fizika 10 akustikatesla.pmf.ni.ac.rs/people/nesiclj/predavanja/biologija...3 1-Дец-08 Физика, 2008 ЉубишаНешић 13 Брзиназвука2 • Одређивањебрзинезвука–

1

1-Дец-08 Физика, 2008Љубиша Нешић

1

ФИЗИКАЧас број 10

Понедељак , 1. децембар, 2008

• Акустика• Физичке карактеристике звучних таласа• Брзина звука• Висина и боја• Интензитет (јачина) звука• Физиолошке карактеристике звука• Инфразвук и ултразвук


2

Акустика• Област физике –проучава појаву, настанак, простирање и

опште карактеристике звучних таласа као и њиховуинтеракцију са еластичном средином (медијумо-преносиоцем таласа)

• Звук? – Механички талас који настаје у еластичним срединама (чврста,

течна, гасовита) чије се осцилације могу регистровати чулом слуха.– Опсег фреквенци: 1Hz < ν < 1013Hz– Људско ухо региструје: 16-20 000Hz – звук

Испод 16 Hz инфразвукИзнад 20 000 Hz ултразвук

– За простирање је неопходан извор и еластична средина (увакууму нема простирања звука)

• Звучни извор- сваки механички осцилатор који осцилујеправилно у еластичној средини: жице, учвршћени штапови, мембране, ваздушни стуб, ...


3

Људско ухо:•Већина људи чује звуке од 16Hz до 20,000 Hz.


4

Животиње:•Код животиња доња и горња граница нису као код

људи.


5

Осциловање затегнуте жице• Основна карактеристика жице- попречне димензије занемарљиве у

односу на дужину

Деформација иде до крајева жице , одбијасе уз промену фазе за π , слажу сеупадни и одбијени талас и формирастојећи, чворови су у x = 0, x = l.l xO

Услов образовања стојећег таласа је

K,3,2,1=n

2λnl =


6

Осциловање затегнуте жице 2• Талас је трансверзалан• Основни тон је за n = 1, n = 2,3,…виши хармоници.• Брзина звучног таласа је

• фреквенца

• Промена дужине жице код гитаре мења фреквенцију•Дебље жице се обавијају тањим да да би се повећала маса по јединицидужине, тј. смањила фреквенција

µµλν F

ln

nl

Fc22

1===

µTFu =

2


7

Осциловање штапа/шипке• Трансферзалне и лонгитудиналне осцилације• Учвршћен на једном крају или у средини

n - број чворова

43λ

lcn4

)12( +=νl

nc2

=ν

4λ

lcn2

)12( +=ν

2)12( λ

+= nl

2λnl =4

)12( λ+= nl


8

Осциловање ваздушног стуба• У цевима настају само лонгитудинални таласи (у гасу)• Цев може бити отворена само на једном или на оба краја


9

Цеви затворене на једном крају•У затвореним цевимарезонанца се дешава

на непарним ¼таласне дужине λ

•Чвор: на затвореномкрају, трбух наотвореном

1/4 λ

3/4 λ

5/4 λ


10

Плоче и мембране• Сложене су - у 2 правца се дешавају осцилације, 2

димензионални стојећи таласи. (звучници, микрофони)


11

Звук ниже фреквенце има већу талaсну дужину одвисокофреквентног звука, јер су оба једнаке брзине.

Ниско-фреквентни звук је емитован великим “woofer” звучником, висoкофреквентни звук је емитован малим “tweeter”звучником


12

Брзина звука• Фазна брзина звучног таласа

– c = λν, ν = const. – Брзина зависи од таласне дужине а ова од еластичних особина

средине. Што су израженије већа је брзина простирања

H2O молекули суближи једнидругима

Молекули гаса сумање густоупаковани

3


13

Брзина звука 2• Одређивање брзине звука – метода еха

tlc

∆=

2


14

Брзина звука 3

ρκPc =

• Табеле

Зависност брзине од температуре

Co2731

=α

За чврста и течна тела

ρVE

c =

tcc α+= 10

За гасове


15

Музички инструменти :•Могу се сврстати у три класе:

Са стубовима ваздуха којиосцилују

Са жицама које осцилују

ударачки


16

Физиолошке карактеристике звука• Звучни талас у ушној шкољки изазива принудне осцилације• Оне се преносе преко кошчица (чекић, наковањ и узенгија)• Долазе на мембрану која затвара унутрашње ухо које је испуњено течношћу• Дуж канала ун. уха налазе се завршеци око 23500 нервних ћелија• На основу надражаја нервних ћелија формира се осећај звука• Субјективне караткеристике-осећај за : висину, боју тона, ниво јачине (гласности) звука, ...


17

Како чујемо ?

Звук побуђујебубну опну наосциловање

Чекић, наковањ, узенгија, појачавају звук механичкиоко 20x.

