Kas ir Tehniskā akustika?

Tehniskā akustika

Ar tehnisko akustiku saistītās nozares

Visuzskatāmāk akustika cilvēkiem saistās ar akustiskiem vai elektroniskiem muzikas instrumentus vai arī vokālo un instrumentālo skaņdarbu izpildījumiem.

Un nozares, kas nodarbojas ar šādu problēmu pētniecību, arī dažādiem specifiskiem un ļoti precīziem aprēķiniem, prasību izstrādāšanu muzikas instrumentu izgatavošanā un ekspluatācijā vai cilvēka balss attīstīšanā ir – muzikas instrumentu akustika un vokālās studijas. Tās gan nereti uzskata par tīri humanitārām nozarēm, tomēr tās cieši saistītas ar tehniskiem līdzekļiem un metodēm. Jāatzīmē, ka akustisko svārstību veidošanās un skaņas viļņu izplatīšanās ir daudz plašāka problēma un neaprobežojas tikai ar muzikas instrumentiem, tomēr daudzus iespējamos svārstību veidus, kas tiek radīti ar lietderīgu nolūku var uzskatāmi demonstrēt ar tiem.

Plaša akustikas nozare ir arhitektūras akustika, kurā analizē un izstrādā prasības, kā arī aprēķinu metodes skaņas izplatīšanās procesiem ēkās, iekštelpās, koncertzālēs un atklātos laukumos vai stadionos.
Būvakustikas nozare augšminētās prasības realizē celtniecības materiālos, būvkonstrukcijās un inženieriekārtās, izmantojot skaņas izolēšanas, slāpēšanas (absorbcijas), difrakcijas, atstarošanas vai izkliedēšanas daudzveidīgos paņēmienus.

Svarīga ir vides un telpu trokšņa, kontroles un prettrokšņa pasākumu nozare, kuras uzdevums ir nevēlamas skaņas – trokšņa ierobežošana.
Pēdējā savukārt saistās ar tādām nozarām, kā vibrācijas, hidroakustika, trokšņa avotu teorija.

Visas augšminētās nozares kopā vieno akustiskie mērījumi, kas mūsdienās bāzējas uz tādu nozaru, kā elektroakustikas un teorētiskās vai fizikālās akustikas metodēm.

Elektroakustikas, kā patstāvīga nozare pēta un realizē skaņas elektriskā signāla apstrādi, tā pārraidi, skaņa ierakstu veidošanu, atskaņošanu un telpu elektroakustisko apskaņošanu.

Lai precīzi noteiktu dažādu akustikas nozaru apskatīto parādību daudzveidīgo iedarbību uz cilvēku pastāv vēl tādas akustikas nozares, kā cilvēka auss uztveres fizioloģiskā akustika, audiometrija un mediciniskā akustika.

Pēdējās desmitgadēs pie tehniskās akustikas tiek pieskaitītas arī skaņas subjektīvās uztveres pētniecība un psihoakustika, jo ir noskaidrojies, ka daudzas cilvēka smadzeņu darbības radītās skaņas uztveres likumsakarības pakļaujas precīzam matemātiskam aprakstam un modelēšanai, piemēram absolūtās dzirdes fenomens, stereofoniskā uztvere, vai interesējošā signāla subjektīvā filtrēšana no traucējošā trokšņa.

Svārstību izplatīšanās dažādās konstrukcijās un vidēs.

Svarstības vidē izplatās akustisko viļņu veidā, kas ir daudzveidīgi, tomēr uzreiz ir jānodala trīs atšķirīgi akustisko viļņu tipi:

• Garenviļņi (longitudinālie), kuros daļiņas svārstās viļņu izplatīšanās virzienā.
• Šķērsviļņi (transversālie), kuros daļiņas svārstās perpendikulāri viļņu izplatīšanās virzienam jeb šķērsvirzienā. Ja vienlaicīgi iesvārsta šķērsviļņus dažādās plaknēs, tad daļiņu kustība apraksta elipsi, apli vai sarežģītas cilpveida figūras, piemēram, astotnieka cilpu, ja viļņiem ir dažādas frekvences. Šo cilpu plaknes ir perpendikulāras viļņu virzienam.
• Kombinētā veida viļņi, kuros daļiņas vienlaicīgi svārstās gan viļņu izplatīšanās, gan šķērsvirzienā, viena pilna svārstību cikla (perioda − T) laikā virzoties pa pilna riņķa vai elipses līniju, kuras plakne, ja vides elastības parametri ir lineāri, parasti ir orientēta viļņu izplatīšanās virzienā.

