definicija zvuka (1) - znrfak.ni.ac.rs godina... · frekvencija talasa definiše koliko često...
TRANSCRIPT
Definicija zvuka (1)
Zvuk je po prirodi sastavni deo
svakodnevnog života i deo
čovekovog okruženja tako da
se ponekad i ne primećuju sve
njegove funkcije.
Zvuk kao sredstvo komunikacije
Govor koji nastaje kao rezultat kontrolisanog generisanja
zvuka iz čovekovog vokalnog trakta.
Muzika kao oblik umetničkog izražavanja čoveka.
Nosač informacija u obliku npr. znakova upozorenja kao
što su zvonjava telefona, zvuk automobilske sirene ili
sirene za uzbunu.
Zvuk kao aktivan alat
Korišćenje energije zvuka za izvršavanje neke operacije:
Definicija zvuka (2)
ultrazvučne kade za čišćenje,
ultrazvučno zavarivanje,
osmatranje dna ispod broda,
ultrazvučne dijagnostičke metode u medicini,
sistemi za aktivnu
kontrolu (bukom protiv
buke)...
Zvuk kao pasivan alat
Definicija zvuka (3)
Otkrivanje pojave nekog događaja “prisluškivanjem”
izvora koji generiše zvuk:
slušanje rada srca i pluća pomoću stetoskopa,
osluškivanje rada ventila kod automobila,
sistem za detekciju curenja ventila u velikim
sistemima,
dijagnostika stanja
mašinskih sistema,
ocena kvaliteta
analizom zvučnih
signala...
Definicija zvuka (4)
Zvuk kao buka
Veoma često zvuk
uznemirava i ugrožava
čoveka.
Tehnološki razvoj društva rezultira u povećanju nivoa buke
koju generišu mašine, fabrike, saobraćaj itd.
Mnogi događaji praćeni
generisanjem zvuka su
neželjeni i neprijatni i kao
takvi predstavljaju BUKU.
Definicija zvuka (5)
Zvuk kao buka (+)
Nivo smetnji zavisi od kvaliteta zvuka ali i od stava prema
njemu.
Muzika i govor su korisni zvuci za one koji ih žele slušati
ali za neke druge mogu izgledati kao buka, posebno
ako su glasni i ako se javljaju u vreme spavanja ili
vođenja razgovora.
Definicija zvuka (6)
Zvuk kao buka (+)
Zvuk ne treba da bude glasan da bi predstavljao smetnju.
Škripa poda, izgrebane ploče ili isprekidani
zvuk kapanja vode iz slavine može biti isto
tako ometajući kao i glasna grmljavina.
Ocena glasnosti buke zavisi i od perioda dana.
Veći nivoi buke su tolerantniji u toku dnevnog nego
noćnog perioda.
Definicija zvuka (7)
Zvuk kao buka (+)
Buka koja nastaje pri probijanju zvučnog zida može
slomiti prozore i obiti malter sa zidova.
Buka može da ima i razorno dejstvo koje se ogleda u
uništavanju materijalnih dobara i povređivanju osetljivih
organa sluha.
Ali najteži slučaj je kada buka ošteti mehanizam koji je
namenjen za percepciju zvuka - ljudsko uvo.
Definicija zvuka (8)
Zvuk je fizička pojava koja nastaje usled vremenski
promenljivih poremećaja stacionarnog stanja elastične sredine.
Promene položaja čestica, tzv. akustičke ili zvučne
oscilacije, praćene su promenama akustičkog ili zvučnog
pritiska u elastičnoj sredini oko ravnotežne vrednosti.
ppp st
p[Pa=N/m2]
Definicija zvuka (9)
Promene zvučnog pritiska
su u većini slučajeva male
u poređenju sa
ravnotežnim vrednostima
– statičkim pritiskom.
Zvučni pritisak predstavlja promenljivu komponentu ukupnog
pritiska u nekoj tački elastične sredine koja se superponira
atmosferskom ili statičkom pritisku.
Zvučni pritisak nastaje kao rezultat generisanja zvuka i
prostiranja zvučnih talasa.
ppp st
p[Pa=N/m2]
Definicija zvuka (10)
Buka je svaki neželjeni zvuk koji pored fizičkih karakteristika
izaziva i psihofiziološke senzacije (smeta, uznemirava,
ugrožava).
