VLNĚNÍ A ZVUK

Vlnění v řadě bodů

Vlnění je velice důležitý jev v přírodě a v technické praxi. Jako vlny se šíří světlo, zvuk, tepelné záření nebo vysílání rozhlasu a televize.

Vlnění:

• je děj, při němž se kmitání šíří do okolí • částice v prostředí kmitají, ale nepřemisťují se ve směru, kterým se vlnění šíří (důkazem jsou plovoucí předměty na vodní hladině – listí, které se při vlnění pohybují pouze nahoru a dolů).

Vlnění v řadě bodů

Rychlost šíření vlnění • závisí na prostředí Fázová rychlost • rychlost jakou se šíří vrch (hřbet) nebo důl vlny Vlnová délka • charakterizuje vlnění • vzdálenost mezi dvěma sousedícími výchylkami, které odpovídají téže fázi • značí se λ (lambda) a jednotkou je metr Obr.3

Vlnění v řadě bodů

Mezi vlnovou délkou a fázovou rychlostí platí vztah:  





v f

v – fázová rychlost T – perioda Za periodu se oscilátor vrátí do téže fáze.

Obr.4

Vlnění v řadě bodů

Vlny Tsunami • mořské vlny, které jsou vyvolány při podmořských zemětřeseních a postupují obrovskými rychlostmi po mořské hladině Při hloubce moře asi pět kilometrů se bude vlna 790 km/h, tedy šířit fázovou rychlostí rychlostí tryskového letadla.

800 m.

Vlnová délka bude asi 52 Při přibližování vlny pobřeží, kde je hloubka moře menší, bude vlna pomalejší, ale bude mít větší výšku.

Obr.5

Druhy vlnění

Podélné postupné vlnění • částice kmitají ve směru vlnění • takto se šíří vlnění v pevných, kapalných a plynných tělesech (např. zvuk) Obr.6

Druhy vlnění

Příčné postupné vedení • částice kmitají kolmo ke směru šíření vlnění • lze jej pozorovat na vodní hladině, když na ní hodíme kámen, nebo u struny Obr.7

Postupné vlnění můžeme popsat rovnici pro okamžitou výchylku harmonického kmitavého pohybu.



y m



sin



Druhy vlnění

Jde o vlnění, které se šíří homogenním prostředím ze zdroje a které kmitá harmonicky. Vlnění je netlumené kmitání.

Obr.8

Skládání vlnění

Stojaté vlnění • vzniká skládáním postupných vlnění stejných parametrů (např. složením přímé a odražené vlny) • body, které kmitají s největší výchylkou, se nazývají kmitny.

• body s nulovou výchylkou se nazývají uzly • u pružných těles se toto vlnění označuje jako chvění (u hudebních nástrojů) • může být podélné i příčné • podélné vzniká u rozechvíváním vzduchových sloupců u dechových nástrojů (trubka, klarinet) • příčné vzniká u napjaté struny nebo napjatého vlákna (kytara, housle) Obr.9

Skládání vlnění

Interference vlnění • skládání dvou a nebo více vlnění • vlnění se mohou interferencí zesilovat, zeslabovat nebo zcela zrušit • vznikají interferenční maxima nebo minima Obrázek ukazuje zesílení vlnění, vymizení vlnění a vznik rytmu.

Obr.10

Šíření vln v prostoru

Šíření vln v prostoru popsal v roce 1678 holandský fyzik Ch. Huygens.

Huygensův princip říká: Každý bod vlnoplochy můžeme považovat za zdroj elementárního vlnění, které se z něj šíří v elementárních vlnoplochách.

Podle Huygensova principu lze zkonstruovat vlnoplochy v jeli určitém okamžiku, známa poloha a tvar vlnění v některém předcházejícím okamžiku.

Pomocí tohoto principu lze vysvětlit šíření vln při odrazu na překážce.

Jakmile se vlna dotkne stěny, stává se bod dotyku zdrojem elementárního vlnění. A podobně se stávají i další body zdrojem elementárního vlnění.

Výsledné odražené vlnění dostaneme jako obálku všech elementárních vlnoploch. Tak lze vysvětlit i zákon odrazu vlnění.

