4. Akustika. 4.1 Úvod. 4.2 Rychlost zvuku



Podobné dokumenty
Projekt: Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj Registrační číslo: CZ.1.07/1.1.08/ Vlnění

VY_32_INOVACE_FY.18 ZVUKOVÉ JEVY

Vlnění. vlnění kmitavý pohyb částic se šíří prostředím. přenos energie bez přenosu látky. druhy vlnění: 1. a. mechanické vlnění (v hmotném prostředí)

Přednáší Kontakt: Ing. Michal WEISZ,Ph. Ph.D. Experimentáln. michal.weisz.

Zvuk. 1. základní kmitání. 2. šíření zvuku

Vlnění, optika mechanické kmitání a vlnění zvukové vlnění elmag. vlny, světlo a jeho šíření zrcadla a čočky, oko druhy elmag. záření, rentgenové z.

ZVUKOVÉ JEVY. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Tercie

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ PRŮVODCE GB01-P05 MECHANICKÉ VLNĚNÍ

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

I N V E S T I C E D O R O Z V O J E V Z D Ě L Á V Á N Í. x m. Ne čas!

Druh učebního materiálu Anotace (metodický pokyn, časová náročnost, další pomůcky )

Mechanické kmitání a vlnění

DUM č. 14 v sadě. 10. Fy-1 Učební materiály do fyziky pro 2. ročník gymnázia

Izolaní materiály. Šastník Stanislav. 2. týden

Akustické vlnění. Akustická výchylka: - vychýlení objemového elementu prostředí ze střední polohy při vlnění

Šíření a vlastnosti zvuku

Měření hlasitosti zvuku. Tematický celek: Zvuk. Úkol:

1.8. Mechanické vlnění

Výukové texty. pro předmět. Měřící technika (KKS/MT) na téma

B2M31SYN SYNTÉZA AUDIO SIGNÁLŮ

Akustické vlnění

Akustika. Rychlost zvukové vlny v v prostředí s hustotou ρ a modulem objemové pružnosti K

Výukové texty pro předmět Měřící technika (KKS/MT) na téma Podklady k principu měření akustických projevů (hluk, akustický tlak, šíření v prostředí

1. KŠPA Kladno, s. r. o., Holandská 2531, Kladno, FYZIKA. Kapitola 8.: Kmitání Vlnění Akustika. Mgr. Lenka Hejduková Ph.D.

Fyzika_9_zápis_6.notebook June 08, Akustika = část fyziky, která se zabývá ZVUKEM (vznikem zvuku, vlastnostmi zv., šířením zv., lid.

Fyzikální podstata zvuku

Zvuk a jeho vlastnosti

Jestliže rozkmitáme nějakou částici pevného, kapalného anebo plynného prostředí, tak síly pružnosti přenesou tento kmitavý pohyb na částici sousední

Zvukové jevy. Abychom slyšeli jakýkoli zvuk, musí být splněny tři základní podmínky: 1. musí existovat zdroj zvuku

Fyzika II, FMMI. 1. Elektrostatické pole

Obsah. 1 Vznik a druhy vlnění. 2 Interference 3. 5 Akustika 9. 6 Dopplerův jev 12. přenosu energie

ÚLOHA 1 Ladi = 100 Hz = 340 m/s Úkoly: lnovou d él é ku k periodu T frekvenci f =? vlnovou délku =?

Problematika hluku z větrných elektráren. ČEZ Obnovitelné zdroje s.r.o.

Jednotlivé body pouze kmitají kolem rovnovážných poloh. Tato poloha zůstává stálá.

08 - Optika a Akustika

AKUSTIKA. Tón a jeho vlastnosti

ω=2π/t, ω=2πf (rad/s) y=y m sin ωt okamžitá výchylka vliv má počáteční fáze ϕ 0

Elektromagnetický oscilátor

Zvuk a jeho vlastnosti

UČIVO. Termodynamická teplota. První termodynamický zákon Přenos vnitřní energie

(test version, not revised) 16. prosince 2009

Kmitání mechanického oscilátoru Mechanické vlnění Zvukové vlnění

Vlastnosti zvuku. O dřej Pavlas, To áš Karhut

Digitální učební materiál. III/2 Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT Příjemce podpory Gymnázium, Jevíčko, A. K.

