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.
Lidské ucho vnímá zvukové vlny v rozsahu frekvencí 16-20 000 Hz a nejcitlivější je pro tóny v oblasti okolo 1000-3000 Hz (mluvené slovo). Je schopné rozlišit přibližně 400 000 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 - 65 000 Hz, pes 15 Hz - 50 000 Hz (ultrazvukové píšťalky) a mol dokáže vnímat vlnění o frekvenci až 150 000 Hz. Jiná zvířata, např. netopýr, využívají ultrazvuk k orientaci.
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.
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] 340 1 500 1 400 1 700 3 200 5 000 5 200
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.
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.
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).
Člověk vnímá sluchem zvukové vlnění o frekvenci přibližně od 16 Hz do 16 000 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.
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,...).
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.
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
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
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] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130
http://kdf.mff.cuni.cz/veletrh/sbornik/veletr h_07/07_05_holubova.html http://www.edumediasciences.com/en/a425-hearing
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
P u Z
Pohybuje-li se však zdroj od pozorovatele, tak se vlny mezi nimi zřeďují, což se projeví snížením frekvence. f 1 f 0 u v
Z P u Doppler 1 Doppler 2 Doppler 3
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
hypersonický třesk
hypersonický třesk video Video 1 Video 2 Video 3