24.9.2013
Akustika
nauka o zvuku,
jeho vzniku, šíření a vnímání
• Kolik poznatků vnímáte pomocí sluchu?
• Jak vnímají lidé neslyšící nebo se zbytky
sluchu? (Vyzkoušejte si to)
• Vadí vám velký hluk? Dokážete se při něm
soustředit? (Myslíte?)
• zdrojem zvuku je chvění pružných těles, to
se přenáší do okolního prostředí a vzbuzuje
v něm zvukové vlnění. (hlasivky, ladička,
struna, ….)
• zvuk se ze zdroje šíří pouze pružným
látkovým prostředím libovolného
skupenství jako postupné podélné vlnění
(vzduchem, vodou, kovy, …. ,)
• v pevných látkách může vznikat vlnění
příčné, které má jinou rychlost
• nešíří se vakuem a zvukovými izolanty jako
např. molitan)
• Star wars je sice kultovní ... ale fyzika zde
neplatí !
Charakteristika tónů
• výška tónu
• barva tónu
• hlasitost, intenzita zvuku
Co je to zvuk?
• zvuk je každé mechanické vlnění v látkovém
prostředí, které je schopno v lidském uchu
vyvolat sluchový vjem
Vysílač
(Zdroj)
prostředí
přijímač
Rozdělení zvuků
• hudební (tóny) - mají
harmonický průběh, v
řeči jsou to např.
samohlásky (viz obr.)
• nehudební (hluky) mají průběh
neperiodický – např.
souhlásky, rány, vrzání,
praskot …
Výška tónu
• je dána přímo úměrně frekvencí vlnění
– čím větší frekvence, tím vyšší tón
– čím menší frekvence, tím je tón nižší
• tónový generátor, ke stažení zde
• člověk slyší frekvence v rozsahu 16 Hz až 16 kHz
• zvuk s frekvencí vyšší než 16 kHz se nazývá
ultrazvuk
• zvuk s frekvencí nižší než 16 Hz je infrazvuk
• Hmyzí bzučení
1
24.9.2013
hudební teorie
• struna na kytaře, na které vzniká stojaté
vlnění, hraje tón o určité frekvenci
• stojatá vlna má na délce struny polovinu
vlnové délky
l
1
2
f1 

v
2 f1
• jestliže zahrajeme tón, kdy strunu zmáčkneme
v polovině, pak jeho frekvence bude oproti
původnímu tónu dvojnásobná
l 2
v


