су еластичне

везе између честица у течним и чврстим материјалима чвршће, па се талас осцилација (поремећаја

средине) брже преноси. Међутим, на покретање тих честица троши се више енергије емитоване из

звучног извора, тако да звук не може да прође кроз нпр. дебео бетонски зид, па се он може

искористити као заштита од нежељеног звука - буке. У табели 1. дате су вредности брзине звука у

појединим чврстим, течним и гасовитим срединама.

Табела 1. Брзина звука у различитим материјалима изражена у [m/s]

чврсти материјал брзина звука течност брзина звука гас брзина звука

алуминијум 6300 алкохол 1150 кисеоник 317

бакар 5000 уље 1540 CO2 258-268

гвожђе 4350 жива 1450 водоник 1270

челик 6100 терпентин 1250

олово 2050 глицерин 1980

стакло 5600

бетон 3100

лед 3200

плута 500

дрво-храст 4000

дрво-бор 3500

тврда гума 2400

мека гума 1050

Разлике у брзини звука кроз различита чврста тела последица је различите структуре

материјала и веза између честица те средине. Приближно, брзина звука у течностима је око 4 пута

већа од брзине у ваздуху, а у многим чврстим материјалима и знатно више. Због разлике у

Слика 2. Појава закретања подводног звука

Page 5: 1. Физика звукаvtsns.edu.rs/wp-content/uploads/2014/03/AT-1.1... · Физика звука Ä овом поглављу објашњено је како звук настаје

5

брзинама простирања звука долази до преламања звучног таласа при преласку из једне у другу

средину, при чему долази и до промене таласне дужине, па ће ова појава преламања бити касније

описана у целини.

1.3. Фреквенција звука

У овом одељку објашњен је појам фреквенције звука, како са аспекта настајања и

егзистенције звука (осцилације честица еластичне средине и промене звучног притиска), тако и са

аспекта перцепције звука - укратко је описан чујни опсег фреквенција код човековог чула слуха, и

дати су примери звучних сигнала и њихових спектара. Више о субјективном осећају фреквенције

звука и осетљивости на звук зависно од његовог нивоа и спектралног садржаја биће речи у

поглављу о психо-физиолошкој акустици.

Као што је већ укратко речено, честице еластичне средине (нпр. ваздуха) у свакој тачки

звучног поља осцилују око свог равнотежног положаја и при томе долази до наизменичног

згушњавања и разређивања тих честица, односно до повећања и смањивања - промена звучног

притиска у времену. Те промене звучног притиска се еластичним везама преносе као звучни

талас кроз звучно поље брзином звука карактеристичном за ту еластичну средину - то су промене

звучног притиска у простору - по правилу, опадају са удаљавањем од звучног извора.

Циклус осциловања сваке честице еластичне средине у звучном пољу периодично се

понавља са периодом Т. Број тих периода осциловања у секунди поклапа се са бројем циклуса

промене звучног притиска у јединици времена и представља фреквенцију звука:

(3)

Нпр. ако је периода осциловања , онда је реч о звуку на фреквенцији од . Већи

број осцилација у јединици времена узроковаће брже промене звучног притиска у току времена -

то су више фреквенције, а спорије промене у времену чине звук нижих фреквенција.

1.3.1. Чујни опсег фреквенција

Да би човеково чуло слуха регистровало осцилације честица еластичне средине тј. промене

звучног притиска као звук, потребан услов је да њихова фреквенција буде у чујном опсегу

фреквенција - од 20 Hz до 20 kHz, а довољан услов је да

те осцилације стварају звучни притисак довољног

интензитета - који ухо може да чује као звук.

Треба већ сада напоменути да чуло слуха није

подједнако осетљиво на звуке на свим фреквенцијама у

чујном опсегу. Најосетљивије је на звуке фреквенција

од један до неколико килохерца, па није ни чудо што је

човек развио моћ говора управо на тим фреквенцијама.

Да би човек уопште чуо ниске фреквенције (испод око

100 Hz) или веома високе фреквенције (преко 10 kHz)

Постоје животиње које чују фреквенције изнад 20 kHz - тзв. ултразвук. Тако слепи миш користи ултразвук за своје кретање и проналажење плена, делфини се спора-зумевају помоћу ултразвука који перципи-рају посебно осетљивим деловима главе и тела (немају уши као човек), а познато је да пси и мачке такође чују фреквенције од више десетина килохерца - постоје нпр. ултразвучне пиштаљке за псе. Такође, нека жива бића реагују и на инфразвук чије су фреквенције испод 20 Hz.

