Fizika zvuka - vtsns.edu.rsvtsns.edu.rs/wp-content/uploads/2014/03/AT-1-Fizika-zvuka.pdf · •Broj ciklusa ponavljanja oscilacija u 1 sekundi predstavlja frekvenciju (učestanost)

Fizika zvuka

Prof. dr Vlado Delić

FTN Novi Sad

19.02.2014.

Šta treba naučiti u ovoj lekciji? • Kako nastaje zvuk i šta čulo sluha ustvari čuje?

• Kolika je brzina zvuka u vazduhu, tečnostima i čvrstim telima?

• Kakva je veza između brzine zvuka, frekvencije i talasne dužine?

• Zašto se zvuk u neko doba dana čuje iz veće daljine?

• Koliku prepreku zvuk zaobilazi, a od kolike se odbija?

• Koliko se zvuk odbija od prepreke, a koliko se upija u nju?

• Kako i zašto se prelama zvuk pri nailsaku na drugu sredinu?

• Stojeći talasi omogućuju tumačenje rada muzičkih instrumenata, čula sluha i govornog mehanizma.

• Doplerov efekat se koristi u medicini i industriji, a objašnjava i probijanje zvučnog zida.

• Izraz za akustičku snagu objašnjava zašto su basovi veliki a visokotonci mali, i kako se pištaljka čuje na stadionu.

Akustika ::: Fizička akustika 2

• Zvuk – ono što čujemo; stalni pratilac životnih aktivnosti

• Buka jeste svaki neželjeni zvuk

Zvuk i buka u životnoj sredini

3 Multimedija 2 ::: Fizika zvuka

Akustika

Elektroakustika

i ultrazvuk

Buka, udari

i vibracije

Akustika

prostorija

Muzički

instrumenti

KomunikacijePsihološka

akustika

Slušanje

Bioakustika

Seizmički

talasi

Atmosferski

zvuk

Podvodni

zvuk

Okeanografija

Fizika

atmosfere

Fizika tla

Medicina

Fiziologija

Psihologija

Govor

Muzika

Vizuelne

umetnosti

Arhitektura

Mašinstvo

Elektrotehnika

i tehnologija

Fizička

akustika

N A

U K

E O

Ž I V O

T U

U M

E T

N O

S T

I N Ž E

N J E

R S

T V O

N A

U K

E

O

Z E M

L J I

C:/Alfanum/video/FLV/D1.flv

Fizika zvuka

• Priroda zvuka:

– zvučni pritisak

– intenzitet zvuka

– nivo zvuka (dB)

• Fizičke karakteristike zvuka:

– frekvencija zvuka (Hz)

– talasna dužina

– brzina zvuka

Prof. dr Vlado Delić


Oscilacije

• Masu m privlači gravitacija g Q = mg

• Miruje u ravnotežnom položaju sve dok ga neka sila ne izvede iz ravnotežnog položaja;

• Tada počinju oscilacije – sila F vuče masu m u pravcu

ravnotežnog položaja (x = 0)

– zbog inercije masa m se ne zaustavi u ravnotežnom položaju

– ubrzava do ravnotežnog položaja, pa usporava dalje dok ne stane i promeni smer

• Broj ciklusa ponavljanja oscilacija u 1 sekundi predstavlja frekvenciju (učestanost) oscilovanja


Oscilacije i talasi

Teorija oscilacija koja opisuje zvučno polje primenljiva je i za ultrazvuk i za sonar

(podvodni zvuk), pa i za seizmičke talase.

D:/VladoDelic/AKUSTIKA predavanja/Multimedija2/Predavanja/Мале осцилације.mp4

• Nastajanje: – sila pokreću čestice

elastične sredine

• Prenošenje: – elastičnim vezama se

pokreću susedne čestice

• Odbijanje: – u krutu sredinu se ne

prenose oscilacije • talas se odbija u protivfazi

• deo se odbija, a deo apsorbuje

Prenos oscilacija – prostiranje talasa


Oscilacije i talasi

Oscilacije čestica elastične sredine

• Uočiti prenošenje pojave oscilacija

– talas putuje sleva nadesno

– drugi talas putuje zdesna nalevo

• Zapaziti da se čestice ne prenose

– one samo osciluju oko svog ravnotežnog položaja

8

Broj oscilacija čestica elastične sredine u

zvučnom polju jeste frekvencija zvuka, f [Hz]

