Akustika – maturitní otázka

 

Otázka: Akustika

Předmět: Fyzika

Přidal(a): Michaela H

 

 

Akustika je obor zabývající se fyzikálními ději, které jsou spojeny se vznikem zvukového vlnění, jeho šířením a vnímáním zvuku sluchem.

Zvukem nazýváme každé mechanické vlnění v látkovém prostředí, které je schopno vyvolat v lidském uchu sluchový vjem.

 

Obory akustiky

• Fyzikální akustika – studuje způsob vzniku a šíření zvuku. Dále se zabývá jeho odrazem a pohlcováním v různých materiálech.
• Hudební akustika – zkoumá zvuky a jejich kombinace se zřetelem na potřeby hudby.
• Fyziologická akustika – se zabývá vznikem zvuku v hlasovém orgánu člověka a jeho vnímáním v uchu.
• Stavební akustika – zkoumá dobré a nerušené podmínky poslouchatelnosti hudby a řeči v obytných místnostech a sálech.
• Elektroakustika – se zabývá záznamem, reprodukcí a šířením zvuku s využitím elektrického proudu.

 

Zdroje zvuku

• Jako zvuk označujeme mechanické vlnění, které vnímáme sluchem
• Zdrojem je chvění pružných těles, to se přenáší do okolního prostředí a vzbuzuje v něm zvukové vlnění
• Frekvence slyšitelného zvuku leží přibližně v intervalu 16 Hz až 16 kHz
  • f < 16 Hz – infrazvuk
  • f > 16 kHz – ultrazvuk
• Periodické zvuky se nazývají hudební zvuky nebo tóny, jestliže má zvuk harmonický průběh, je to jednoduchý tón
• Periodické zvuky složitějšího průběhu označujeme jako složené tóny
• Mezi hudební zvuky řadíme nejen zvuky hudebních nástrojů, ale i např. samohlásky
• Zvuk samohlásek je sice periodický, ale ne harmonický
• Neperiodické zvuky vnímáme jako hluk – praskot, výbuch, bušení
• Neperiodický průběh mají i souhlásky
• Zvláštním případem je šum – vzniká nahodilými neperiodickými změnami tlaku v prostředí, kterým se šíří zvuk.
• Charakteristický je šum v lese, jeho příčinou je pohyb listů stromů a jejich tření

 

Základní pojmy akustiky

• děj přenosu informací si můžeme představit jako přenosovou soustavu:
  • zdroj zvuku
  • prostředí, kterým se zvuk šíří
  • přijímač zvuku, kterým je v nejjednodušším případě lidské ucho
• Zdroj zvukového vlnění se stručně nazývá zdroj zvuku a hmotné prostředí, v kterém se toto vlnění šíří, jeho vodič. Vodič zvuku, obyčejně vzduch, zprostředkuje spojení mezi zdrojem zvuku a jeho přijímačem (detektorem), kterým bývá v praxi ucho nebo mikrofon

 

Rychlost zvuku

• Ze zdroje se zvuk šíří jen pružným látkovým prostředím libovolného skupenství. Nejčastěji je to vzduch, v němž se zvuk šíří jako podélné postupné vlnění. Nejdůležitější charakteristikou prostředí z hlediska šíření zvuku je rychlost zvuku v daném prostředí. Rychlost zvuku ve vzduchu závisí na složení vzduchu (nečistoty, vlhkost), ale nejvíce na jeho teplotě. Ve vzduchu o teplotě t v Celsiových stupních má zvuk rychlost:
  • v_t = 331,82 + 0,61 * t [m.s^-1]

• Rychlost zvuku není ovlivněna tlakem vzduchu a je stejná pro zvuková vlnění všech frekvencí. V kapalinách a pevných látkách je rychlost zvuku větší než ve vzduchu (popř. jiných plynech).
  • vzduch (13,4°C) 340 m/s
  • voda (25°C) 1500 m/s
  • led 3200 m/s
  • sklo 5200 m/s
• Šíření zvuku je ovlivněno i překážkami, na které vlnění dopadá, projevuje se to odrazem či ohybem zvukového vlnění
• Zvláštním případem odrazu zvuku od rozlehlé překážky (skalní stěna, velká budova) je ozvěna
• Je to důsledkem vlastnosti zvuku, kdy dva po sobě jdoucí zvuky můžeme rozlišit pokud mezi nimi uběhne doba alespoň 0,1 s, což je přibližně doba, kterou potřebujeme na vyslovení jedné slabiky, zvuk za tu dobu urazí přibližně 34 m (17 m k překážce a 17 m zpět). Při vzdálenosti 17 m od překážky tedy vzniká jednoslabičná ozvěna.
• Jestliže je překážka blíže než 17 m, zvuky již neodlišíme, částečně se překrývají a odražený zvuk splývá se zvukem původním, to vnímáme jako prodloužení trvání zvuku, tzv. dozvuk.

