Akustika

• Akustika je obor zabývající se fyzikálními ději, které jsou spojeny se vznikem zvukového vlnění, jeho šířením a vnímáním zvuku sluchem.
• Zvukem nazýváme každé mechanické vlnění v látkovém prostředí, které je schopno vyvolat v lidském uchu sluchový vjem.

Obory akustiky

• Fyzikální akustika - studuje způsob vzniku a šíření zvuku. Dále se zabývá jeho odrazem a pohlcováním v různých materiálech.
• Hudební akustika - zkoumá zvuky a jejich kombinace se zřetelem na potřeby hudby.
• Fyziologická akustika - se zabývá vznikem zvuku v hlasovém orgánu člověka a jeho vnímáním v uchu.
• Stavební akustika - zkoumá dobré a nerušené podmínky poslouchatelnosti hudby a řeči v obytných místnostech a sálech.
• Elektroakustika - se zabývá záznamem, reprodukcí a šířením zvuku s využitím elektrického proudu.

Zdroje zvuku

• Jako zvuk označujeme mechanické vlnění, které vnímáme sluchem
• Zdrojem je chvění pružných těles, to se přenáší do okolního prostředí a vzbuzuje v něm zvukové vlnění
• Frekvence slyšitelného zvuku leží přibližně v intervalu 16 Hz až 16 kHz
• f < 16 Hz - infrazvuk
• f > 16 kHz - ultrazvuk
• Periodické zvuky se nazývají hudební zvuky nebo tóny, jestliže má zvuk harmonický průběh, je to jednoduchý tón
• Periodické zvuky složitějšího průběhu označujeme jako složené tóny
• Mezi hudební zvuky řadíme nejen zvuky hudebních nástrojů, ale i např. samohlásky
• Zvuk samohlásek je sice periodický, ale ne harmonický
• Neperiodické zvuky vnímáme jako hluk - praskot, výbuch, bušení
• Neperiodický průběh mají i souhlásky
• Zvláštním případem je šum - vzniká nahodilými neperiodickými změnami tlaku v prostředí, kterým se šíří zvuk.
• Charakteristický je šum v lese, jeho příčinou je pohyb listů stromů a jejich tření

Základní pojmy akustiky

• děj přenosu informací si můžeme představit jako přenosovou soustavu:

1. zdroj zvuku
2. prostředí, kterým se zvuk šíří
3. přijímač zvuku, kterým je v nejjednodušším případě lidské ucho

• Zdroj zvukového vlnění se stručně nazývá zdroj zvuku a hmotné prostředí, v kterém se toto vlnění šíří, jeho vodič. Vodič zvuku, obyčejně vzduch, zprostředkuje spojení mezi zdrojem zvuku a jeho přijímačem (detektorem), kterým bývá v praxi ucho nebo mikrofon

obrázek vynechán

Rychlost zvuku

• Ze zdroje se zvuk šíří jen pružným látkovým prostředím libovolného skupenství. Nejčastěji je to vzduch, v němž se zvuk šíří jako podélné postupné vlnění. Nejdůležitější charakteristikou prostředí z hlediska šíření zvuku je rychlost zvuku v daném prostředí. Rychlost zvuku ve vzduchu závisí na složení vzduchu (nečistoty, vlhkost), ale nejvíce na jeho teplotě. Ve vzduchu o teplotě t v Celsiových stupních má zvuk rychlost:

                           	\[m\.s\-1\]obrázek vynechán

• Rychlost zvuku není ovlivněna tlakem vzduchu a je stejná pro zvuková vlnění všech frekvencí. V kapalinách a pevných látkách je rychlost zvuku větší než ve vzduchu (popř. jiných plynech).

  • vzduch (13,4°C) 340 m/s
  • voda (25°C) 1500 m/s
  • led 3200 m/s
  • sklo 5200 m/s

• Šíření zvuku je ovlivněno i překážkami, na které vlnění dopadá, projevuje se to odrazem či ohybem zvukového vlnění

• Zvláštním případem odrazu zvuku od rozlehlé překážky (skalní stěna, velká budova) je ozvěna

• Je to důsledkem vlastnosti zvuku, kdy dva po sobě jdoucí zvuky můžeme rozlišit pokud mezi nimi uběhne doba alespoň 0,1 s, což je přibližně doba, kterou potřebujeme na v__yslovení jedné slabiky__, zvuk za tu dobu urazí přibližně 34 m (17 m k překážce a 17 m zpět). Při vzdálenosti 17 m od překážky tedy vzniká jednoslabičná ozvěna.

• Jestliže je překážka blíže než 17 m, zvuky již neodlišíme, částečně se překrývají a odražený zvuk splývá se zvukem původním, to vnímáme jako prodloužení trvání zvuku, tzv. dozvuk.

