Zvuk a hluk
ENV prvky vo vyučovaní Akustiky
ENV prístup vo vyučovaní akustiky; (+) - kladný, (-) - záporný
ekoprvok;
Oblasť I. - nevyhnutná pre existenciu; Oblasť II. - využitie v medicíne.
Oblasť III. - daň za pohodlie resp. “pomsta” vynálezov.
Ekologický prístup sa žiaka bytostne dotýka,
…
Zvuk a jeho vlastnosti
Zvukom nazývame každé mechanické vlnenie
(MV) v látkovom prostredí, ktoré pôsobí na ľudské ucho a vyvoláva
v ňom príslušný vnem.
f - (16 Hz do 16 kHz) ...
20 kHz. .... obor počuteľnosti.
- Infrazvuk
- MV - horná hranica je individuálna, 16 až 25 Hz. Dolná hranica sa
neudáva.
Ultrazvuk
- MV - f > 20 kHz, oblasť f siaha teoreticky až po 1014 Hz.
Oblasť frekvencií 1010 Hz až 1014 Hz sa nazýva
hyperzvuk.
Náuka o zvuku sa nazýva akustika.
Delí sa na
:
- zdroje zvuku, meraním zákl. fyzikálnych veličín charakterizujúcich
zvuk a jeho šírenie (rýchlosť, absorpciu, intenzitu, frekvenčné spektrum,
tlak, smerové diagramy zvukových zdrojov ....).
Hudobná akustika
skúma základné vlastnosti a parametre hudobných nástrojov.
Fyziologická akustika
študuje problematiku sluchového vnímania zvukov a hlasu.
Stavebná akustika sa
zaoberá šírením zvuku v budovách a jeho izoláciou.
Elektroakustika skúma záznam,
reprodukciu a šírenie zvuku, pričom využíva aj niektoré pojmy zavedené
v teórii vedenia striedavých elektrických prúdov.
Pre vznik a šírenie zvuku je potrebný:
- zdroj vlnenia (napr. chvejúce sa pružné
teleso - struna, doska, tyč, membrána alebo vzduchový stĺpec, hlasivky),
- vodič zvuku - hmotné prostredie (tuhé,
kvapalné, plynné).
- Zvuk sa vo vákuu sa nešíri.
- Prostredie ... zoslabuje vlnenie ..... pohlcovanie (absorbcia)
zvuku ....
Zvuk pohlcujú hlavne látky s malou pružnosťou.
Ex. hluché materiály - nepružné, napr. ľahčený
polystyrén, kaučuk ....
|
Látka |
v [m/s] |
Látka |
[m/s] |
|
Kaučuk
CO2
Kyslík
Vzduch 0 0C
Dusík
Vzduch 20 0C
Korok
Vodík
Voda 4 0C
Voda 20 0C
|
40
260
317
331
336
343
500
1270
1400
1400
|
Betón
Striebro
Platina
Ľad
Mosadz
Drevo bukové
Tehly
Oceľ
Hliník
Sklo
|
1700
2700
2800
3200
3400
3400
3600
5000
5100
5200 |
Tabuľka: Rýchlosť zvuku v rôznych látkach
(pri 20
0C).
- povaha stavebných častíc a väzieb medzi časticami ...
(Väzba umožňuje prenos energie z jedného oscilátora na
druhý. Tvoria ju napríklad molekulové sily.)
- priestorové vlnenie ...
Vo vzduchu a homogénnych látkach sa šíri
priamočiaro.
Odraz, lom a ohyb
sú
tri možné zmeny šírenia zvuku, ktoré možno vysvetliť pomocou Huygensovho
princípu, pričom platia tieto zákonitosti:
zákon odrazu - vlnenie sa od pevnej prekážky odráža pod takým istým uhlom, pod
akým na ňu dopadá a uhol dopadu a uhol odrazu ležia v tej istej rovine,
zákon lomu -
pri prechode vlnenia z jedného prostredia do druhého platí
kde a je uhol dopadu, b
je uhol lomu, v1
je rýchlosť šírenia
vlnenia v prvom prostredí a v2
v druhom prostredí.
..... v miestach, v ktorých sa vlnenia prekrývajú.
O výslednej amplitúde ... rozhoduje dráhový rozdiel d.
..
.. interferenčné maximum
... interferenčné minimum
Rýchlosť šírenia zvukového vlnenia
závisí od:
- materiálových konštánt, modulu elasticity a hustoty vodivej látky.
