Kmity, vlny, akustika Pavel KratochvílPlzeň, 2013 - ZS Část III - Akustika.

Prezentace na téma: "Kmity, vlny, akustika Pavel KratochvílPlzeň, 2013 - ZS Část III - Akustika."— Transkript prezentace:

1 Kmity, vlny, akustika Pavel KratochvílPlzeň, 2013 - ZS Část III - Akustika

2 Zvuk – podélné mechanické vlnění mající schopné vyvolat u člověka sluchový vjem, což odpovídá frekvenci 16 Hz – 20 kHz (nižší frekvence – infrazvuk, vyšší – ultrazvuk). Může se šířit pouze v látkovém prostředí. Zdroje zvuku - ladička, kmitání struny, kmitání vzduchového sloupce v dechových nástrojích, kmitání hlasivek… (vždy platí, že kmitání zdroje se šíří ve formě vlnění) Nauka o zvuku – akustika, dále se dělí na fyzikální akustika (vznik a šíření zvuku, fyzikální nástroje) hudební akustika (principy hudebních nástrojů, ladění…) fyziologická akustika (fungování hlasivek a ucha) stavební akustika (zvuk v místnostech, dobrá „akustika“) elektroakustika (záznam a reprodukce zvuku elektronicky) psychoakustika – vliv zvuku na lidskou psychiku, libozvučnost hlasu… Zvukové vlnění

3 Ultrazvuk a infrazvuk Infrazvuk: f<16Hz Ultrazvuk: f>20kHz Ultrazvuk produkují někteří živočichové – netopýři, delfíni, můry…; pes slyší až do 100kHz Elektroakustické měniče využívající piezoelektrický a magnetostrikční jev Defektoskopie – schopnost odrazu ultrazvuku na materiálových přechodech Echolokace – měření vzdálenosti a polohy – sonar (lodě, ponorky, rybolov) Sonografie (zdravotnictví) 1 - 18MHz – odraz ultazvuku od orgánů (plodu v těle matky) Kavitace(čištění) - mechanické narušování povrchu prudkým nárazem kapaliny na předmět 20 - 40 kHz … rychlé čištění velkých nečistot 40 - 70 kHz … jemnější čištění 70 - 200 kHz … velmi jemné čištění (například optiky) Další využití – měření tloušťky materiálu, sterilizace vody, mléka a jiných roztoků, zvlhčování vzduchu, promíchání galvanické lázně či vytváření suspenze, ultrazvuková liposukce … Dorozumívání některých živočichů (sloni, hroši, velryby, aligátoři) Bouře, přechody front, zemětřesení Stavební stroje, lokomotivy Neslyšitelný, ale může působit závratě, tlak v uších, infarkt…

4 Podle průběhu výchylky zdroje zvuku na čase (ta udává i časový průběh vzniklého vlnění v daném bodě) rozlišujeme: Základní tón – harmonický (sinusový) průběh – například zvuk ladičky Složený tón – periodický, avšak neharmonický průběh, je jej možné rozložit na řadu harmonických průběhů (harmonická analýza) – například zvuk většiny hudebních nástrojů, ale i samohlásky řeči Hluk – neperiodický průběh, nelze jednoznačně určit frekvenci – různé praskání, skřípání, ale i souhlásky řeči! Tón, hluk základní tón složený tón

5 Šíření zvuku Zvuk se může šířit pouze v látkových prostředích, ve vakuu to není možné. každém látkovém prostředí se však zvuk šíří stejně, různá je jak jeho rychlost, tak i to jak moc jej dané prostředí pohlcuje. Silnější vazby mezi částicemi vedou k větší rychlosti. Nejpomaleji se tak zvuk zpravidla šíří ve vzduchu (zde však silně závisí na tlaku, čím je větší, tím je zvuk rychlejší!), další jsou zpravidla kapaliny a nejrychleji se šíří zvuk v pevných látkách Rychlost šíření zvuku závisí i na teplotě, v případě vzduchu se rychlost s nárůstem teploty o 1 stupeň Celsia zvětšuje zhruba o 0,6 m*s -1 Jak rychlost zvuku měřit? Historický způsob - současný světelný a zvukový signál → určení času, o který je zvuk pomalejší → výpočet rychlosti vztahem v = s/t, Nyní např. pomocí rezonance vzduchového sloupce určíme pro danou frekvenci f vlnovou délku λ, rychlost pak spočteme vztahem v = f* λ LátkaRychlost zvuku [m/s] Vzduch Voda Rtuť Beton Led Ocel Sklo 340 1 500 1 400 1 700 3 200 5 000 5 200 Rychlosti šíření zvuku při pokojové teplotě