Buka je subjektivna kategorija, zvuk je fizička kategorija.
? Osnovna pretpostavka da se zvuk tretira kao buka je da
postoji subjekt (čovek ili životinja) koji opaža zvuk i kome taj
zvuk smeta.
Saobraćaj ne generiše buku ako u okolini
saobraćajnice ne postoje stambeni objekti ili stanište
životinja?
Nastajanje zvuka (1)
Zvučne oscilacije (zvuk) nastaju
pod dejstvom spoljašnje sile koja
izvodi iz ravnotežnog položaja
čestice elastične sredine i
podstiče ih na ocilatorno kretanje
oko ravnotežnog položaja.
Izvor zvuka može biti svako telo koje u elastičnoj sredini
izvodi mehaničke oscilacije i taj način izaziva poremećaj
sredine saopštavajući pri tom energiju česticama elastične
sredine.
Spoljašna sila koja izaziva
poremećaj sredine naziva se
izvor zvuka.
Nastajanje zvuka (2)
Karakteristika usmerenosti
monopola
Zvučnik u zvučničkoj kutiji
Primer 1: Monopol - izvor koji emituje zvuk podjednako u
svim pravcima: sfera čiji se prečnik povećava i smanjuje po
sinusoidalnog zakonu. Kreira zvučni talas naizmenično
ubacujući i uklanjajući fluid iz susedne oblasti.
Nastajanje zvuka (3)
Primer 2: Dipol - izvor koji se
sastoji od dva monopola na
malom rastojanju u odnosu na
talasnu dužinu, jednake snage
ali suprotnog faznog stava: dok
se jedan izvor širi drugi se
skuplja. Sfera koja osciluje
natrag i napred ponaša se kao
dipol – dok prednji deo gura
fluid napred, zadnji deo ga
usisava. Primer: neugrađeni
zvučnik.
Dipol ne emituje zvuk podjednako u svim pravcima. Postoje
oblasti gde se zvuk emituje ali i oblasti gde nema emitovanja
zvuka.
Karakteristika usmerenosti dipola Neugrađeni zvučnik
Nastajanje zvuka (4)
Prostiranje zvuka (1)
Kada zvučni izvor osciluje, izaziva promene gustine u
okruženju čime se generišu zvučni talasi.
Kada izvor osciluje u jednom
smeru, čestice koje se
nalaze neposredno uz izvor,
potisnute su i na taj način se
povećava gustina sloja
sredine neposredno uz izvor.
U tom sloju dolazi do
zgušnjavanja čestica koje
prodiru u naredni sloj,
potiskujući njegove čestice
ka sledećem sloju čime se
oscilacije izvora prenose na
daljinu, sa sloja na sloj.
Prostiranje zvuka (2)
Kada izvor osciluje u
suprotnom smeru, u sloju
neposredno pored stvara
se praznina koju odmah
popunjavaju čestice
najbližeg sloja. Na njihovo
mesto, zbog nastalog
razređenja, dolaze čestice
iz susednog sloja. Na taj
način se čestice pomeraju
u suprotnom smeru a talas
razređenog vazduha širi se
koncentrično odmah iza
talasa zgusnutog vazduha.
Cela pojava se ponavlja čime
nastaju zvučni talasi koji se
prostoru kroz sredinu
konačnom brzinom.
Prostiranje zvuka (3)
Kompresije i ekspanzije
molekula vazduha slično
se prostiru kroz elastičnu
sredinu.
Prostiranje talasa se može demonstrirati kretanjem mase
obešene preko opruge na oslonac
Prilikom kompresije i
ekspanzije opruge,
promene se prostiru duž
opruge.
Ako se masa izvede iz ravnotežnog položaja (sabijanjem
opruge) nastaviće da se kreće gore-dole po sinusoidalnom
zakonu.
Prostiranje zvuka (4)
Talasni front u blizini izvora ima
geometrijski oblik samog izvora
dok na većim udaljenostima
uglavnom prerasta u ravan.
Zvučni talas se može definisati kao poremećaj koji se prostire
kroz elastičnu sredinu, prenoseći energiju s jedne lokacije na
drugu.
Talasni front označava površinu na kojoj
sve čestice sredine imaju istu fazu
kretanja.