Vlastnosti zvuku

• Rozhodují o kvalitě sluchového vjemu
• Základní veličiny charakterizující zvuk:
  • výška zvuku
  • barva zvuku
  • hlasitost

Hladina akustického tlaku

obrázek vynechán

• p je akustický tlak, který srovnáváme se základní hodnotou p0 = 2.10-5 Pa – nejnižší hodnota akustického tlaku působícího na ušní bubínek, při kterém je referenční tón ještě slyšitelný
• Jednotkou je bel B, v praxi se používá decibel dB (práh bolesti - 12 B)

Výška zvuku

• Určena jeho frekvencí
• U jednoduchých tónů s harmonickým průběhem určuje frekvence absolutní výšku tónu
• Absolutní výšku tónu lze měřit přístroji pro měření zvukových frekvencí
• Sluchem se absolutní výška tónu měřit nelze, proto se pro hodnocení zvuků používá relativní výška tónu
• Relativní výška tónu je určena podílem frekvence daného tónu ku frekvenci tzv. referenčního tónu
• V hudební akustice je jím tón f = 440 Hz (hudební označení a1), v technické praxi se často využívá f = 1 kHz

Barva zvuku

• Vlastnost určená počtem vyšších harmonických tónů obsažených ve složeném tónu a také jejich amplitudami
• Vzniká superpozicí základních tónů
• Barva zvuku umožňuje sluchem rozlišit dva složené tóny stejné výšky, které vydávají např. dva stejné nástroje

Hlasitost zvuku

• Hlasitost zvuku je subjektivním hodnocením sluchového vjemu
• Ucho není citlivé na zvuky různých frekvencí stejně (nejcitlivější při frekvencích 700 Hz až 6 kHz)
• Jednotkou je fon, což je hlasitost, kterou člověk vnímá při poslouchání referenčního tónu 1 kHz s hladinou tlaku 40 dB.

obrázek vynechán

Charakteristiky tónu

• absolutní výška tónu – je u jednoduchých tónů určena frekvencí f, u složených tónů frekvencí fz základního tónu
• relativní výška – je poměr absolutní výšky daného tónu a frekvence tónu zvoleného jako základ (v hudební akustice 440 Hz – komorní A, v technické praxi 1000 Hz).
• barva tónu – je způsobena počtem, frekvencí a amplitudou vyšších harmonických tónů.

Infrazvuk

• Označení pro nízkofrekvenční zvuk pod hladinou vnímání lidského sluchu (<16 Hz).
• Typické zdroje v životním prostředí člověka poznamenaném technikou jsou všechny druhy strojů: auta, letadla, vlaky nebo výrobní stroje.
• V přírodě je vytvářen infrazvuk bouřkami, vodopády nebo také větrnými turbulencemi na budovách.
• Ohrožení zdraví vzniká však teprve při trvalé hladině zvukového tlaku nad 130 dB.

Ultrazvuk

• Jako ultrazvuk označujeme jakýkoli zvuk s frekvencí vyšší než 16 000 Hz.
• Ultrazvuk se vytváří např. pomocí křemenné destičky napojené na proměnné elektrické napětí. Destička se v rytmu napětí smršťuje a roztahuje a tak kmitá. Tento jev se nazývá piezoelektrický jev. Krystaly křemene jsou však jako zdroj ultrazvuku drahé a málo výkonné; používá se jich obvykle v laboratořích. V technické praxi se osvědčily syntetické látky, například keramický titaničitan barnatý.

Využití:

• Vzniká v elektronických generátorech
• široké využití v lékařské diagnostice, kde v některých případech nahrazuje škodlivé rentgenové záření → prohlídky těhotných žen
• defektoskopie v průmyslu – zachytí se dutina ve výrobku
• vyvolává vibrace → čištění čoček, šperků
• v přírodě – sluch a orientace delfínů a netopýrů

Dopplerův jev

• Při relativním pohybu zdroje zvuku nebo pozorovatele vnímá pozorovatel zvuk jiné frekvence, než je frekvence zdroje.
• Dopplerův jev popisuje změnu frekvence a vlnové délky přijímaného oproti vysílanému signálu, způsobenou nenulovou vzájemnou rychlostí vysílače a přijímače.

obrázek vynechán

• Mohou nastat dva případy:
  • zdroj je v klidu, pohybuje se přijímač
  • přijímač je v klidu, pohybuje se zdroj
• Zvláštní případ nastává, když se rychlost pohybu zdroje přiblíží rychlosti zvuku nebo ji překročí, pojem zvuková vlna tedy ztrácí smysl
• Rozložení vlnoploch vytvářených zvukem letadla, které mají nadzvukovou rychlost:

obrázek vynechán

• Obalová plocha těchto vlnoploch tvoří tzv. rázovou vlnu, dochází zde k prudkému stlačení vzduchu
• Dochází k tomu např. u modernějších letadel, která se dokáží pohybovat až nadzvukovou rychlostí
• Nadzvuková rychlost letadel se obvykle vyjadřuje tzv. Machovým číslem M, určuje násobek rychlosti zvuku
• Rychlost zvuku 340 m/s = 1 M
• První civilní nadzvukové dopravní letadlo Concorde dosahovalo, ve výšce 15 km, až rychlosti 2,2 M