Page 6: 1. Физика звукаvtsns.edu.rs/wp-content/uploads/2014/03/AT-1.1... · Физика звука Ä овом поглављу објашњено је како звук настаје

6

потребно је објективно да постоји веома јак звук на тим фреквенцијама близу граница чујног

опсега. Уз то, са старењем човеково чуло слуха губи моћ да чује високе фреквенције - сужава му се

чујни опсег са стране високих фреквенција и подиже се праг чујности на тим високим

фреквенцијама.

О свим поменутим детаљима у вези са перцепцијом звука и његове фреквенције биће

више речи у поглављу о психо-физиолошкој акустици.

1.3.2. Спектар звука

Звучни сигнали се као и многи други приказују у временском и/или фреквенцијском

домену. Ако се у току времена прате само промене амплитуде звучног притиска - то је временска

представа сигнала. Ако се звучни сигнал разложи на фреквенцијске компоненте од којих је

сачињен - приказују се амплитуде на појединим фреквенцијама тј. спектрални садржај звука.

Прикази амплитуда у току времена или дуж фреквенцијске осе су дводимензионалне представе

сигнала. Да би се на истом графикону приказале промене звучног сигнала (звучног притиска) у току

времена и по фреквенцијском садржају користи се тродимензионални приказ: амплитуде (звучног

притиска) у дводимензионалној равни време-фреквенција - то су тзв. спектрограми или сонограми

звучних сигнала.

Прост тон (звук на само једној фреквенцији) се ретко појављује у човековом окружењу. Он

би у временској представи био простопериодичан сигнал, а на фреквенцијској оси имао би само

једну компоненту, сл. 3.а). Обично се звук састоји од компоненти на више различитих фреквенција,

односно има богатији спектар. Чак и кад се на музичком инструменту одсвира чист тон, он је због

нелинеарности инструмента праћен тзв. вишим хармоницима - компонентама звука на фреквен-

цијама које су целобројни умношци основне фреквенције тона, сл. 3.б). За оцену висине тона

меродаван је тај основни хармоник, а односи интензитета појединих хармоника одређују боју

звука по којој можемо разликовати поједине музичке инструменте док емитују исти (основни) тон.

Ако се у звучном пољу појави други тон који није у целобројном односу фреквенција са првим

тоном - они ће звучати нескладно (дисхармонично), сл. 3.ц). Звуци као што су удари, граја већег

броја људи, разни шумови и бука - немају дискретан спектар, односно не састоје се само од неких

тонова и њихових виших хармоника, него имају веома богат спектар читавог низа блиских

фреквенција, па се њихов спектар приказује као континуалан, сл. 3.д). Код таквих звукова се не

може говорити о висини тона него само о укупној јачини звука и спектралном садржају (боји) звука

- нпр. да ли су по интензитету израженије ниске или високе фреквенције неке буке.

а) Прот тон б) Хармоничнан звук ц) Дисхармоничан звук д) Бука

Page 7: 1. Физика звукаvtsns.edu.rs/wp-content/uploads/2014/03/AT-1.1... · Физика звука Ä овом поглављу објашњено је како звук настаје

7

...спектрограм...

Слика 3. Временска и фреквенцијска представа неких звучних сигнала

Звуци који се периодично понављају у времену имају дискретан спектар. Такви су музички

тонови, а у говору самогласници и звучни сугласници. Континуалан спектар карактеристичан је за

звуке који немају карактер периодичног понављања као што су шумови и бука, удари код

музичких инструмената, а у говору континуалан спектар имају безвучни сугласници. На сл. 4. дати

су примери звучних сигнала и њихових фреквенцијских садржаја - спектара.

а) Говорни сигнал б) Музички сигнал

консонант(безвучни)-вокал-консонант(звучни) ...временска представа...

звучни па безвучи сегмент

...фреквенц. представа...

...спектрограм...

Слика 4. Примери звучних сигнала и њихових спектара

1.4. Таласна дужина звука Померањем честица еластичне средине на једну страну преноси се талас сабијања честица

у том правцу, али честице како достижу максимални отклон из свог равнотежног положаја у том

правцу, полако се зауставе, па почну да се крећу у супротном правцу и тада доприносе смањењу

звучног притиска у павцу простирања звучног таласа. Ако је фреквенција ових осцилација велика,

онда се учестало (брзо) смењују максимуми и минимуми звучног притиска у правцу простирања

звучног таласа. Растојање између два максимума у правцу простирања звучног таласа назива се

таласна дужина звука и de facto представља пут који пређе звучни талас за време једене периоде

осциловања честица еластичне средине , као што је већ наведено у изразу (1). Имајући у

виду и релацију (3) која повезује фреквенцију и периоду периодичног звука, добија се релација

Page 8: 1. Физика звукаvtsns.edu.rs/wp-content/uploads/2014/03/AT-1.1... · Физика звука Ä овом поглављу објашњено је како звук настаје