6 Šíření zvuku 3 Další důležitou otázkou je to, jak se zvuk v daném prostředí pohlcuje. Obecně platí, že k pohlcování zvuku dochází hlavně u nepružných materiálů, typicky plsť, polystyren, plata od vajíček apod. Tyto materiály se používají ke snížení úrovně hluku. Bezodrazová místnost – totální pohlcení zvuku při dopadu na stěny, slouží k akustickým měřením. Dozvuková komora – opačný extrém, nedochází prakticky k žádnému pohlcení, dochází k výraznému prodloužení doby trvání tónu (k tzv. dozvuku) Bezodrazová místnost Dozvuková komora

7 Základy fyziologické akustiky http://cpe.byl.cz/clanky/fysiolog/fysiolog.htm Více na: Ušní boltec: - zachycuje zvuk a směřuje ho do zvukovodu - rozlišení směru zdroje zvuku Zvukovod: - dutinový rezonátor - zesiluje 3kHz-4kHz Bubínek: - přenos zvuku z vnějšího do středního ucha Kladívko, kovadlinka, třmínek (střední ucho): - velké kmity bubínku převádí na kmity s menšími amplitudami, ale mohutnějším silovým působením Hlemýžď (vnitřní ucho): - zužující se trubice, dlouhá 35mm, stočená do 2,5 závitů -trubice rozdělena na dvě poschodí bazilární membránou, poschodí jsou na konci propojeny - vstup do horního poschodí - blanka spojená se třmínkem - výstup ze spodního poschodí ukončen blankou - na membráně dochází k vyhodnocení kmitů http://www.techmania.cz/edutorium/art_exponaty.php?x kat=fyzika&xser=416b757374696b61h&key=674 Hlas:

8 Intenzita zvuku, hladiny intenzity Nyní se budeme zabývat tím, jak posoudit intenzitu a následně hlasitost zvuku. Zvukové vlnění je spojeno s přenosem energie, tudíž by bylo rozumné jeho intenzitu určovat na základě množství energie přenesené za jednotku času jednotkovou plochou. Zavádíme proto veličinu intenzita zvuku (značení I), pro kterou platí: kde W je energie, která prošla plochou S kolmou na směr šíření zvuku za čas t. Jednotkou intenzity zvuku je tedy W*m -2 V praxi se však raději pracuje se veličinou hladinu intenzity zvuku, jež se udává v decibelech. Platí pro ni vztah: kde I 0 = 10 -12 W/m -2, což odpovídá prahu slyšení Hladina intenzity zvuku je tedy zavedena tak, že změna intenzity o jeden řád znamená změnu hladiny intenzity od 10 decibelů!

9 Intenzita zvuku, hladiny intenzity 2 Typ zvuku Intenzita zvuku (W*m -2 ) Hladina intenzity (dB) Práh slyšení 10 -12 0 Šelest listí 10 -11 10 Šum listí 10 -10 20 Pouliční šum v tichém místě 10 -9 30 Tichý rozhovor 10 -8 40 Normální pouliční hluk 10 -7 50 Normální rozhovor 10 -6 60 Hluk na frekvent. ulicích, vysavač 10 -5 70 Hluk v tunelu, symfonický orchestr 10 -4 80 Hluk motorových vozidel 10 -3 90 Pneumatická vrtačka 10 -2 100 Hlasité stroje, rocková kapela 10 -1 110 Startující letadlo 10 0 120 Práh bolesti 10 1 130