Multimedija 2 ::: Fizika zvuka

Oscilacije i talasi

9

Longitudinalni i transferzalni talasi


Oscilacije i talasi

10

Pravac oscilacija čestica


Oscilacije i talasi

Zvučni pritisak

Zvučni pritisak (p) :

• Sabijanje čestica znači povećanje zvučnog pritiska

• Širenje čestica znači smanjenje zvučnog pritiska – jedinica – Paskal: [Pa]=[N/m2]

11

Rastojanje između dva maksimuma

u prostoru naziva se talasna dužina, [m]


Zvučni pritisak

udaljenost od izvora

Osnovne karakteristike zvuka

• Zvučno polje: prostor u kome postoji zvuk – čujni opseg frekvencija: 20Hz-20kHz

• ispod je infrazvuk, a iznad ultrazvuk

– čujni opseg jačine zvuka: 0-120dB • prag čujnosti (p0 = 210-5 Pa)

i granica bola (pmax = 20 Pa)

• Frekvencija, talasna dužina i brzina zvuka

• Talasni front: g.m.t. istog talasnog stanja – ravni i sferni (prirodni) zvučni talas


]dB[log200p

pSPL

Zvučni pritisak

Promene u vremenu (u jednoj tački)

Promene u prostoru (slika u jednom trenutku)

Promene zvučnog pritiska


Zvučni pritisak

14

Promena p u prostoru x

pt

ps

p ps

x0 x

t = t0 = const

p = pt - ps

t = t0 + t


Zvučni pritisak

p

t

x = x0 = const

f

ccT

x = x0 + x

Promena p u vremenu t

T

Talasna dužina jednaka je putu koji pređe zvučni talas brzinom c za vreme jedne periode oscilacija T čestica elastične sredine.

Multimedija 2 ::: Fizika zvuka 15

Zvučni pritisak

16

Spektar zvuka - frekvencijski sadržaj

• zvučni tonovi i šumovi • (dis)harmonični tonovi

f [Hz]

f [Hz]

p

f [Hz]

p

p

f [Hz]

p


Zvučni pritisak

Ton

• Ton je periodičan zvuk

• Karakteristike tona – Frekvencija (visina)

– Intenzitet (glasnost)

– Spektralni sastav (boja)

Šum

• Buka (neželjen zvuk) – udari, škripa, saobraćaj

• Karakteristike šuma – Nemaju određenu visinu

– Razlikuju se intenzitet i boja

Zvučni tonovi i šumovi

JAČA BUKA TON FREKVENCIJE 400 Hz

TON FREKVENCIJE 200 Hz SLABIJA BUKA

Boja tona

• Obeležje tona po kom slušalac razlikuje dva tona iste visine i jačine

• Zavisi od relativnog intenziteta pojedinih viših harmonika – Različiti instrumenti

imaju različitu boju

• Razlika u boji opaža se i kod buke

TON FREKVENCIJE 200 Hz ALI RAZLIČITE BOJE

BUKA ISTOG INTENZITETA ALI RAZLIČITE BOJE

Aditivna sinteza

• Sastavljanje periodičnog signala na osnovu prostoperiodičnih

• Npr. cevne orgulje – kombinovanje više jednostavnijih zvukova:

konstrukcija trougaonog signala dodavanjem od 1 do 20 harmonika

20

Brzina zvuka (c)

• Mnogo manja od brzine svetlosti

• Zavisi od

– gustine vazduha, atmosferskog pritiska itd

• Najviše zavisi od

– materijala kroz koji se prenosi

– temperature

• U vazduhu je:

m/s 0,6331,4 tc

Prostiranje zvuka


21

Brzina zvuka [m/s]

materijal brzina zvuka tečnost brzina zvuka

aluminijum 6300 alkohol 1150

bakar 5000 ulje 1540

gvožđe 4350 živa 1450

čelik 6100 terpentin 1250

olovo 2050 glicerin 1980

staklo 5600

beton 3100

led 3200

pluta 500

drvo-hrast 4000 gas brzina zvuka

drvo-bor 3500 kiseonik 317

tvrda guma 2400 CO2 258-268

meka guma 1050 vodonik 1270


Prostiranje zvuka

• U toplijim slojevima vode zvuk se brže prostire

• U toplijim slojevima vazduha zvuk se brže prostire

Refrakcija usled razlika u temperaturi

Multimedija 2 ::: Fizika zvuka 22

Prostiranje zvuka

Prelamanje (zvučnog) talasa

• Ovo je slika za svetlost!

