Text Úloha Prolblém Aplikace Domů
Text

Akustika je významný fyzikální obor zabývající se zejména vznikem zvuku, jeho šířením různými prostředími, vnímáním zvuku lidským sluchem a aplikacemi pro různé obory lidské činnosti.

Akustika obsahuje mnoho podoborů a hraničních oborů. Fyzikální akustika studuje zejména přírodovědně způsob vzniku a šíření zvuku, zabývá se rovněž jeho odrazem a pohlcováním v různých materiálech. Další podobory jsou zaměřeny převážně aplikačně. Stavební akustika zkoumá podmínky akustiky obytných prostor a hudebních sálů, rovněž pak možnosti eliminace nežádoucího šíření hluku mezi obytnými místnostmi uvnitř staveb, anebo naopak možnosti zamezení nežádoucího šíření hluku z vnějšího prostoru do obytných budov. Velmi propracovaná je hudební akustika, která už od dob starověku zkoumá zpěv jako zvuk, generování různých zvuků hudebními nástroji a podmínky rezonance dutin nebo prostor. Přímo vznikem zvuku v hlasivkách člověka, vnímání zvuku lidským uchem a vlivem nadměrného hluku na zdraví člověka se zabývá specificky fyziologická akustika jako součást mediciny. Elektroakustikazkoumá fyzikálně záznam zvuku, reprodukci zvuku a šíření zvuku s využitím elektrického proudu.

Zvuk je definován jako mechanické vlnění podélné, které se šíří v látkovém prostředí (zejména ve vzduchu) a vyvolává vjem v lidském uchu. Frekvence vlnění, kterou je člověk schopen vnímat, je individuální, ale statisticky vzato se pohybuje od 16 Hz do 20 kHz. Nižší frekvenci má lidské srdce (neslyšíme tak v podmínkách vnějšího akustického šumu tlukot vlastního srdce), vyšší frekvenci vnímají některá zvířata, nikoliv však lidé. Zvukové vlnění mimo daný frekvenční rozsah se označuje jako infrazvuk a ultrazvuk. Přesná hranice mezi slyšitelným zvukem a infrazvukem neexistuje, ale udává se horní mezi 16 až 20 Hz, zatímco dolní mez se blíží nule (je mezi 0,001 a 0,2 Hz). Ultrazvuk je zvuk s frekvencí vyšší než 16 až 20 kHz. Pro člověka má význam zejména v lékařství, protože umožňuje nedestruktivní vyšetření (ultrazvukové vlny procházejí tělem a odrážejí se (vnitřní orgány mají odpor, tzv. akustickou impedanci), přičemž odražené vlny lze poté převést ve formě jasově modulovaného obrazu na monitor a tak čitelně zviditelnit pro pozorování lékaře.

Základní akustické veličiny pro objektivní zkoumání zvuku jsou: výška (frekvence), barva (složení) a hlasitost (intenzita) zvuku. Například ladička (lépe ve spojení se zesilující rezonanční skříňkou) vydává harmonický tón, který můžeme zviditelnit na obrazovce osciloskopu jako periodický a harmonický průběh v časovém rozvinutí, zatímco zvuk vydávající periodicky bušící kladivo nebo lidské hlasivky (na obr. jsou zviditelněny samohlásky a, e, i, o) mají průběh rovněž periodický, ale neharmonický.

Výška tónu je určena jeho frekvencí a má význam zejména v hudební akustice.Základní tón v hudbě je konvenčně stanoven 440 Hz, základní tón v technice je 1000 Hz.

Barva tónu umožňuje subjektivně rozlišit dva složené tóny stejné výšky (stejné základní frekvence),které vydávají různé zdroje zvuku (např. různé hudební nástroje).Fyzikálním důvodem odlišné barvy tónů téže základní frekvence je přítomnost vyšších harmonických frekvencí, tj. tón je složený, není jednoduchý.

Hlasitost zvuku je subjektivní hodnocení zvukového vjemu v důsledkuperiodických změn tlaku vzduchu při šíření zvuku. Je omezen prahem slyšitelnosti (při p0 = 10-5 Pa) a prahem bolestivosti (při p = 100 Pa). Protože jde o velmi široký interval, vyjadřujeme poměr obou talků zvuku jako hladinu akustického tlaku Lp a měříme ji pomocí logaritmické stupnice (konvenčně jde o logaritmus při základu 10)

Například mikrofony při měřeních zvuku samozřejmě reagují na tlak zvuku ve vzduchu, ale ve zlomku jsou zavedeny druhé mocniny tlaku, protože je to technicky výhodnější, operujeme tedy s výkonem a výkon vzrůstá právě se čtvercem tlaku. Jednotkou hladiny hlasitosti je fón. Citlivost ucha všaknení tak jednoduchá fyziologická veličina, není jednoparametrickou závislostí, závisí nejen na tlaku, ale i na frekvenci zvuku. Nejvyšší citlivost jestatisticky stanovena asi 700 až 6000 Hz, ale je silně individuální zejména s ohledem na různé vrozené dispozice člověka nebo jeho získané poškození sluchu.

