AKUSTIKA (grč. akuein »čuti«). 1. Nauka o zvuku ili akustika zasijeca u područje mehanike, napose u mehaniku elastičnih tjelesa. Dijeli se obično u fizikalnu i fiziološku a. Fizikalna ispituje pojave, koji bude osjet zvuka. Fiziološka se bavi pitanjima, koja su u vezi s organima za sluh i govor. U novije su se vrijeme razvile kao zasebne naučne grane elektroakustika, tehnička a. i a. glazbe.
Razne osjete zvuka razlikuje uho kao prasak, šum, zvek, ton. U fizikalnom smislu se definira ton kao jednostavno titranje materijalne točke, koje se kroz elastično sredstvo, obično kroz uzduh, širi i prenosi u uho. Kod zveka je gibanje zvučnog izvora i okolnog sredstva kompliciranije, no može se rastaviti u više jednostavnih titraja. Kod šuma i praska je to gibanje nepravilno.
Sl. 1. Udarena viljuška ostavlja trag
na počađenoj pločiPostoji više metoda za fizikalnu analizu i registriranje tona, zveka i šuma. Jednostavno mehaničko registriranje pokazuje sl. 1. Šiljak viljuške, koja titra, crta na pomičnoj počađenoj ploči valovitu krivulju titranja ili oscilogram.
Sl. 2. Oscilogrami zvučnih titraja. A jednostavan titraj; B, C sastavljeni titraji (B za zvuk, C za šum)Današnja nauka upotrebljava u tu svrhu mikrofon, pojačalo i katodni oscilograf. Sl. 2. pokazuje oscilograme za čisti ili jednostavni ton, kakav daje na pr. glazbena viljuška (A), za zvek ili sastavljeni ton glazbenog instrumenta (B) i za šum (C).
2. Kod zvučnog izvora govorimo o zvučnoj snazi; to je energija, koju zvučni izvor šalje u jednoj sekundi na sve strane. Nekoliko podataka za tu snagu je sabrano u ovoj tablici:
| običan govor |
7 . 10—6 vata |
| najjači govor čovjeka |
2 .10—3 „ |
| gusle (fortissimo) |
10—3 „ |
| trublja „ |
3 . 10—1 „ |
| orgulje „ |
1 do 10 „ |
| veliki zvučnik |
100 „ |
Sl. 3. Pregled zvučnih frekvencijaKod niskih frekvencija (v. 3.) je zvučna energija neznatna. Izračunali su, da je energija prosječnog govora jednog čovjeka kroz 150 godina po prilici tolika, da bi se njome mogla skuhati šalica čaja. Kod visokofrekventnih titraja, koje uho ne zamjećuje, postizavaju se velike zvučne energije. — Zvučni izvor šalje u jednoj sekundi na kvadratni centimetar u okomitom smjeru energiju, koja se zove jakost ili intenzitet zvuka. Ta veličina zavisi o amplitudi titranja, o daljini izvora, o sredstvu, u kojem se šire zvučni valovi, i o broju smjerova širenja. Mnoga opažanja pokazuju utjecaj sredstva. Džepna ura se čuje u zraku 3 m, u vodi 7 m daleko. Glas čovjeka, čija su pluća napunjena vodikom, prazan je i slab, jer je gustoća vodika manja od gustoće zraka. U razrijeđenom uzduhu na visokim bregovima prasak puške zvuči slabije.
3. Visina tona se mjeri frekvencijom titranja. Njezina je jedinica 1 titraj u sekundi ili, što je isto, 1 cikl u sek. ili kraće 1 herc (hz). Kao normalne frekvencije uzimaju se danas tonovi od 440 i 1000 hz. Radiostanica Deutschland-sender šalje na radne dane vrlo točne normalne frekvencije. Uho zdrava mlada čovjeka zamjećuje tonove od 16 do 20.000 hz. Frekvencije niže od 16 hz spadaju u infrazvuk, a one iznad 20.000 hz u ultrazvuk. U područje infrazvuka ulaze trešnje zemaljskog tla, koje izvode potresi, udaranje vjetra i morskih valova na obalu i dr. Na strmu obalu u Norveškoj udaraju morski valovi s tolikom snagom, da se pomoću osjetljivih instrumenata mogu opažati trešnje tla u srednjoj Aziji. U područje ultrazvuka ulaze titraji kvarcovih pločica i štapova, uzbuđeni pijezoelektricitetom. Time se polje akustike proširuje preko granica, koje stavlja organ sluha.