10 Intenzita zvuku, hladiny intenzity 3 Uvedený přehled je třeba brát s velkou rezervou, vždy totiž záleží na tom, jak jsme daleko od zdroje zvuku. Pokud se zvýší naše vzdálenost od zdroje dvakrát, klesne intenzita zvuku čtyřikrát (závislost na druhé mocnině vzhledem k zachování energie přenášené vlnění!), což odpovídá poklesu zhruba o 6 dB! Obecně platí, že trvalý příkon velké zvukové energie je pro ucho škodlivý (při překročení prahu bolesti riziko prasknutí bubínku), může docházet k poruchám sluchu, ale i k ovlivnění celé nervové soustavy. Proto jsou stanoveny normy pro maximální možnou hlučnost v daném prostředí.

11 Hlasitost zvuku – závislost na frekvenci Intenzita zvuku i hladina intenzity jsou objektivní fyzikální veličiny založené na energii přenášené zvukovým vlněním. Naše ucho však již tak objektivní není, na různé frekvence je různě citlivé! Proto je potřeba zavést fyzikální veličinu, která tuto různou citlivost na různé frekvence podchytne: Hlasitost zvuku, jejíž jednotkou je 1 son (hladina intenzity je 40 dB při dané referenční frekvenci 1000 Hz). Pro jiné frekvence je třeba experimentálně určit na základě citlivosti ucha.

12 Základy hudební akustiky Tón: hudební zvuk Výška tónu: určena frekvencí (1. harmonické) Barva tónu: je dána obsahem a amplitudami vyšších harmonických Hlasitost: součet amplitud všech dílčích harmonických Časový průběh: (trvání tónu) při ubývání hlasitosti se mění barva tónu Ohmův akustický zákon: lidské ucho rozlišuje pouze amplitudy, nikoliv fázové posuvy Kombinace určitých tónů jsou konsonantní (libozvučné) – odpověď nalezl již Pythagoras – jsou to tóny o frekvencích s celočíselným poměrem: Durová stupnice: Základní tón – komorní a (a 1 ): 440Hz Zdroj:http://www.techmania.cz/edutorium/art_exponaty.php?xkat=fyzika&xser=416b757374696b61h&key=673

13 Hudební nástroje klasické Tónem nazýváme zvuk, vznikající v klasických hudebních nástrojích periodickým kmitáním: - pružných dřevěných plátků (klarinety, hoboje) - listových pružin (Harmonika) - umělých či přírodních blan (Tympány, buben) - strun (housle, klavíry, kytary, Loutny, vozembouch) - hudebníkových rtů (Horny, Trubky, pozoun). - nárazem proudu vzduchu na ostrou hranu otvoru (píšťaly u varhan). - mechanická rezonance ozvučných skříněk nástrojů - stojaté vlnění vznikající v trubicích dechových nástrojů - Helmoltzovy rezonátory. Další fyzikální děje podílející se na vzniku a trvání tónu v klasických hudebních nástrojích: (Tyto fyzikální děje zesilují některá pásma kmitočtů )

14 U houslí vzniká zvuk kmitáním struny, zvuk je periodický, ale neharmonický → lze jej rozložit na jednotlivé harmonické. Frekvence n-té harmonické je dána účinnou délkou struny l, průměrem struny D, napínací silou struny F a hustotou materiálu ρ vztahem f n = n/(l*D)*√F/(π*ρ). S rostoucí délkou struny tak klesá výška tónu, naopak s rostoucí napínací silou F výška roste (význam pro ladění houslí)! Strunné nástroje - housle

15 Housle mají 4 různě napínané struny různé tloušťky, které jsou ve své celé délce (prázdná struna) naladěny na tony g (198 Hz), d 1 (297 Hz), a 1 (440 Hz) a e 2 (660 Hz). Stisknutím struny se efektivní délka zkrátí, čímž se zvýší výška tonu. Přes kobylku je navázána těsná mechanická vazba mezi strunou a rezonanční skřínkou (tělo houslí), kde dochází k rezonanci vzduchu (zásadní význam pro kvalitu zvuku houslí) Na barvu tonu má zásadní vliv to, jakým způsobem jsou struny rozkmitávány (zda smyčcem v dané poloze či drnkáním). Speciální případ –tzv. flažolety, nedokonalé přitlačení struny k hmatníku a tím cílené utlumení některých harmonických složek Strunné nástroje - housle Průběh tonu houslí v závislosti na způsobu rozkmitání struny: a) smyčec b) brnknutí c) kladívko

