Hlasitost a intenzita zvuku
Zvukové vlnění představuje periodické stlačování a rozpínání pružného prostředí (vzduchu, vody, kovu apod.). Ve vzduchu tyto změny tlaku uchem vnímáme jako zvuk určité hlasitosti. Čím větší jsou změny tlaku, tím více se bubínek rozkmitává a zvuk je hlasitější.
Hlasitost zvuku je veličina subjektivní a závisí na citlivosti sluchu. Naše ucho je nejcitlivější na zvuky v intervalu 700 Hz až 6 kHz. Zvuky o nízkém (méně než 700 Hz) nebo vysokém kmitočtu (více než 6 kHz) vnímáme méně (video - poslechem různých kmitočtů vnímej různou hlasitost). Aby se vyloučil vliv proměnné citlivosti ucha na zvuky různých kmitočtů, zavádí se tzv. referenční kmitočet 1 kHz.
Při šíření zvukového vlnění se od zdroje zvuku přenáší energie zvukového vlnění až k přijímači zvuku. Zvukové vlnění má pak akustický výkon P
ΔE – část energie zvukového vlnění,
Δt – doba přenosu části energie,
P – akustický výkon [P]= W (watt).
Názorněji nás o hlasitosti zvuku informuje veličina intenzita zvuku. Intenzita zvuku je definována podílem akustického výkonu ΔP a plochy ΔS, kterou vlnění prochází.
Jednotkou intenzity zvuku je watt na metr čtverečný, W∙m–2.
Při referenčním kmitočtu můžeme sluchem vnímat zvuky o akustickém výkonu nejméně 10–12 W = 1 pW (pikowatt). Tato hodnota určuje práh slyšení. Zvuky, které v uchu způsobují bolestivý pocit, mají výkon větší než 1W, což je práh bolesti. Protože je poměr největšího (uchem snesitelného) a nejmenšího (slyšitelného) akustického výkonu zvuku 1012 (velké číslo), zavádí se nová veličina hladina akustického výkonu L
P – akustický výkon daného zvuku,
P0 – nejmenší akustický výkon – práh slyšení.
Jednotkou hladiny akustického výkonu L je decibel, značka dB.
Prahu slyšení odpovídá v této stupnici hladina 0 dB a pro práh bolesti je to 120 dB.
Historická poznámka: Alexander Graham Bell (1847 – 1922)
Na počest A. G. Bella je pojmenována technická jednotka decibel.
Příklady přibližných hodnot hladin akustického výkonu pro některé známé zvuky.
Obr. 1: Hladiny akustického výkonu známých zvuků
Intenzita zvuku se s rostoucí vzdáleností od zdroje zvuku zmenšuje s druhou mocninou této vzdálenosti. Pokud se vzdálenost od zdroje zvuku zvětší dvakrát, potom se intenzita zvuku zmenší na ¼ původní hodnoty a hladina akustického výkonu se sníží o 6 dB.
Obr. 2: Hladiny akustického výkonu při vzdalování od zdroje
„Součet“ hladin akustického výkonu dvou zdrojů zvuku L = 60 dB + 70 dB = log (106 + 107) = 70,4 dB.
Nadměrný hluk může způsobit poruchu sluchu. Jedním ze základních požadavků hygieny pracovního prostředí je omezení hluku (tlumiče, protihlukové stěny, omezení chvění, chrániče sluchu, apod.).
Obr. 3: Povolené limity hladin akustického výkonu
Měření M.10 – Měření hladiny intenzity zvuku
Úlohy:
1. Uvažte, jaké materiály jsou vhodné pro zvukovou izolaci místností a budov?
2. V čem spočívá funkce regulátoru „hloubky – výšky“ u elektroakustických přístrojů?
3. V čem spočívá funkce regulátoru „hlasitosti“ u elektroakustických přístrojů?
4. Vstupní část ucha (zvukovod) je v podstatě trubice délky přibližně 27 mm, na konci uzavřená ušním bubínkem. Při jaké frekvenci dojde k rezonančnímu zesílení zvukovodem?
5. V hudbě nejintenzivnější zvuky (fortissimo) mají akustický výkon 10–3 W. Naopak nejtišší zvuky (pianissimo) mají akustický výkon 10–9 W. Jakým hladinám akustického výkonu v dB to odpovídá?
6. Hladina akustického výkonu 2 m od zdroje je 90 dB. Jaká je hladina akustického výkonu 8 m od zdroje?
7. Jak klesne hladina intenzity zvuku, jestliže se od něj z výchozího místa vzdálíte do a) stonásobné, b) desetinásobné, c) dvojnásobné vzdálenosti?
8. O kolik decibelů se zvýší hladina intenzity zvuku, když místo jediného sólového houslisty jich hraje deset (hrají dva)?