2 2 2 f2
f2 
v
 2 f1
l
v
2l
• dvojnásobná frekvence určuje hudební
interval zvaný oktáva (interval označuje
vzdálenost dvou tónů) – takové tóny se pak
označují stejným písmenem – např. c1, c2
• je-li poměr frekvencí přibližně 4 : 3, hovoříme
o kvartě (interval hasičského signálu „Hoří“)
• poměr 3 : 2 označujeme jako kvinta
• tóny o stejné frekvenci, znějící tzv. unisono,
jsou v intervalu prima
• podobně se chová vzduchový sloupec
dechového nástroje
• celkově platí – čím delší (a tlustší struna a
méně napnutá), tím nižší tón (porovnání
kontrabasu a houslí)
• čím delší vzduchový sloupec dechového
nástroje, tím nižší tón (porovnání délky píšťal u
varhan)
pikola – délka 32 cm
tuba – celková délka 3,5 metru
2
24.9.2013
ke studiu
• najděte na internetu a popište barvy šumu
• http://www.quido.cz/fyzika/112fyzika.htm
• http://fyzika.jreichl.com/index.php?sekce=bro
wse page%152
• Jak se orientují netopýři pomocí ultrazvuku?
• Popište detailněji sonar
Hlasitost zvuku
• veličina, která je určena
velikostí akustického
tlaku, kterým zvukové
vlnění působí na ušní
bubínek
• měříme ji v decibelech
(podle amerického fyzika
A. G. Bella)
• Každý člověk vnímá intenzitu zvuku a hlasitost
rozdílně.
• Pobyt v hlučném prostředí má ale špatný vliv
na zdraví člověka, na jeho pracovní výkon a
pozornost.
• Člověk není schopný se na nadměrný hluk
adaptovat. Proto jsou v pracovním prostředí
přijímána opatření k ochraně osob před
nadměrným hlukem (hygiena práce)
Barva tónu
• zvuky se i při stejné výšce tónu mohou lišit
jiným zabarvením, liší se potom jejich
charakteristiky v grafu
• sluchem podle barvy zvuku rozeznáváme hlasy
lidí, různé hudební nástroje, apod.
• barva zvuku
Zvuk
intenzita
Práh slyšitelnosti
Šum listí
Tikot hodin
Tlumený hovor
Hlasitý hovor
Hluk z frekventované ulice
0 dB
20 dB
30 dB
50 dB
60 dB
70 dB
Hluk motorových vozidel
100 dB
Maximální hluk motorky
110 dB
Startující letadlo
ve vzdálenosti 1 m
Práh bolesti
130 dB
120 dB
Ochrana před hlukem v pracovním
prostředí
•
•
•
•
•
•
odstranění zdrojů hluku nebo snížení hluku
náhrada hlučného zařízení méně hlučným
uzavření zdroje hluku vhodným krytem
oddělení pracovníků od zdroje zvuku
používání vhodných ochranných pomůcek
zkrácení doby pobytu v hlučném prostředí
3
24.9.2013
Obrázky protihlukových stěn, izolací , ….
Negativní vlivy na zdraví člověka
• časté návštěvy diskoték a hlasitých hudebních
produkcí
• hlučné činnosti v malém prostoru (odrazem
zvuku se zvyšuje jeho hladina)
• hlučné činnosti jako vrtání, broušení,… (hlavně
v noční dobu)
Ultrazvuk
• mech. vlnění s frekvencí > 16 kHz (nad
subjektivní hranicí slyšení)
• sluchem jej nevnímáme
• zdroje – elektronické generátory
• lékařská diagnostika (nahrazuje škodlivé
rentgenové záření) – odraz vlnění od orgánů v
těle
• ultrazvuková defektoskopie – zjišťování vad v
materiálu
• vytváření suspenze (rozptyl drobných částic v
kapalině) a emulze (kapalina v kapalině)
• čištění jemných součástek
• ultrazvuk v přírodě používají netopýři, kytovci
• na cvičení psů se používá ultrazvuková píšťalka
• echolokace – zjišťování vzdáleností pomocí
sonaru
• ultrazvuk v technice
Infrazvuk
Rychlost zvuku
• mechanické vlnění s frekvencí < 16 Hz
• člověku může způsobit nevolnost, závratě, příp.
infarkt (rezonuje s frekvencí tlukotu srdce)
• zdroj – zvukové dělo (sestřelování letadel),
větrné elektrárny, sopečná činnost
• velryby, sloni, hroši, nosorožci, okapi a aligátoři
používají infrazvuk k dorozumívání
• infrazvuk se šíří ve vodě, předpovídá příchod
vlnobití (pociťují ryby, medúzy)
• zvuk se šíří v různých prostředích různou
rychlostí
• rychlost zvuku ve vzduchu počítáme dle vztahu
v = (331,6 + 0,6.{t}) m/s, kde {t} je číselná
hodnota teploty ve °C
• určete rychlost zvuku ve vzduchu při teplotách
0°C, 15°C, 25°C
• v kapalinách a pevných látkách je rychlost
zvuku větší než ve vzduchu (viz tabulka )
4
24.9.2013
Některé přibližné hodnoty rychlosti zvuku:
látka
rychlost (m/s)
rtuť
1 400
voda
1 500
beton
1 700
led
3 200
ocel
5 000
sklo
5 200
Dozvuk
• dozvuk je parametr, udávající čas, za který se
stane zvuk neslyšitelným
• akustické sály je třeba navrhovat tak, aby
dozvuk byl co nejmenší a omezil se tak rušivý
vliv na koncertech
• Dopplerův jev se
netýká pouze zvuku,
ale také
elektromagnetického
vlnění, tedy světla
• v astronomii bylo
pomocí Dopplerova
jevu prokázáno
rozpínání vesmíru
(vzdalování galaxií)
• aplet Doplerův jev
Ozvěna
• akustický jev, který vzniká odrazem zvuku od
rozlehlé překážky
• aby došlo ke správnému rozlišení, musí být
překážka vzdálena od zdroje nejméně 17 m
(přicházející zvuky se musí lišit alespoň o 0,1 s
– vzdálenost odvoďte)
• http://cs.wikipedia.org/wiki/Ozvěna
• http://www.quido.cz/fyzika/112fyzika.htm
Dopplerův jev
• popisuje změnu frekvence přijímaného zvuku
způsobené vzájemným pohybem vysílače a
přijímače
• pozorovatel slyší vyšší tón, když se zdroj zvuku a
přijímač přibližují a nižší, pokud se vzdalují
• např. zvuk přijíždějící sanity, zvuk motoru auta,
zvuk blikačů na přejezdu, který posloucháme z
vlaku
• Dopplerův jev vědecky
• aplet Dopplerův jev
• formule
• a jejich piloti
Sluchové ústrojí
• ucho (auris)
má tři části
1) zevní ucho
2) střední ucho
3) vnitřní ucho
5
24.9.2013
Zevní ucho se skládá z
boltce, zevního zvukovodu,
který slouží k zachycování a
vedení zvuků a je uzavřen
bubínkem, což je tenká
pružná membrána,
která se rozkmitá
přicházejícími zvukovými
vlnami
Střední ucho je dutina ve spánkové kosti a
je spojeno Eustachovou trubicí s nosohltanem.
Jsou zde 3 kůstky: kladívko, kovadlinka a
třmínek. Zde dochází k rezonančnímu zesílení
zvuku.
• vnitřní ucho je uloženo v dutinách skalní kosti
• označuje se jako kostěný labyrint. Skládá se ze
tří polokruhovitých kanálků, z předsíně a
hlemýždě
• hlemýžď je blanitá, vazivová, slepě končící
trubička tvořící 2,5 závitu a obsahující vlastní
sluchové ústrojí.
• čidla v uchu vnímají i polohu a pohyb objektů
• jak se slyšíme
6
Download

Akustika nauka o zvuku, jeho vzniku, šíření a vnímání