Звук

Звук се шири у облику просторних лонгитудиналних валова у зраку.

Примјер лонгитудиналног вала.

Примјер трансверзалног вала.

Вална дуљина λ је удаљености између двају брјегова или долова синусоидалнога вала.

Интерференција двају кружних валова.

Звук је вибрација која се шири ваздухом (или другим средством), у виду вала. На пример, када говоримо, наше гласне жице вибрирају да би генерисале звучне валове, који кроз ваздух стижу до ушију слушалаца. Звук у ужем смислу означава механичке таласе које може регистровати чуло слуха, тј. чија је учестаност између 20 Хз и 20 кХз. Звук ниже учестаности од 20 Хз назива се инфразвуком, а више од 20 кХз ултразвуком. Опсег чујности је индивидуална карактеристика, и код неких појединаца одступа од средњих вредности. Такође, чујни опсег фреквенција са годинама се смањује.

Извор звука је увијек механичко титрање неког тијела. Најчешће коришћени звучни извори су затегнуте струне, штапови, ваздушни стубови, мембране и плоче. На примјер, када тргнемо напету струну, чујемо звук, који престаје чим спријечимо да тијело титра.

Звук се шири неким средством (не може кроз вакуум) у виду механичког вала. То средство је обично зрак, а може бити и течно или чврсто тијело. У плиновима и текућинама валови звука су искључиво лонгитудинални (шире се у истом правцу у којем се гибају честице медија при титрању), док у чврстим тијелима валови могу бити и трансверзални, то јест честице медија могу титрати окомито на правац ширења вала. Брзина звука углавном овиси о густоћи и еластичним силама у чврстим телима и течностима, а у плиновима о густоћи, температури и тлаку. Осим у уобичајеним мјерним јединицама брзине (м/с, км/х), мјери се и ненормираном јединицом мах. Када зракоплов досегне брзину звука (око 343 м/с), тлак се непосредно пред зракопловом поремети, отпор знатно порасте, па настају ударни валови, које проматрачи на тлу доживљавају као прасак (такозвано пробијање звучнога зида).

Звук се шири без пријеноса масе, али се звуком преносе импулс силе и енергија. У свези с тим, дефинирају се јачина, разина јачине, гласноћа и разина гласноће звука (акустика). Као и у осталим врстама валова, и у ширењу звука очитују се појаве својствене сваком валном гибању, као што су апсорпција, Допплеров учинак, интерференција, лом (рефракција), одбијање (рефлексија), огиб (дифракција).

Према правилности титрања разликујемо тон, шум и буку. Тон је прост синусни вал, који се састоји од хармоничких титраја, док су шум и бука смјеса титраја различитих фреквенција и амплитуда. Основна обиљежја звука (висина, јакост, трајање и боја) истозначна су с основним обиљежјима тона, само их је теже прецизно одредити него за тон. Појам звук користи се у глазби, понајприје у свакодневној упораби, и као синоним за појединачна и скупна обиљежја звука (на примјер звуковну боју) или осјетилни дојам звучања неких глазбала или ансамбала (на примјер звук оргуља, звук збора).

Својства

Звучни вал се кроз различите медије креће различитим брзинама. У зраку, тај се вал, креће брзином од приближно 343 м/с, у води се креће приближном брзином од 1 500 м/с, а у жељезној жици око 5 000 м/с. Што је материјал гушћи, то се звук кроз њега преноси дуже и брже. Звук је одређен, као и остали валови, двјема физикалним величинама, фреквенцијом и валном дуљином. Број титраја које материјал чини у једној секунди се назива фреквенција, ознака је ф, а мјерна јединица Хз (Херц). Нормално људско ухо може чути звукове у фреквенцији од 16 Хз до 20 000 Хз. Све звукове фреквенције испод 16 Хз називамо инфразвуковима или подзвуковима, а звукове фреквенције више од 20 000 Хз називамо ултразвуковима или надзвуковима; они се користе у техници и медицини. Вална дуљина, с друге стране, је размак између два сусједна највећа згушњења, као и између два сусједна разрјеђења, медија кроз коју се вал шири.У основи звукове можемо подијелити на двије скупине: шумове и тонове. Шум је звук који настаје неправилним титрањем звучног извора при чему се фреквенција стално мијења, док тон настаје правилним титрањем звучног извора и фреквенција је стална.

