Mechanické kmitání a vlnění Akustika

Zvuk Je podélné mechanické vlnění o frekvenci z rozsahu <16;20 000> Hz Proces přenosu zvukové informace Zdroj zvuku Podélné vlnění se šíří prostředím Přijímač zvuku se rozkmitá a zaznamená tak doražené vlnění

Dělení zvuků Mající periodický průběh – tóny (např. samohlásky, zvuky hudebních nástrojů) Jednoduché tóny mají harmonický průběh (ladička) Složené tóny mají složitý periodický průběh Jsou složeny z jednoho jednoduchého tónu a mnoha dalších tzv. vyšších harmonických tónů Je možno je rozložit pomocí tzv. Fourierovy transformace na jednotlivé tóny tvořící složený tón Mající neperiodický průběh – hluky Souhlásky, bouchnutí, drcení, krčení papíru Šum – vzniká nahodilými změnami tlaku v prostředí (milióny listů v lese dohromady vytvoří šum)

Vlastnosti zvuku Amplituda – čím vyšší, tím hlasitější Frekvence – čím vyšší, tím vyšší tón Fáze – nijak se neprojevuj Časový průběh – barva tónu, rozliším jednotlivé hudební nástroje od sebe, ikdyž vyluzují tón o stejné frekvenci, liší se časovým průběhem (ten je ovlivněn rozdílnýma vyššíma harmonickýma)

Ladění U hudebních nástrojů se ladí výška tónu měněním frekvence Vždy se vezme nějaký referenční tón (komorní a1 má 440 Hz, v orchestrech často 442 Hz) a vůči němu se ostatní tóny ladí podle frekvencí Existují dva typy ladění hudebních nástrojů Tradiční přirozené Modernější (od dob baroka) temperované

Přirozené ladění Oktáva 2:1 a2:a1 880Hz : 440Hz Oktáva 2:1 c2:c1 524Hz : 262Hz Kvinta 3:2 g1:c1 396Hz : 262Hz Kvarta 4:3 f1:c1 352Hz : 262Hz

Temperované ladění Interval oktávy je možno rozdělit rovnoměrně na 12 úseků (půltónů), každý následující půltón má 12 2 větší frekvenci než předchozí

Rozdílné frekvence ladění přirozené a1 440Hz c1 264Hz c2 528Hz Temperované a1 440Hz c1 262Hz c2 524Hz

Hlasitost zvuku Dána amplitudou, ale také je možné se porovnávat hlasitost podle množství energie přenášené vlněním Zdroj zvuku má vlastnost výkon P [W], od něj se do prostoru v kulových vlnoplochách tento výkon šíří Přijímač mající nějakou plochu proto měří intenzitu zvuku I = P/S [W/m2] Intenzita tedy klesá s kvadrátem vzdálenosti

Weberův-Fechnerův zákon Míra fyziologického vjemu je úměrná logaritmu míry jeho fyzikální příčiny Vnímání osvětlení, zvuku… Kvůli obrovské citlivosti ucha místo intenzity zavádíme logaritmus této veličiny Problém s citlivostí ucha – nejcitlivější v rozsahu 700-6000 Hz, budeme proto porovnávat pro jednu frekvenci (referenční kmitočet 1kHz)

Hladina intenzity zvuku 𝐿=10𝑙𝑜𝑔 𝐼 𝐼 0 Jednotkou je decibel = dB I0 je intenzita prahu slyšení http://www.kytara.net/hrajeme/slys-a-poslouchej

Hluk škodí 120-130 dB tzv. práh bolesti Pří více než 150 dB se poškodí sluch (u letadla) Pokud dlouhodobě více jak 90 dB, taky se poškozuje sluch (dlouhodobé poslouchání se sluchátky)

Hladina intenzity

Příklady I Urči hladinu intenzity zvuku prahu bolesti Urči hladinu intenzity zvuku o intenzitě I = 10-6 W/m2 (normální hovor) Urči intenzitu zvuku 70 dB Reprodukční soustava má akustický výkon 12 W. Urči hladinu intenzity zvuku ve vzdálenosti 2 m. Předpokládej, že zvuk se šíří rovnoměrně do celého prostoru Hluk auta ve vzdálenosti 5 m je 80 dB. Ve vzdálenosti 40m je kolik?

Příklady II Octavia před tlumením 70dB, po tlumení 60dB, jaký je rozdíl ve výkonu? Auto 5 m od vás má L = 75 dB. Pokud kolem vás zaparkuje stejně 8 aut, jakou hladinu intenzity zvuku budete vnímat? Je tišší mít vedle sebe dva větráky o 35 dB nebo jeden o 41 dB?