Skupove ili spektre akustičkih frekvencija prikazuje pregledno slika 3., u kojoj brojevi ispod horizontalne osi znače frekvencije u hercima. Kod donje i gornje granice sluha, t. j. kod 16 i 20.000 hz, povučene okomite linije dijele pravi zvuk t. zv. audiofrekvencije od infrazvuka i ultrazvuka. U sredini područja s audiofrekvencijama zabilježeno je mjesto za prijašnji normalni »komorni ton« a1 s 435 hz. Uokvirena mjesta kazuju frekvencije za instrumentalnu glazbu i pjevanje (bas, sopran). U području infrazvuka su omeđene frekvencije za tréšnje zemaljskog tla kod potresa, kod udaranja vjetra i morskih valova na obalu.
Sl. 4. Gornja granica sluhaFiziolozi su konstatirali, da je za neke životinje gornja granica iznad 20.000 hz. U sl. 4. su notama označene gornje granice sluha za mladog čovjeka (20 hiljada hz), za morskog praščića (33.000 hz) i za psa (38.000 hz). Kod 50-godišnjeg čovjeka gornja granica sluha iznosi oko 13.000 hz.
4. Širenje zvuka. Brzina zvuka t. j. brzina širenja longitudinalnih zvučnih valova određuje se računom i mjerenjem. Za brzinu zvuka v u plinovima daje teorija formulu
√ p/ρk
(Newton, Laplace), u kojoj p znači tlak, a ρ gustoću plina. Konstanta k je jednaka kvocijentu specifične topline plina kod stalnog tlaka i specifične topline kod stalnog volumena. Eksperimentalne metode su pokazale valjanost ove formule.
Kroz posljednjih 300 godina određivali su brzinu zvuka u uzduhu mnogo puta. Služili su se najviše metodom direktnog signaliziranja. Na jednom su mjestu, istodobno sa zvukom, proizveli blijesak, a na udaljenom mjestu su odredili vrijeme između opažanja blijeska i dolaska zvučnih valova. Noviji su eksperimenti (1918, 1919, 1924, 1938) dali za brzinu zvuka u slobodnom atmosferskom uzduhu kod normalnog tlaka i 0° srednju vrijednost 331,8 metara u sekundi (m/sek). Na brzinu zvuka u zraku utječe znatno temperatura, manje tlak, a vrlo neznatno vlaga. Zavisnost o temperaturi (t) pokazuje ova tablica:
| t |
—100° |
0° |
20° |
+ 100° |
+ 1000° |
| v (m/sek) |
263 |
332 |
344 |
387 |
717 |
Poveća li se tlak zraka od 1 na 26 atmosfera, naraste brzina zvuka za 8‰. Uvećanju tlaka od 200 atmosfera odgovara prirast brzine za 22%.
Brzine zvuka u suhom zraku i u zraku sa 100% vlagom razlikuju se za 1,5‰.
