Struktura

Měření intenzity zvuku

Pokus: Závislost intenzity zvuku na vzdálenosti

Úkol: Experimentálně odhadnout závislost intenzity zvuku na vzdálenosti od zdroje vlnění.

Pomůcky: zdroj zvuku se stálým výkonem, délkové měřidlo, hlukoměr

Poznámka: Jako zdroj zvuku lze použít mobilní telefon s nainstalovanou vhodnou aplikací (např. FuncGen Signal Generator) nebo z něj spouštět soubor MP3 s konstantní intenzitou. Je lepší generovat raději náhodný šum než souvislý tón, protože ten by se mohl v uzavřené místnosti odrážet a vytvářet stojaté vlnění s uzly a kmitnami, jejichž výskyt by mohl měření zkreslit.

Provedení: Změřte hladinu intenzity zvuku vycházejícího ze zdroje pomocí hlukoměru ve vzdálenosti 0,5 m, 1 m, 1,5 m, 2 m. Je při tom třeba dbát na to, aby měření bylo co nejméně zkresleno hlukem z okolního prostředí. Získané hodnoty zaneste do tabulky a grafu a pokuste se vysledovat závislost mezi vzdáleností senzoru od zdroje.

Otázka: Jak se změnila intenzita zvuku, zvětšila-li se vzdálenost senzoru od zdroje z 0,5 m na 1 m, z 1 m na 2 m? O kolik dB se zmenšila hladina intenzity zvuku? Jakému zmenšení intenzity zvuku to odpovídá?

Závěr: Z grafu i tabulky je (přibližně) patrné, že vždy se zdvojnásobením vzdálenosti senzoru od zdroje zvuku klesá intenzita zvuku na čtvrtinu původní hodnoty, tedy o 6 dB. Intenzita zvuku tedy klesá s druhou mocninou vzdálenosti od zdroje zvuku.

 

Pokus: Detekce stojatého zvukového vlnění vytvořeného odrazem od stěny

Úkol: Prokázat, že odrazem zvukového vlnění od stěny může při vhodné kombinaci frekvence a vzdálenosti vzniknout stojaté vlnění.

Pomůcky: Tónový generátor s připojeným jedním reproduktorem, hlukoměr, délkové měřidlo

Poznámka: Jako zdroj zvuku je nutné použít tónový generátor s nastavenou konkrétní frekvencí, pokud bychom použili pouze šum, stojaté vlnění by nikdy nevzniklo.

Provedení: Umístíme reproduktor proti stěně do vhodné vzdálenosti, detektorem zkoumáme oblast mezi reproduktorem a stěnou a hledáme oblasti se zvýšenou nebo naopak sníženou intenzitou zvuku. Pokud je nenacházíme, mírně upravíme vzdálenost reproduktoru od zdi. Alternativně je možné měnit i frekvenci zvuku.

Poznámka: Vzdálenost zdroje zvuku od stěny je nutné alespoň přibližně určit výpočtem. Musí jít o celočíselný násobek ½ vlnové délky zvukového vlnění, ke kterému je přičtena ¼ vlnové délky vlnění. To z toho důvodu, že u membrány reproduktoru se vytvoří kmitna vlnění a u zdi naopak uzel vlnění. Vlnovou délku zvukového vlnění určíme přibližně ze vztahu λ = 340/f. Pro tón „komorní á“ o frekvenci 440 Hz vychází vlnová délka přibližně 77 cm.

 

Pokus: Experimentální určení vlnové délky stojatého zvukového vlnění vytvořeného odrazem od stěny

Úkol: Vizualizovat kmitny a uzly stojatého vlnění vzniklého odrazem zvuku od stěny a pomocí jejich vzdáleností určit experimentálně vlnovou délku vlnění.

Pomůcky: tónový generátor s připojeným jedním reproduktorem, hlukoměr, délkové měřidlo, kolíčky na prádlo dvojí barvy, tenké lano

Obr. 1: Vizualizace kmiten a uzlů

Poznámka: Jako zdroj zvuku je nutné použít tónový generátor s nastavenou konkrétní frekvencí, pokud bychom použili pouze šum, stojaté vlnění by nikdy nevzniklo.

Provedení: Umístíme reproduktor proti stěně do vhodné vzdálenosti a detektorem zkoumáme oblast mezi reproduktorem a stěnou a hledáme oblasti se zvýšenou nebo naopak sníženou intenzitou zvuku. Pokud je nenacházíme, mírně upravíme vzdálenost reproduktoru od zdi. Alternativně je možné měnit i frekvenci zvuku. Až se nám podaří vytvořit stojaté vlnění, napneme mezi zdroj a stěnu tenké lanko a na něm označíme polohy uzlů vlnění jednou barvou kolíčků na prádlo a druhou barvou polohy kmiten vlnění. Změříme vzdálenost dvou nejvzdálenějších kolíčků stejné barvy, podělíme počtem kolíčků stejné barvy mezi nimi zvětšeným o 1 a výsledek vynásobíme dvěma. Výsledné číslo je přibližná vlnová délka zvukového vlnění. Experimentem získanou hodnotu ověříme výpočtem.

