|
 |
ZVUK
A HLUK
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:
| Fyzikálna akustika - 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.
| interferencia vlnení ..... 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
| Zvukové pole - priestor .... |
| Akustický tlak (skl. vel.) - súčtom pA
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).
| Akustický vlnový odpor: |
| 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 )
|
 |
| Citlivosť 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:
| pohltivosti objektu, |
| jeho rozmerov a |
| vlnovej dĺžky zvuku. |
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 …
Hydrodynamický prenos (k-kladivko, n-nákovka, st-strmienok).
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.
| 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 oblasti sluchu: poškodenie ústrojenstva
až perforácia
bubienkov, zníženie počuteľnosti, vznik hluchoty, |
| 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. |
| Infrazvuky |
| 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. |
Ekoprvky vo vyučovaní Akustiky
obr.
Eko 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,
… |
| Hluk na nás pôsobí nezávisle od toho, či je fyzika náš obľúbený
predmet alebo nie. |
Meranie zvuku - hluku
Zvukomer
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 |
|
|