- V tekutých prostrediach (plynné a kvapalné) sa zvuk šíri
formou pozdĺžneho (longitudinálneho) vlnenia,
V tuhom prostredí ... nielen formou pozdĺžneho
vlnenia, ale aj formou priečného vlnenia
V tuhých látkach a v kvapalinách sa aj pri silnom zvuku
rozkmitanie častíc rovná približne priemeru molekúl,
kým v plynoch pri tomto zvuku molekuly kmitajú viac.
Okamžitá výchylka y
:
y = ym. sin w t
Okamžitá akustická rýchlosť:
v= ym w . cos w
t
resp.
Fázová rýchlosť:
Pre daný fyzikálny stav prostredia je konštantná.
Nezávisí od frekvencie ani od intenzity, ale sa mení so zmenou pružnosti
prostredia a so zmenou teploty:
Rýchlosť šírenia pozdĺžnych vĺn:
Rýchlosť šírenia priečnych vĺn:
r - hustota prostredia
V plynoch ... v = v( t ) .....
pri nie príliš veľkých tlakoch.
Rýchlosť zvuku vo vzduchu:
v = 331,8 + 0,6.t ... t je teplota
Dôsledok kmit. pohybu častíc
... časové a priestorové zmeny tlaku.
(môžu prebiehať ako periodický alebo tiež neperiodický
dej)
|
t [0C] |
-20 |
-10 |
0 |
20 |
30 |
40 |
50 |
100 |
200 |
400 |
|
v [m/s] |
319 |
325 |
331 |
337 |
343 |
346 |
360 |
387 |
436 |
520 |
Akustický tlak, zvukový výkon,
intenzita zvuku
-
priestor ....
- Akustický tlak (skl. vel.) - súčtom p
A
a striedavého tlaku.
- je teda spôsobený zmenou hustoty prostredia a jeho teploty
- akustický tlak platí:
Pre akustickú rýchlosť a akustický
tlak
(sín. podm.), efektívne hodnoty
Akustický
Ohmov zákon,
akustická rýchlosť ... intenzite striedavého prúdu a
akustický tlak ... napätiu
peff = r c veff
kde r je hustota prostredia a c
je fázová rýchlosť.
Súčin r
c
- akustický vlnový odpor z (akustickú
impedanciu).
- rozhoduje o veľkosti odrazu akustickej
--------------------------
- fázový posun -
udávame ho uhlom medzi p a v.
- Vo veľkých vzdialenostiach od zdroja tlak aj rýchlosť sú vo fáze
... j = 0
- V bezprostrednej blízkosti zdroja j = 900
- Pre fázový uhol j ( r ) platí:
--------------------------
- Každé zvučiace teleso vysiela
do
priestoru energiu …
- Priemerný zvukový výkon P
- ak prejde zvukové vlnenie energie E za čas t plochou S, kolmo na smer fázovej
rýchlosti
- Intenzita zvukového vlnenia
… ( W.m-2
)
- V danom prostredí je
: ( akustický
merný výkon )
-
- C
itlivosť ucha umožňuje vnímať
zvuky od intenzity:
-
- Ip=
10-12 W.m-2
do Ib= 1 W.m-2.
-
- Ip
- prahom počuteľnosti
a Ib - prahom bolesti.
- Intenzita zvuku I je objektívnou mierou sily zvuku.
Hustotu zvukovej energie w:
Pohlcovanie
zvuku
Veľkosť podielu odrazenej, pohltenej a prenesenej
zvuk. energie závisí od:
Činiteľ zvukovej pohltivosti a
,
… Ep – pohltená
plochou a Ed - dopadajúca na túto plochu.
Činiteľom zvukovej odrážavosti b
:
… kde Eo - odrazená od
určitej plochy
- Pohlcovanie zvuku
… nevratná premena zvuk. energie na inú
formu energie
( vo väčšine prípadov tepelnej ).
Spôsoby premeny zvuk. energie
v pevných látkach rozdeliť na tri druhy:
- premeny vznikajúce trením,
- premeny vznikajúce poklesom akustického tlaku (relax.),
- premeny vznikajúce nepružnou deformáciou telies.
Zvuk a človek
Degro. J.: MFI, č. 4, 5, 6, 1997.
- Zvuk prináša človeku uspokojenie …
-
- Zvuk je tiež prostriedkom dorozumievania …
-
- Zvuk ako prostriedok varovania a výstrahy …
-
- Zvuk taktiež umožňuje kvalitatívne a kvantitatívne
hodnotenie a stanovenie diagnózy Zvuky sprevádzajú fyzikálne procesy v
prírode.