Číslo šablony III/2 Číslo materiálu VY_32_INOVACE_F.6.20 Autor Stanislav Mokrý Vytvořeno Fyzika 2. - Mechanické kmitání a vlnění

Taje lidského sluchu

Zvukové jevy ZVUKOVÉ JEVY. Kmitání a vlnění. VY_32_INOVACE_117.notebook. June 07, 2012

Mechanické kmitání. Def: Hertz je frekvence periodického jevu, jehož 1 perioda trvá 1 sekundu. Y m

DUM označení: VY_32_INOVACE_... Jméno autora výukového materiálu: Ing. Jitka Machková Škola: Základní škola a mateřská škola Josefa Kubálka Všenory

Vysoká škola technická a ekonomická v Českých Budějovicích. Institute of Technology And Business In České Budějovice

VLNOVÁ OPTIKA. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Optika - 3. ročník

4.1.5 Jedna a jedna může být nula

Měření hlasitosti zvuku. Tematický celek: Světelné a zvukové jevy. Úkol:

Interference vlnění

Otázky z optiky. Fyzika 4. ročník. Základní vlastnosti, lom, odraz, index lomu

Základní úlohy a zkušební otázky předmětu Akustika oboru Aplikovaná fyzika

Infrazvuk a ultrazvuk

Elektrický signál - základní elektrické veličiny

VÝUKOVÝ MATERIÁL Ing. Yvona Bečičková Tematická oblast. Vlnění, optika Číslo a název materiálu VY_32_INOVACE_0301_0307 Anotace

Fyzikální učebna vybavená audiovizuální technikou, interaktivní tabule, fyzikální pomůcky

Měření zvuku. Judita Hyklová. První soukromé jazykové gymnázium Hradec Králové, s r.o. Brandlova 875, Hradec Králové

4. V jednom krychlovém metru (1 m 3 ) plynu je 2, molekul. Ve dvou krychlových milimetrech (2 mm 3 ) plynu je molekul

Fyzikální vzdělávání. 1. ročník. Učební obor: Kuchař číšník Kadeřník. Implementace ICT do výuky č. CZ.1.07/1.1.02/ GG OP VK

3 Měření hlukových emisí elektrických strojů

Ultrazvuková defektoskopie. Vypracoval Jan Janský

Registrační číslo projektu: CZ.1.07/1.4.00/

Světlo je elektromagnetické vlnění, které má ve vakuu vlnové délky od 390 nm do 770 nm.

Radiologická fyzika. Zvuk a ultrazvuk

DUM č. 8 v sadě. 10. Fy-1 Učební materiály do fyziky pro 2. ročník gymnázia

Identifikace vzdělávacího materiálu VY_52_INOVACE_F.9.A.28 EU OP VK. Šíření zvuku

MECHANICKÉ KMITÁNÍ A VLNĚNÍ VLASTNÍ KMITÁNÍ MECHANICKÉHO OSCILÁTORU

10. Energie a její transformace

Vzdělávací obsah vyučovacího předmětu

25 - Základy sdělovací techniky

3.2 Rovnice postupné vlny v bodové řadě a v prostoru

Mechanické kmitání (oscilace)

Molekulová fyzika a termika:

Název a číslo materiálu VY_32_INOVACE_ICT_FYZIKA_OPTIKA

Učební texty z fyziky 2. A OPTIKA. Obor zabývající se poznatky o a zákonitostmi světelných jevů. V posledních letech rozvoj optiky vynález a využití

