Akustika Téma: Učivo fyziky 9. ročník Zvuk vznik a šíření zvuku Zpracoval: Mgr. Oldřich Keltner Použitá literatura : Fragment 2000 : Velká encyklopedie vědy F.Jáchym, J.Tesař: Fyzika pro 9. ročník základní školy/ SPN Praha 2005 M.Vlachová: Mechanické kmitání a vlnění / MFWEB Obrázky : http://www.google.cz/, wikipedie.cz,
Tento materiál je zpracován s ohledem na rozvoj klíčových kompetencí vedoucích k získání funkčních gramotností základního vzdělávání, technických znalostí a profesní orientace pro přírodovědné a technické obory. Autor: Mgr. Oldřich Keltner
Akustika část fyziky, která se zabývá zvukem Zdroje zvuků: - hlasy - hudba - rádio, televize Vznik zvuku Nepříjemné zvuky = hluk - hluk projíždějících aut na ulici - řev nezdárných žáků ve škole - bušení do kovových součástí - pneumatické kladivo - dělové rány, petardy, střelba - zvuky letadel Monochord
Akustika - speciální obor nauky o mechanickém vlnění - zabývá se ději, které probíhají při vzniku, šíření a vjemu zvuku - zahrnuje zdroje zvuku - prostředí, kterým se zvuk šíří - přijímače zvuku, nejčastěji lidské ucho Co je zvuk? Zvuk - mechanické vlnění, které vnímáme sluchem - jeho frekvence je v rozmezí 16Hz 16kHz Jak reaguje okolní prostředí na kmity? - kmitající předmět naráží na okolní částice, postupně je rozpohybuje, dál naráží do okolních částic, které jsou ve větší vzdálenosti prostředím se šíří zvuk Fyzikální akustika studuje vznik zvuku v různých zdrojích, jeho šíření, odraz, pohlcování Fyziologická akustika zabývá se vznikem zvuku v lidských hlasivkách, jeho vnímání v uchu Hudební akustika - zkoumá zvuky a jejich kombinaci se zřetelem na potřeby hudby Stavební akustika zkoumá podmínky dobrého a nerušeného poslechu řeči a hudby v obytných místnostech, v konferenčních nebo koncertních sálech Elektroakustika zabývá se záznamem, reprodukcí a šířením zvuku
Zdrojem zvuku může být každé chvějící se těleso, tj. těleso, ve kterém vzniklo stojaté vlnění. Mohou to být hudební nástroje, ladičky, hlasivky, ale i jiná chvějící se tělesa, např. součástky strojů, motory apod.
Hudební nástroje zdroje zvuků struny napjaté pevné vlákno, upevněné na obou koncích - rozechvívají se smyčcem ( housle, viola, violoncello, kontrabas) - drnkáním ( kytara, ukulele, banjo, loutna, harfa ) - nárazem ( piáno, klavír, pianino, cimbál ) Po rozechvění struny se z místa rozruchu šíří oběma směry postupné příčné vlnění k oběma pevným koncům struny,, kde se odráží s opačnou fází. Původní a odražené vlnění interferuje a vzniká příčné stojaté vlnění chvění. http://www.cez.cz/edee/content/microsites/laser/f8.htm tyče xylofon rozruch stojaté vlnění - chvění desky rozechvívají se smyčcem nebo nárazem Vlnění v deskách se šíří z místa vzniku různými směry, odráží se od krajů a interferencí vzniká stojaté vlnění. Chladniho obrazce. http://fyzweb.cz/materialy/videopokusy/pokusy/chladni/chladni1.avi http://fyzweb.cz/materialy/videopokusy/pokusy/chladni/chladni2.avi http://fyzweb.cz/materialy/videopokusy/pokusy/chladni/chladni6.avi
membrány upevněny na okrajích - vlastní kmity membrány jsou silně utlumené Membrány a desky se užívají k reprodukci zvuku v mikrofonech, reproduktorech, hudebních nástrojích ( buben, tympány, kotle ) Ušní bubínek blána má funkci přijímače zvuku www.vykurovadla-rymer.cz%252feshop%252fsamanske-bubny%252fbuben-stredni- 40cm%252Fdetail_266.html%3B682%3B600 píšťaly trubice - vzduchový sloupec je uváděn do podélného vlnění ( chvění) foukáním proti ostré hraně zvané ret nebo chvěním pružného jazýčku - ret nebo jazýček zdroj kmitů - vzduchový sloupec rezonátor a zesilovač zvuku hlasivky http://www.profihlas.net/technika/tech3.html