Извори звука

Извори звука су физикална тијела која титрају фреквенцијом од 16 до 20 000 Хз у неком еластичном средству, на примјер напета струна или глазбена вилица у зраку. Најједноставнији је облик титрања извора звука хармоничко титрање. Хармоничко титрање ствара хармоничке валове. Чисти тон настаје ако се фреквенција титрања не мијења. Сложени тонови садрже више фреквенција. По Фоуриерову теорему сложени тон може се приказати као зброј синусних титрања основном фреквенцијом ν₀ и вишим хармоницима фреквенције н · ν₀, (н = 1, 2, 3, ...). Шум је посљедица потпуно неправилна титрања. Валови настали титрањем извора фреквенцијом већом од 20 кХз описују се као ултразвук (могу их чути неке животиње, на примјер пси и шишмиши), а фреквенцијом мањом од 16 Хз као инфразвук (могу их чути на примјер патке и слонови).

Брзина звука

Брзина звука је брзина којом се шири звучни вал у неком медију (средству). Код крутих медија овиси о еластичности док код плинова овиси о изентропском (адијабатском) коефицијенту плина те о његовој температури, док не овиси о густоћи и тлаку плина. Брзина валова овиси о медију кроз које се валови шире па је на примјер брзина механичких валова у чврстом тијелу:

$v={\sqrt {\frac {E}{\rho }}}$

а у плину:

$v={\sqrt {\frac {\chi \cdot p}{\rho }}}$

гдје је: Е - модул еластичности, ρ - густоћа тијела или плина, ϰ - адијабатски коефицијент плина, п - тлак плина.

Брзина звука у зраку температуре 20 °Ц износи 343 м/с (1 235 км/х на 0 метара надморске висине). Како за поједини плин брзина звука овиси искључиво о његовој температури, тако се код зракоплова приликом повећања висине лета брзина звука смањује услијед смањења температуре зрака с висином.

Медиј	Брзина звука на 20 °Ц и атмосферском тлаку од 105 Па
поли(винил-клорид), савитљиви	80
гума	150
угљиков диоксид	266 м/с (на 20°Ц)
кисик	317 м/с (на 20°Ц)
зрак	319 м/с (на - 20°Ц)
зрак	343 м/с (на 20°Ц)
плуто	500 м/с
хелиј	981 м/с
етанол	1 170 м/с
олово	1 250 м/с
водик	1 280 м/с
бензен	1 320 м/с
вода	1 485 м/с
крв	1 570 м/с
минерално уље (САЕ 20/30)	1 740 м/с
дрво, буково	3 300 м/с
бетон	3 750 м/с
бакар	4 700 м/с
жељезо	5 170 м/с
стакло	5 500 м/с
мрамор	6 150 м/с
алуминиј	6 300 м/с

Јека је враћање емитираних валова због одбијања од неке површине, тако да рефлектирани вал долази проматрачу са закашњењем у односу на изворни вал.

Јакост звука

Јакост звука (ознака I) је физикална мјерна величина која описује енергију звучнога вала у временском раздобљу (интервалу) кроз површину окомиту на смјер ширења вала. Мјерна је јединица ват по квадратном метру (W/м²).

Праг чујности је најмања јакост звука коју људско ухо може чути:

$I_{0}=1~\mathrm {pW/m^{2}} =0,000\,000\,000\,001~\mathrm {W/m^{2}} .$

Разина јакости звука (ознака L) је мјерна величина прилагођена осјетљивости људскога уха, десетероструки логаритам омјера јакости некога звука и прага чујности, односно:

$L={\frac {1}{2}}\cdot \ln \!\left({\frac {I}{I_{0}}}\right)\!~\mathrm {Np} =\log _{10}\!\left({\frac {I}{I_{0}}}\right)\!~\mathrm {B} =10\cdot \log _{10}\!\left({\frac {I}{I_{0}}}\right)\!~\mathrm {dB}$

гдје је:

• I - разина јакости звука;
• I₀ - праг чујности;
• Нп - непер;
• Б - бел;
• дБ - децибел.

