akustika

akustika (prema grč. ἀϰουστıϰός: slušni), grana fizike koja se bavi proučavanjem nastajanja, širenja i osjetom zvuka.

Povijesni razvoj

Početci akustike pripisuju se Pitagorinim pokusima s titranjem niti. On je primijetio da su kombinacije glazbenih tonova skladnije kad su omjeri duljina vibrirajućih žica mali cijeli brojevi (npr. ako su ostala svojstva bila jednaka, osobito su skladno zvučale žice kada je jedna bila dva puta dulja od druge). Aristotel je objasnio da se zvuk sastoji od sabijanja i razrjeđivanja zraka. Marko Vitruvije Polion napisao je raspravu o akustičkim svojstvima kazališta (O arhitekturi, nakon 27. pr. Kr). Marin Mersenne definirao je zvuk kao titranje zraka (Univerzalna harmonija, 1636). Isaac Newton je iz vrijednosti elastičnosti E i gustoće zraka ρ teorijski odredio brzinu zvuka u zraku: v = (E/ρ)^1/2, a odredio je i brzinu zvuka u čvrstim tijelima (1687). Ernst Florens Friedrich Chladni osmislio je vizualizaciju rezonancije zvuka (1787).

Velik su napredak u matematičkim i fizikalnim konceptima akustike postigli tijekom XVIII. st. Leonhard Euler (Disertacija o fizici zvuka, 1727), Jean Baptiste Le Rond d’Alembert (Istraživanja o vibracijama žica, 1747) i Joseph Louis de Lagrange koji je razvio teoriju širenja zvuka, našao rješenje problema žice koja vibrira poprečno, raspravljao o jekama, ritmovima i složenim zvukovima (u prvome svesku časopisa Miscellanea Taurinensia, 1759).

U XIX. st. Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz konsolidirao je područje fiziološke akustike (Nauk o tonskim osjetima kao fiziološkim temeljima za teoriju glazbe, 1863), a John William Strutt Rayleigh je u djelu Teorija zvuka spojio prethodno znanje s vlastitim doprinosom tom području (1877–78). Vinko Dvořák istraživao je titranje zraka u cijevima i otkrio tzv. stijene u trbusima titranja (1874), pojavu akustičkog odbijanja i privlačenja (1875), te načinio mjerač jakosti zvuka (1881).

U XX. st. razvija se primjena znanstvenoga znanja: podvodna akustika omogućila je otkrivanje podmornica u I. svjetskom ratu, snimanje zvuka i telefon odigrali su važnu ulogu u globalnoj transformaciji društva, mjerenje i analiza zvuka dosegnuli su nove razine točnosti i sofisticiranosti uporabom elektronike i računalstva, ultrazvučno frekvencijsko područje omogućilo je posve nove vrste primjene u medicini i industriji.

Izvori zvuka

Izvori zvuka su tijela koja titraju frekvencijom 16 do 20 000 Hz u nekom elastičnom sredstvu, npr. napeta struna ili glazbena vilica u zraku. Najjednostavniji je oblik titranja izvora zvuka harmoničko titranje. Harmoničko titranje stvara harmoničke valove. Čisti ton nastaje ako se frekvencija titranja ne mijenja. Složeni tonovi sadržavaju više frekvencija. Po Fourierovu teoremu složeni ton može se prikazati kao zbroj sinusnih titranja osnovnom frekvencijom ν₀ i višim harmonicima frekvencije ν_n = n ν₀, gdje je n = 1, 2, 3, …. Šum je posljedica potpuno nepravilna titranja. Valovi nastali titranjem izvora frekvencijom većom od 20 kHz opisuju se kao ultrazvuk (mogu ih čuti neke životinje, npr. psi i šišmiši), a frekvencijom manjom od 16 Hz kao infrazvuk (mogu ih čuti npr. patke i slonovi).