Фреквентнаанализа звука иконвертовање уелектричнесигнале

Нерви шаљуелектричнесигнале умозак надаљу анализу


18

Висина тона:• Субјективној карактеристици осећаја висине тона одговара као

физичка карактеристика фреквенција• Висок тон = висока фреквенција• Низак тон =ниска фреквенција

1000 Hz 1500 Hz 2000 Hz

4


19

Октава:• Цео опсег тонова које прима човечје ухо подељен је на интервале -

октаве• Октава – интервал висине тона чији је однос крајњих фреквенција 2.

•Звучно подручје има 10 октава.

1 октава 1 октава 1 октава

125 Hz 250 Hz 500 Hz 1000 Hz


20

•Једна октава се налази у оквиру седам белих и петцрних дирки на клавиру.


21

Висина тона:


22

Звук инструмената има сложену таласну форму– комбинација таласа разних фреквенци

Најнижа фреквенција= “Основна”, дефинишевисинуВише фреквенције = “Хармоници”, одређујубоју тона. Оне су целобројнии умножак основнефреквенције.


23

Боја тона

•Иако клавир и кларинет могу да одсвирају истеноте, оне се разликују.

•Обично су ноте компоноване од парцијалних тонова(хармоника).

•Ови парцијални тонови се мешају и продукујурезултујући тон.


24

Хармоници жице која осцилује:

5


25

•И клавир и кларинет могу да произведу ноту истуфренквенце али се разликују по “унутрашњој”

структури


26

Звучни таласи који нису простесинусне функције - Фурије анализа

Размотримо звучне таласе исте фреквенце које производе разниинструменти

Кларинет

Звучна виљушка

Флаута


27

Хармонијска анализа – откривање хармоника који су садржани усложеном таласу


28

Појачавање : резонаторским кутијама

Селектују и појачавајуодређене хармонике ипроизводе звук


29

Акустичнагитара

Резонатори


30

Мод број 1

6


31

Мод број 2


32

Мод број 3


33

Комплекснији модови…


34


35

Ниво јачине звука

Бел и децибел

0log

IIkL =

• Вредности I између прагова чујности и бола се разликују 1013 пута!• Осим тога, одговор ува на јачину звука није линеаран него логаритамски• Ниво јачине звука – упоређују се два звучна извора различитих интензитета одкојих је интензитет једног референтан и за њега се узима интензитет на прагучујности I0 = 10-12 W/m2

•k = 1 [B] - бел•k =10 [dB] - децибел

•k - константа


36

7


37

Нивои дозвољене јачине звука


38

Инфразвук• Фреквенција испод области чујности (испод 16 Hz) –

нискофреквентни механички таласи• Извори: вештачки (SUS мотори, дрхтање турбина, ...);

природни (земљотреси, ерупције вулкана, удар морскихталаса, ...)

• Биолошко дејство – слично дејству ултразвука – утиче напропустљивост ћелијских мембрана (од 2 Hz до 6 Hz), илидоводи до релаксације мишића и нормализовања мишићногтонуса (од 6 Hz до 12 Hz)

• Примењује се у физиотерапији у циљу микромасаже ткива• Дуготрајно излагање може да има штетне последице:

унутраршње крварење, обољење унутрашњих органа па чаки смрт


39

Ултразвук• Механички таласи фреквенце веће од 20 kHz до 1 GHz , (не чује се)• Природни извори: животиње (слепи миш, мачка, делфин, глодари, птице

и инсекти), шум ветра и мора, олујна пражњења, снежне лавине, • Вештачки извори: механички (Галтонова пиштаљка за псе),

електромагнетни (сирене, генератори, турбине, ...)• Основне карактеристике – високе фреквенције/мале таласне дужине (17

mm-0,1µm) , велики интензитет у снажним генераторима 106 W/m2.

• Прва практична примена - 1. светски рат - Sound Navigation and Ranging (SONAR)– подводна навигација и комуникација пoмоћу звука

• Испитивање подводних објеката и рељефа, за мерење подводнихдубина, откривање јата риба, ...


40

Ултразвук - примена


41

Основна дејства ултразвука набиолошке системе

Физичко-хемијско дејство: последица механичких и топлотнихефеката – оксидационо-редукциони процеси, денатуризацијапротеина, инактивација ензима, деполимеризацијависокополимерних молекула, ...

механичко, топлотно, физичко-хемијскоМеханичко дејство: последица компресије и дилатације ткива.

Повећава пропустљивост ћелијских мембрана и убрзаваразмену материје. Дејство може да буде и разорно

Топлотно дејство: услед апсорбовања механичке енергије удатом систему која се претвара у топлотну. Долази долокалног повишења температуре. И ово изазива повећањепропустљивости


42

Documents

fizika 10 akustikatesla.pmf.ni.ac.rs/people/nesiclj/predavanja/biologija...3 1-Дец-08 Физика, 2008 ЉубишаНешић 13 Брзиназвука2 • Одређивањебрзинезвука–