Prostiranje zvuka (5)
Zvučni talasi se mogu prostirati kroz gasovite, tečne ili čvrste
sredine. Ne prostiru se kroz vakuum.
longitudinalni (fluid, čvrsta sredina)
transverzalni (čvrsta sredina)
kombinovani (čvrsta sredina)
VRSTE TALASA:
Prostiranje zvuka (6)
LONGITUDINALNI TALAS
Pomeranje čestica u pravcu prostiranja zvučnog talasa.
Primer: prostiranje zvučnih talasa kroz cev
Čestice se kreću napred – nazad oko ravnotežnog
položaja.
Kretanje talasa: kretanje
komprimovane oblasti levo -
desno.
Prostiranje zvuka (7)
Animacija: Sredina prikazana kao niz čestica povezanih
oprugama. Poremećaj se prenosi sa jedne čestice na drugu,
pretvaranjem kinetičke energije u potencijalnu i obrnuto, čim
se prenosi energija kroz sredinu bez prenosa čestica.
Prostiranje zvuka (8)
TRANSVERZALNI TALAS
Pomeranje čestica u pravcu koji
je normalan na pravac prosti-
ranja zvučnog talasa.
Čestice se pomeraju gore-dole
bez kretanja u pravcu talasa.
Animacija: Kada se kraj rastegnutog
kanapa pomeri gore-dole energija se
prenosi s leva na desno izazivajući da
se delovi kanapa pomeraju gore-dole.
Pomeraj
čestice
Prostiranje zvuka (9)
POVŠINSKI TALAS U TEČNOSTIMA
(kombinacija longitudinalnog i transverzalnog) Talasi koji nastaju na površini neke tečnosti. Pod dejstvom talasa čestice izvode kružno kretanje u
pravcu kazaljke na satu. Radijus kretanja čestice manji što je veće rastojanje od
površine. Animacija: Kretanje talasa po površini vode čija je dubina veća od talasne
dužine
Prostiranje zvuka (10)
POVRŠINSKI TALAS
U ČVRSTIM TELIMA
(kombinacija
longitudinalnog i
transverzalnog)
Talasi koji nastaju na površini čvrstih tela. Pod dejstvom talasa čestice izvode eliptično kretanje sa
glavnom osom elipse normalnom na površinu tela.
Širina elipse se smanjuje sa povećanjem rastojanja od
površine. Čestice na površini izvode kretanje u pravcu suprotnom
kazaljkama na satu, dok čestica na dubinama večim od
/5 izvode kretanje u pravcu kazaljki na satu.
Veličine zvučnog talasa (1)
Osnovne veličine koje karakterišu zvučne talase i njihovo
prostiranje su:
talasna dužina, [m]
frekvencija, f [Hz]
period oscilovanja, T [s]
brzina prostiranja zvuka
– brzina zvuka, c [m/s]
Veća talasna dužina
– manja frekvencija
Manja talasna
dužina – veća
frekvencija
Veličine zvučnog talasa (2)
talasna
dužina
talasna
dužina x x p, p,
Ako je signal sinusni,
zvučni talas će se
sastojati od određenog
broja maksimuma i
minimuma.
Talasna dužina zvuka predstavlja rastojanje između dva
maksimuma ili dva minimuma.
Veličine zvučnog talasa (3)
x p,
U zavisnosti od toga kako pobudna
sila (klip) kreira zvučni talas, čestice
osciluju napred-nazad sa
određenom frekvencijom.
Svaka čestica osciluje istom
frekvencijom.
Frekvencija zavisi od pobude.
f[Hz]
Veličine zvučnog talasa (4)
x p,
Frekvencija talasa definiše koliko često čestica osciluje oko
ravnotežnog položaja.
Frekvencija predstavlja broj periodičnih promena
položaja čestica oko ravnotežnog položaja u jedinici
vremena.
1Hz=1oscilacija/sekunda
Veličine zvučnog talasa (5)
Period oscilovanja je recipro-
čna vrednost frekvencije osci-
lovanja
Period oscilovanja predstavlja
vreme potrebno za jedan ciklus
oscilovanja čestica oko
ravnotežnog položaja.
T[s]
t p, T
t p, T
Manja frekvencija - veći period oscilovanja.
Veća frekvencija - manji period oscilovanja.
