Zvukové vlnění

jeho zkoumáním se zabývá akustika

Zdroje zvuku

ladička

• dvě chvějící se ocelová ramena na rezonanční skříňce, jejíž rezonancí se zvuk zesílí
• ramena kmitají příčně: když ji přiblížíme ke kuličce zavěšené na vlákně, kmitá
• kmitá harmonicky s konstantní frekvencí

hudební zvuky/tóny

• periodické zvuky – zvuky hudebních nástrojů, samohlásky řeči

jednoduchý tón

• vzniká, jestliže má zvuk harmonický průběh

složené tóny

• periodické zvuky složitějšího průběhu
• např.hudební nástroje – kmitají periodicky, ale ne harmonicky

hluk

• neperiodické zvuky

Šíření zvuku. Rychlost zvuku

v_t = (331,82 + 0,61{t})m.s^-1

• zvuk se ve vzduchu šíří jako podélné postupné vlnění
• jeho přenos je možný jen v pružném látkovém prostředí, ve vakuu ne

rychlost zvuku

• závisí na prostředí, jakým se vzduch šíří
• ve vzduchu o teplotě t: v_t = (331,82 + 0,61{t})m.s^-1
• tj. pro běžné výpočty 340 m.s^-1
• v kapalinách a pevných látkách větší než v plynech

ozvěna

• odraz zvuku od rozlehlé vzdálené překážky
• sluch rozliší dva po sobě následující zvuky, mezi kterými je aspoň 0,1 s
• >> tj. cca doba na vyslovení 1 slabiky >> za tu dobu zvuk urazí 34 m (17 k překážce a 17 zpět) >> při vzdálenosti 17 m od překážky vzniká 1slabičná ozvěna, při větších vzdálenostech víceslabičná

dozvuk

• vzniká při odrazu zvuku od překážek bližších než 17 m
• odražený zvuk splývá s původním, projevuje se jako prodloužení doby trvání zvuku
• rušivý v koncertních síních – zvuk se musí nějak pohltit, aby dozvuk nevznikl

Vlastnosti zvuku

výška tónu

• je určena jeho frekvencí
• u jednoduchých tónů s harmonickým průběhem určuje frekvence absolutní výšku tónu

složené tóny

• vznikají superpozicí většího počtu harmonických kmitání o různých frekvencích
• základní tón – tón s nejnižší frekvencí; určuje absolutní výšku složeného tónu
• vyšší harmonické tóny – frekvence – násobky frekvence základního tónu
• vnímáme jako jeden tón

absolutní výška tónu

• určena základním tónem – sluchem zpravidla nepoznáme

relativní výška tónu

• určena podílem frekvence daného tónu a referenčního tónu
• referenční tón – v hudbě – komorní a₁ – 440 Hz
• referenční tón – v technice – 1kHz

hudební interval

• poměr frekvencí dvou tónů
• oktáva – 2:1, kvarta – 4:3

temperované ladění

• u klávesových nástrojů, 12 intervalů mezi oktávou vzdálených o půltón
• relativní výška = 1,06

přirozené ladění

• např. housle – hudební intervaly vyjádřeny poměrem celých čísel

barva tónu

• obsah vyšších harmonických tónů ve složeném tónu, způsobující, že ho vnímáme jako charakteristický zvuk
• podle něj poznáme nástroj

Hlasitost a intenzita zvuku

P = ΔE/ Δt    I = ΔP/ΔS    L_ω = 10 log P/ P₀

hlasitost zvuku

• subjektivní veličina, závisí na citlivosti zvuku
• ucho je nejcitlivější na zvuky mezi 700 Hz – 6 kHz

referenční kmitočet

• zaveden, aby se vyloučily vlivy různé citlivosti ucha – 1 kHz
• např. hlášení času v rádiu

akustický výkon

• zdroj zvuku vyzařuje energii zvukového vlnění, která je přenášena k přijímači zvuku (uchu)
• čím větší část energie zvukového vlnění ΔE se za dobu Δt přenese, tím je akustický výkon P větší
• P = ΔE/ Δt, [P] = W  jednotka watt

intenzita zvuku

• když se na malou plochu ΔS přenese energie odpovídající akustickému výkonu ΔP >>
• I = ΔP/ΔS, [I] = W.m^-2 jednotka watt na metr čtverečný

práh slyšení

• ucho zachytí zvuky o referenčním kmitočtu a výkonu 1 pW

práh bolesti

• ucho zachytí zvuky o referenčním kmitočtu a výkonu 1 W

hladina akustického výkonu

• poměr akustického výkonu P daného zvuku k akustickému výkonu za prahu slyšení P₀ vyjádřený v logaritmické stupnici
• L_ω = 10 log P/ P₀ [L_ω] = dB jednotka decibel
• trvalý příkon zvukové energie do ucha je škodlivý fyzicky i psychicky – hygiena pracovního prostředí, sluchátka, tlumiče výfuku aj. pomůcky

