referát do fyziky na téma: Petr Neugebauer 6. B/8, 06/2007

Transkript

1 referát do fyziky na téma: VUK Petr Neugebauer 6. B/8, 06/

2 Definice zvuk je formou energie, která vzniká kmitáním těles zvuk je každé podélné (v pevných látkách i příčné) mechanické vlnění v látkovém prostředí, které je schopno vyvolat sluchový vjem pro člověka je zvuk slyšitelný v rozsahu 20 Hz až 20 khz zvuk s frekvencí nižší než 20 Hz (který slyší např. sloni) nazýváme infrazvuk zvuk s frekvencí vyšší než 20 khz (např. delfínovití vnímájí zvuk až do frekvencí okolo 150 khz) nazýváme ultrazvuk obor zabývající se ději a procesy, které jsou spojeny se vznikem zvukového vlnění, jeho šířením a vnímáním zvuku sluchem je akustika odraz od překážky vzdálené alespoň 17 m je ozvěna

3 Vznik zvuku Zvuk vzniká vibracemi, v bicích nástrojích, kmitá kůže nebo tenká vrstva kovu a při úderu tak vzniká zvuk v houslích a podobných strunných nástrojích zvuk vzniká udržováním kmitů strun smyčcem tělo nástorje působí jako rezonátor, chvěje se se stejnou frekvencí, jako je základní tón vytvořený strunou, a tak jej zesiluje výška (frekvence) zvuku kmitající struny závisí na tloušťce, délce a mechanickém napětí Vysoké tóny u smyčcových nástorjů se hrají na tenčích a napjatějších strunách K dosažení ještě vyšších tónů stlačuje kytarista nebo houslista struny na hmatníku, a tak je zkracuje. Změna tónu s napětím je jasně patrná, když hráč strunný nástroj ladí tak, že zvyšuje nebo snižuje napětí strun. Zvuk z dechového nástroje pochází od kmitajícího sloupce vzduchu. Vyšší tóny vznikají silnějším fouknutím.

4 Šíření kmity vytvářejí v molekulách vzduchu vlny střídavě vysokého tlaku (zhuštění) a nízkého tlaku (zředění) akustické vlny se šíří od zdroje všemi směry zdroj zvukového vlnění se stručně nazývá zdroj zvuku je jím chvějící se těleso těleso kmitajá vlastními kmity, nebo nuceně (reproduktory) hmotné prostředí, ve kterém se toto vlnění šíří, jeho vodič zvuk se šíří pouze v hmotném prostředí v každém prostředí jinak rychle - čím je prostředí hustší, tím se šíří rychleji záleží i na tělesu (hlavně tvar) vakuem se zvuk nepřenáší vesmír

5 Šíření /2 Když zvukové vlny narazí na přepážku, odrazí se. Ve velmi velké místnosti či sále, např. v katedrále, se zvuk odráží od stěn a stropu. Důsledkem toho je dozvuk, kdy posluchač slyší tentýž zvuk v několika lehce oddělených okamžicích v závislosti na tom, jak daleko se zvuk při odrazech šířil. Koncertní sály jsou stavěné speciálně s použitím povrchů, které zvuk absorbují, aby tak dozvuk minimalizovaly a každý z posluchačů slyšel zvuk v témže okamžiku. Pokud je odrážející povrch velký a vzdálenější než zhruba 30 m od zdroje zvuku, odraz je vnímán jako ozvěna. U malé překážky nebo na okraji budovy se akustické vlny pouze ohnou a tento proces se nazývá difrakce. Tento jev vysvětluje, jak se zvuk může šířit i za rohy. S měr šíření akustických vln se také mění, když přechází z jednoho prostředí do jiného s rozdílnou hustotou. Tento jev je známý jako refrakce nebo lom.

6 Druhy pravidelným kmitáním vzniká hudební zvuk zvaný tón tóny vznikají při pravidelném, v čase periodicky probíhajícím pohybem kmitání, při jejich poslechu vzniká v uchu vjem zvuku určité výšky nehudební jsou hluky jako hluky označujeme nepravidelné vlnění, vznikající jako složité nepravidelné kmitání těles, nebo krátké nepravidelné rozruchy (srážka dvou těles, výstřel, přeskočení elektrické jiskry apod.). I hluky jsou využívány v hudbě, neboť k nim patří i zvuky mnoha hudebních nástrojů, především bicích.

7 Hodnoty Každý zvuk, hudební i nehudební, se vyznačuje svojí fyzikální intenzitou (rovnocenná veličina nazývaná hladina intenzity zvuku měřená v db), a fyziologickou hladinou své hlasitosti. Intenzita není totéž co hlasitost, protože ta závisí také na frekvenci zvuku. Hlasitost udává množství akustické energie, která prochází danou oblastí za 1 sekundu. Měří se v decibelech.