Vrlo su velike početne brzine zvučnih valova kod jakih eksplozija. Brzina detonacije za plin praskavac iznosi 2820, a za nitroglicerin 7450 m/sek. Za glazbu i govor je brzina zvuka posve nezavisna o frekvenciji. U području ultrazvuka utvrdili su, da samo kod plinova zavisi ova brzina o frekvenciji. Ta se pojava zove disperzija zvuka. U ugljičnom dioksidu ostaje nepromijenjena brzina zvuka sve do frekvencije 100 khz (100.000 hz). U intervalu od 100 do 1000 khz naraste ona za 4%, a kod viših frekvencija ostaje opet stalna. Osobita ta pojava selektivne disperzije je u skladu s teoretskim razmatranjima. — U tekućinama i čvrstim tjelesima je brzina zvuka nekoliko puta veća nego u zraku. Nekoliko podataka daje ova tablica:
| sredstvo |
v (m/sek) |
|
sredstvo |
v (m/sek) |
| željezo |
5000 |
|
bukovo drvo |
3400 |
| bakar |
3900 |
|
pluto |
430—530 |
| olovo |
1320 |
|
destilirana voda (13°) |
1441 |
| platina |
2730 |
|
morska voda (15°) |
1461 |
| staklo |
5950—6190 |
|
teška voda (gust. 1,1053) |
1381 |
Sl. 5. Nutarnja i vanjska zona
eksplozije u Moskvi (9. V. 1920)Pokusi s najjačim izvorima zvuka pokazali su nepravilno širenje zvučnih valova. Oko mjesta eksplozije ili jake topovske pucnjave mogu nastati dva odijeljena područja, u kojima se zvuk čuje: nutarnja i vanjska zona. Među njima je zona šutnje. Nutarnja zona može sezati na pr. 100 do 150 km daleko. U većoj daljini, na pr. kod 200 km, počinje vanjska zona i može ići do daljine 300 do 350 km. U mjestima nutarnje zone izmjerili su normalnu brzinu zvuka. U vanjsku zonu stižu valovi sa zakašnjenjem, pa izlazi prividna brzina zvuka, koja je za 30 do 50 m/sek manja od normalne. Iz tih podataka se mora zaključiti, da na udaljena mjesta dolaze valovi stramputicama, t. j. da oni putuju koso do visokih slojeva atmosfere, odakle se vraćaju. Radi apsorpcije duž zemaljskog tla ne mogu zvučni valovi prijeći zonu šutnje. U gornjim dijelovima atmosfere je manja apsorpcija. Da protumače tu pojavu, neki uzimaju, da valovi zvuka dosegnu 70 km visoke slojeve s vodikom, u kojima je velika brzina zvuka, pa lako dolazi do totalne refleksije.Dru- go je tumačenje, da su u velikoj visini gornji slojevi atmosfere topliji od donjih. Takve eksperimente, kojima je svrha, da se ispita veliko zvučno polje, izveli su u Rusiji (Moskva 1920), Francuskoj (La Courtine 1924) i Njemačkoj (Oppau). U sl. 5. su točkama ispunjene zone, u kojima se čula eksplozija u Moskvi.
5. Kao kod drugih valova, tako i u svijetu zvuka postoje pojave refleksije, loma, interferencije, ogiba i apsorpcije. Poznate su akustičke pojave: jeka, pazvuk, rezonancija, udari. Nekoje se od tih pojava mogu i fotografski snimiti. Tehnička akustika, napose akustika zgrada i prostorija, iskorišćuje rezultate tih istraživanja.
Poznato je teško prodiranje zvučnih valova kroz zidove, no da se postigne dobra izolacija zvuka, treba prostoriju opkoliti dvostrukim stijenama i šupljine među njima ispuniti poroznim materijalom, vatom, slamom, piljevinom od drva ili pluta. U takvim se sredstvima zvučni valovi nepravilno i često reflektiraju i lome. Apsorbirana zvučna energija prelazi u toplinu.
6. Izvori zvuka mogu biti elastična tijela sviju agregatnih stanja. Anizotropna tjelesa, drvo i kristali, služe također za tu svrhu. Akustički izvori mogu imati jednu, dvije i tri dimenzije. Jednodimenzionalni su izvori žice, štapovi, tekući i uzdušni mlazovi. Dvodimenzionalni su izvori ploče, zvona i membrane, a trodimenzionalni svirale. Uzbuđenje i uzdržavanje titranja može biti mehaničko i elektromagnetsko. Mehaničko se služi kratkim udarcem, dužim potezanjem, duvanjem. Izvori s elektromagnetskim uzbuđenjem mogu se smatrati transformatorima električne energije u mehaničku. Ubrajamo ovamo na pr. zvučnik i pijezoelektrični generator. Osobiti su izvori zvuka razni uređaji s elektronskom cijevi i s fotoelektričnom stanicom.