Šķērsviļņi cietos materiālos un konstrukcijās.

Ar spēku F S [N] savilktas stīgas vibrāciju pamatsvārstības viļņa garums ir 2 lielāks par stīgas garumu −$\ell$_s[m] (sk. 2.1. zīm.). Līdztekus pamatsvārstībai stīga atkarībā no ierosināšanas vietas iesvārstas ar veselu skaitļu − n kārtas virstoņiem ar augstākām frekvencēm − f _n . To izmanto mūzikas instrumentos. Ģitāras spēlē ierosinot stīgu tuvāk galam, iegūst virstoņus ar n reizes īsāku λ .

Augstākas sarežģītības pakāpe ir apaļas nospriegotas membrānas šķērssvārstības. Tās ir perkusijas instrumentu timpānu, mazo, vidējo un basa bungu skaņas galvenais avots, kas veido būtiskāko šo instrumentu skaņas sastāvdaļu. Viļņu izplatīšanās ātrums šādā membrānā ir atkarīgs no apskatāmā izplatīšanās virziena un arī ierosinātā viļņa modas (sk. 2.2. zīm.), tādēļ vispirms apskatīsim šādā membrānā ierosinātas pamatsvārstības viļņu - jeb modas 01 frekvenci − f ₁ , kuru izsaka sekojoša formula:

${f_1} = \frac{{0.766}}{D}\sqrt {\frac{{{T_M}}}{\sigma }}$ , ku ${\rm{ }}$ ${\rm{ }}$ ${\rm{ }}$ ${\rm{ }}$ r (2.4)

D − membrānas diametrs [m];
T _M − membrānas nospriegojums (spēks uz perimetra garuma vienību)[N/m];
σ − membrānas virsmas blīvums [kg/m²].

Svārstību viļņu radīto toņu „augstums” un muzikālie intervāli

Par skaņas harmonisko augstumu sauc tās pamattoņa frekvenci – f_p [Hz]. Instrumentos pamattonim līdzi skan jau pieminētie virstoņi. Virstoņi ir n-tās kārtas pamattoņa harmonikas – n f_p, kur n ir no 2 līdz n >15. Divu toņu saskaņu nosaka to f_p attiecības, kuras sauc par muzikālo intervālu. Perfektu saskaņu dod f_p attiecība 2:1 – šis intervāls ir oktāva, kuru apzīmē ar [oct]. Visizplatītākā ir temperētā toņkārta, kurā 1 oct ir precīzi sadalīta 12 vienādos intervālos jeb veselos pustoņos - ½ tonis = 1/12 _oct = 2^(1/12).
Muzikālo toņu apzīmēšanai saīsinātajā (zinātniskajā) pierakstā klavieru baltos taustiņus (jeb do mažora diatonisko 7 toņu gammu) apzīmē ar burtiem (sākot ar la kā A līdz G) un atbilstošās oct kārtas skaitli. Melnos taustiņus dažādās tonalitātēs apzīmē ar diēza − # (augstāks par ½ toni) vai bemola − i (zemāks par ½ toni) zīmēm.

Vairāku toņu subjektīvu saskaņu – konsonansi, kā arī pretējo - disonansi pēta un apraksta muzikālā harmonija. Jau senākajos laikos zināja, ka labāko konsonansi veido intervāli: 12 pustoņi - oct (2:1), 7 pustoņi - kvinta (3:2) un 5 pustoņi - kvarta (4:3). Tas izskaidrojams ar to, ka šādi intervāli jau dabiski ir starp pamattoņa harmoniskajiem virstoņiem – tā kvarta ir 4 un 3 kārtas, bet lielā terca ir 5 un 4 kārtas virstoņu intervāls utt. Ja veidotu toņkārtu, kura dod precīzas virstoņu kārtas skaitļu attiecības (dabiskā toņkārta), tad nesaglabājas precīzi 1 oct intervāli visā toņkārtas intervālā, kas ir varāk kā 7 oct vai 2^7 = 128. Temperētā toņkārta savukārt saglabā precīzus oct sadalījumus, bet līdz ar to citi mazākie intervāli ļoti nedaudz atšķiras no precīzajiem.