-
- Zvuky sú spojené aj s činnosťou - životom zvierat.
- Prostredníctvom zvuku človek prijíma veľké množstvo
informácií o svete.
- Pred mnohými rokmi budil ráno ľudí iba … A čo
dnes?
-
- V “modernej “ spoločnosti je …
-
Hluk - nežiadúce
zvuky.
Miera nepríjemnosti * nielen
fyzikálnymi parametrami,
ale tiež subjektívnym postojom
Nikto si nevie zatvoriť uši. ….
C. Dreyfusová :”
Najväčším prepychom je ticho.”
Hlas
a reč.
Hlasivky -
najvýznamnejší zdroj zvuku z hľadiska človeka.
- Výsadou človeka je, že
vydávané zvuky skladá do slabík a do slov.
Reč je po stránke
akustickej sled zvukov rôzneho zloženia a intenzity…
Rezonancia ….. sa podieľa
na farbe hlasu je.
- závisí na veľkosti a tvare, presnejšie na obsahu
jeho dutiny a na hmotnosti vzduchu v nej uzavretom, na rozmeroch a
usporiadaní vstupného a výstupného otvoru. Artikulačnými pohybmi …
-
- Dve základné teórie
- Helmholtzova a Herrmannova (farbu
samohlások)
-
- Helmholz
(rezonančná
t.) zvuk z
hrtanu je zložený tón - obs. mnoho harmonických tónov, zložený zvuk
prech. rezonátormi …
Hermann
(pulsačnú t.) Hrtanový
hlas - radu krátkych impulzov, rezonátor odpovie krátkym tónom, tzv.
formant, lebo formuje a vytvára hlásku.
Sluchový
vnem
a ucho.
Citlivosť ľudského ucha na rôznych kmitočtoch je rôzna.
Sluch človeka je najviac citlivý v oblasti od 2
do 5. KHz
kmitočtová závislosť je výraznejšia pri nízkych hladinách
akustického tlaku a menej výrazná v oblasti vysokých hladín akustického
tlaku.
Najslabší zvuk
20 m Pa = 20x10-6 Pa. (5-milión krát
< ako pa ).
D p okolo 20 kPa
(pri f = 1000Hz) …vychýlenie bubienku asi 10-9 cm a výchylky
vláskových buniek, zmyslových buniek vo vnútornom uchu, asi 10-10
cm (citlivosť sluchu zasahuje do sveta molekúl).
Je prekvapivé … akustické tlaky
milión krát väčšími. Preto sa bežne
používa logaritmická stupnica a s ňou súvisiace decibely
[dB]
p - efektívna hodnota akustického tlaku v Pa, p0
- referenčná hodnota akustického tlaku 2.10
-5
Pa = 20m Pa.
Prah bolesti: 130.0 Pa = 130
000 000 m Pa
Prah počutia: 0.000 20 Pa =
20 m Pa ( 7 rádov ! )
Uchom nevnímame … MV od vlastných
orgánov … napr. tĺkot srdca.
Akustický signál určitej intenzity sluchový
pocit určitej hlasitosti.
Hlasitosť je intenzita subjektívne vnímaná …
Weberov-Fechnerov psychofyzikálny zákon,
podľa ktorého je zmena pocitu D a úmerná
relatívnej zmene podnetu D b/b:
k je konštanta úmernosti.
? stačí iba jedno ucho. ? Načo máme dve?
časový rozdiel - 10-5 s
!
Stavba sluchového orgánu a jeho
biofyzikálna funkcia
Z anatomického hľadiska sa ľudské ucho
skladá z troch častí:
vonkajšie,
stredné a
vnútorné ucho.
Každá z týchto častí má svoju biofyzikálnu funkciu.
Vonkajšie ucho:
Biofyzikálna funkcia: - zvukovod ako akustický rezonátor
… 3500 Hz.
Stredné ucho:
Biofyzikálna funkcia: Prevodná funkcia - do kvapalného
prostredia vnútorného ucha. Hydrodynamický prenos - vyrovnávajú rozdiely v
akustických impedanciach
Výsledok – asi 20-krát vyšší tlak na kvapalinu vnútorného
ucha …
Vnútorné
ucho:
Biofyzikálna funkcia: vlastný recepčný systém -
Cortiho orgán (súčasť slimáka).
Zvukový podnet zachytený receptormi Cortiho orgánu a
premenený na elektrický signál je z celého slimáka odvádzaný do mozgových
centier vláknami sluchovej časti statoakustického nervu.