Ultrazvuk a infrazvuk

ultrazvuk

• mechanické vlnění o frekvenci vyšší než 16 kHz – vnímají psi, delfíni, netopýři
• v lékařství a technice se používají generátory
• je méně ovlivněn ohybem než zvuk, více se odráží a je méně pohlcován
• místo rentgenu: je vysílán na orgán, odráží se a je přijímán sondou, zvláštním detektorem je signál přeměněn na  elektrický – po zpracování signálu počítačem je zobrazen na monitoru
• ultrazvuková defektoskopie: zjišťují se vady materiálu na obdobném principu
• ultrazvukové vibrace: vypuzování plynů z kapalin nebo tavenin, rozptylování částeček pevné látky v kapalině (vytváření suspenze), rozptýlení kapalné látky v jiné, ve které se nerozpouští, čištění součástek – brýle, jemné mechanismy
• pes – ultrazvuková píšťalka, netopýři – vydávají ultrazvukové signály, podle jejich odrazu se orientují

infrazvuk

• mechanické vlnění o frekvenci nižší než 16 Hz – dobře se šíří ve vodě
• hlas moře – dunění s několika hodinovým předstihem předpovídající příchod vlnobití
• při frekvenci blízké frekvenci tlukotu srdce škodlivý

Dopplerův jev

f₁ = (1+ u/v) f    f₂ = (1- u/v) f <> f₁ = (1 + w/v)^-1f

• nastává při vzájemném pohybu pozorovatele a zdroje zvuku
• pozorovatel vnímá zvuk jiné frekvence, než je frekvence kmitání zdroje
• obrázky viz str. 93

případ A

• zdroj zvuku Z je v klidu a přijímač zvuku se pohybuje po vzájemné spojnici konstantní rychlostí u, která je menší než rychlost zvuku v (u < v)
• zdroj vysílá zvukové vlnění o frekvenci f = v/λ
• když se přijímač přibližuje ke zdroji rychlostí u, dospěje k němu za jednotku času větší počet vlnoploch
• >> f₁ = u+v/ λ = f (v+u)/v = (1+ u/v) f
• když se přijímač vzdaluje, zachytí méně vlnoploch za jednotku času
• >> f₂ = u-v/ λ = (v-u) f/v = (1- u/v) f

případ B

• přijímač je v klidu a zdroj se pohybuje rychlostí w (w < v) od přijímače P₁ k přijímači P₂
• zdroj zvuku se od přijímače P₁ vzdaluje, zvětšuje se vlnová délka a vzdálenost mezi vlnoplochami
• >> f₁ = v/f₁ = fv/(v + w) = (1 + w/v)^-1f kde  f₁ <  f zdroje
• v místě přijímače P₂ se vlnoplochy zhušťují
• >> f₂ = v/f₂ = fv/(v – w) = (1 – w/v)^-1f kde  f₂ >  f zdroje

rázová vlna

• když se w blíží v, nebo je i vyšší, w = v a λ₂ = 0
• pojem zvuková vlna ztrácí smysl, obalová plocha vzniklých vlnoploch z obr. str. 94 vytváří rázovou vlnu
• dochází v ní k prudkému stlačení vzduchu, je v ní soustředěna energie, když dosáhne zemského povrchu vnímáme akustický třesk, škodlivý pro životní prostředí
• za lodí – když se pohybuje rychleji než proudění vody
• elektromagnetických vln – radar – vyšle vlnění, to se po odrazu změní a skládáním přijatého a vyslaného vlnění se určuje rychlost vozu
• v astronomii – určování rychlosti vesmírných objektů na základě změn vlnových délek vyzařovaného světla

nadzvuková rychlost

• vyjadřuje se Machovým číslem: např. M = 2,1 letí rychlostí 2,1 . 340 m.s^-1