Fyzikálními ději, které jsou spojeny se vznikem zvukového vlnění, jeho šířením a vnímáním zvuku sluchem se zabývá akustika.

Transkript

1 Fyzikálními ději, které jsou spojeny se vznikem zvukového vlnění, jeho šířením a vnímáním zvuku sluchem se zabývá akustika. Zvuk je podélné mechanické vlnění, které vnímáme sluchem. Jeho frekvence je v rozmezí asi 16 Hz 16 khz. Mechanické vlnění s frekvencí f pod16 Hz INFRAZVUK s frekvencí f nad16 khz ULTRAZVUK. Periodické zvuky nazýváme hudební zvuky nebo tóny. Jednoduchý tón má harmonický průběh, složené tóny mají průběh složitější. Zdroje zvuku: tyče (triangl), struny, blány (hlasivky), sirény, desky, píšťaly Zdrojem zvuku je chvění pružných těles, které se přenáší do okolního pružného prostředí a v něm vzbuzuje zvukové vlnění.

2 Lidské ucho vnímá zvukové vlny v rozsahu frekvencí Hz a nejcitlivější je pro tóny v oblasti okolo Hz (mluvené slovo). Je schopné rozlišit přibližně rozličných druhů zvuků. U zvířat (krysa, pes) je rozsah vnímání zvukových vln posunut většinou k vyšším frekvencím. Tak například kočka vnímá zvukové vlnění o frekvenci 60 Hz Hz, pes 15 Hz Hz (ultrazvukové píšťalky) a mol dokáže vnímat vlnění o frekvenci až Hz. Jiná zvířata, např. netopýr, využívají ultrazvuk k orientaci.

3 nehudební (neperiodické) - hluk nebo šum, jsou způsobeny nepravidelnými mechanickými rozruchy a vnímáme je jako praskání, šramot, vrzání, bouchnutí apod. Také souhlásky mají nepravidelný průběh hudební (periodické) neboli tóny jsou způsobeny periodickým chvěním. Patří mezi ně nejen zvuky hudebních nástrojů, ale i samohlásek. Nejjednodušší hudební zvuk, který má sinusový průběh nazýváme jednoduchý tón. Složitější periodické tóny nazýváme složený tón.

4

5

6 Závisí na teplotě a materiálu Vzduch: v t = (331,82 + 0,61 t ) m s 1 Látka Vzduch (13,4 C) Voda (25 C) Rtuť Beton Led Ocel Sklo Rychlost zvuku [m/s]

7 1) absolutní výška tónu je u jednoduchých tónů určena frekvencí f, u složených tónů frekvencí f z základního tónu 2) relativní výška je poměr absolutní výšky daného tónu a frekvence tónu zvoleného jako srovnávacího (v hudební akustice 440 Hz komorní A, v technické praxi 1000 Hz). 3) barva tónu je způsobena počtem, frekvencí a amplitudou vyšších harmonických tónů.

8 Zvukové vlnění je popsáno svou výškou a barvou. Výška Výšku zvuku udává jeho frekvence. Čím rychleji kmitá těleso, vydávající zvuk (vyšší frekvence), tím více ze zvyšuje výška zvuku. Pokud se zvuk skládá z více zvuků (viz barva zvuku), tak se určuje frekvence základního zvuku. Výšku tónu udáváme buď absolutně (v Hertzích), nebo relativně - jako násobek základního tónu (např. v hudbě se udávají násobky korního a, což je 440 Hz). Barva V praxi se zvuk neskládá jen z jednoho tónu, ale obsahuje více tónů, výsledný zvuk je součtem všech jednotlivých tónů (nazýváme je vyšší harmonické). Proto od sebe odlišíme 2 lidi podle hlasu nebo 2 hudební nástroje, i když výška základního tónu je stejná. Pojmy výška a barva tónu lze dobře pochopit z této animace nebo z tohoto apletu.

9 Při dopadu zvuku na překážku dochází k jeho odrazu. Lidské ucho je schopné rozlišit 2 zvuky, pokud je mezi nimi interval alepoň 0,1 s, to znamená, že pokud nám do ucha dorazí oražený zvuk dříve než za 0,1 s tak jej od původního zvuku nerozeznáme (jedná se o dozvuk). Dozvuk je pro mluvícího nepříjemný a proto je snaha jej kompenzovat. Pokud je mezi původním oa odraženým zvukem více než 0,1 s, tak oba zvuky odlišíme - hovoříme o ozvěně. Při rychlosti zvuku 340 m/s musí být od nás vzdálena překážka alespoň 17 m. Pokud je vzálenost překážky celým násobkem 17 m (d=k.17), tak se jedná o víceslabičnou ozvěnu (k=3 => tříslabičná ozvěna).