Tf
1
Veličine zvučnog talasa (6)
Frekvencija – KOLIKO
ČESTO?
Broj oscilacija koje
čestica izvrši u jedinici
vremena.
Brzina zvuka – KOLIKO
BRZO?
Rastojanje koje
poremećaj pređe u
jedinici vremena.
t
nf
t
dc
Brzina zvučnih talasa (zvuka) definiše se kao brzina kojom se
poremećaj prenosi sa čestice na česticu.
c[m/s]
Veličine zvučnog talasa (7)
Brzina zvuka zavisi od:
Inercionih osobina sredine (masa, gustina)
2121 cc Tri puta brže u helijumu nego u vazduhu.
Elastičnih osobina sredine (deformabilnost, elastičnost,
fleksibilnost) gastecnost telacvrsta ccc Jača veza između čestica čvrstih tela,
iako čvrsta tela imaju veću gustinu,
utiče da brzina kroz čvrsta tela bude
najveća.
v
p
s
s
c
cpc
,
ps – pritisak sredine u stacionarnom stanju
s – gustina sredine u stacionarnom stanju
cv – specifična toplota pri stalnom pritisku
cv – specifična toplota pri stalnoj zapremini
Veličine zvučnog talasa (8)
Brzina zvuka u m/s CO2 258-268
kiseonik 317
ga
sov
i
vodonik 1270
alkohol 1150
živa 1450
ulje 1540 tečn
osti
glicerin 1980
Materijal u masivu u šipkama i
pločama
aluminjum 6300 5150
bakar 5000 3700
gvožđe 4350 3700
čelik 6100 5050
olovo 2050 1200
staklo 5600 5200
beton 3100 -
led 3200 -
pluta 500 -
hrastovina 4000 -
borovina 3500 -
tvda guma 2400 1450
meka guma 1050 70
Veličine zvučnog talasa (9)
2730
Tcc
c0 – brzina zvuka pri T=273ºK
T – apsolutna temperatura u ºK
600 . cc c0 – brzina zvuka pri =0ºC
– temperatura u ºC
60331 .c
Vazduh
331.4m/s
331.6m/s c=340m/s
Brzina zvuka u funkciji temperature:
Veličine zvučnog talasa (10)
Iako se iz prikazane
jednačine može
izračunati brzina zvuka
na osnovu frekvencije i
talasne dužine, brzina
zvuka ne zavisi od
talasne dužine i
frekvencije.
Frekvencija i talasna dužina su međusobno zavisne
veličine.
Veličine zvučnog talasa (11)
Talasna dužina i
period oscilovanja
Prostiranje talasa – fenomeni (1)
Prostiranje zvučnih talasa je praćeno fenomenima koji su
posledica:
refleksije
susreta talasa sa preprekom
difrakcije difuzije
refrakcije
pojava u samoj sredini
disipacije
Doplerov efekat
kretanja izvora
Prostiranje talasa – fenomeni (2)
Uslov: Talasna dužina zvučnog
talasa mnogo manja od veličine
prepreke.
Talasna
dužina
zvučnog
talasa
mnogo
VEĆA od
širine
prepreke.
Refleksija talasa je pojava nagle
promene pravca prostiranja
talasa pri nailasku na
diskontinuitet sredine –
prepreku.
4
l
l – poprečna dimenzija prepreke u m
Talasna
dužina
zvučnog
talasa
mnogo
MANJA od
širine
prepreke.
ZV
UČ
NA
SE
NK
A
l
Prostiranje talasa – fenomeni (3)
Pravilo1: Kod kose incidencije zvučnih talasa upadni ugao
jednak je reflektovanom uglu. Upadni i reflektovani talas nalaze
se u istoj ravni.
Pre refleksije Nakon refleksije
Upadni
talas
Reflektovan
talas
prepreka prepreka
Prostiranje talasa – fenomeni (4)
MODELOVANJE REFLEKSIJE
)(' 1aa PP
Pravilo2: Dejstvo reflektovanih talasa se može zameniti
virtuelnim izvorom (lik u ogledalu).
Prostiranje talasa – fenomeni (6)
Difrakcija talasa je pojava savijanja zvučnih talasa oko ivica
prepreke na koju nailazi.
Granični slučajevi:
Objašnjenje: Haygens-ov princip – Svaka tačka pogođena
talasnim frontom postaje tačkasti izvor.