Ing. Barbora Hrubá, Ing. Jiří Winkler Kat. 225 Pozemní stavitelství 2014

Ultrazvukové diagnostické přístroje. X31LET Lékařskátechnika Jan Havlík Katedra teorie obvodů

Jaký obraz vytvoří rovinné zrcadlo? Zdánlivý, vzpřímený, stejně velký. Jaký obraz vytvoří vypuklé zrcadlo? Zdánlivý, vzpřímený, zmenšený

Příklady kmitavých pohybů. Mechanické kmitání (oscilace)

Fyzika - Sexta, 2. ročník

Optika pro mikroskopii materiálů I

3.2.5 Odraz, lom a ohyb vlnění

Ultrazvukové diagnostické přístroje. X31ZLE Základy lékařské elektroniky Jan Havlík Katedra teorie obvodů

Akustika. Teorie - slyšení. 5. Přednáška

Mechanika kontinua. Mechanika elastických těles Mechanika kapalin

Prováděcí plán Školní rok 2013/2014

2. Vlnění. π T. t T. x λ. Machův vlnostroj

Jak se měří rychlost toku krve v cévách?

Psychoakustika. PSY212 Psychologie zvuku

III. ZVUKOVÉ VLNĚNÍ Zdroje zvuku

TEST PRO VÝUKU č. UT 1/1 Všeobecná část QC

Geometrická optika. předmětu. Obrazový prostor prostor za optickou soustavou (většinou vpravo), v němž může ležet obraz

Enthalpie, H. Tlak je konstantní- jaké se uvolňuje teplo, koná-li se pouze objemová práce? Teplo, které se uvolňuje za konstantního tlaku.

Mapování hluku v terénu (práce v terénu)

Akustika. Autor: Mgr. Jaromír JUŘEK Kopírování a jakékoliv další využití výukového materiálu je povoleno pouze s uvedením odkazu na

Akustika. Teorie - slyšení. 5. Přednáška

Transkript:

4. Akustika 4.1 Úvod Fyzikálními ději, které probíhají při vzniku, šíření či vnímání zvuku, se zabývá akustika. Lidské ucho je schopné vnímat zvuky o frekvenčním rozsahu 16 Hz až 16 khz. Mechanické vlnění s většími frekvencemi nazýváme ultrazvuk a s menšími infrazvuk. V předchozí kapitole jsme již mluvili o příčném i podélném mechanickém vlnění. Zvuk se může šířit vždy jako podélné vlnění a v pevných látkách i jako příčné. 4.2 Rychlost zvuku Podobně jako v předchozí kapitole Mechanické vlnění, můžeme zvuk popsat pojmy bodový zdroj, vlnoplocha a paprsek. Bodovým zdrojem rozumíme zdroj zvuku o zanedbatelných rozměrech, od kterého se zvuk šíří do všech směrů rovnoměrně (má izotropní charakter). Pro vlnoplochu platí, že na ní mají všechny částice vzduchu (plynu,...) stejnou výchylku i rychlost a tedy i fázi. Paprsky jsou pak čáry kolmé na vlnoplochy a ukazují směr jejich šíření. Rychlost zvuku v pevných látkách (pro příčné vlnění) závisí na elastických vlastnostech, hustotě: kde τ je napětí a ρ je hustota. Jak ale bude rovnice 4.1 vypadat pro šíření zvuku v plynu (pouze podélné vlnění)? V pevných látkách se periodicky mění výchylka každého bodu, avšak v plynu si můžeme výchylku nahradit lokální změnou tlaku: kde V/V je relativní změna objemu způsobená změnou tlaku a K je v podstatě modul objemové pružnosti určitého plynu. Jinak řečeno, můžeme si šíření vlny představit jako periodické zhuštění a zředění plynu. Rovnice 4.1 pak může být pro plyn vyjádřena jako Záporné znaménko v rovnici vyjadřuje fakt, že zvětší-li se tlak, pak logicky musí dojít ke stlačení plynu a rozdíl objemů je záporný. Takže rozdíl tlaků má vždy opačné znaménko než rozdíl objemů, a proto samozřejmě nemůže být rychlost záporná.