16 Fyzikální princip je podobný jako u houslí, kytara má dokonce 6 strun: E (83 Hz), A (110 Hz), d (148 Hz), g (198 Hz), h (247 Hz) a e1 (330 Hz). Zmáčknutím více strun najednou se hrají akordy (souzvuk 3 a více tónů, 3 tony – kvintakord, 4 tony – septakord). Pro tvorbu akordů platí přísná pravidla (zabývá se jimi tzv. harmonie), většinou stavěny na terciovém principu (liší se o tercie, tj. frekvenční poměr mezi jednotlivými tóny je 5:4) V kytarových zpěvnících je u jednotlivých akordů vždy naznačena poloha prstů na hmatníku Speciální případ kytary – dvanáctistrunná (španělská) kytara, má zdvojené struny a bohatší zvuk, užívá se hodně v country music. Strunné nástroje - kytara

17 Zvuk u klavíru vzniká chvěním strun rozkmitaných dřevěným kladívkem. Jedna klávesa na klaviatuře odpovídá vždy jednomu tónu (bílé klávesy – celé tóny, černé klávesy – půltóny). Ladění klavíru je velmi náročné a nelze jej jednoduše upravit (souvislost s temperovaným laděním, viz dále)! Zesílení a zeslabení tónu se provádí pomocí dusítek jednotlivých strun, tato dusítka jsou ovládána pedály, na které pianista šlape (celkem 3 pedály, každý má jinou funkci) Klavír se používá často jako doprovodný nástroj při sólových vystoupeních, vyrábí se z kvalitního smrkového dřeva. Má velmi široký tónový rozsah, klasické klavíry umožňují hrát přes více než sedm oktáv (mají celkem 52 bílých a 36 černých kláves) Strunné nástroje - klavír

18 U dechových nástrojů vzniká zvuk chvěním vzduchového sloupce. Toto chvění však musí být něčím vyvoláno. Základní součástí klarinetu je hubička obsahující plátek z třtinového dřeva, který se rozkmitává dechem hudebníka. Kmitání se šíří ve formě vlnění do nástroje a vzniká chvění vzduchového sloupce. Konkrétní tóny se získávají tím, jaké klapky jsou zmáčknuty a jaké nikoliv, každému tónu odpovídá konkrétní zmáčknutí klapek. Existují různé typy klarinetů podle toho, v jaké tónině jsou naladěny (nejčastější B klarinet, ale i A klarinet, E klarinet apod.) Zajímavost – u B klarinetu dochází díky ladění k tomu, že nota c v notovém zápise se ozývá jako b. Při souhře u písničky, která nebyla napsána speciálně pro klarinet je tudíž nutný přepis do jiné tóniny. Dechové nástroje - klarinet

19 Zaměřme se nyní na případ složeného tónu. Ukazuje se, že neharmonickou funkci popisující výchylku y(t) lze matematicky (tzv. Fourierova harmonická analýza) rozložit v součet harmonických funkcí majících postupně úhlové frekvence ω (frekvence složeného tónu), 2*ω, 3*ω,…, amplitudy A 1, A 2, A 3,… a fázové posuvy φ 1, φ 2, φ 3,… Platí tedy: y(t) = A 1 *sin(ω*t+ φ 1 ) + A 2 *sin(2*ω*t+ φ 2 ) + A 3 *sin(3*ω*t+ φ 3 )+… Harmonická analýza rozklad – 3 složky rozklad – 6 složek

20 Jaký je význam jednotlivých členů rozkladu? 1. člen (tzv. první harmonická) udává výšku tónu. Amplitudy dalších členů (vyšší harmonické) poté určují barvu tónu. Právě díky jejich existenci můžeme rozlišit tóny stejné výšky zahrané na housle či kytaru. Kdyby byly všechny tóny samy o sobě harmonické stejně jako u ladičky, rozlišit by to nešlo! Barvu tonu tedy lze popsat pomocí tzv. frekvenční charakteristiky tonu – grafu určujícího amplitudy 1. a především vyšších harmonických Harmonická analýza 2 typické frekvenční spektrum - housle

