3 Fiziološka akustika

Sve što je do sada obrađeno u prve dve glave ove knjige spada u oblast objektivnog proučavanja pojava koje prate nastajanje i prostiranje zvučnih talasa. Kontrola fizičkih veličina u zvučnom polju ostvaruje se na objektivan način pomoću mikrofona i drugih pratećih uređaja. U svakom trenutku se može ustanoviti vrednost intenziteta zvuka, zvučnog pritiska ili neke druge fizičke veličine. Objektivna merenja i objektivno praćenje zvučnih pojava je neophodno da bismo znali u kakvim uslovima se nalazi čovek, zbog koga se akustika kao naučna i tehnička disciplina i razvila.

Pošto je krajnji cilj upoznavanje sa efektima koje ima zvuk na čoveka, nastala je i posebna oblast akustike koja se naziva fiziološka akustika (fiziologija je nauka koja proučava funkcije pojedinih organa). U fiziološku akustiku spadaju pojave koje prate percepciju (prijem) zvuka preko čula sluha, kao i preko drugih organa. Sve što obrađuje fiziološka akustika je u oblasti subjektivnog, a to znači onoga što čovek oseća kada se nađe u polju zvučnih talasa.

Čovek je uključen u zvučne pojave i signale na dva načina: kao prijemnik zvuka i kao generator zvuka. Poznavanje mehanizama prijema zvuka se u najvećoj meri odnosi na rad čula sluha i njegove karakteristike. Stvaranje zvuka (govor, pevanje) je druga bitna akustička osobina čoveka, a način stvaranja glasova i njihova analiza su takođe problemi kojima se bavi akustika.

Mnogobrojna istraživanja su, naročito u poslednje vreme, usmerena ka iznalaženju korelacije između objektivnog i subjektivnog načina prijema zvuka. Teži se ka tome da osobine čoveka kao prijemnika zvuka budu što više uključene u objektivne karakteristike audio uređaja, a time, koliko god je to moguće, bude smanjena razlika između objektivnog i subjektivnog.

Danas je u velikoj meri poznato na koji način čovek prima i stvara zvuk. Postoje još uvek neki delovi u prijemnom mehanizmu zvuka koji nisu do kraja objašnjeni, pre svega zbog svoje složenosti. Čulo sluha i njegove karakteristike se i dalje istražuju kako bi se do kraja objasnilo na koji način čovek čuje. Primena računara u oblasti rada čula sluha dovela je do novih saznanja. Realno je uskoro očekivati i potpunu simulaciju subjektivnog prijema zvuka.

32 Elektroakustika

3.1. Čulo sluha

Organ pomoću koga čovek prima zvuk je čulo sluha. Dosta uprošćen izgled čula sluha dat je na slici 3.1, gde su označeni osnovni delovi.

Čulo sluha se sastoji od spoljašnjeg, srednjeg i unutrašnjeg uva. Ušna školjka je ulazni deo spoljašnjeg uva. Njena uloga je da prikupi što više akustičke energije koja dolazi iz prostora. Dimenzije ušne školjke su nedovoljne da se njeno dejstvo može ispoljiti na niskim frekvencijama. Tek od oko 3000 Hz, kada talasna dužina zvuka postane reda veličine ušne školjke, ispoljava se njena uloga. Zvuk koji prihvati ušna školjka ulazi u slušni kanal, koji je preseka oko 0,4 cm2, a dužine 2,5 cm. Na kraju slušnog kanala je bubna opna. Ona predstavlja granicu između spoljašnjeg i srednjeg uva.

Bubna opna vibrira pri dolasku zvučnih talasa, kao i svaka membrana. Pomoću nje se akustička energija pretvara u mehaničku. Atmosferski pritisak deluje na bubnu opnu i ona bi bila opterećena samo sa jedne strane da ne postoji mogućnost dolaska atmosferskog, pa i zvučnog pritiska, i sa druge strane. Srednje uvo, u kome je vazduh, povezano je sa usnom šupljinom. Ovu vezu čini Eustahijeva tuba (cev) koja se otvara samo pri gutanju ili zevanju. Ukoliko želimo da se zaštitimo od jakog zvuka (eksplozije i sl.) i da sačuvamo bubnu opnu, potrebno je otvoriti jako usta, jer će se na taj način izjednačiti pritisak sa obe strane bubne opne.