8

која повезује три основне физичке карактеристике које описују простирање звука: брзину c,

фреквенцију f и таласну дужину :

(4)

Дакле, у еластичним срединама у којима се звук брже простире (због мање еластичних

веза између честица), са истом фреквенцијом осциловања честица у звучном пољу, веће је

растојање између максимума звучног притиска у правцу простирања звучног таласа, тј. за време

једне осцилације бржи звук превали већу таласну дужину. Ако посматрамо различите фреквенције

звука у истој еластичној средини, на вишим фреквенцијама су периоде осцилација краће и не

стигне далеко да одмакне максимум - стиже га следећи минимум па максимум, тј. мала је таласна

дужина на тим високим фреквенцијама: на 20.000 Hz - таласна дужина је свега 1,7 cm. Са друге

стране, на најнижим фреквенцијама у човековом чујном опсегу таласна дужина је највећа: на 20 Hz

- таласна дужина је 17 m. На основу израза (4) могу се лако израчунати таласне дужине за све

фреквенције у чујном опсегу, што је приказано у табели 2.

Табела 2. Чујни опсег таласних дужина у ваздуху при брзини звука од 340 [m/s]

f 20 Hz 100 Hz 1 kHz 10 kHz 20 kHz

17 m 3,4 m 34 cm 3,4 cm 1,7 cm

У еластичним срединама са већом брзином простирања звука и таласна дужина је

сразмерно већа за звук истих фреквенција.

1.4.1. Дифракција (преламање) звука

Звучни зрак је у правцу простирања таласног фронта, дакле нормалан (под правим углом) у

односу на таласни фронт, било да је реч о равним или сферним звучним таласима.

При преласку звука одређене фреквенције из једне средине у другу, због разлике у

брзинама звука у те две средине, долази и до промене таласне дужине која је праћена

преламањем звучног зрака тј. промене правца простирања звучног таласа, сл. 5.

Брзине у две средине се односе као синуси углова звучних зракова у односу на нормалу на

површину између две средине.

(5)

1.4.2. Рефлексија и дифузија

Звук никада не прелази из једне у другу еластичну средину у целини: једним делом се

апсорбује - прелази у другу средину (све са описаним преламањем), а другим делом се одбија од

површине друге средине:

Page 9: 1. Физика звукаvtsns.edu.rs/wp-content/uploads/2014/03/AT-1.1... · Физика звука Ä овом поглављу објашњено је како звук настаје

9

Рефлексија: Ако је површина на граници између две средине велика, равна и глатка, звучни

талас се рефлектује тако да је упадни угао звучног зрака једнак углу рефлектовања 1.

Дифузија: Ако је површина на граници неравна, звук се одбија у разним правцима - долази

до распршивања звука - тзв. дифузије.

Да ли је површина равна или неравна - то је релативна ствар у односу на таласну дужину. За звуке

ниских и средњих фреквенција таласне дужине су реда величине дециметара и метара, док је за

високе фреквенције таласна дужина реда сантиметара.

Ако је потребно да се одбијени звук усмери у одређеном правцу, користе се рефлектори

тако окренути или заобљени да усмеравају или чак фокусирају звук у жељеном правцу.

Рефлектори се често постављају по таваницама већих концертних дворана и усмеравају звук на

балкон или забачени део удаљених седишта до којих не би допрло довољно директног звука.

Понекад су равне велике површине непожељни рефлектори звука, као нпр. бочни зидови у

позоришту или биоскопу. Зато се по тим зидовима постављају неравнине које служе као дифузори

који распршавају звук у разним правцима и доприносе стварању дифузног хомогеног звучног

поља. Хомогеност значи да се подједнако гласно чује звук у већем делу простора, а дифузност је

особина звука да у ухо долази подједнако вероватно са свих страна. Тада само директан звук

долази из правца извора, а све рефлектоване компоненте на случај са разних страна и не ометају

да ухо по тзв. закону првог таласног фронта непогрешиво опажа правац у ком се налази извор

звука.

1.4.3. Стојећи таласи

Посебно је интересантан случај када раван таласни фронт наилази право на раван зид.

Тада се у свакој тачки звучног поља суперпонирају директни и рефлектовани звучни талас. Иако се

промене звучног притиска директног и рефлектованог таласа простиру брзином звука у једном и

другом (супротном) правцу, збирни звучни талас се не креће ни у једном правцу - зато се и зове

стојећи талас. У појединим тачкама у пољу стојећег таласа су директни и рефлектовани звук у

противфази, тј. њихов збир је све време једнак нули -

то су тзв. чворови стојећег таласа. На средини

између чворова, стојећи талас се мења у највећем

распону амплитуда у току времена - од позитивног

до негативног збира директног и рефлектованог

звучног таласа - то су тзв. трбуси стојећег таласа.