Ako je prepreka znatno manja od talasne dužine, prepeka
neće imati nikakav uticaj.
Prostiranje talasa – fenomeni (7)
ZV
UČ
NA
SE
NK
A
b
Zvučni talasi zaobilaze prepreku i
menjaju smer širenja.
Stepen difrakcije zavisi od odnosa
talasne dužine i dimenzija prepreke.
Što je odnos manji difrakcija je veća i
uočljivije je formiranje zvučne senke.
Uslov za difrakciju:
lb
b 104
410
,
Prostiranje talasa – fenomeni (8)
Uslov: Talasna dužina
zvučnog talasa mnogo
veća od dimenzija
otvora.
Difuzija je specijalni slučaj difrakcije kada zvučni talas prolazi
kroz otvore čije su dimenzije male u poređenju sa talasnom
dužinom.
Objašnjenje: Haygens-ov princip – Svaka tačka pogođena
talasnim frontom postaje tačkasti izvor.
b
Prostiranje talasa – fenomeni (9)
Zračenje iza otvora je skoro identično zračenju
originalnog izvora.
Talasna
dužina
zvučnog
talasa
mnogo
MANJA od
dimenzija
otvora.
b
b
Talasna
dužina
zvučnog
talasa
mnogo
VEĆA od
dimenzija
otvora.
b
b
b – poprečna dimenzija otvora
ANIMACIJA
Prostiranje talasa – fenomeni (10)
Refrakcija talasa je pojava savijanja ili prelamanja zvučnih
talasa, odnosno odstupanje od pravolinijskog kretanja.
Uslov: Refrakcija nastaje pri prostiranju talasa kroz
nehomogenu sredinu ili pri prelasku iz jedne u drugu sredinu sa
različitim brzinama prostiranja talasa.
Veličina promene smera zavisi
od ODNOSA brzina prostiranja
zvučnih talasa kroz različite
sredine.
2
1
2
1
c
c
sin
sin
21
21
cc
FRESNELOV ZAKON
Prostiranje talasa – fenomeni (11)
Prostiranje talasa kroz
sredinu sa konstantnom
brzinom.
Nema refrakcije!
Promena brzine zvuka u vazduhu može nastati zbog:
gradijenta (promene) temperature
pojave vetra
Prostiranje talasa – fenomeni (12)
t[ºC], c[m/s]
TOPLO
HLADNO
Zvučna senka
Javlja se zvučna senka tako da
se zvuk ne može čuti na
rastojanjima na kojima bi se
čuo kada ne bi bilo promene
temperature.
Pri pojavi opadanja temperature sa visinom opada i
brzina zvuka, tako da dolazi do savijanja talasa naviše.
Primer kampera pored jezera: U toku dana se mogu videti ali se ne
mogu čuti kamperi sa suprotne strane jezera.
t[ºC], c[m/s]
TOPLO
HLADNO
Zvuk se može čuti na većim
rastojanjima od uobičajenih,
npr. uveče kada se zemlja i
voda brže hlade od vazduha.
Pri pojavi porasta temperature sa visinom raste i brzina
zvuka, tako da dolazi do savijanja talasa naniže.
Primer kampera pored jezera: Uveče se ne mogu videti ali se mogu čuti
kamperi sa suprotne strane jezera.
Prostiranje talasa – fenomeni (13)
Prostiranje talasa – fenomeni (14)
Smer prostiranja zvuka menja i vetar, jer se njihove brzine
vektorski sabiraju. Brzina je veća ako se poklapaju smer
vetra i smer prostiranja talasa i obrnuto.
Brzina vetra uz tlo je najmanja zbog trenja i postojanja
prepreka i raste sa visinom.
Zvuk “uz vetar” se širi od tla prema gore, a “niz vetar” prema
tlu.
Prostiranje talasa – fenomeni (15)
Disipacija predstavlja proces gubljenja energije, odnosno
njenog nepovratnog pretvaranja u drugi oblik, pri prostiranju
zvučnih talasa.
Uzroci disipacije:
Viskozni gubici u gasovina, osim u domenu ultrazvuka, vrlo su
mali.
Viskoznost fluida
Gubici su takođe mali.
Lokalno odvođenje toplote
Molekularni gubici su najznačajniji na čujnim frekvencijama.