U srednjem uvu se nalaze tri koščice koje zahvaljujući svojim oblicima nose nazive: čekić, nakovanj i uzengija. One su međusobno elastično povezane i služe za prenošenje mehaničke energije sa bubne opne na drugu opnu koja se nalazi na granici između srednjeg i unutrašnjeg uva, na ovalnom prozoru. Mehanički odnosi koščica i relativno male dimenzije opne na ovalnom prozoru prema bubnoj opni, povećavaju osetljivost čula sluha.

Slika 3.1. Čulo sluha i njegovi osnovni delovi

3. Fiziološka akustika 33

Glavni deo unutrašnjeg uva je pužasto telo (kohlea). To je koščani, šuplji organ ispunjen tečnošću (limfom). Pužasto telo je u stvari kanal uvijen u obliku puža. Dužina ovog kanala u pužu je 30-35 mm, i on je podeljen na dva dela (donji i gornji) pregradom koja se naziva bazilarna membrana. Na toj membrani se nalazi Kortijev organ u kome je smešteno oko 25000 krajeva (završetaka) glavnog slušnog nerva. Naizmenični pritisak u tečnosti u pužu detektuje se pomoću nervnih završetaka, čije savijanje dovodi do pojave električnih impulsa koji se prenose duž nervnih vlakana (brzinom od oko 30 m/s) do mozga i u centru za sluh stvaraju osećaj zvuka.

Ovaj, najkraći prikaz mehanizma slušanja ukazuje na izuzetnu složenost čula sluha. Pomoću ovog organa se akustička energija zvučnog talasa, koji dolazi na ušnu školjku, pretvara u mehaničku, što dovodi do vibracija tečnosti u unutrašnjem uvu i konačno do okidanja električnih impulsa koji nose informaciju do centra za sluh u mozgu. Do poremećaja pri slušanju može doći usled promena ili oštećenja u bilo kom delu prenosnog lanca. Čulo sluha je jedan od najkomplikovanijih organa u čovečijem organizmu.

3.2. Osećaj jačine i visine

Pri prijemu zvuka čulo sluha reagije vrlo jasno i određeno na tri osnovne karakteristike signala. To su: jačina, visina i boja.

Jačinu zvuka određuje intenzitet, koji zavisi od snage zvučnog izvora i od udaljenosti od izvora. Visina zavisi od frekvencije, dok boju određuje spektar zvuka.

Sva čula, preko kojih čovek ostvaruje kontakt sa okolinom i reaguje na nadražaje (zvuk, svetlo, toplota i drugo), podležu jednom istom zakonu. Taj zakon su ustanovili Veber i Fehner i on glasi:

osećaj je srazmeran logaritmu pobude.

Praktično, prema ovom zakonu, čovečija čula ne reaguju na nadražaje linearno, nego logaritamski.

Veber-Fehnerov zakon se, kada je u pitanju zvuk, odnosi na jačinu i na visinu.

3.2.1. Jačina tona Da bi se jačina tona mogla izraziti prema Veber-Fehnerovom zakonu, uveden je

logaritamski način izražavanja. Tako su nastali decibeli [dB], koji su u akustici definisani na sledeći način

[ ]0

log10dBJ

JL = ,

gde su: L - nivo zvuka u dB, J - intenzitet zvuka u W/m2, koji želimo da izrazimo preko nivoa, i J0 - intenzitet zvuka na pragu čujnosti na 1000 Hz, što znači da odgovara najtišem

zvuku koji naše uvo može da registruje na toj frekvenciji. Ta vrednost je 10-12W/m2.

Način izražavanja intenziteta zvuka preko nivoa u dB je u praksi najčešći. Navedimo da svi instrumenti koji služe za praćenje promene intenziteta u prostoru oko zvučnog izvora danas imaju isključivo vrednosti u dB, a to znači da daju podatke o nivou zvuka.

Ukoliko raspolažemo podatkom o zvučnom pritisku p, a ne o intenzitetu zvuka u

34 Elektroakustika W/m2‚ može se, polazeći od veze ove dve veličine (J = p2/ρ c), i zvučni pritisak, odnosno njegov nivo izraziti u dB na sledeći način:

[ ]0

20

2

log20log10p

p

p

pdBL == ,

gde su: p - zvučni pritisak u Pa, koji želimo da izrazimo preko nivoa u dB, i p0- zvučni pritisak na pragu čujnosti (odgovara intenzitetu zvuka na pragu čujnosti),

koji iznosi 2·10−5 Pa.

Ako se radi o istoj tački u prostoru nivo zvuka u dB će biti isti, bez obzira da li je dobijen preko intenziteta ili pritiska.