Je možné vytvořit ticho? K vnějšímu hluku sluchátka pouštějí stejný hluk pouze s opačnou fází, výsledkem je po interferenci ticho (cena ca 5000Kč) https://technet.idnes.cz/sluchatka-sony-mdr-1rnc-07u-/tec_audio.aspx?c=A130329_115520_tec_audio_nyv

Rychlost zvuku Ve vzduchu 333 m/s, vodě 1500 m/s, oceli 5000 m/s Za 0,1 s rozlišíme od sebe dva zvuky, to stihneme vyslovit tak 1 slabiku, za tuto dobu urazí ve vzduchu zvuk přes 33 m Pokud je vzdálenost od překážky více než 17 m, slyším ozvěnu (17m tam a 17 zpět) Pokud je méně, vzniká pouze dozvuk

Příklady na rychlost S dozvukem je třeba počítat při projektování velkých místností. Ruší-li, řeší se to pohlcovači zvuku (závěsy…). Kopec 110 m daleko. Jaký je rozdíl v čase mezi tonem vysloveným a odraženým pro mluvícího? Hrom jsem uslyšeli 16,5 s po spatření blesku. Jak byl blesk daleko? https://www.vascak.cz/data/android/physicsatschool/templateimg.php?s=kv_rychlost_zvuku&l=cz

Ultrazvuk vyšší frekvence než 20000 Hz (spočítej λ) menší ohyb, výraznější odraz menší pohlcování v kapalinách a pevných látkách příroda: pes slyší do 100 kHz ⇒ ultrazvukové píšťalky netopýr vydává ultrazvukové signály a podle jejich odrazů se orientuje ve tmě (echolokace) delfín komunikuje ultrazvukem

Využití ultrazvuku Echolokace – sonar (armáda, rybáři…) ultrazvukové vyšetření (zachycování odrazů ultrazvuku od vnitřních orgánů, plodu) -neinvazivní metoda ultrazvuková defektoskopie: sledování odrazů od skrytých vad čištění součástek (optika - brýle, jemné mechanismy,..) dokonalejší rozptylování pevných látek v kapalinách vypuzování plynů z kapalin a pevných látek

Sonar Sonar vysílá vlny a přijímá odražené, z odražené vlny je schopen identifikovat překážku Využívají vojenské lodě a ponorky k detekci nepřítele Rybáři k hledání ryb

Infrazvuk Podélné vlnění s f < 16 Hz (spočítej λ) Hlas moře – vnímaný rybami a medúzami, předpovídá vlnobití Některé frekvence Škodlivé pro člověka

Otázky proč netopýři používají k echolokaci ultrazvuk a ne zvuk nižších frekvencí Může mít skutečnost, že člověk vnímá zvuk pouze v omezeném frekvenčním rozsahu i výhody

Pohybující se zdroj zvuku Co se děje, když se zdroj zvuku pohybuje? Záleží na rychlosti zdroje zvuku. vzdroj<vzvuk pozoruje se tzv. Dopplerův jev

Pohybující se zdroj zvuku vzdroj<vzvuk Všimli jste si už tohoto https://www.youtube.com/watch?v=MIXaoQGlkU4 ? Tomuto jevu, kdy se mění frekvence zvuku v důsledku pohybu zdroje vůči pozorovateli se říká Dopplerův jev Přibližující má f>fskutečná Oddalující má f<fskutečná

Dopplerův jev - přibližování K přibližujícímu se posluchači vlnoplochy dorážejí častěji (vyšší f) 𝑓 𝑝 =𝑓 𝑣 𝑣− 𝑣 𝑧

Dopplerův jev - oddalování K oddalujícímu se posluchači vlnoplochy dorážejí řídčeji (nižší f) 𝑓 𝑝 =𝑓 𝑣 𝑣+ 𝑣 𝑧

Využití Dopl. jevu u elektromagnetických vln Měření radarem rychlosti aut – odražená vlna od jedoucího automibilu má pozměněnou frekvenci, dopočítáme z rozdílu frekvencí rychlost automobilu Meření rychlosti vesmírných objektů – rudý posuv galaxií https://www.vascak.cz/data/android/physicsatschool/templateflash.php?s=kv_doppler&l=cz

Nadzvuková rychlost zdroje Jestliže se zdroj (letadlo) zvuku pohybuje právě rychlostí zvuku (1M), je to pro něj nebezpečné, protože se stále dotýká již dříve vyslaných vlnoploch. Nahromaděná energie by mohla způsobit jeho destrukci, musí tedy rychle překročit rychlost zvuku Jak se projeví nadzvuková rychlost v okolí? https://www.vascak.cz/data/android/physicsatschool/templateimg.php?s=kv_razova_vlna&l=cz

Rázová vlna Při nadzvukové rychlosti obalová plocha vlnoploch vytváří kužel, na jehož plášti dochází k prudkému stlačení vzduchu – rázové vlně Letadla se kvůli třesku musí pohybovat ve velkých výškách Při šlehnutí bičem, výstřelu ze zbraně… taky slyšíme třesk rázové vlny

Rázová vlna https://www.youtube.com/watch?v=x6DUbxCpszU

Využití rázové vlny Ultrazvuková rázová vlna (donese do určitého místa v těle tlakový náraz) se využívá v medicíně k léčbě kostí, kloubů, svalů… http://www.ortopedieteplice.cz/wave.html