• Kako treba da bude za zvuk?

23

2

2

1

1 sinsin

cc


Prostiranje zvuka

• Zvučni talasi zaobilaze male prepreke

– menjaju smer širenja (zakretanje=difrakcija)

• Ako je prepreka mala u odnosu na (NF)

– ona gotovo i ne utiče na širenje zvučnog talasa

• Na VF su male

– prepreka je velika pa se ne zaobilazi

Zakretanje zvučnog talasa


Prostiranje zvuka

Refleksija zvuka

• Odbijanje od ravne površine – ugao refleksije jednak je

upadnom uglu

– reflektovani zraci biće u istoj ravni kao i upadni zraci

Difuzija zvuka

• Ako je valovitost površine materijala i prepreke h >

– zraci se reflektuju i pod uglovima koji nisu jednaki upadnom uglu

Refleksija i difuzija zvuka


Prostiranje zvuka

Konkavni reflektor

Reflektovani zvuk je fokusiran


Prostiranje zvuka

Konveksni reflektor

Reflektovani zvuk je široko raspršen

(difuzija zvuka)


Prostiranje zvuka

Reflektovani zvuk je raspršen

Nagib reflektora

Ravni reflektor


Prostiranje zvuka


Prostiranje zvuka

• Ako se kraj cevi zatvori sa krutom pregradom

– pored direktnog javlja se i reflektovani talas

• Nastaje stojeći talas

– superpozicija dva ista zvučna talasa koji se kreću jedan prema drugom

– direktni i reflektovani zvučni talas se kreću, a stojeći talas stoji

– čvorovi (talasi u protivfazi)

– trbusi (talasi su u fazi)

Stojeći zvučni talasi u cevi

30

)cos()cos(),( kltpkltpltp rd

...,2,1,0,4

)12(2

)12(2

iilil

...,2,1,0,4

22

iilil

ltpltp d

2coscos2),(

Stojeći talasi


Animacije stojećih talasa

• Pogledati animacije na: http://www.walter-fendt.de/ph14yu/stwaverefl_yu.htm

31

V

R

E

M

E

P R O S T O R

Stojeći talasi


http://www.walter-fendt.de/ph14yu/stwaverefl_yu.htm



Kruti zid

odoleva oscilacijama

• Zvuk se odbija od neelastične sredine – uz promenu faze

Elastični zid

ne opire se oscilacijama

• Oscilacije se prenose na novu elastičnu sredinu – bez promene faze

Reflektovanje zvučnog talasa

32

dr

rd

pp

pp

pp

v

max

0

0

max

p

vv

Prelazak zvučnog talasa iz jedne u drugu elastičnu sredinu dr pp

Stojeći talasi


Doplerov efekat

• Percepcija visine tona se menja ako se izvor i/ili prijemnik kreću

– npr. automobil brzo projuri kraj slušaoca

• nije važno ko se kreće (izvor zvuka i/ili slušalac)

• Uzrok promene visine tona

– pri približavanju do slušaoca stiže više zvučnih talasa u jedinici vremena nego kad izvor zvuka stoji

• frekvencija zvuka koji slušalac čuje je tada viša od one koju izvor zapravo emituje

– situacija je obrnuta kad se izvor udaljava od slušaoca

Christian Andreas Doppler

(1803 - 1853)

33

Doplerov efekat


Frekvencija pri Doplerovom efektu

• Percipirana frekvencija koja se dobija kao rezultat Doplerovog efekta:

• Brzine:

– c širenja zvuka u vazduhu

– cp kretanja prijemnika (slušaoca)

– ci izvora zvuka

• fi je frekvencija izvora

i

i

p

p fcc

ccf

34

Doplerov efekat


35

Proboj zvučnog zida

Doplerov efekat


C:/Users/Vlada/Podaci/AKUSTIKA predavanja/Akustika i audio tehnika/01 Fizicka akustika/mach1.mpg

Akustička snaga izvora zvuka

• Izvor zrači zvuk određenom akustičkom snagom

• Akustička snaga Pa je energija u jedinici vremena

• Gde se koristi podatak o akustičkoj snazi?