Izražavanje nivoa zvuka u dB je opravdano pre svega zbog toga što naše čulo sluha reaguje logaritamski na pobudu, a istovremeno je i praktično jer se raspon u numeričkim vrednostima veoma smanjuje. Tako, na primer, promeni intenziteta zvuka od 1.000.000 puta (106)‚ odgovara promena nivoa od 60 dB.

Pošto se decibeli u praksi redovno koriste biće im i ovde posvećeno još malo pažnje.

Nivoi zvuka pojedinačnih izvora zvuka su evidentni. Dobijaju se na osnovu navedenih relacija. Međutim, vrlo često je potrebno izraziti i relativan odnos nivoa. Ukoliko imamo dva nivoa L1 i L2, postavlja se pitanje kolika je njihova razlika u dB. Nju je lako odrediti na sledeći način:

0

2

0

121 log10log10

J

J

J

JLL −=− ,

2

121 log10

J

JLL =− .

Tako dolazimo do podatka kolika je razlika nivoa. U praksi je čest slučaj da se ne određuje nivo u decibelima prema pragu čujnosti, nego se izračunava relativna razlika nivoa. Uzmimo kao primer neku prepreku (zid) koja delimično propušta zvuk. Lako je odrediti koliko iznosi razlika nivoa sa jedne strane prepreke u odnosu na drugu stranu. Tako se dolazi do podatka koliko je prepreka dobar izolator zvuka.

Decibeli su relativne jedinice, objektivne jedinice i ne zavise od frekvencije. Ovo treba uvek imati na umu.

Interesantno je navesti i kako se decibeli sabiraju. Evidentno je da će sabiranje biti logaritamsko, a to znači sledeće. Ukoliko imamo dva ista nivoa, L1 i L2 ukupni nivo se izračunava preko zbira intenziteta. Nivou L1 odgovara intenzitet J1, a nivou L2 intenzitet J2. Ukupni intenzitet je:

J = J1 + J2.

Pošto su intenziteti isti, onda je ukupni:

J = 2J1 .

Povećanje ukupnog nivoa u odnosu na pojedinačni (svejedno koji, jer su isti, J1 = J2) je:

1

1

1

21 2log10log10

J

J

J

JJL =

+=∆ ,

3. Fiziološka akustika 35

dB32log10 ==∆L .

Znači da će zbir dva ista nivoa, od na primer 70 dB, biti uvećan za 3 dB, i iznosiće 73 dB. Ako su nivoi različite vrednosti njihov zbir će biti uvećan do 3 dB u odnosu na veći nivo.

Povećavanjem broja izvora, povećava se i ukupni nivo zvuka. Tako će, na primer, hor od 100 ljudi, pod pretpostavkom da svaki član hora ima istu akustičku snagu, stvarati u odnosu na jednog pevača nivo veći za 20 dB, jer je:

210log101

100log10 ==∆L ,

dB20=∆L .

Navešćemo logaritme najčešćih odnosa dveju veličina (Tabela 3.1).

Tabela 3.1. Logaritmi odnosa dveju veličina

Odnos (x) 1 1,25 1,6 2 2,5 3 4 5 6 8 10 12,5 20 100 1000

log (x) 0 0,1 0,2 0,3 0,4 ≈0,5 0,6 0,67 ≈0,8 0,9 1 1,1 1,3 2 3

Pri udaljavanju od zvučnog izvora svako udvostručavanje rastojanja dovodi, u slobodnom prostoru, do smanjenja nivoa od 6 dB, jer je:

2log20log20log201

2

2

1 ===∆r

r

p

pL ,

dB6=∆L ,

gde je r2 dvostruko veće rastojanje od r1.

3.2.2. Visina tona Svaki ton ima visinu koja zavisi od frekvencije. To znači da kod prostoperiodičnih

(sinusnih) signala visinu tona određuje broj oscilacija u sekundi. Što je frekvencija veća visina tona raste i može, u akustici, da bude najviše 20.000 Hz.

Postoji objektivna visina tona, koja se izražava u hercima. Kada se neka veličina prikazuje u zavisnosti od frekvencije promena frekvencije se daje logaritamski u posmatranom opsegu što je u skladu sa Veber-Fehnerovim zakonom. Audio opseg, od 20 do 20.000 Hz, sadrži 10 oktava (vidi tabelu 3.2). Oktava je interval kod koga je odnos graničnih frekvencija 1:2. Pri logaritamskom načinu promene frekvencija po sredini audio opsega se nalazi frekvencija od oko 1000 Hz, pa se u praksi ta frekvencija uzima i kao srednja za ceo čujni opseg.