8 Tón výška ta je dána především frekvencí kmity za sekundu (Hz) vyšší tón -> vyšší kmitočet délka jak dlouho tón zní, síla ta je dána amplitudou, její nejvyšší výchylkou barva poměrné zastoupení tónů o různých frekvencích (výškách). Závisí na hudebním nástroji, který tón vydává. Frekvence tónů Jednotlivé různé tóny se liší frekvencí. Lidské ucho ale obvykle nevnímá rozdíl frekvencí, ale rozlišuje je na základě jejich podílu. Tón s dvojnásobnou frekvencí zní pro lidské ucho o jednu oktávu výše. Každý tón by mohl být popsán svou frekvencí (vyjádřenou např. v hertzech), v praxi bylo takové označení ale bylo velmi nepohodlné. Frekvence se proto uvádí jen pro základní tón, kterým je tzv. komorní a, které má frekvenci 440 Hz. V hudbě se následně jednotlivé tóny označují písmeny.

9 Tón /2 Základní tóny Existuje sedm základních tónů: c, d, e, f, g, a, h. Nejmenší běžně v evropské hudbě používanou vzdáleností mezi dvěma tóny je půltón. Šramoty, hluky hluky nemají pravidelný frekvenční průběh v evropské hudbě zastoupeny výrazně méně než tón jejich význam vrostl s rozvojem industriálních a postindustriálních hudebních směrů

10 Frekvenční rozsah Lidské vnímání většina lidí vnímá od 20 Hz ke 20 khz s rostoucím věkem horní hranice výrazně klesá. nejvýznamnější rozsah je 2 4 khz pro srozumitelnost řeči - na něj lidské ucho nejcitlivější nejvyšší informační hodnota řeči je přenášena v pásmu 0,5 2 khz. Dynamický rozsah Dynamický rozsah lidského ucha (rozdíl mezi nejhlasitějším a nejtišším vnímatelným zvukem) je uprostřed slyšitelného frekvenčního pásma asi 120 db. Na okrajích pásma je mnohem menší. Rozlišování frekvence Schopnost rozlišit frekvence tónů se u každého člověka liší a je frekvenčně závislá. Uprostřed slyšitelného frekvenčního pásma za ideálních podmínek lze rozlišit změnu frekvence o několik centů. Na okrajích pásma je rozlišovací schopnost výrazně nižší.

11 Rychlost zvuku U pevných látek záleží měření na tom, jestli se měří podélné kmity v kompaktní hmotě, nebo příčné kmity na tyči. V kompaktní hmotě je rychlost vyšší. V ideálním plynu pro rychlost zvuku platí vzorec, kde p0 je tlak plynu při teplotě 0 C, ρ0 příslušná hustota a γ součinitel teplotní rozpínavosti plynu.

12 Rázová vlna rychlost pohybu tělesa překročí rychlost zvuku (zvláštního případu Dopplerova jevu) např. u letadel nebo střel, které se pohybují nadzvukovou rychlostí. V letectví se při popisu rychlosti používá jednotka Machovo číslo, která nese jméno podle fyzika Ernsta Macha ( ). Udává poměr rychlosti letu k rychlosti zvuku. Blíží-li se rychlost proudění tekutiny při obtékání rychlosti šíření zvuku v daném prostředí, začíná se tekutina stlačovat, hromadí se před tělesem a její hustota se značně zvětšuje. Odpor prostředí za této situace prudce roste, neboť lokální zhuštění tekutiny před tělesem se nestačí přenést do okolí. Před tělesem se tak vytváří tzv. tlaková (zvuková) bariéra, tlačená tělesem dopředu. Při překonávání tlakové bariéry dochází k vyrovnání velmi rozdílných tlaků před a za tělesem, provázenému zvukovými efekty značné intenzity z místa tohoto neobyčejně intenzivního rozruchu se šíří tzv. rázová vlna, která tvoří obal vlnoploch na obrázku.