– kod zvučnika se koristi za projektovanje ozvučenja

– kod mašina za proračun buke koju stvaraju

• Iz izraza za Pa jasno je:

– zašto se pištaljka čuje na stadionu i

– zašto su membrane basova velike a visokotonaca male

36

Jačina zvuka


]W[4

2

0

2

0c

SPz

a

Intenzitet zvuka

• Intenzitet zvuka J je akustička energija koja u jedinici vremena prođe kroz jediničnu površinu normalnu na pravac prostiranja zvučnog talasa

• je gustina elastične sredine, a c brzina zvuka

– intenzitet opada kada deo zvuka iz vazduha pođe kroz zid (zakon mase – princip koji se koristi u zvučnoj izolaciji)

• Intenzitet opada sa kvadratom rastojanja

• Sabiraju se intenziteti nezavisnih izvora

37

c

pJ

r

Pa

2

24


Jačina zvuka

• Dinamički opseg zvučnog pritiska 1:106

• Nivo zvuka se izražava u dB – relativna jedinica

– nivo u odnosu na referencu

• Nivo (Level): – logaritamski zakon

• univerzalan za sva čula

– dinamički opseg 1:120

Nivo zvuka u dB

2

122

00

5

0

10

Pa102

m

W

c

pJ

p

38

0

0

log20

log10][

p

p

J

JdBL


Jačina zvuka

http://www.bruitparif.fr/en/soundscapes


39

Zvučna snaga

[W]

Nivo zvuka

[dB]

Izvor zvuka

100.000.000 200 Motor raketnih nosača

10.000 160 Motori mlaznih aviona

1.000 150

100 140

10 130 auto sirena

1 120

0,1 110 Simfonijski orkestar

0,01 100 Automobil na ravnom putu

0,001 90

0,0001 80 Neki usisivači

0,00001 70 Veoma jak ljudski glas

0,000001 60

0,0000001 50

0,00000001 40 Šapat

0,000000001 30

0,0000000001 20 Najtiši šapat

Akustika ::: Fizička akustika

120 dB

110 dB

100 dB

90 dB

80 dB

70 dB

60 dB

50 dB

40 dB

30 dB

20 dB

10 dB

0 dB 210-5 Pa

0,1 Pa

1 Pa

10 Pa

zvučni pritisak

nivo zvuka

Intenzitet zvuka

htt

p:/

/ww

w.b

ruit

par

if.fr

/en

/so

un

dsc

ape

s


Fizičke karakteristike zvuka

• Objasniti pojam zvuka i zvučnih talasa – Kako se prenosi kroz sredinu?

• Povezati zvučni pritisak p [Pa] i nivoa zvuka L [dB]

• Kolika je brzina zvuka c [m/s] i od čega zavisi?

• Objasniti pojam frekvencije zvuka f [Hz] – Koje frekvencije i nivoe zvuka

čuje čovek?

– Koja relacija povezuje brzinu, frekvenciju i talasnu dužinu?

Pojave pri prostiranju zvuka

• Refleksija i difuzija zvuka

• Refleksija i apsorpcija zvuka

• Prelamanje zvučnih talasa – Kako se prelama zvučni talas na

granici dve sredine?

• Zakretanje zvučnog talasa – Na kojim frekvencijama se stvara

zvučna senka iza prepreke?

• Doplerov efekat – Kako se menja frekvencija zvuka

kad se izvor i prijemnik kreću?

• Relacija koja povezuje intenzitet, zvučni pritisak i akustičku snagu

Teme i pitanja za ispit

Akustika ::: Fizička akustika 40

Documents

Fizika zvuka - vtsns.edu.rsvtsns.edu.rs/wp-content/uploads/2014/03/AT-1-Fizika-zvuka.pdf · •Broj ciklusa ponavljanja oscilacija u 1 sekundi predstavlja frekvenciju (učestanost)