Tabela 3.2. Logaritamska promena frekvencije u audio opsegu

Frekvencija [Hz] 20 40 80 160 320 640 1250 2500 5000 10000 20000

U praksi se logaritamska promena frekvencije dobija vrlo jednostavno. Potrebno je na

istom rastojanju naneti na frekvencijskoj osi uvek dvostruku frekvenciju.

36 Elektroakustika

Subjektivna visina tona je ona visina koju čulo sluha registruje. Čovek oseća promenu visine tona, s tim što se subjektivni osećaj visine ne poklapa u potpunosti sa skalom u hercima. Eksperimentalno je ustanovljeno da intervali koji melodijski izgledaju isti (jedna oktava, na primer), nisu u skladu sa promenom visine u hercima. Zbog toga je uvedena subjektivna jedinica za visinu koja se naziva mel. Herci i meli su isti do oko 500 Hz, dok za više frekvencije jednakim promenama u melima odgovara sve veća promena u hercima. Na slici 3.2 prikazana je veza između herca i mela.

Slika 3.2. Veza između herca i mela, s tim što su obe jedinice date u logaritamskoj razmeri

U muzici je, za podešavanje visine tona (štimovanje), uvedena posebna skala koja se zasniva na podeli oktave na 12 polutonova. To je tzv. temperovana skala prema kojoj se podešavaju visine tonova na klaviru i na svim instrumentima koji imaju fiksirane visine tonova. Prema ovoj skali, uzima se da su intervali između polutonova jednaki na logaritamskoj skali, pa je promena frekvencije tada:

06,1212 ≅ ,

što znači da je svaki sledeći ton za 6 % viši od prethodnog. Temperovana skala tonova, koja se razlikuje od prirodne skale, je pogodna još i zbog toga što se intervali manji od oktave time ujednačavaju i zvuče harmonično.

3.3. Boja tona

Pri slušanju čulo sluha razlikuje ton iste visine ali različite boje. Odmah ćemo reći da je ton proizveden na klaviru ili na violini, iako imaju istu osnovnu frekvenciju.

Svi prirodni tonovi, bez obzira na kom muzičkom instrumentu su proizvedeni ili su otpevani, imaju određenu boju. Boju tona određuju: broj harmonika (alikvotnih tonova u muzici) i njihove amplitude (nivoi). Isti osnovni ton može da ima vrlo različit broj harmonika. Od nekoliko (frula, flauta), pa do dvadesetak i više (gudački instrumenti, klavir).

Zahvaljujući boji tona dobija se i zvuk sasvim različit, zavisno od toga koji su instrumenti uključeni u izvođenje neke kompozicije. Boja tona ima, pored ritma i dinamike, u muzici presudnu ulogu pri stvaranju određenog ambijenta i atmosfere. Potpuno drugi zvuk, drugu boju ima grupa duvačkih instrumenata, od grupe gudačkih, što su kompozitori umeli vešto da iskoriste.

3. Fiziološka akustika 37

3.4. Čujno područje uva

Slika 3.3. Čujno područje čovečijeg uva sa ucrtanim zonama u kojima se nalaze muzika i govor

Tabela 3.3. Prosečne vrednosti različitih nivoa zvuka

Kompresorski čekić 120 dB

Fortisimo orkestra u sali 110 dB

Tkačnice, fabrike obuće l00 dB

Teretni auto 90 dB

Forte orkestra u sali 90 dB

Jaka muzika radio-aparata 80 dB

Jaka saobraćajna buka 80 dB

Živ razgovor 70 dB

Buka jačih saobraćajnica 70 dB

Mehanička pisaća mašina 70 dB

Kancelarije, restorani, šalteri 60 dB

Tiha muzika 60 dB

Normalan razgovor 50 dB

Pored reke 50 dB

Mala radna soba (dve osobe) 50 dB

Stan (zatvoreni prozori) 40 dB

Mirna bašta 30 dB

Miran stan (kucanje sata) 30 dB

Kucanje džepnog sata 20 dB

Normalno disanje 10 dB

Zvuk koji čulo sluha normalno može da registruje ograničen je u pogledu visine (frekvencija) i u pogledu nivoa [dB]. Sve što čovek može da čuje naziva se čujnim područjem uva.