Sl. 6. Rayleighova (Dvořákova) pločica.
P pločica, n nit7. Mehanički učinci zvuka. Pokusi pokazuju, da zvučni valovi tlače t. j. da na lagana pomična tjelesa djeluju silama, koje prema prilikama mogu biti ili privlačne ili odbojne. Važna su u tom području istraživanja našeg fizičara V. Dvořáka (1875, 1882).
U sl. 6. nacrtan aparat, nazvan Rayleighova (Dvořákova) pločica, služi za mjerenje tlaka i jakosti zvuka. Lagana pločica P obješena na tankoj niti n nastoji se, iz svoje kose orijentacije prema izvoru zvuka, namjestiti u okomit smjer. Ova sprava služi za ispitivanje zvučnika i mikrofona.
Dvořák je nadalje dokazao, da osim odbojnih i privlačnih akustičkih sila postoje sile, koje izvode reakciono gibanje. Dvije Dvořákove spravice, reakciono zvučno kolo i zvučni radio-metar, pokazuje sl. 7. Reakciono kolo sastoji se od 3 ili 4 kuglasta ili cilindrična Helm- holtzova rezonatora, koji su smješteni u krug oko vertikalne osovine sprave. Kolo se okreće,ako zvuči ton, na koji su udešeni rezonatori. Vrtnja se tumači međusobnim odbijanjem zvučnih valova i zračne struje, koja izlazi kroz otvore rezonatora. Zvučni radiome- tar naliči poznatom Crookesovu radiometru. Sastoji se od 3 lagana aluminijeva krila s brojnim čunjastim rupicama.
Takva se spravica najbrže vrti, ako se nalazi u trbuhu stojnog vala jedne svirale. Reakciono kolo najbrže rotira na čvornim mjestima.
Sl. 7. Reakciono kolo i zvučni radiometar7. Akustika ili akustičnost prostorija je važan problem tehničke akustike. U zatvorenom se prostoru zrake zvuka nekoliko puta odbijaju, a uz to dolazi do apsorpcije i interferencije zvuka. Dok refleksija zavisi samo o geometrijskom obliku prostorije, pitanje apsorpcije se rješava tako, da se odredi, koliki se dio od cijele zvučne energije gubi tim procesom. Na akustičnost dvorane utječe najprije jeka. Ako između dva sloga riječi dođe u uho slušača jeka, govor je teško razumljiv. No jeka može pojačati zvuk i popraviti razumljivost govora, a to će biti onda, ako između direktnog i reflektiranog vala, koji uzbuđuju uho, prođe vrijeme kraće od 0,1 sek. Razlog je tomu, što u običnom govoru za izgovor jednog sloga treba ⅕ sek, a radi toga kritično vrijeme jeke iznosi 0,1 sek.
Oble stijene mogu davati dvorani lijep arhitektonski oblik no mogu izazvati znatne akustičke smetnje. Nalazi li se na pr. blizu jednog žarišta eliptične dvorane izvor zvuka u drugom će se žarištu zvuk koncentrirati. No ima i vrlo akustičnih dvorana bez smetnja s oblim paraboličkim plohama. Nastoji se uopće, da reflektirane zrake zvuka teku podjednako u raznim smjerovima.
Ima više metoda, pomoću kojih se može ispitati, da li projektirani oblik dvorane odgovara zahtjevima akustike. Mogu se na pr. u crtnji ispitati putovi zraka zvuka, koje izlaze iz jedne točke u prostoriji. Češće se radi s prostorno-akustičkim modelima. Izvode se pokusi valovima vode u posudi, koja ima presjek sličan presjeku dvorane. Radi se i tako, da se u modelu izazovu valovi zvuka pomoću električne iskre i onda se, pomoću poznate optičke metode šlira fotografiraju vidljive fronte tih valova.