Intenzita hlasitosti je objektivní hodnocení výkonu zvukového vlnění naplochu, kterou zvuk prochází. Celkový rozsah intenzit zvuků, které uchem vnímáme je I0 = 10-12 až I = 10 W·m-2. Protože jde o velmi široký interval, vyjadřujeme poměr obou intenzit zvuku jako hladinu intenzity zvuku a měříme ji pomocí logaritmické stupnice v belech. Jako jednotka měření hladiny intenzity se však nejčastěji užívá dekadický díl belu, a to decibel (běžně v rozmezí 0 až 120 dB):

Tikot hodin lze měřit asi 35 dB, šepot z 10 cm asi 50 dB, brnkání kytary ze 40 cm asi 70 dB, provoz na ulici asi 80 dB, výkřik až 96 dB. Práh bolestivosti může být vnímán při překročení hranice 100 dB, například vzletu tryskového letadla odpovídá asi 116 dB a výstřelu z děla asi 120 dB, výbuch dělostřeleckého granátu asi 132 dB způsobí v bezprostřední blízkosti trvalé ohluchnutí člověka. Vliv na měření intenzity hlasitosti má tedy rovněž vzdálenost od zdroje zvuku, intenzita hlasitosti zvuku klesá se čtvercemtéto vzdálenosti.          

Úloha

Verbální zadání:

Vypočtěte rychlost zvuku ve vzduchu při teplotě 0°C; 15°C. Určete rovněž, při jaké teplotě je rychlost zvuku ve vzduchu 351,32 m·s-1.

Matematizované zadání:

t1 = 0°C ; t2 = 15°C ; v3 = 351,32 m·s-1

v1 = ? ; v2 = ?; t3 = ?

Fyzikální vztahy jako návod pro řešení:

v = 331,8 + 0,61·t

… rychlost zvuku ve vzduchu je závislá pouze na teplotě prostředí

Obecný a konkrétní výsledek:

v1 = 331,8 + 0,61.0 = 331,8 m·s-1

v2 = 331,8 + 0,61·15 = 340 m·s-1

Odpověď:

Empiricky a laboratorními měřeními lze zjistit, že závislost rychlosti šíření zvuku na teplotě vzduchu je lineární, a to i pro relativně vyšší teploty.

V různých prostředích je pak rychlost zvuku různá (hodnoty lze nalézt v MFCh tabulkách, případně měřit různými laboratorními metodami).

Látka

Rychlost zvuku (m·s-1)

voda (25°)

1500

rtuť

1400

beton

1700

led

3200

ocel

5000

sklo

5200

Problém

Verbální zadání:

Popište akustické pole jako pole vzájemných závislostí akustických veličin.

Návod řešení:

Závěr:

Akustický signál se šíří od zdrojů ve formě vlnoploch, které jsou závislé na rozměrech zdroje, tj. zvuk se akustickým polem šíří podle tzv. Huygensova principu.

Aplikace

Infrazvuk citlivě vnímají a současně generují při svém dorozumívání sloni, hroši, nosorožci, velryby a aligátoři. Ultrazvuk patří do vjemového světa psů, netopýrů a delfínů. Důvod širšího akustického spektra souvisí s evolučním vývojem organismů a jejich adaptací na podmínky životního prostředí. S rostoucí frekvencí zvukového vlnění klesá vlnová délka. Aby se vlnění odrazilo od předmětu, musí být délka vlny menší než předmět, od kterého se vlna odráží. Tedy čím vyšší frekvenci ultrazvuku živočich užívá, tím jemnější nerovnosti prostředí je schopen rozlišit. U ultrazvuku je naopak výhodou přesná echolokace na relativně velké vzdálenosti.

Vysvětlete význam tzv. sekundárních zdrojů zvuku (nejde přímo o generátory zvuku, ale např. o akustické prostory, přirozené dutiny nebo uměle vytvořené ozvučné komory např. hudebních nástrojů – Helmholtzovy kulové nebo Koenigovy válcové rezonátory), které primárně generovaný zvuk zesilují.