Kada je visina u pitanju, čulo sluha reaguje na frekvencije od 20 Hz do 20 000 Hz. Već je rečeno da je to opseg u kome se cela oblast akustike i nalazi. Druga dimenzija je nivo. Eksperi-mentalno je ustanovljeno da uvo ispod određene vrednosti ne registruje zvučni pritisak. Najmanji zvučni pritisak koji uvo čuje je nazvan prag čujnosti. Na 1000 Hz je prag čujnosti na 2⋅10-5 Pa, dok se na nižim i višim frekvencijama razlikuje. Na slici 3.3 dato je čujno područje uva gde je prag čujnosti prikazan dosta zakrivljenom linijom. Sa gornje strane, kada su nivoi zvuka visoki, ustanovljena je tzv. granica bola. To su nivoi pri kojima uvo počinje da boli iako i dalje prima zvuk. Na granici bola osetijivost uva ne zavisi mnogo od frekvencije.

Čulo sluha zapaža promene nivoa u okviru čujnog područja. Najmanja promena nivoa

38 Elektroakustika u dB, koju čovečije uvo može da čuje, je negde oko l dB, što samo potvrđuje da je decibel dobro odabran za jedinicu.

U svakodnevnom životu čovek se nalazi u zvučnom polju čiji je nivo zvučnog pritiska vrlo različit. Često su nivoi zvuka takvi da ometaju čoveka pri radu ili odmoru. Svaki neželjeni zvuk se naziva buka. U Tabeli 3.3 navedene su prosečne vrednosti različitih nivoa zvuka. Najčešće se pod bukom podrazumevaju nivoi koji su preko 60 dB.

Na slici 3.3 su ucrtane oblasti u kojima se nalaze muzika i govor. Očigledno je da za snimanje i obradu zvuka koji stvaraju najrazličitije vrste muzičkih instrumenata, treba raspolagati mikrofonima i audio lancem koji će moći da prihvati relativno širok opseg frekvencija i dinamiku od oko 90 dB. Za govor je oblast uža, tako da su i zahtevi manji od onih koji se moraju ispuniti kada je muzika u pitanju.

3.5. Foni i soni

U tački 3.2.1 definisani su decibeli i tada je rečeno da oni ne zavise od frekvencije. Iako logaritamska jedinica, što je čini usklađenom sa načinom kako čulo sluha reaguje na zvučnu pobudu, decibel ne vodi računa o osetljivosti uva u odnosu na frekvenciju.

Subjektivna merenja su pokazala da osetljivost čovečijeg uva zavisi od frekvencije i to značajno. Poređenjem osetljivosti na 1000 Hz sa osetljivošću na nižim i višim frekvencijama, dobijene su krive iste subjektivne jačine koje su nazvane izofonske linije (krive). Na slici 3.4 prikazane su izofonske linije po Flečeru i Mansonu. To su u stvari linije iste subjektivne jačine zvuka.

Veza između fona i decibela je prema izofonskim linijama takva da su decibeli i foni isti na 1000 Hz, dok se na ostalim frekvencijama ova veza može dobiti samo na osnovu toka izofonskih linija. Za svaku frekvenciju i za svaki nivo zvuka može se sa slike 3.4 pročitati u kakvom odnosu su objektivna i subjektivna jačina zvuka. Ne postoji jednačina (relacija) pomoću koje se mogu foni pretvarati u decibele i obratno.

Slika 3.4. Izofonske linije po Flečeru i Mansonu

Izražavanje subjektivne jačine u fonima najpribližnije odgovara načinu na koji čulo sluha registruje zvuk. Međutim, foni su se pokazali nedovoljni, u praksi, da se pomoću njih može uspešno izraziti subjektivna jačina zvuka. U dva slučaja foni nisu u stanju da daju

3. Fiziološka akustika 39

potpunu informaciju o jačini zvuka. To su: • kada je potrebno ustanoviti koliko je jedan zvuk jači ili slabiji od drugog, i • kada se radi o složenom zvuku, koji je i najčešći, zato što su foni vezani za određenu

frekvenciju.

Da bi se nedostaci izražavanja subjektivne jačine pomoću fona nadoknadili uvedena je pomoćna jedinica za tzv. »glasnost« i ona je nazvana SON. Broj sona pokazuje koliko puta je neki zvuk glasniji (jači) od drugog ili slabiji. Eksperimentalno je uvedena sonska skala tako što je za 1 son usvojeno da ima 40 fona, dok su odnosi ostalih vrednosti date u tabeli 3.4.

Tabela 3.4. Odnos vrednosti fona i sona.

FONI 40 50 60 70 80 90 100

1 2 4 8 16 32 64 SONI

(20) (21) (22) (23) (24) (25) (26)

i tako dalje.

Veza između fona i sona je prikazana na slici 5.4. Preračunavanje fona u sone je mogućno i pomoću relacije:

410

fona broj

2sona broj−

= .