U hudebních nástrojů se jako zdroje zvuku používají struny, tyče, desky, membrány, píšťaly. http://www.stiefel-eurocart.cz/hudobna-vychova/150-hudobne-nastroje.html
Rozdělení zvuků podle povahy zvukévého vjemu: nehudební ( neperiodické ) pazvuky, hluk, šum - způsobené nepravidelnými mechanickými rozruchy - vnímáme je jako praskání, šramot, vrzání, bouchání - vyslovení souhlásek má nepravidelný průběh hudební (periodické ) tóny ( způsobené periodickým chvěním) - zvuky hudebních nástrojů - vyslovení samohlásek má pravidelný průběh Časový průběh (a) sinusového tónu (ladička), (b) komplexního tónu (flétna) a (c) hluku. Jednoduchý tón = nejjednodušší hudební zvuk, má sinusový průběh. Složený tón = složitější periodické tóny
Ladička http://fyzweb.cz/materialy/videopokusy/pokusy/ladicka/ladicka1.avi
Pokusy s ladičkou 1) Vznik zvuku pomůcky: ladička, kyvadélko s kuličkou, kladívko Postup: Ladičku rozezvučíme úderem měkkého kladívka. Potom k ladičce přiblížíme kuličku kyvadélka tak, aby se jednoho ramena ladičky právě dotýkala. Kulička od ramena ladičky odskakuje. Těleso, které vydává zvuk, se chvěje. 2) Rezonance dvou ladiček pomůcky: 2 stejné ladičky na rezonančních skříňkách, jezdec Postup: Ladičky na rezonančních skříňkách postavíme tak, aby otvory skříněk byly proti sobě. Potom jednu ladičku rozezvučíme kladívkem a po chvíli utlumíme její chvění tím, že se jejího ramene dotkneme. Potom slyšíme o něco slaběji znít druhou ladičku, která se rozkmitala rezonancí. Když po chvíli utlumíme i druhou ladičku, je možné zjistit, že se rezonací opět rozezvučela první ladička. Když rozladíme druhou ladičku (na její rameno přišroubujeme jezdec) rezonance nenastává.
Chvění tyče pomůcky: dřevěné pravítko nebo ocelový pásek Postup: Dřevěné pravítko nebo ocelový pásek přichytíme ke stolu (např. přitlačíme rukou na stůl), aby část přečnívala přes okraj stolu. Přečnívající část rozechvějeme, buď brnknutím nebo úderem měkkého kladívka. Demonstrujeme tak vznik zvuku i závislost výšky tónu na délce chvějící se tyče. Šíření zvuku ( proveď si zápis do sešitu) - v kapalinách a plynech postupné vlnění podélné - v pevných látkách postupné vlnění podélné i příčné Nutná podmínka pro šíření zvuku je pružné prostředí. V nepružném prostředí ( vlna, korek, plsť ) se zvuk šíří špatně. Tyto látky nazýváme zvukové izolátory a používáme je k protihlukové izolaci. Ve vzduchoprázdnu se zvuk nešíří. Zvukové vlnění má všechny vlastnosti vlnění zvuku v prostoru. = c. T ( - vlnová délka, c rychlost šíření zvuku, T perioda )
Vlnové délky jsou v rozmezí : od 21 m pro frekvenci 16 Hz do 21 mm pro frekvenci 16 khz Rychlost zvuku c závisí : na druhu a hustotě prostředí na teplotě na přítomnosti dalších látek v prostředí vodní pára a vlhkost vzduchu Obvyklá rychlost zvuku c = 340 m/s ( odpovídá teplotě vzduchu cca 15 o C) V kapalných a pevných látkách je rychlost zvuku větší než ve vzduchu. Prostředí Rychlost (m/s) kaučuk 40 vzduch (0 o C) 330 vzduch (30 o C) 350 korek 500 voda 1 440 1 500 beton 1 700 led 3 200 dřevo 3400-4 000 ocel 5 000 sklo 5 200 Větší rychlostí se šíří zvuk v těch látkách, jejichž částice jsou blíže u sebe.