Perilymfa a endolymfa sú
elektrolyty - majú rôzne iónové zloženie iónov - K
+
a Na+.
- Medzi endolymfou a perilymfou existuje kľudový potenciálny rozdiel
+80mV, (endokochleárny potenciál).
- Elektrickým prejavom zvukového podráždenie Cortiho orgánu je
kochleárny mikrofóny potenciál, ktorý možno snímať elektródou priamo
zo slimáka ….
Zvukové vlny … do vnútorného
ucha:
- kostičkové vedenie - hl. spôsob
vedenia u zdravého človeka.
-
- kostné vedenie – pomocou kostí,
prenos lebečnou kosťou priamo na tekutinu vnútri ucha (pri poruchách,
veľmi silné zvuky).
-
- vzduchové vedenie - pomocou vzduchu, je
to prenos zvuku na perilymfu rozkmitaním membrány uzatváracieho kruhového
okienka.
Bioakustika.
- Bioakustika vznikla v r. 1956 v
Pennsylvánii (USA) na Prvom bioakustickom kongrese ….
- Veľké bioakustické strediská sú v
USA, Rusku, Japonsku, Anglicku. Bioakustika …. eviduje zvuky - hlasy
zvierat.
-
- Zvuky sa nahrávajú pomocou magnetofónu.
-
- akustická analýza zvukov, t.j. rozklad
zvukov na zložky - “vidieť” zvuk
-
- osciloskop - intenzita (nedávajú info
o farbe hlasu),
-
- analyzátormi spektra – farba , elektr.
filtre
-
- sonograf – rozloženie vyšších tónov
mení s časom
Reč zvierat: Degro. J.: MFI,
č.4, 5, 6, 1997.
Obr.
Netopier “vidí” ušami
………. princíp echolokácie …
Hluk ako stresor
Stresor - všetky nepriaznivé faktory životného
prostredia (teda aj hluk)…
- Stresová situácia organizmu mobilizuje všetky jeho životne dôležité
systémy
- Hlukom - definuje sa aj ako "neželaný
zvuk". Kde však leží hranica ….?
-
- Boj proti hluku – nie úplné negovanie,
ale na vyhovujúcu hladinu …
Nežiadúce účinky:
- poruchy v nervovej sústave: poruchy
vegetatívnej regulácie krvného obehu a trávenia, funkčné zmeny
psychomotorických funkcií, zmeny v rytme spánku, ovplyvnenie vnemov,
poruchy emocionálnej rovnováhy,
- poruchy celkových regulácií človeka:
narušovanie rovnovážnych funkcií
organizmu a zníženie jeho všeobecnej odolnosti.
Účinok zvuku - hluku na ľudský organizmus:
- Na životnú aktivitu je potrebná istá hladina zvuku:
-
- oddych pri zvuku s intenzitou 35 decibelov (šumenie mora, riek,
stromov).
-
- Bezzvukovosť - absolútne ticho -
nepriaznivý vplyv (v púšti, v polárnych oblastiach, v umelých zvukotesných
komorách (v kozmických lodiach sa musí vytvárať určitá zvuková
"kulisa")
- !!! Bezzvukové cely mučenia - v nemeckých koncentračných táboroch…
Medzi faktory, ktoré ovplyvňujú účinok
zvuku na ľudský organizmus patria:
- intenzita a frekvencia zvuku,
- rozloženie v čase a
- psychický vzťah človeka k hluku.
Pri hodnotení účinku hluku na živý organizmus
rozlišujeme:
- oblasť psychického pôsobenia (do 65 dB),
nie je zdraviu bezprostredne
škodlivá, rozhoduje individuálna vnímavosť,
- oblasť vegetatívnych funkcií (65-90 dB)
pri bdení a 45-80 dB v spánku),
človek sa znervózňuje, zužujú sa cievy, zrýchľuje
sa dýchanie, zvyšuje sa
činnosť srdca, potivosť, rozširuje sa zrenica, kŕčovite
sa sťahuje žalúdok,
- oblasť poškodenia sluchu (90-120 dB),
poškodzujú sa sluchové bunky,
môže nastať aj hluchota,
- oblasť smrteľného poškodenia (nad 120 dB).
Podľa rozloženia v čase môžeme hluk rozdeliť
na:
- ustálený - s časom nemení o viac než
5 dB pri charakteristike A,
- premenný - s časom mení o viac než 5 dB (A).