Slika 3.5. Odnos između fona i sona

Određivanje subjektivne jačine složenog zvuka nije jednostavno rešiti. Da bi se osećaj jačine složenog zvuka izrazio u fonima potrebno je ustanoviti postupak koji će biti što približniji načinu rada čula sluha. Najbolje bi bilo kada bi se jačina složenog zvuka određivala poređnjem sa definisanom jačinom tona od 1000 Hz. Očigledno je da ovakav način nije pogodan za praksu.

40 Elektroakustika

Posle mnogih pokušaja, uvedeno je nekoliko postupaka za određivanje subjektivne jačine složenog zvuka zavisno od toga kakva je priroda i složenost signala.

Ukoliko se radi o složenom zvuku koji ima linijski spektar sa definisanim komponentama i njihovim amplitudama, subjektivna jačina se određuje na sledeći način:

• prvo se nivo svake komponente, izražen u dB, koriguje u skladu sa izofonskim linijama i na taj način dobiju pojedinačne vrednosti u fonima,

• zatim se foni pretvore u sone, saberu soni i zbir sona vrati u fone. Nešto vrlo slično radi i čovečije uvo. Svaka se komponenta koriguje prema

osetljivosti na odgovarajućoj frekvenciji. Zatim komponente pojedinačno pobuđuju na bazilarnoj membrani nervne završetke, da bi se duž nervnih puteva ostvarila superpozicija pojedinačnih nadražaja i konačno informacija stigla do centra za sluh u mozgu. Pri svemu tome nije svejedno koliko su po frekvenciji razmaknute pojedine komponente, jer se nadražaji različito sabiraju ako su komponente u okviru jedne oktave ili razmaknute za više od oktave. O ovome se mora voditi računa kada se izračunava vrednost u fonima.

Problem je komplikovaniji kada složen zvuk ima kontinualni spektar. Usvojeno je, sa dosta aproksimacija, da se u tom slučaju prvo odredi intenzitet zvuka u okviru jedne oktave i izrazi u vidu linijskog spektra. Dalje je postupak isti kao i u slučaju složenog zvuka koji ima linijski spektar.

Treba reći još i to da pri opisanim postupcima nije svejedno na kojim frekvencijama je težište spektra. Ako se radi, na primer, o dominantnim niskim frekvencijama uvode se posebne korekcije, kako bi se došlo do što adekvatnije vrednosti subjektivne jačine složenog zvuka.

3.6. Šta su decibeli »A«

Kao što je u delu 3.2 ovog poglavlja navedeno, uvedeni su decibeli kao logaritamska, objektivna i relativna jedinca koja ne zavisi od frekvencije. Kada je ustanovljeno da osetljivost čula sluha zavisi od frekvencije, što jasno pokazuju izofonske linije, učinjeno je više pokušaja da se jednim brojem izrazi nivo zvuka na način koji najviše odgovara onome što ljudsko uvo oseća.

Tako su uvedeni korigovani decibeli koji su dobijeni okretanjem izofonskih linija oko tačke na 1000 Hz, koje postaju frekvencijske karakteristike mernih instrumenata. U jednoj fazi su nastale čak četiri vrste korigovanih decibela, koji su se zvali decibeli »A«, »B«, »C« i »D«. U praksi se pokazalo da je mogućno svesti korekciju na ponderacionu karakteristiku »A« (vidi sliku 3.6) koja najviše odgovara onome što čovek čuje. Do ovakvog rezultata se došlo posle brojnih eksperimentalnih ispitivanja.

Karakteristika »A« je u stvari okrenuta izofonska linija od 40 fona, koja koriguje decibele na niskim i na visokim frekvencijama, dok na srednjim frekvencijama vrednosti ostaju praktično iste. Evidentno je da će se za složen zvuk, koji ima zastupljene frekvencije u širokom opsegu, dobijati uvek manja vrednost u decibelima »A« od vrednosti u decibelima. Samo kada se radi o prostom zvuku od 1000 Hz ili o zvuku uskog frekvencijskog opsega oko 1000 Hz, vrednosti u dB i u dBA će biti iste.

Danas se praktično svi dozvoljeni nivoi buke u radnoj i životnoj sredini daju u dBA. Norme i standardi u oblasti zaštite od buke sadrže dBA kao pravu meru štetnosti, zato se ovoj jedinici posvećuje i potrebna pažnja.