21 Viděli jsme, že amplitudy vyšších harmonických určují barvu tónu. Otázka zní, zda je barva ovlivněna i fázovými posuvy těchto harmonických? Odpověď dává tzv. Ohmův akustický zákon: Barva tonu je dána pouze amplitudami, na fázových posuvech nezáleží. K její popisu tedy plně postačuje frekvenční spektrum, není potřeba určovat fázové spektrum. O platnosti Ohmova akustického zákona se můžeme přesvědčit pomocí tzv. harmonického syntezátoru (program umožňující míchat vyšší harmonické s různými amplitudami a různými fázovými posuvy) Ohmův akustický zákon

22 Ozvěna, dozvuk Šíření zvuku je ovlivněno překážkami, na které zvukové vlnění dopadá. Při odrazu od rozlehlé a dostatečně vzdálené překážky (budova, skalní stěna) může dojít ke vzniku ozvěny. Lidské ucho totiž odliší dva zvuky, mezi nimiž uplynulo alespoň 0,1 s. To je zároveň doba potřebná k vyslovení slabiky. Pokud trvá déle než 0,1 s, než se zvuk odrazí od překážky (tj. překážka je alespoň 17 metrů daleko, protože 17*2/340 = 0,1) a vrátí zpět, dochází ke vzniku jednoslabičné ozvěny. Při větších vzdálenostech mohou nastat i ozvěny víceslabičné. Při vzdálenosti menší než 17 m už původní a odražený zvuk nerozlišíme, to se projeví jako dozvuk.

23 Dopplerův jev Uvažujme situaci, kdy stojíme na místě a zdroj zvuku se pohybuje (např. sanitka jedoucí kolem nás). Ze zkušenosti víme, že výška tonu je jiná ve chvíli, kdy se sanitka blíží k nám a když od nás odjíždí. To je důsledkem tzv. Dopplerova jevu. Z matematického rozboru vyplývá, že když sanitka jede rychlostí u směrem k nám, vnímáme vyšší frekvenci f 1, pro kterou platí: V opačném případě poté frekvenci f 2 : kde f je frekvence samotné houkačky sanitky (slyšeli bychom ji tak, kdyby nedocházelo k pohybu, v je pak rychlost zvuku) V bodě A je vnímaná frekvence nižší, než má pohybující se zdroj (méně husté vlnoplochy), v bodě B je frekvence naopak vyšší (hustější vlnoplochy)

24 Dopplerův jev 2 Dopplerův jev nastává pochopitelně i v situaci, kdy je zdroj zvuku v klidu a pozorovatel se proti němu pohybuje rychlostí w. V takovém případě platí, že vnímaná vyšší frekvence f 1 je při pohybu rychlostí w směrem ke zdroji dána vztahem: při pohybu směrem od zdroje je pak vnímaná nižší frekvence f 2 kde v je rychlost zvuku a f vlastní frekvence zdroje. Do třetice, Dopplerův jev nastane i ve chvíli, kdy se pohybují zdroj i pozorovatel. Zde je však vztah pro frekvence složitější… Dopplerův jev je významný i u elektromagnetického vlnění, slouží k určení rychlosti vzdálených objektů v astronomii (tzv. rudý posuv – souvislost s rozpínáním vesmíru)

25 Rázová vlna Co se stane ve chvíli, když rychlost zdroje zvuku překoná rychlost šíření zvuku v daném prostředí? (typický příklad – nadzvukové letouny, u nichž je rychlost udána Machovým číslem – násobky rychlosti zvuku) Vznikne rázová vlna, v níž dochází k prudkému stlačení zvuku. Je v ní soustředěna značná energie → když dorazí k zemskému povrchu, nastává akustický třesk. Rázová vlna však nastane i u jiných typů vlnění, když je rychlost zdroje větší než rychlost šíření – viz. rázová vlna vznikající za lodí plující po řece apod. Formování rázové vlny