Širenje zvuka

Brzina zvučnih valova ovisi o sredstvu kroz koje se ti valovi šire. Tako je brzina zvuka u zraku (tlaka 101,3 kPa i temperature 0 °C) 331 m/s, u vodi 1485 m/s, a u staklu 5500 m/s. Ako se izvor ili prijamnik zvučnih valova gibaju u odnosu na sredstvo kroz koje se valovi šire, prijamnik bilježi promjenu frekvencije (→ dopplerov efekt). Zvučni valovi prenose energiju. (→ jakost zvuka)

Osjet zvuka

Ljudsko uho osjeća zvukom izazvanu promjenu tlaka zraka (akustički tlak). Za zvučni val frekvencije 1 kHz i jakosti koja odgovara pragu čujnosti (I₀ = 10^–12 W/m²), amplituda pomaka čestice iznosi oko 10^–11 m, dok je amplituda akustičkoga tlaka oko 2 · 10^–5 Pa. Za zvuk na granici bola pomak je čestice 10^–5 m, a akustički tlak 30 Pa.

Glasnoća zvuka jest osjet jakosti zvuka u ljudskom uhu. Ovisi o jakosti i frekvenciji zvuka. Razina glasnoće izražena u fonima jest, dogovorno, jednaka razini jakosti u decibelima za zvuk frekvencije 1000 Hz u cijelom području od granice čujnosti do granice bola. Primjeri razine glasnoće različitih složenih zvukova dani su u sljedećoj tablici:

Vrsta zvuka	Razina glasnoće (fon)
Prag osjeta	0
Šaptanje	20
Tiha glazba	40
Bučan govor	60
Prometna ulica	80
Prolazak brzog vlaka	100
Motor zrakoplova	120
Prag bola	130

Atmosferska akustika

Atmosferska akustika, grana meteorologije koja se bavi proučavanjem širenja valova zvuka ovisno o stanju atmosfere te utvrđuje apsorpciju, raspršivanje i refleksiju zvuka, a to se osobito očituje kod jakih inverzija temperature. Istraživanjem putanje valova zvuka u višim slojevima atmosfere izvode se zaključci o okomitom rasporedu i fizikalnim svojstvima atmosfere, osobito o temperaturi i molekularnom sastavu atmosfere (akustička sondaža). U atmosfersku akustiku ubraja se i proučavanje zvuka meteorološkog podrijetla, npr. grmljenje (ne grmljavina) i različitih zvukova što ih proizvodi vjetar.

Građevna akustika

Građevna akustika bavi se zaštitom od buke i sprječavanjem vibracija koje uzrokuju zvukove. Neka je pregrada to bolji izolator od buke što joj je gustoća veća. Rupe i otvori u pregradi smanjuju njezinu sposobnost gušenja zvuka. Višestrukom pregradom povećava se zvučno gušenje na višim frekvencijama. U pogledu zvučne izolacije najslabija su mjesta vrata i prozori, i to zbog njihove lagane konstrukcije. Zaštita od zvukova uzrokovanih vibracijama ili potresanjem postiže se stavljanjem objekta koji je izvor vibracija, ili koji bi mogao prenositi vibracije, na elastične podloške od pluta, gume ili na opruge.

Prostorna akustika

Prostorna akustika bavi se problemom »dobra i ugodna slušanja« u prostorijama. Bitan čimbenik koji određuje akustička svojstva neke prostorije jest trajanje odjeka. Odjek je rezultanta mnogobrojnih refleksija zvučnih valova od ploha u prostoriji, pri čemu se nakon svake refleksije energija zvučnih valova smanjuje. U predavaonicama odjek je koristan zato što povećava glasnoću na udaljenijim mjestima i time pridonosi većoj razumljivosti govora. Predug odjek smeta razumljivosti govora, jer uzrokuje preklapanje izgovorenih slogova, onoga sloga koji se upravo sluša s prethodnim, koji zbog preduga odjeka još uvijek traje. U dvoranama za glazbene priredbe trajanje odjeka treba biti prilagođeno vrsti glazbe. Općenito, za glazbu bržega ritma trajanje odjeka treba biti kraće, a slušanje simfonijske i crkvene glazbe ugodnije je u dvoranama s duljim odjekom. Trajanje odjeka smanjuje se uporabom apsorpcijskih materijala (npr. tekstila, staklene vune) i s pomoću apsorpcijskih konstrukcija (rezonatora). Na razdiobu intenziteta zvuka po prostoriji djeluje osim odjeka još i oblik prostorije. Treba izbjegavati nepovoljno smještene konkavne plohe, koje usredotočuju zvuk u žarištu i time posebno povećavaju glasnoću na tim mjestima.