Rychlost zvuku také závisí na teplotě prostředí. Například pro zvuk šířící se ve vzduchu platí. kde T C je je teplota vzduchu ve stupních Celsia. Uveďme si ještě hodnoty rychlosti zvuku (podélné vlny) pro některé látky: vodík (0 C) -1286 m.s -1, helium (0 C) -972 m.s -1, kyslík (0 C) -317 m.s -1, glycerol (25 C) -1904 m.s -1, mořská voda (25 C) -1533 m.s -1, voda (25 C) -1493 m.s -1, rtuť (25 C) -1450 m.s -1, železo - 5950 m.s -1, hliník - 6420 m.s -1, měď - 5010 m.s -1, zlato - 3240 m.s -1. 4.3 Zázněje O záznějích jsme již hovořili v předchozích kapitolách. Protože je zvuk mechanickým vlněním, platí pro zázněje stejná pravidla. 4.4 Hlasitost a frekvenční rozsah zvuku Další veličinou, kterou můžeme popisovat zvuk, je jeho intenzita I. Ta je dána jako energie vlnění za jednotku času, která projde jednotkovou plochou kolmou na směr šíření zvuku. Jinak je intenzita přímoúměrná výkonu zdroje a nepřímoúměrná ploše, která má tvar kulové plochy mající střed v místě bodového zdroje, tedy: Intenzitě zvuku odpovídá pojem hlasitost. Vlastností lidského ucha je, že zvukový vjem vzniká pouze tehdy, dosáhne-li intenzita určité hodnoty, kde se ještě navíc projevuje i závislost na frekvenci. Minimální hodnota intenzity určuje tzv. práh slyšitelnosti, který úzce souvisí s pojmem hlasitosti zvuku. Lidé jsou schopni vnímat poměrně široký rozsah intenzit (10-12 W.m -2-10 W.m -2 ). Přenáší-li zvuková vlna větší energie než 10W.m -2, pak člověk vnímá zvuk jako bolestivý pocit. Tato hodnota zase určuje tzv. práh bolestivosti. Jak vidíme, je rozsah intenzit opravdu značný proto popisujeme energetické vlastnosti zvuku pomocí logaritmické veličiny, hladiny intenzity: kde I je konkrétní hodnota intenzity vnímaného zvuku, I 0 je práh slyšitelnosti a hladinu hlasitosti udáváme v jednotkách decibel (db). Pro názornou představu o jednotce decibel uveďme několik hodnot: šepot - 10 db, klidná a tichá ulice - 30 db, průměrný hluk v bytě - 40 db, motor jedoucího automobilu - 50 db, hlasitý hovor - 70 db, hlučná ulice - 90 db, rockový koncert až 110-120 db, letadlo s proudovými motory - 130 db. Kolem 130 db se udává i práh bolesti. Obrázek 4.4.1 udává pak frekvenční rozsah zvuku a zároveň závislost hladiny intenzity na frekvenci.

Obrázek 4.4.1: Rozsah hladin intenzity a frekvenční rozsahy různých zdrojů zvuku. Bílé pole zobrazuje oblast vnímání lidského ucha. (převzato a upraveno z R. A. Serway, J. W. Jewet: Physics for Scientists and Engineers, ISBN: 0-534-40843-5) 4.5 Dopplerův jev Jistě jste si někdy všimli skutečnosti, kdy při průjezdu například houkající sanitky kolem Vás klesla frekvence houkačky. Tento jev vysvětlil v roce 1843 rakouský fyzik Christian Andreas Doppler (1803-1853). Dopplerův jev vysvětluje a popisuje změny detekovaných frekvencí vůči pohybujícímu se zdroji zvuku. Stejný jev samozřejmě nastává i případě kdy zdroj je v klidu a pohybuje se detektor či pozorovatel nebo v případě, kdy se pohybují oba, zdroj i detektor. Obrázek 4.5.1 názorně ilustruje Dopplerův jev, který můžeme vyjádřit obecnou rovnicí například pro posun frekvencí: kde f je přijatá frekvence detektorem, f je původní frekvence, c je rychlost vlnění, v D je rychlost detektoru nebo pozorovatele, v Z je rychlost zdroje, horní znaménka + v čitateli a - ve jmenovateli, vyjadřují fakt kdy se detektor nebo zdroj k sobě přibližují a dolní znaménka