Při dopadu zvukového vlnění na stěnu část zvukové energie proniká do druhého prostředí a jen zbytek se vrací. Intenzita odraženého vlnění je vždy menší než intenzita vlnění dopadajícího na stěnu. Absorbce ( pohlcování) zvuku při odrazu závisí: - materiálu stěny - na výšce zvukového vlnění ( pro nižší tóny je koeficient absorbce menší, pro vyšší tóny je o něco vyšší) Příklad: v lese na stromech dochází k útlumu vysokých frekvencí materiál koeficient absobce materiál koeficient absobce mramor 0,010 dřevěná podlaha 0,10 beton 0,015 linoleum 0,12 sklo 0,027 obrazy 0,28 omítnutá stěna 0,025 koberce 0,29 neomítnutá stěna 0,032 plyš 0,59 stěna obložená dřevem 0,10 celotex 0,64 Celkovou absorbci místnosti získáme tak, že velikosti jednotlivých ploch vynásobíme jejich absobčními koeficienty a získané součiny sečteme. Absorbce otevřeného okna je rovna 1 ( otevřené okno zvuk neodráží) absorbce otevřeného okna je rovna jeho ploše. Totéž platí pro dveře.
Odraz zvuku Při dopadu zvuku na rozhraní dvou prostředí ( vzduch stěna ) dochází k částečnému odrazu zvuku. Zvuk se odráží na odrazných plochách, např. na stěnách panelových domů, od skalních masivů apod. Množství odražené energie závisí na druhu obou prostředí: ( vzduch voda ) - přechází jen 0,001 energie zvuku ( voda ocel ) přechází 0,13 energie zvuku Množství odražené energie zvuku závisí na hustotě obou prostředí. Ozvěna a dozvuk http://www.army.cz/images/id_8001_9000/8753/radar/k12.htm Sluchem rozeznáme dva za sebou následující zvuky, mezi kterými uplyne aspoň 0,1 sekundy. Během této doby urazí zvuk vzdálenost 34 metrů. Abychom vnímali ozvěnu, musí být stěna nebo jiná velká překážka ve vzdálenosti aspoň 17 m od nás. V tom případě urazí zvuk celkovou dráhu právě 34 m a ucho rozezná původní a odražený zvuk. Je-li vzdálenost překážky ještě větší, je rozdíl mezi původním a odraženým zvukem ještě zřetelnější. Jestliže je vzdálenost překážky menší než 17 metrů, splývá odražený zvuk se zvukem původním a slyšíme jen nepříjemný dozvuk. Určitě jste se s ním už setkali vzniká např. při odrazu zvuku od stěn v prázdných místnostech.