Poznámka: Vlnovou délku zvukového vlnění určíme přibližně ze vztahu λ = 340/f. Pro „komorní á“ o frekvenci 440 Hz vychází vlnová délka přibližně 77 cm.

 

Pokus: Detekce stojatého zvukového vlnění vytvořeného interferencí ze dvou různých zdrojů

Úkol: Vizualizovat stojaté vlnění vzniklé interferencí vlnění z dvou různých zdrojů.

Pomůcky: tónový generátor se dvěma připojenými reproduktory, hlukoměr, lepicí páska dvou barev

Provedení: Umístíme reproduktory vedle sebe tak, aby směřovaly oba do stejného prostoru. Detektorem hledáme místa se sníženou intenzitou zvuku (uzly vlnění) a označíme je jednou barvou pásky (nalepením na podlahu) a místa se zvýšenou intenzitou (kmitny) označíme druhou barvou.

Poznámka: Volíme raději nižší frekvence používaného zvuku, vzhledem k delší vlnové délce by měly být kmitny a uzly vlnění dále od sebe a tím pádem snadněji rozlišitelné.

 

Pokus: Závislost intenzity zvuku na výkonu zdroje

Úkol: Zjistit závislost intenzity zvuku na výkonu zdroje.

Pomůcky: hlukoměr

Provedení: Žáky rozdělíme na dvě stejně velké skupiny. Umístíme je do jednoho hloučku ve větší vzdálenosti od detektoru. Na smluvený signál (např. zvednutí ruky) začne křičet směrem k detektoru nejprve jedna skupina a posléze obě. Naměřené hodnoty by se měly lišit přibližně o 3 dB. Pokusíme se tuto hodnotu interpretovat číselně.

Poznámka: Zdvojnásobením počtu křičících došlo k přibližně zdvojnásobení výkonu zdroje a tedy i intenzity zvuku. Ze vzorce pro výpočet hladiny intenzity zvuku vyplývá, že pokud se zvětší intenzita zvuku na dvojnásobek, hladina intenzity zvuku vzroste o log2, tj. přibližně o 0,3 B.

Zdroje

Obrázky:

  • Obr. 1: archiv autora

Názvosloví

Hlasitost zvuku – je subjektivní veličina, nelze ji tedy objektivně měřit a závisí na citlivosti sluchu poslouchající osoby.

Intenzita zvuku – je fyzikální veličina, kterou definujeme jako podíl výkonu zvukového vlnění P a plochy S, kterou vlnění prochází. Značí se I a její jednotkou je Wm-2. Intenzitu zvuku lze objektivně změřit.

Hladina intenzity zvuku – je fyzikální veličina, její značka je L a jednotka bel (B). V praxi se většinou používá desetina této jednotky – decibel (dB). Zvýšení hladiny intenzity zvuku o 1 bel odpovídá desetinásobnému zvýšení intenzity zvuku (o 2 bely stonásobnému, o 3 bely tisícinásobnému atd.).

Stojaté vlnění – vzniká ze dvou proti sobě postupujících vlnění o stejné vlnové délce a amplitudě (nebo z vlnění postupujícího k překážce a z vlnění odraženého od překážky zpět). Je charakteristické stabilním rozmístěním bodů s minimální (nulovou) amplitudou výchylky nazývaných uzly vlnění a bodů s maximální amplitudou výchylky nazývaných kmitny vlnění. Vzdálenost dvou sousedních uzlů vlnění nebo dvou sousedních kmiten je rovna polovině vlnové délky.

Vlnová délka – je fyzikální veličina udávající vzdálenost, kterou urazí vlnění během času, který odpovídá jedné periodě. Značí se a měří se v metrech.

Tip

Pro generování akustických signálů pomocí mobilního telefonu je vhodná např. aplikace FuncGen signal generator.

Laboratorní cvičení

Závislost intenzity zvuku na vzdálenosti

Pomůcky: zdroj zvuku se stálým výkonem, délkové měřidlo, hlukoměr

Úkoly: změřte hladinu intenzity zvuku vycházejícího ze zdroje pomocí hlukoměru ve vzdálenosti 0,5 m, 1 m, 1,5 m, 2 m. Získané hodnoty zaneste do tabulky a grafu a pokuste se vysledovat závislost mezi vzdáleností senzoru od zdroje

Protokol k úloze viz přílohy dole.

Odkaz

K detekci zvuku lze použít i mobilní telefon s Androidem s nainstalovaným vhodným programem, např. tímto.

Video

This div will be replaced by the JW Player.

Detekce zvukového stojatého vlnění pomocí hlukoměru

Víte, že ...

Vztah pro výpočet hladiny intenzity zvuku:

L=10log\frac{I}{I_{0}}

I ... intenzita zvuku

I_{0} ... dohodnutá vztažná hodnota intenzity, pro kterou platí: I_{0}=10^{-12} Wm^{-2}

Logolink