 

Vlastnosti zvuku

• Rozhodují o kvalitě sluchového vjemu
• Základní veličiny charakterizující zvuk:
  • výška zvuku
  • barva zvuku
  • hlasitost

 

Hladina akustického tlaku

• B = 2 * log * (p/p₀)
• p je akustický tlak, který srovnáváme se základní hodnotou p₀ = 2.10^-5 Pa – nejnižší hodnota akustického tlaku působícího na ušní bubínek, při kterém je referenční tón ještě slyšitelný
• Jednotkou je bel B, v praxi se používá decibel dB (práh bolesti – 12 B)

 

Výška zvuku

• Určena jeho frekvencí
• U jednoduchých tónů s harmonickým průběhem určuje frekvence absolutní výšku tónu
• Absolutní výšku tónu lze měřit přístroji pro měření zvukových frekvencí
• Sluchem se absolutní výška tónu měřit nelze, proto se pro hodnocení zvuků používá relativní výška tónu
• Relativní výška tónu je určena podílem frekvence daného tónu ku frekvenci tzv. referenčního tónu
• V hudební akustice je jím tón f = 440 Hz (hudební označení a¹), v technické praxi se často využívá f = 1 kHz

 

Barva zvuku

• Vlastnost určená počtem vyšších harmonických tónů obsažených ve složeném tónu a také jejich amplitudami
• Vzniká superpozicí základních tónů
• Barva zvuku umožňuje sluchem rozlišit dva složené tóny stejné výšky, které vydávají např. dva stejné nástroje

 

Hlasitost zvuku

• Hlasitost zvuku je subjektivním hodnocením sluchového vjemu
• Ucho není citlivé na zvuky různých frekvencí stejně (nejcitlivější při frekvencích 700 Hz až 6 kHz)
• Jednotkou je fon, což je hlasitost, kterou člověk vnímá při poslouchání referenčního tónu 1 kHz s hladinou tlaku 40 dB.

 

Charakteristiky tónu

• absolutní výška tónu – je u jednoduchých tónů určena frekvencí f, u složených tónů frekvencí f_z základního tónu
• relativní výška – je poměr absolutní výšky daného tónu a frekvence tónu zvoleného jako základ (v hudební akustice 440 Hz – komorní A, v technické praxi 1000 Hz).
• barva tónu – je způsobena počtem, frekvencí a amplitudou vyšších harmonických tónů.

 

Infrazvuk

• Označení pro nízkofrekvenční zvuk pod hladinou vnímání lidského sluchu (<16 Hz).
• Typické zdroje v životním prostředí člověka poznamenaném technikou jsou všechny druhy strojů: auta, letadla, vlaky nebo výrobní stroje.
• V přírodě je vytvářen infrazvuk bouřkami, vodopády nebo také větrnými turbulencemi na budovách.
• Ohrožení zdraví vzniká však teprve při trvalé hladině zvukového tlaku nad 130 dB.

 

Ultrazvuk

• Jako ultrazvuk označujeme jakýkoli zvuk s frekvencí vyšší než 16 000 Hz.
• Ultrazvuk se vytváří např. pomocí křemenné destičky napojené na proměnné elektrické napětí. Destička se v rytmu napětí smršťuje a roztahuje a tak kmitá. Tento jev se nazývá piezoelektrický jev. Krystaly křemene jsou však jako zdroj ultrazvuku drahé a málo výkonné; používá se jich obvykle v laboratořích. V technické praxi se osvědčily syntetické látky, například keramický titaničitan barnatý.

Využití:

• Vzniká v elektronických generátorech
• široké využití v lékařské diagnostice, kde v některých případech nahrazuje škodlivé rentgenové záření → prohlídky těhotných žen
• defektoskopie v průmyslu – zachytí se dutina ve výrobku
• vyvolává vibrace → čištění čoček, šperků
• v přírodě – sluch a orientace delfínů a netopýrů

 

Dopplerův jev

• Při relativním pohybu zdroje zvuku nebo pozorovatele vnímá pozorovatel zvuk jiné frekvence, než je frekvence zdroje.
• Dopplerův jev popisuje změnu frekvence a vlnové délky přijímaného oproti vysílanému signálu, způsobenou nenulovou vzájemnou rychlostí vysílače a přijímače.
• Mohou nastat dva případy:
  • zdroj je v klidu, pohybuje se přijímač
  • přijímač je v klidu, pohybuje se zdroj
• Zvláštní případ nastává, když se rychlost pohybu zdroje přiblíží rychlosti zvuku nebo ji překročí, pojem zvuková vlna tedy ztrácí smysl
• Rozložení vlnoploch vytvářených zvukem letadla, které mají nadzvukovou rychlost:
• Obalová plocha těchto vlnoploch tvoří tzv. rázovou vlnu, dochází zde k prudkému stlačení vzduchu
• Dochází k tomu např. u modernějších letadel, která se dokáží pohybovat až nadzvukovou rychlostí
• Nadzvuková rychlost letadel se obvykle vyjadřuje tzv. Machovým číslem M, určuje násobek rychlosti zvuku
• Rychlost zvuku 340 m/s = 1 M
• První civilní nadzvukové dopravní letadlo Concorde dosahovalo, ve výšce 15 km, až rychlosti 2,2 M