10 Člověk vnímá sluchem zvukové vlnění o frekvenci přibližně od 16 Hz do Hz. Některá zvířata vnímají zvuky o nižší i vyšší frekvenci. Vlnění o nižší frekvenci než 16 Hz lidské ucho nevnímá a nazýváme ho infrazvuk. Příklady infrazvuku: zemětřesení, sesuvy půdy, rozkmitání půdy různými stroji. Např. sloni používají infrazvuk k vzájemnému dorozumívání. Mohou se tak slyšet až na vzdálenosti několika kilometrů.

11 Mechanické vlnění o frekvenci vyšší než 16 khz lidské ucho rovněž nevnímá. Nazýváme ho ultrazvuk. Ultrazvukové kmity mají velmi silný účinek na živý organismus: trhají vlákna vodních řas, drtí živočišné buňky, rozrušují krvinky; malé ryby a žáby usmrtí ultrazvuk za 1 až 2 minuty. Tělesná teplota pokusných zvířat vystavených ultrazvuku se zvyšuje, u myší například na 45 o C. Ultrazvuková pípnutí slouží netopýrům a delfínům k vyhledávání kořisti. Prozradí ji ozvěna, kterou zachytí citlivé sluchové ústrojí jakýsi zvukový radar. Ultrazvuk se využívá v lékařství (kontrola plodu při těhotenství, desinfekce, sonar,...).

12 I když mají 2 zvuky stejnou intenzitu, nemusíme je slyšet stejně hlasitě. Na obr. níže je vidět tzv. sluchové pole - oblast popisující rozsah frekvencí, ve kterých slyšíme. Lidské ucho je (samozřejmě) nejcitlivější v oblasti frekvencí lidské řeči.

13 Čím větší část energie ΔE zvukového vlnění se za dobu Δt přenese ze zdroje zvuku do uvažovaného místa, tím má zvukové vlnění větší akustický výkon P. P E P W t I P S I W. m 2

14 Hladinu akustického výkonu L w vyjadřujeme v decibelech (db). Prahu slyšení odpovídá 0 db a prahu bolesti 120 db. Několik zdrojů se stejnou intenzitou zvuku zvýší hladinu zvuku jen málo, např. dva motocykly z 90 db na 93 db a osm motocyklů na 99 db, kdežto deset na 100 db. Z tohoto důvodu se hlučné provozy soustřeďují na jedno místo. Intenzita zvuku 0 db (absolutní ticho) je téměř nedosažitelná, tichem obecně myslíme nízkou hladinu zvuku. Dlouhodobý pobyt v prostředí s hladinou zvuku nad 70 db je zdraví škodlivý, při hladině zvuku nad 80 db je již ohrožen sluch. L w 10log P P 0

15 Zvuk Zvukový práh, práh slyšení Šelest listí Šum listí Pouliční hluk v tichém předměstí Tlumený rozhovor Normální pouliční hluk Hlasitý rozhovor Hluk na silně frekventovaných ulicích Hluk v tunelech podzemních železnic Hluk motorových vozidel Maximální hluk motorky Hlasité obráběcí stroje Startující letadlo ve vzdálenosti 1 m Hluk působící bolest Hladina hlasitosti hladina intenzity zvuku [db]

16 h_07/07_05_holubova.html

17

18 Jestliže se zdroj vlnění pohybuje směrem k pozorovateli, tak pozorovatel naměří větší frekvenci (f) než kdyby byl zdroj vůči němu v klidu (f 0 ). Při pohybu zdroje Z směrem k pozorovateli P rychlostí u se totiž vlny mezi nimi zhušťují, což se projeví zvýšením frekvence. Rychlost vlnění f 1 f 0 u v

19 P u Z

20 Pohybuje-li se však zdroj od pozorovatele, tak se vlny mezi nimi zřeďují, což se projeví snížením frekvence. f 1 f 0 u v

21 Z P u Doppler 1 Doppler 2 Doppler 3

22 Pohybuje-li se zdroj větší rychlostí než je rychlost vlnění, začnou se elementární vlnoplochy (kruhové či kulové) překrývat a vytvoří se typický kuželovitý tvar (Machův kužel). u = 2.v Rázová vlna u

23

24

25

26 hypersonický třesk

27 hypersonický třesk video Video 1 Video 2 Video 3