Oko teoretskog i praktičkog rješavanja toga problema mnogo se trudio američki akustičar W. C. Sabine. On je u tu svrhu uveo i definirao nove veličine, koje se mogu mjeriti. Važna je takva veličina trajanje pazvuka, koje se definira kao vrijeme, u kojem, iza prekinutog uzbuđenja, zvučna energija spadne na milijunti dio. Ta veličina utječe znatno kod slušanja glazbe i govora. Utvrdili su na pr., da je razlučivanje pojedinih slogova riječi najbolje, ako pazvuk traje 1 sek. Kod dužeg pazvuka slijevaju se slogovi i govor se teže razumije. U velikim je glazbenim dvoranama dopušteno, da pazvuk traje najviše 2,5 sek. U prostoriji bez pazvuka zvuči govor suho i odsječeno, a glazbi nedostaje živahnost. Trajanje pazvuka može se odrediti subjektivno urom, a može se mjeriti i objektivno oscilografskom metodom. Sabine je našao, da je trajanje pazvuka za razna mjesta dvorane približno jednako i da ne zavisi o tom, na kojem se mjestu nalazi izvor zvuka, a ni o tom, na kojem su mjestu predmeti, koji zvuk apsorbiraju. Visina tona može utjecati na pazvuk. Raste li trajanje pazvuka s visinom tona, pogoršava se slušanje instrumentalne glazbe, koja dobiva oštru boju i vrijeđa sluh. Za trajanje (sek) pazvuka dao je Sabine formulu t = k V / aF, u kojoj znači V volum dvorane (m3), F površinu (m2), a koeficijent apsorpcije. Za konstantu k našao je Sabine vrijednost 0,16. Ima slučajeva, u kojima se ne može primijeniti Sabineova formula. Takvi su slučajevi kod složenih dvorana i velikih crkava s nekoliko lađa.
8. Kroz posljednja dva decenija opaža se osobito zanimanje za probleme akustike, pa se ova grana fizikalne nauke naglo razvija i napreduje. Velik broj akustičkih istraživanja ima svrhu, da se usavrši radiofonija i tonfilm. Istaknuti su problemi današnje akustike: analiza glasova, vjerni prijenos govora i glazbe, suzbijanje buke. U toj grani nauke definirani su novi pojmovi, analogno prema pojmovima optike i elektriciteta, postavljene su nove mjere i jedinice, razvijena je nova eksaktna metodika i tehnika mjerenja. U akustičkim aparaturama dolazi komplicirani električni instrumentarij. Akustika nije više zatvoreno naučno područje. Njezini se problemi rješavaju općim fizikalnim metodama.
LIT.: F. Trendelenburg, Einführung in die Akustik, Berlin 1939; J. Jeans, Science & Music, Cambridge 1937; F. Scheminzky, Die Welt des Schalles, 1935; D. C. Miller, Anecdotal History of the Science of Sound, New York 1935. D. P-ć.
Akustička mjerenja. Ova se mjerenja osnivaju na mjerenju duljine vremena, koje je potrebno poslanom zvuku s nekog mjesta, da se kao jeka povrati na to mjesto. Uzevši u obzir brzinu zvuka u tvari (zrak 332 m/sek, voda 1440 m/sek), koja ispunja prostor, kojega dubinu ili visinu želimo izmjeriti, izračuna se iz vremenskog razmaka zvuka i jeke dužina polaznog i povratnog puta zvuka. Na ovom temelju osnovao je U. Behm g. 1912 napravu za mjerenje morskih dubina, koja se može primijeniti i u zrakoplovstvu, ali samo za manje visine. Za veće visine sigurnije je barometrijsko mjerenje. Behmov aparat usavršavan je kasnije u vise različnih oblika.
Akustički znakovi (njem. Akustische Signale; engl. acoustic signals, audible signals; franc. signaux acoustiques; tal. segnali acustici od grč. akuein »slušati«) daju se pomoću električnih zvonovnih uređaja, parnih pištaljka ili sirena, usnih pištaljka, doglašivača i praskalica, osobito kod željeznice, i to samostalno kao pružni znakovi, znakovi osoblja, koje prati vlakove, kod razvrstavanja, za upozorenje na putnim prijelazima, kao dopuna optičkih znakova, za upozorenje na znakove o stanju pruge, za davanje znakova pomoću parne pištaljke sa lokomotive ili za naviještanje kojeg stalnog znaka. Lj. P.