vyjadřují opačnou situaci. Počet vlnoploch, které směřují k detektoru, zůstává vždy stejný a ve chvíli, kdy se zdroj začne pohybovat směrem k detektoru, vzdálenost se zmenšuje a vlnoplochy se na menší vzdálenosti od detektoru musí "nahustit". Situace je stejná, i když se pohybuje pouze detektor ke zdroji, nebo oba navzájem směrem k sobě. Naopak to musí vypadat, jestliže se zdroj nebo detektor od sebe vzdalují. Obrázek 4.5.1: Ukázka Dopplerova jevu: (a) zdroj je v klidu, (b) zdroj se pohybuje směrem k detektoru (počet vlnoploch musí zůstat stejný), (c) zdroj se pohybuje opačným směrem než vlnění. Dopplerův jev, aniž by o tom věděl, používá k echolokaci i netopýr. K Dopplerovu jevu dochází i u elektromagnetického vlnění, kde se dá využít například k měření rychlostí automobilů pomocí radaru. V astronomii je využíván k měření rychlosti vesmírných objektů nebo jím lze vysvětlit rozpínání vesmíru (červený posuv). 4.6 Ultrazvuk a jeho použití Zvuk o frekvencích větších než 20 khz není slyšitelný lidským uchem a řadíme jej do oblasti ultrazvuku. Délky ultrazvukových vln jsou poměrně malé a při průchodu vzduchem či plynem jsou daleko více absorbovány (pohlcovány), než zvuk slyšitelných frekvencí. Čím kratší je vlnová délka (vyšší frekvence), tím je větší pohltivost. V kapalinách a pevných látkách je pohltivost podstatně menší. Tabulka 4.1 uvádí tloušťky prostředí, ve kterých se zvuk dané frekvence zeslabí na poloviční hodnotu intenzity. Tabulka 4.1 Prostředí f = 100 khz f = 500 khz f = 1000 khz vzduch x = 2,6m x = 0,1m x = 0,026m voda x = 1400m x = 56m x = 14m hliník x = 58m x = 2,3m x = 0,58m

Ultrazvuk má bohaté využití v praxi. Je využíván při lokalizaci překážek a jejich vzdáleností pod vodou, při měření hloubek moří, při nedestruktivním zkoušení materiálů, při hledání dutin a kazů. V kapalinách se vlivem ultrazvuku tvoří drobné dutiny, tzv. kavitace, které mohou porušit povrch kovových předmětů ponořených do kapaliny. Ultrazvukem lze téměř dokonale rozptýlit drobné částice nějaké látky v kapalině, lze jej využít při tvorbě disperzních soustav a koloidních roztoků. Naopak můžeme ultrazvuk použít i ke srážení suspendovaných částic v plynech, nebo-li k tzv. koagulaci drobných částic. Při pájení hliníku a hliníkových slitin se ultrazvuk používá k odstranění povrchové vrstvy oxidu hliníku, která samotnému pájení zabraňuje. K vrtání skla, keramiky a tvrdých kovů se také používá ultrazvuk, kdy obráběcí nástroj se podélně rozkmitá s frekvencí kolem 25 khz, což umožní vrtat otvory libovolných tvarů. V neposlední řadě se ultrazvuk hojně používá v lékařské diagnostice. Například klasická sonografie plodu je založena na principu různé pohltivosti plodové vody a v tkáních plodu.