3. Fiziološka akustika 41

Slika 3.6. Ponderaciona karakteristika »A« instrumenta za merenje nivoa zvuka (fonometra)

3.7. Akustička svojstva govora

Čovek ima sposobnost da prima zvuk preko čula sluha, ali je istovremeno u stanju i da proizvodi zvuk. Mehanizam koji služi za stvaranje glasova je dosta složen. Pojedini delovi tog mehanizma, čiji je zajednički naziv vokalni trakt, imaju u osnovi drugu namenu, kao što su, na primer, disanje, žvakanje ili gutanje. Ti isti organi stvaraju glasove, što omogućuje čoveku da komunicira sa okolinom.

Slika 3.7. Osnovni delovi govornog mehanizma

3.7.1. Govorni mehanizam Na slici 3.7 prikazani su osnovni

delovi koji učestvuju u stvaranju glasova. Govorni mehanizam obuhvata: pluća, larinks (grkljan) sa glasnicama, ždrelo sa resicom, usnu šupljinu i nosnu šupljinu. Primarna uloga pluća je razmena gasova između krvi i vazduha, ali se pri stvaranju govora ona javljaju kao izvor energije. Pri izdisaju, pluća stvaraju struju vazduha koja se uvodi u vokalni trakt kroz bronhije i traheu do glasnica.

Sa gornje strane trahee su glasnice (deo larinksa), koje čine osnovu govornog sistema. One se sastoje od hrskavica međusobno povezanih vezivnim i mišićnim tkivom, što im omogućava veliku pokretljivost.

Pri prolasku vazdušne struje, glasnice vibriraju i na taj način se stvara osnovna zvučnost u vidu zvučnih talasa.

42 Elektroakustika Od brzine kojom glasnice vibriraju zavisi i visina osnovnog tona. Prosečna vrednost osnovne frekvencije je sledeća:

• za muške glasove oko 125 Hz, • za ženske glasove oko 200 Hz, • za dečije glasove oko 300 Hz.

Prostiranje zvučnih talasa se dalje odvija kroz vokalni trakt. Na tom putu su ždrelo (farinks), usna šupljina i nosna šupljina. Ždrelo je membranozna cev, dok usna i nosna šupljina neprestano menjaju oblik i veličinu, a u akustičkom smislu predstavljaju sistem rezonatora koji uobličavaju vazdušnu struju. Naročito je važna uloga usne šupljive pri formiranju glasova, dok je uloga nosne šupljine od manjeg značaja.

3.7.2. Samoglasnici i suglasnici Svi glasovi se dele na samoglasnike (sonante) i suglasnike (konsonante). U našem

jeziku ima pet samoglasnika i dvadeset pet suglasnika, s tim što ima glasova koji se mogu svrstati između ove dve osnovne grupe glasova (kao što je »r«, na primer).

Samoglasnici se stvaraju duž vokalnog trakta. Osnovni ton biva, zavisno od oblika šupljina koje su na putu vazdušne struje, modifikovan i dobija boju karakterističnu za konkretan glas. Specifičnosti u boji pojedinih samoglasnika zavise od oblika i veličine šupljina, tako da se jasno razlikuje isti glas »a« koji izgovaraju različite osobe. Svi samoglasnici imaju linijski spektar i u tom spektru se javljaju grupe istaknutih harmonika. Ove grupe, kojih ima pet, nazivamo formantima. Prvi i drugi formant su značajni za prepoznavanje samoglasnika, a to znači da zahvaljujući njima svaki samoglasnik specifično zvuči.

Najveći deo akustičke energije govora nose samoglasnici. Njima pripada oko 95% ukupne akustičke energije govora, dok suglasnici imaju samo onaj preostali, manji deo energije.

U raznim jezicima samoglasnici se dosta razlikuju, ali i pored toga svi imaju navedene osnovne akustičke karakteristike.

Suglasnici su brojniji od samoglasnika i razlikuju se po načinu i mestu nastanka. Delimo ih na zvučne i bezvučne. Daćemo samo nazive pojedinih grupa suglasnika bez detaljnijih objašnjenja. To su: afrikati, nazali, frikativni, plozivi i laterali. Pored toga postoji: vibrant »r« i poluvokali »v« i »j«. Kao primer navešćemo zvučne i bezvučne plozive:

• zvučni: b, d, g • bezvučni: p, t, k.

Za raspoznavanje slogova i reči »odgovorni« su suglasnici. Zato kažemo da suglasnici nose razumljivost govora.

Svi suglasnici imaju kontinualan amplitudni spektar. Ovaj spektar je različit za svaki suglasnik i ujedno je i njegova akustička osobina. Ako samo pomenemo dva frikativa, »s« i »š«, videćemo da oba imaju karakter jedne vrste šuma, s tim što »s« ima težište komponenata na visokim frekvencijama, dok »š« uglavnom sadrži srednje i niže frekvencije.