13 Rázová vlna /2 při překonávání tlakové bariéry je těleso vystaveno extrémnímu silovému a působení teplota roste přibližně se čtvercem rychlosti. Při podzvukových rychlostech může být pouhých 60 C, ale při nadzvukových rychlostech může být 240 C, při trojnásobné rychlosti zvuku až 820 C. Při rychlostech nad 10 km/s už se každé těleso vypaří (meteor) Když rázová vlna dosáhne k zemskému povrchu - rána podobající se výstřelu tento zvuk označujeme jako akustický (sonický) třesk jeho vznik je jedním z důvodů, proč se letadla mohou pohybovat nadzvukovou rychlostí jen ve velkých výškách. Při konstrukci tělesa pro nadzvukovou rychlostí je třeba dbát na tvar protože: zaoblený tvar tělesa snižuje turbulenci, která vzniká odporem vzduchu. Je vhodný pro tělesa pohybující se podzvukovou rychlostí, protože rázová vlna má také zaoblený tvar a je podstatně dál o špičky tělesa. špičatý tvar tělesa zvyšuje turbulenci. Naopak rázová vlna se dotýká špičky a působí proto menším odporem při jejím překonání. Je vhodný pro tělesa pohybující se nadzvukovou rychlostí.

14 Sonický třesk /technicky Při tomto není důležitá rychlost stroje, ale je velmi důležitá hodnota lokální rychlosti na povrchu stroje. Při tomto dochází k tzv. třesení, tj. k sérii lokálních expanzí při lokálním dosažení rychlosti zvuku s příslušnými projevy do konstrukce draku letadla. Dále dochází k ovlivnění, někdy velmi výraznému, obtékání stroje. Toto ovlivnění může vést až ke ztrátě ovladatelnosti stroje (zejména příčného řízení letadla, neboli výškovky), jak nejlépe dokumentují konce některých pokusů o překročení rychlosti zvuku v poválečném období. Z tohoto důvodu se používá u těchto strojů tzv. plovoucí výškovka, případně zvláštní postupy pro překonání této oblasti letové obálky (střemhlavý let, přídavné spalování, ).

15 Stíhačka FA-18 Hornet při překročení zvukové bariéry

16 Machovo číslo nebo častěji Ma, je bezrozměrná fyzikální veličina udávající poměr rychlosti pohybu tělesa určitým prostředím k rychlosti šíření zvuku v témže prostředí (např. v letectví je to poměr rychlosti letu k rychlosti zvuku) název nese po významném fyzikovi 19. století Ernstu Machovi. kde v je rychlost pohybu tělesa, c je rychlost zvuku v daném prostředí. Rychlosti Ma menší než 1 jsou podzvukové, je-li Ma větší než 1, jedná se o rychlosti nadzvukové. Machovo číslo patří k tzv. podobnostním číslům v aerodynamice. Používá se v oblasti vyšších až vysokých rychlostí, kde se projevuje vliv stlačitelnosti vzduchu. Vzhledem k faktu, že rychlost zvuku je funkcí hustoty vzduchu, která se mění s výškou letu je konkrétní hodnota rychlosti zvuku proměnná a platná jen a pouze pro konkrétní stav atmosféry a danou výšku letu Pro ilustraci - u zemského povrchu odpovídá Ma = 1 rychlosti asi 1225 km h 1, ve stratosféře pak rychlosti 1060 km h 1.

17 Označení vysokých rychlostí Rychlé lety se rozdělují do pěti kategorií: podzvukový, subsonický: Ma < 1 sonický: Ma = 1 transonický: 0,8 < Ma < 1,3 nadzvukový, supersonický: 1,2 < Ma < 5 hypersonický: Ma > 5 Pro porovnání: první kosmická rychlost u Země činí asi 7,9 km/s = 22,82 Ma ve vzduchu u mořské hladiny.

18 Sluchátka s aktivním potlačením hluku problém s poslechem rušení hlukem Některá sluchátka se snaží předejít ucpáním zvukovodu nebo silným přítlakem na boltec a uzavřenou konstrukcí účinnější řešení - elektronické potlačení hluku. Jak to funguje? Zvuku jako vzduchové vlnění přenášené zvukovodem a snímané ušním bubínkem. Vlnění (nebo chvění) je přitom jak hudba, kterou kmitáním membrány produkují sluchátka, tak okolní hluk. Do uší tak najednou přicházejí dvě nezávislá vlnění. Sluchátka s elektronickým potlačením hluku mají mikrofon, kterým okolní zvuk snímají. Tento elektrický signál pak v opačné fázi (protifázi) přimíchávají do hudebního signálu, jenž rozechvívá membrány. Membrána tedy kmitá přesně proti vzduchovému vlnění hluku, čímž se tyto vlny vzájemně eliminují. Do ucha tedy chvění hluku nedojde. To je však teorie, v praxi nedojde k absolutní eliminaci hluku, ale k jeho významnému potlačení. Oproti mechanické zvukové izolaci má ta elektronická i jednu zásadní výhodu. Nepotlačuje varovné signály, například klakson auta či sirénu hasičů nebo záchranky. (

19 Děkuji za pozornost VUK Zdroje: Wikipedia ireferaty.zpravy.cz Rozum do kapsy mfweb.wz.cz