-
Premenný hluk ďalej delíme na
- prerušovaný - mení sa náhle hladinu
akustického tlaku (v priebehu hlučného intervalu ustáli)
- nepravidelný - meniaci hladinu hluku
(A) - celkom náhodne,
- impulzný - impulzy s trvaním do 200 ms
(sledom imp. než 10 ms).
Hluk vyvoláva nahluchlosť a aj úplnú hluchotu ľudí.
Hluk - rizikovým faktorom aj pre neživé predmety … únava
materiálu.
Negatívny vplyv ultrazvukov a infrazvukov na živé
organizmy
Exponované bunky sa poškodzujú na štyroch úrovniach:
* mechanicky - bunky rezonujú pri určitých
frekvenciách, trhajú sa,
* termicky - energia ultrazvuku sa po
absorbovaní premieňa na tepelnú,
* chemicky - zmena v štruktúrach a v zložení
chemických látok, vznik
voľných radikálov, inaktivácia enzýmov,
* excitačne - molekuly sa energeticky
vzbudzujú podobne ako pri
ionizujúcom žiarení.
- Ultrazvuková expozíciia- výrazné
poruchy v krvi, bolesti hlavy, unaviteľnosť, mdloby, búšenie srdca … môže
nastať paralýza (ochrnutie) až smrť.
- v prírode - búrky zemetrasenia, silné víchrice,
-
- v pracovnom a rodinnom prostredí (spaľovacích motorov, priemyselné
stroje). Vibrácie s f » 7 - 8 Hz - rezonujú
tkanivá … najmä bunky vo svaloch a v nervovom tkanive.
!!! Infrazvukové zbrane - infrazvuky s vysokou
E …
Protihlukové opatrenia
rozmanité tlmiče na sluchové orgány,
znižuje sa hlučnosť strojov a technických zariadení - stroje sa
montujú na odpružené podstavce, vkladajú sa do zvukotesných boxov,
na spaľovacie motory sa dávajú účinné tlmiče.
Hygienické predpisy určujú najvyššie prípustné hodnoty hluku …
Hluk pohlcuje hlavne stromová zeleň … od druhu
dreviny.
"listnáče" zasnežené, hlučnosť sa znižuje o 7 až 10 dB.
Individuálna ochrana proti hluku:
- vatové chrániče - účinné v oblasti f
= 1 až 8 kHz,
-
plastické chrániče
- pri 250 Hz tlmia hluk o 20 až 22 dB,
rezonančné chrániče - najväčší účinok
… 40 až 8 kHz (útlm o 28 až 30 dB),
stromčekové chrániče - ich útlmové
vlast. sa zvyšujú v oblasti vyšších f,
slúchadlové chrániče – maxi. útlm
pri frekvencii 4 kHz, 35 dB, protih. kukly.
Meranie zvuku - hluku
|
Zvukomer: Mic – mikrofón, Z – zosilňovač, VF –váhové
filtre, D – detektor efektívnej hodnoty, PO – pamäťový obvod, RM -
ručičkové meradlo, VK – výstupný konektor, VPP – konektory na
pripojenie vonkajšícch pásmových priepustí, ZV – zdroj vlnenia. |
ZVUK a HLUK
Hluk v dopravných prostriedkoch
|
Vozidlo |
Hluk [dB] |
|
Auto
Autobus
Trolejbus
Električka
Vlak
Lietadlo |
79
84
80
85 – 90
100-130
130 a viac |
Maximálne prípustné hladiny cudzích rušivých hlukov v akusticky
chránenom prostredí
|
Oblasť |
Hluk [dB] |
|
Priemyselné štvrte |
65 |
|
Zmiešané oblasti - osídl. priem.
štvrte, mestské centrá |
60 |
|
Sídliská |
50 |
|
Zdravotnické, školské a kultúrne objekty, vnútorné kúpeľné územia,
rekr. priestory a prír. rezervácie |
40 |
Maximálne prípustné hodnoty cudzích rušivých hlukov vnútri
chránených priestorov
|
Chránený priestor |
Čas |
Hluk [dB] |
|
Miestnosti na špeciálne merania,
Špeciálne priestory na kultúrne
Podujatia a vedeckú prácu |
Počas používania |
25 |
|
Operačné sály, nemocničné izby |
2200 - 600
600 - 2200 |
25
35 |
|
Koncertné siene, divadlá, kiná |
Počas používania |
35 |
|
Prednáškové miestnosti, čitárne |
Počas používania |
40 |
|
Kultúrne strediská, konferenčné miestnosti, súdne siene, klubovne |
Počas používania |
50 |
|
Vestibuly, čakárne úradov |
Počas používania |
55 |