Analizom pojedinih glasova ustanovljen je, za naš jezik, linijski spektar pojedinih samoglasnika, kao i kontinualni spektar svakog od 25 suglasnika. Ovi podaci o glasovima se danas uspešno koriste za stvaranje veštačkog govora, koji ima svoju primenu u sve više oblasti.

3. Fiziološka akustika 43

3.7.3. Razumljivost govora Kada se radi o govoru potrebno je za uspešnu komunikaciju ostvariti odgovarajuću

razumljivost, kako bi kombinacije glasova u slogovima i rečima bile prepoznatljive. Problem razumljivosti govora je važan u prostornoj akustici (pozorišta, konferencijske sale, učionice), kao i u komunikacionim sistemima najrazličitije vrste (radiofonija, telefonija i drugo).

Razumljivost govora se meri dosta egzaktno postupkom koji je razrađen i standardizovan. Osnova ovog postupka je u sledećem. Formiraju se, za svaki jezik, reči bez smisla koje se nazivaju logatomi. Moraju biti bez smisla, kako smisao ne bi uticao i poboljšavao razumljivost. Logatomi su najčešće sastavljeni od četiri glasa i to u kombinaciji: suglasnik-samoglasnik i još jednom suglasnik-samoglasnik. Na primer:

JAŽO, MIFO, RANJU, SIBA, TIKE i slično.

Pri sastavljanju logatoma vodi se računa o tome da zastupljenost pojedinih glasova odgovara pojavljivanju glasova u govoru, te se na taj način formiraju tzv. fonetski balansirani logatomi.

Za merenje razumljivosti sastavi se lista od 100 logatoma koji se emituju sa uređaja za reprodukciju slušaocima. Svaki slušalac beleži ono što je čuo i na taj način se dođe do podatka koliko je logatoma ispravno primljeno. Razumljivost se određuje kao odnos tačno primljenih logatoma prema ukupnom broju:

R(%) = (broj tačnih logatoma/ukupan broj logatoma)⋅100

Ovakvo subjektivno merenje daje vrlo dobre rezultate, s tim što se u praksi smatra da će razumljivost rečenice, koja ima smisao, biti potpuna ukoliko izračunata vrednosi R bude preko 75 %. Što je procenat tačno primljenih logatoma veći to je i razumljivost bolja. U pozorištima i slušaonicama se teži da razumljivost logatoma bude preko 90 %, jer će tada, i pored eventualnih manjih smetnji (šumovi u sali i sl.), slušaoci bez problema i naprezanja moći da prate izgovoreni tekst.

Na razumljivost govora utiču brojni faktori. Nabrojaćemo najvažnije: • širina frekvencijskog opsega (pri prenosu kroz neki komunikacioni sistem), • izobličenja u prenosnom sistemu, • nivo govora, • šumovi (buka), • vreme reverberacije prostorije, • odnos direktnog i reflektovanog zvuka u prostoriji.

Svaki od ovih faktora može da smanji razumljivost na vrednost R ispod 75 %, što će salu ili prenosni sistem činiti nekvalitetnim. Vreme reverberacije, na primer, što je veće to je razumljivost manja. Zato je i uveden pojam optimalnog vremena reverberacije, za određenu namenu sale, kako bi bila definisana vrednost preko koje se ne sme ići, jer će uslovi za dobru razumljivost biti poremećeni.

Danas se pri projektovanju prostorija i prenosnih sistema razumljivosti s razlogom poklanja velika pažnja. Koriste se međunarodni standardi koji propisuju uslove za odgovarajuću razumljivost govora.

44 Elektroakustika

3.8. Pitanja za proveru znanja

1. Šta se proučava u fiziološkoj akustici? 2. Skicirati čulo sluha i njegove osnovne delove. Objasniti funkciju pojedinih delova

ovog čovekovog organa. 3. O čemu govori Veber - Fehnerov zakon? Kako su uvedeni decibeli? 4. Šta je subjektivna visina tona? U kojim se ona jedinicama izražava? 5. Šta je boja tona? 6. Čime je određeno čujno područje uva? Skicirati ovo područje. 7. Šta su izofonske linije? Kako su dobijene? Skicirati ih. 8. Kako su definisani foni, a kako soni? Na koji način se određuje subjektivna jačina

složenog zvuka u fonima? 9. Šta su decibeli ’A’? 10. Od kojih delova se sastoji vokalni trakt? 11. Navesti osnovne akustičke osobine samoglasnika i suglasnika 12. Šta je razumljivost govora? Kako se ona meri? Od čega zavisi?