Децибел

Децибел (ознака дБ) је децимална јединица бројчане јединице бел изнимно допуштене изван СИ (Међународни сустав мјерних јединица). Децибел је јединица разине неке физикалне величине (разине снаге, напона, струје, јакости звука и другог). Посебан је назив за број један када је разина (на примјер снаге П₂ према снази П₁) израчунана једнаџбом:

$L=10\cdot \log _{10}\!\left({\frac {P_{2}}{P_{1}}}\right)\!~\mathrm {dB}$

$1\,\mathrm {dB} ={\frac {1}{10}}\,\mathrm {B}$

Бел

Бел (према А. Г. Беллу; ознака Б) је бројчана јединица разине одређене физикалне величине према одабраној успоредбеној вриједности, када је та разина одређена декадским логаритмом омјера вриједности тих величина. Бел је изнимно допуштена јединица изван СИ (Међународни сустав мјерних јединица), повезана с јединицом непер (Нп) једнаџбом:

$L={\frac {1}{2}}\cdot \ln 10\,(\mathrm {Np} )$

Већином се употребљава децимална јединица децибел (дБ = 0,1 Б). На примјер ако је снага неког сигнала 1 W, а договорена успоредбена снага 1 мW, тада је разина сигнала:

$L=10\cdot \log _{10}\!\left({\frac {1}{0,001}}\right)\!~\mathrm {dB} =10\cdot \log _{10}\,10^{3}\!~\mathrm {dB} =30\,\mathrm {dB}$

Непер

Непер (по Ј. Напиеру или Неперу; ознака Нп) је бројчана јединица разине одређене физикалне величине према одабраној успоредбеној вриједности, када је та разина одређена природним логаритмом омјера вриједности тих величина, па је посебан назив броја један (Нп = 1). Непер је изнимно допуштена јединица изван СИ. Раби се углавном у електрокомуникацијама за изражавање гушења сигнала.

Нортхроп Ф/А-18 пробија звучни зид.

Рефлексија или одбијање звука

Звук се одбија или рефлектира кад у свом распростирању наиђе на запреку. Рефлексија звука збива се увијек тако да је кут упадања једнак куту одбијања. У шуми или планинама ћемо рефлексију или одбијање звука још јаче осјетити. Одбијени звук се враћа и ми га чујемо као поновљени звук. То враћање звука, које настаје одбијањем звучних валова зове се јека. Међутим, јека може постати врло неугодна и незгодна у просторијама. Да бисмо јеку чули одијељено од звука, морамо бити удаљени од преграде од које се звук одбија више од 17 метара, јер се иначе звук и јека стопе заједно у један звук.

Лом и огиб звука

Да постоји лом звучних валова, показују појаве које настају при експлозији. Том приликом зраке звука долазе у висини до слојева зрака у атмосфери ниже температуре у којима се звук шири мањом брзином. Зато се зраке звука ломе према окомици на тај слој. Међутим, у висинама од 40 до 60 километара температура зрака опет расте, па се звук шири већом брзином, а зраке звука се ломе од окомице и коначно одбијају на једном слоју зрака. Посљедица је тога да се звук чује до удаљености од 70 километара, а онда се до отприлике 180 километара уопће не чује. Тај појас од 70 до 180 км, у којем се звук не чује зове се појас шутње. Од 180 км па до 250 км, звук се поново чује.

Огиб звука је појава ширења звука такођер иза запреке што се тумачи Хуyгенсовим начелом или Хуyгенсовим принципом. Та је појава огиба звука много већа код звучних валова него код валова на води.

Звучни зид

Звучни зид је аеродинамичка појава која настаје при досезању брзине звука неке летјелице или другога објекта. Премда се зрак при малим брзинама струјања сматра нестишљивим флуидом, при већим брзинама постаје стишљив. Тако зракоплов у лету ствара поремећај тлака околнога зрака, који се при мањим брзинама струјања налази незнатно испред зракоплова. Када зракоплов досегне брзину звука (овисно о температури, од 1 152 до 1 224 км/х), ствара се поремећај тлака непосредно пред зракопловом, отпор знатно порасте, па настају ударни валови, које проматрачи на тлу доживљавају као прасак (такозвано пробијање звучнога зида). Развојем зракопловâ вршне су се брзине приближавале брзини звука, па је постао очит разоран утјецај ударних валова, јер су неки зракоплови били знатно оштећени при лету у том подручју брзина. Због тога се дуго вјеровало да зракоплов не може надмашити брзину звука. Ипак су након Другог свјетског рата амерички инжењери, примјењујући резултате њемачких истраживања, конструирали ракетни зракоплов X-1, којим је 1947. пилот Цхуцк Yеагер први пробио звучни зид, а послије су и неки путнички зракоплови (на примјер француски Цонцорде те руски Тупољев Ту-144) летјели брзином већом од брзине звука. Из тог разлога код данашњих зракоплова брзина се изражава Мацховим бројем. Мацхов број је омјер између брзине зракоплова и брзине звука. Тако на примјер зракоплов има Мацхов број 1 ако може постићи брзину звука, а Мацхов број 2 ако може постићи двапут већу брзину од брзине звука.