Rezonance u molekulima
p1 p2 r1
r2
Prostiranje talasa – fenomeni (16)
)( 122
12
rrm
epp
m – koeficijent disipacije m(f, , t)
)(. 12344 rrmL
frekvencija [Hz]
Slabljenja usled disipacije su
ekstremno velika na visokim
frekvencijama pa je domet zvuka
mali na ovim frekvencijama.
Prostiranje talasa – fenomeni (17)
Doplerov efekat je pojava promene frekvencije i talasne dužine
(visine tona) koja nastaje kao rezultat kretanja izvora ili
prijemnika u odnosu na sredinu ili kretanja sredine.
Objašnjenje: Pri približavanju izvora prijemniku do prijemnika
dolazi više zvučnih talasa u jedinici vremena tako da je
frekvencija koja se opaža na mestu prijemnika veća.
Primer: Promene koje
nastaju u opažanju
zvuka sirene kada
vozilo prolazi pored
slušaoca.
Prostiranje talasa – fenomeni (18)
s
p
spvc
vcff
fp – frekvencija na mestu prijemnika
fs – frekvencija izvora
vp – brzina prijemnika
vs – brzina izvora
Kada se izvor i prijemnik približavaju uzima se znak -
(frekvencija se povećava), a kada se udaljavaju znak +
(frekvencija se smanjuje).
Frekvencija zvučnih talasa na mestu prijemnika:
Prostiranje talasa – fenomeni (19)
Stacionarni zvučni izvor
Zvučni talasi se emituju konstantnom frekvencijom fs.
Talasni front se prostire simetrično, konstantom brzinom
koja je jednaka brzini zvuka. Rastojanje između talasnih frontova je jednako i
predstavlja talasnu dužinu.
Svi posmatrači čuju istu frekvenciju koja odgovara
frekvenciji izvora fs.
Prostiranje talasa – fenomeni (20)
Pokretni zvučni izvor (vs<c)
Zvučni talasi se emituju
konstantnom frekvencijom fs.
Zvučni izvor se kreće (udesno)
brzinom koja je manja od brzine
zvuka.
Centar talasnih frontova se
pomera udesno.
Talasi se nagomilavaju ispred izvora a iza izvora se
razređuju. Posmatrač ispred izvora čuje veću frekvenciju od
frekvencije izvora, dok posmatrač iza izvora čuje nižu
frekvenciju.
Rastojanje između talasnih frontova je različito - manje
ispred izvora, veće iza izvora.
Prostiranje talasa – fenomeni (21)
Pokretni zvučni izvor (vs=c) – Probijanje zvučne barijere
Zvuk se ne opaža kao ton već kao tup udarac.
Talasni frontovi se
nagomilavaju u jednu
tačku, na poziciji izvora.
Posmatrač ispred izvora ne čuje ništa dok izvor ne stigne,
dok posmatrač iza izvora čuje dvostruko nižu frekvenciju
od frekvencije izvora.
Na mestu izvora javlja se udarni talas sa veoma
intenzivnim pritiskom – vizelno se opaža kao barijera (zid).
Piloti supersoničnih aviona
registruju zvučni zid u trenutku kada
dostižu brzinu zvuka i prelaze na
supersonične brzine.
Prostiranje talasa – fenomeni (22)
Pokretni zvučni izvor (vs>c)
Izvor prethodi talasnom frontu
koji ostaje iza njega u obliku
kupe.
Iza izvora se formira kupa sa
udarnim talasom visokog pritiska.
Ugao kupe zavisi od odnosa
brzine izvora i zvuka.
Zvučni izvor prolazi pored
stacionarnog posmatrača pre
nego što on čuje zvuk koji izvor
generiše.
Prostiranje talasa – fenomeni (23)
Pokretni zvučni izvor (vs>c)
Nakon prolaska izvora, posmatrač čuje veoma jak zvuk
(sonic boom) koji nastaje kao posledica istovremenog
opažanja dva zvučna talasa – sa visokim (posledica
kompresije) i niskim zvučnim pritiskom (posledica
ekspanzije).
Supersonični avioni stvaraju dva zvučna udara, jedan
koji potiče od buke aviona a drugi od njegovog repa.
ekspanzija
nizak pritisak kompresija
visok pritisak