У реалном случају, никад се не рефлектује сва енергија директног звучног таласа, па је

амплитуда рефлектованог таласа нешто мања. Зато, на месту чворова, минимум не достиже баш

нулу, а и трбуси су нешто мањи од двоструке амплитуде директног звучног таласа. Све остало је

исто.

Преко стојећих таласа може се објаснити како функционишу неки музички инструменти,

како се артикулишу поједини гласови и зашто је ухо осетљивије на одређене фреквенције у чујном

опсегу. Наиме, у цевчицама одређене дужине може да дође до резонанције - да рефлектовани

Уколико би се стојећи талас успоставио између паралелних, равних, бочних зидова, нпр. у биоскопу - десило би се да је неко седиште на месту чвора, а друго на месту трбуха стојећег таласа и на тим местима се свакако не би подједнако добро чуо тај звук.

Page 10: 1. Физика звукаvtsns.edu.rs/wp-content/uploads/2014/03/AT-1.1... · Физика звука Ä овом поглављу објашњено је како звук настаје

10

звук "иде на руку" извору директног звука: извор осцилује и када се помера у правцу емитовања

директног звука (повећава звучни притисак), тада и на том месту и рефлектовани звучни талас

повећава звучни притисак; односно, док се извор у оквиру свог цикуса осциловања враћа у

супротном правцу од директног звука и у њему ствара минимум звучног притиска - тада и на том

месту и рефлектовани звучни талас такође смањује звучни притисак. Та складност рада звучног

извора и "помоћ" рефлектованог звучног таласа олакшава рад звучног извора - уводи га у

резонанцију. Ако је супротни крај цевчице затворен крутим зидом чије честице директни звучни

талас не успе да заталаса - на том месту се извесно налази чвор стојећег таласа и ту је

рефлектовани звучни талас у противфази са долазећим директним звучним таласом. За звук

одређене фреквенције чворови (нуле) ће се налазити на половинама таласне дужине ("периода" у

простору), а трбуси између чворова тј. на непарним умношцима четвртина таласне дужине. Дакле,

да би на крају цевчице (где је извор звука који ствара звучно поље) био трбух стојећег таласа, услов

је да дужина цевчице L буде непаран умножак четвртина таласне дужине.

(6)

Најнижа фреквенција на којој постоји резонанција у цеви дужине L je:

(7)

а директни и рефлектовани звук су такође у фази и на фреквенцијама 3 f1, 5 f1, 7 f1... тј. на непарним

умношцима основне фреквенције f1 - тј. њеним непарним хармоницима.

1.4.4. Доплеров ефекат

У чуло слуха стиже звучни талас брзином звука од око 340 m/s и то тако што наилазе у

таласима максимуми и минимуми звучног притиска. Уколико је ухо у звучном пољу са звуком мале

таласне дужине (малог растојања између максимума) онда ће се перципирати учестала смена

пристиглих промена звучног притиска тј. висока фреквенција звука. Ухо у звучном пољу велике

таласне дужине перципира звук ниске фреквенције. Дакле, перцепција фреквенције звука не

зависи само од фреквенције којом звучни извор емитује звук него, пре свега, колика је таласна

дужина звучног таласа који доспева у ухо. Тако, нпр. ако се звучни извор (релативно брзо) креће у

правцу слушаоца, тада у ухо стижу узастопни максимуми брже него када би и извор звука

мировао, па је на пријему краћа таласна дужина и зато већа перципирана таласна дужина. Са

друге стране, слушалац од кога се удаљава звучни извор, налази се у звучном пољу веће таласне

дужине и он чује нижу фреквенцију звука него што извор заиста емитује.

Ова појава назива се Доплеров ефекат, а релација између перципиране и емитоване

фреквенције звука у случају када се извор и/или пријемник крећу дата је изразом:

На којој фреквенцији се може очекивати појачан пријем звука кроз слушни канал дужине 2,5 cm?

Које су фреквенције прва три форманта неутралног вокала који се изговара кроз цев дужине 17 cm?

Page 11: 1. Физика звукаvtsns.edu.rs/wp-content/uploads/2014/03/AT-1.1... · Физика звука Ä овом поглављу објашњено је како звук настаје

11

(7)

1.4.5. Пробијање звучног зида

Звук се око (тачкастог) извора звука простире у свим правцима брзином звука па је таласни

фронт у облику сфере. Међутим, из позиције извора који се креће у једном правцу узастопне

сфере нису у виду концентричних кругова, па узастопни максимуми попримају облик као на сл. 6.

Ако извор звука достигне и надмаши брзину звука долази до тзв. "пробоја звучног зида". Таком

брзином се крећу супер-сонични авиони.

Слика 6. Таласни фронт извора звука који се креће