Јединице

Кривуље А, Б, C и D тежинских фактора за утврђивање гласноће звука у односу на фреквенцију (према ЕН 61672-1/-2).

Фреквенција (висина) звука се мјери у херцима (Хз).

Гласноћа звука се често изражава у децибелима, иако ју је могуће изразити и преко снаге коју звук носи (W, W/м², W/срад), или као ефективни или максимални износ промјене тлака у односу на тлак непоремећеног средства у којем се звук шири (Па).

Децибел је бездимензионална, логаритамска мјера односа двију величина, те је потребно одредити износ референтне величине. Стандардно се разина звука у децибелима приказује у односу на референтни износ од 20 µПа који начелно одговара прагу чујности, па се то обично назначује додатком СПЛ (енгл.: Соунд Прессуре левел). На примјер, шапат има 30 дБ(А)_СПЛ, говор 60 дБ(А)_СПЛ, бука 90 дБ(А)_СПЛ, а за звук интезитета 120 дБ_СПЛ кажемо да је граница боли. Код изражавања гласноће узима се у обзир да људско ухо није једнако осјетљиво на све фреквенције. Стога су дефинирани тежински фактори којима се одређује с којим значајем се поједина фреквенција узима у обзир код мјерења гласноће звука. За људско ухо су ти тежински фактори дати као кривуља А (према стандарду ЕН 61672-1/-2), а мјерења заснована на тим тежинским факторима се означавају као дБ(А), а понекад и као дБА или дБ_А.

Децибел је мјерна јединица изведена из јединице бел (Б) - назван тако у част А.Г. Белла, изумитеља телефона - но из практичних се разлога користи десет пута мања логаритамска мјера децибел (дБ).

Осјет звука или осјетљивост уха

Слушни осјет јакости звука оснива се на физиолошком дјеловању, то јест на подраживању слушних живаца. Зато је потребно утврдити како тај слушни осјет овиси о јакости звука, односно о звучном тлаку. Испитивање је показало да је за сваки чист тон потребан неки минимални звучни тлак да би га ухо могло чути. Тај минимални тлак код којег се још одређени тон чује зове се праг или граница чујности. Но звучни тлак може бити опет тако велик да проузрокује бол у ушима па се зато зове граница бола. Граница чујности и граница бола овисне су о фреквенцији, то јест код различитих фреквенција оне су различите. Осјетљивост уха је највећа код фреквенције око 2 700 Хз. Људско ухо осјећа звуком изазвану промјену тлака зрака (акустички тлак). За звучни вал фреквенције 1 кХз и јакости која одговара прагу чујности (I₀ = 10^–12 W/м²), амплитуда помака честице износи око 10^–11 м, док је амплитуда акустичкога тлака око 2 · 10^–5 Па. За звук на граници бола помак је честице 10^–5 м, а акустички тлак 30 Па.

Гласноћа

Као мјера за физиолошко дјеловање извора звука на ухо служи јакост гласа или гласноћа. Гласноћа овиси о јакости звука, и с овим се не смије замијенити. Гласноћа је физиолошки, а јакост звука физикални појам. Тако на примјер гласноћа 10 моторних возила није 10 пута већа од гласноће једног возила. Јединица за јакост гласа је фон. Јакост звука од 2,5 ∙ 10^-12 W/м2 одговара јакости гласа од нула фона.

Гласноћа звука јест осјет јакости звука у људском уху. Овиси о јакости и фреквенцији звука. Разина гласноће изражена у фонима јест, договорно, једнака разини јакости у децибелима за звук фреквенције 1 000 Хз у цијелом подручју од границе чујности до границе бола. Примјери разине гласноће различитих сложених звукова дани су у сљедећој таблици:

Врста звука	Разина гласноће (фон)
праг осјета	0
шаптање	20
тиха глазба	40
бучан говор	60
прометна улица	80
пролазак брзог влака	100
мотор зракоплова	120
праг бола	130

Везе

• Вал
• Инфразвук
• Ултразвук

Звук на Wикимедијиној остави