Zápis do sešitu: zvuk se šíří ve vzduchu za normálního tlaku a při teplotě 20 o C rychlostí 340m/s zvuk se odráží na odrazných plochách, např. na stěnách panelových domů, od skalních masivů apod. jestliže je odrazná plocha ve vzdálenosti menší než 17 m, vnímáme dozvuk ( prodlužuje se trvání zvuku původního); v malých místnostech slouží ke zesílení sluchového vjemu, protože následuje po původním zvuku tak rychle, že s ním splývá splývá-li odražený zvuk se zvukem následujícím konce slov se prodlužují řeč se stává nesrozumitelnou ( nádražní haly ) je-li odrazná plocha ve vzdálenosti větší než 17 m, vnímáme ozvěnu ( echo) ozvěna vzniká, dostane-li se zvukové vlnění k překážce a zpět za 0,1s nebo za dobu větší čas 0,1s potřebujeme k vyslovení jedné slabiky v tomto případě vzniká ozvěna jednoslabičná; při vzdálenosti 17n vzniká ozvěna n-slabičná k dosažení příjemné akustiky místnosti je nutno omezit nežádoucí odraz zvuku na stěnách ( s dozvukem je třeba počítat při projektování konferenčních a hudebních sálů, rozhlasových studií, továrních hal apod. k dosažení dobré akustiky je nutno omezit odraz zvuku vhodná úprava stěn; stěny rozčlenit na menší plochy rozmístění nábytku, květinová výzdoba, rozmístění sošek, závěsy absorbce zvuku obklady stěn látkami pohlcujícími zvuk ( polystyren, porézní perforované panely, plata od vajec, silné koberce,korkové a dřevěné obložení stěn a podlah, gobelíny na stěnách, plyšové potahy sedadel v divadlech, různé ozdoby na stěnách, balkony v divadlech a kinech rozrušení rovných stěn )
Projektování koncerních a divadelních sálů http://www.akustika.cz/132-about-us.html
Na principu ozvěny funguje také radar jen místo odrazu zvukového vlnění se v něm využívá odraz mikrovln. http://www.photo-dictionary.com/phrase/686/radar.html Radar http://www.denizbilimi.com/akustik-olcum-cihazlari-sonar.html Sonar http://ar.wikipedia.org/wiki/%d9%85%d9%84%d9%81:c-band_radar-dish_antenna.jpg http://cs.wikipedia.org/wiki/radar Radiolokátor neboli radar (anglický akronym pro Radio Detecting And Ranging) - je elektronický přístroj určený k identifikaci, zaměření a určení vzdálenosti objektů pomocí velmi krátkých elektromagnetických vln (centimetrových a decimetrových). http://cs.wikipedia.org/wiki/sonar Sonar (z anglického SOund Navigation And Ranging - zvuková navigace a zaměřování) je zařízení na principu radaru, které místo rádiových vln používá ultrazvuk. Používá se především pod vodou (ponorkami), protože rádiové vlny mají pod vodou výrazně menší dosah než na souši a zvuk naopak větší.
Princip sonaru Tento soubor podléhá licenci Creative Commons Autor : Honza chodec Licence 2.5 Generic Velmi významné použití dostaly sonary také ve zdravotnictví jakožto jedna z neinvazivních vyšetřovacích metod. Zdravotnické sonografy slouží při vyšetřování plodů a nenarozených dětí u těhotných žen, dále též v interním lékařství. Přírodní verzí sonaru je echolokace netopýrů a kytovců.
Ozvěna dávných časů Mayská kultura http://vesmir.msu.cas.cz/pavel/mayske_schody.html#obr
Název materiálu Zvukové děje, vznik a druhy zvukprezentace učiva Autor materiálu Mgr. Oldřich Keltner, Mgr. Milan Kašpar Období vytvoření materiálu únor 2013 Ročník, věková skupina 9.ročník 14-15 let Vzdělávací oblast Člověk a příroda Vzdělávací obor Fyzika Tematický okruh Akustika Klíčová slova Akustika, zvuk, vznik a druhy zvuků, hluk, šum, tón jednoduchý, tón složený, šíření zvuku, rychlost šíření zvuku, zvukové izolanty, hudební nástroje jako zdroje tónů, absorbce zvuků, odraz zvuku, dozvuk, ozvěna, radar, sonar anotace Prezentace učiva k výkladu, opakování a prohloubení učiva Použité obrázky: www.google.cz, wikipedie.cz, Očekávaný výstup Žák pochopí a dokáže vysvětlit princip šíření zvuku. Vznik tónu v hudebních nástrojích.