Christian Huygens na Wikipedii Animace vlnění - YouTube

Zvuk

Zvuk je mechanické vlnění, které vyvolává v uchu zvukový vjem. Vlastnostmi zvuku a jeho šířením se zabývá fyzikální obor akustika. Zdroje zvuku • lidský hlas • hudební nástroje • reproduktor • výfuk automobilu Zvuky dělíme na: • neperiodické – hluky (praskot, tlukot, šramot,…) • periodické – hudební zvuk nebo tón • harmonické – ladička, jednoduchý tón Obr.11

Zvuk

Zvuk charakterizujeme výškou a barvou tónu.

Výška tónu je určena frekvencí kmitání zdroje.

Čím vyšší je frekvence zvuku, tím vyšší tón slyšíme. Lidský sluch vnímá zvuk přibližně od frekvence 16Hz do 16kHz.

V hudbě se používá jako základní tón „a“ (označovaný jako komorní „a“) o absolutní výšce 440Hz. V technické praxi se používá základní tón o frekvenci 1kHz (tzv. referenční).

Obr.12

Zvuk

Barva tónu umožňuje rozeznat sluchem stejné tóny různých hudebních nástrojů (nebo hlasů). Fyzikálně je dána skutečností, že zvuky nejsou současně.

harmonické a obsahují další složky, které slyšíme

Šíření zvuku

Zvuk se šíří v pružném prostředí – ve vzduchu, vodě, pevných látkách. Ve vakuu se zvuk nešíří. Rychlost šíření zvuku závisí na teplotě. Čím vyšší je teplota, tím vyšší je rychlost šíření. Nejrychleji se zvuk šíří v pevných látkách, pomaleji pak v kapalinách a nejpomaleji ve vzduchu.

Zvuk

Příklady rychlosti zvuku v různých látkách: • rychlost zvuku v oceli – 5000 m/s • rychlost zvuku ve skle – 5200 m/s • rychlost zvuku v ledu – 3200 m/s • rychlost zvuku ve vodě o teplotě 25°C - 1500 m/s • rychlost zvuku ve vzduchu o teplotě 20°C – 343 m/s Podzvuková rychlost • rychlost nižší než rychlost zvuku (ve vzduchu) Nadzvuková rychlost • rychlost vyšší než rychlost zvuku (ve vzduchu) Rychlost zvuku na Wikipedii Rychlost zvuku na YouTube

Zvuk Odraz zvuku

Šíření zvuku záleží i na překážkách, na které zvuk dopadá. Od rozlehlých překážek se zvuk odráží a vzniká ozvěna. Člověk rozliší zvuky, pokud je mezi nimi doba alespoň 0,1s. Za tuto dobu zvuk urazí vzdálenost 34m. Při vzdálenosti zvuku od překážky 17m slyšíme jednoslabičnou ozvěnu. Pokud je vzdálenost větší,vzniká víceslabičná ozvěna.

Dozvuk je částečné splynutí zvuku původního a odraženého, slyšíme prodloužení zvuku. Setkáme se s ním v místnostech a koncertních sálech.

Zkresluje zvuky, případně hudbu. Akustické vlastnosti sálu se zlepšují závěsy nebo materiály, které pohlcují zvuk.

Zvuk Intenzita zvuku

• Je definována



P S

P – výkon zvukového vlnění S – obsah kolmé plochy • jednotkou je watt na čtvereční metr [W

m 2 ] Lidské ucho vnímá zvuky podle hlasitosti. Zvuk o dvojnásobné intenzitě je vnímán jako dvojnásobně hlasitý. Byla zavedena logaritmická stupnice hladiny intenzity zvuku a její jednotkou je bel [B] Tabulky hlasitosti Nejhlasitější kocour

Zvuk Infrazvuk

• je zvuk o menší frekvenci než 16Hz • dobře se šíří ve vodě • používají ho k dorozumívání mořští živočichové (velryby), sloni, hroši a aligátoři • člověk ho neslyší, ale může mu způsobovat závratě • při blesku vzniká infrazvuk o intenzitě 120dB • lokomotiva, která jede vyšší rychlostí než 80km/h vytváří infrazvuk o intenzitě 130dB • infrazvuk využívá zvukové dělo, které dokáže sestřelit letadlo (má ale malý dosah)

Zvuk Ultrazvuk

• je zvuk o frekvenci větší než 16kHz • vnímají ho netopýři, psi (do frekvence 100kHz) a kytovci • ve využíván v technice • v ultrazvukové defektoskopii (zjišťování mikrotrhlin v materiálech) • při čištění součástek • měření hloubky moře (sonografie) • ve využíván v lékařství (vyšetření plodu, vyšetření orgánů) Obr.13

Obr.14

Obr.15