9. Kolikrát zeslabuje okno s izolačním dvojsklem, jestliže je součinitel průzvučnosti okna 30 dB?
Zdroje
Obrázky:
Obr. 3: [online]. [cit. 2015-02-03]. Dostupné z: http://skrt.kam.vutbr.cz/?p=klid
Obr. 4: [online]. [cit. 2015-02-03]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Alexander_Graham_Bell
Zajímavost
Pro zdravé uši
Změřte decibely - hygienický limit hluku na pracovišti je stanoven na 85 dB, respektujte jej i při domácích kutilských pracích a například při práci s motorovou pilou používejte ucpávky do uší.
Pozor na sluchátka - při poslechu hudby nezesilujte zvuk na maximum, zvláště zrádné je to při cestování hlučnou dopravou.
Disco s rozumem - na diskotéky a koncerty choďte maximálně na čtyři hodiny čtyřikrát do roka.
Zapomeňte na "osvědčené recepty" - do uší si nic nevkládejte (např. česnek).
Žádné pohlavky - špatně trefená facka může prorazit ušní bubínek, takže na to myslete v zájmu zdraví druhých, děti už i z tohoto důvodu zásadně nepohlavkujte.
S hygienou opatrně - zdravé ucho není potřeba nijak zvlášť čistit, lékaři dokonce neradi vidí i vatové tyčinky, které mohou ucho snadno zranit, nebo jej ucpat.
Žijte zdravě - také pro uši platí, že zdravá životospráva je nedílnou součástí prevence.
Zajímavost
Vývoj sluchu
Vývoj uší je dokončen zhruba ve 20. týdnu prenatálního vývoje. Jen 8 mm velké ušní boltce jsou již dokonale vytvarované a plod už dokáže vnímat a přiřazovat zvuky. Slyší především tlukot matčina srdce, šumění krve v cévách a zvuky spojené s trávením a dýcháním. Dítě pozná matčin hlas a dokonce i rozezná, kdy mluví právě s ním. Zvuky si dokonce pamatuje a po narození je poznává.
Dozrávání sluchové kůry pokračuje ještě do pátého roku života a kolem deseti let věku dítěte se centrální sluchové zpracování dostává na úroveň dospělého mozku. Sluch dítěte je ohrožen především nemocemi, zvláště meningitidou a zánětem mozkových blan. Nebezpečné jsou i úrazy, při nichž dochází k proražení bubínku, například při čištění uší.
Nejlépe slyšíme kolem dvacátého roku života. Lékaři však upozorňují, že současná mladá generace začíná mít potíže se sluchem velmi brzy - následkem nadměrného vystavování se hluku má mnoho třicetiletých sluch jako dřívější šedesátníci.
Mezi třicátým a čtyřicátým rokem věku sluchové schopnosti ubývají, podle lékařů přibližně o 1 dB ročně. Zajímavé je, že muži sluch postupně ztrácejí už od svých třiceti let, u žen ke zhoršení dochází většinou až od 45 let. Výraznější problémy u nich často přichází až s menopauzou. Ve stáří jsou sluchové kvality pochopitelně nejslabší, potíže jsou často důsledkem nejen nemocí, ale i "hříchů z mládí".
Historie
Obr. 4: Alexander Graham Bell (1847 – 1922)
Alexander Graham Bell (3. března 1847, Edinburgh, Skotsko – 2. srpna 1922, Baddeck, Kanada) byl americký profesor fyziologie orgánů řeči a fyziky a vynálezce. Byl skotského původu. Vynalezl mikrofon a zkonstruoval první použitelný telefon (1876) a gramofon (s A. C. Bellem a S. Tairotem, 1883). Bell pracoval jako učitel a o telefon se začal zajímat na základní škole.
Jde o zakladatele amerického koncernu Bell Telephone.
Dne 14. února 1876 nezávisle na sobě přihlásili Američan Elisha Gray a ze Skotska pocházející fyziolog Alexander Bell své patenty na nový telefon.
Gray vynalezl svůj přístroj už roce 1874. Jeho mikrofon byl podobný mikrofonu Johanna Philippa Reise, ale byl zlepšen podle principu kapalinového mikrofonu Angličana Jeatese. Ve sluchátku použil Gray elektromagneticky prohýbanou membránu.
Bell použil membránu jak v mikrofonu, tak i sluchátku. Membrána kmitala v blízkosti cívky navinuté na ocelovém magnetu. Toto uspořádání bylo nejen jednoduché, ale také nepotřebovalo baterii ani na přijímací, ani na vysílací straně. Nicméně indukční mikrofon byl málo citlivý a byl proto nahrazen uhlíkovým odporovým mikrofonem, který se bez podstatných změn užíval do konce minulého století. Jak se on sám zmínil, jeho první pokusy byly neúspěšné. Teprve po dlouhých experimentech našel membránu ve správných parametrech, takže se očekávaný efekt dostavil. Dne 2. června 1875 se mu poprvé podařilo elektricky přenést tón. O devět měsíců později udělal technická zlepšení, která nebyla zahrnuta do patentové přihlášky a která umožňovala přenos lidské řeči. Dne 10. března 1876 uslyšel jeho pomocník v laboratoři první větu přenesenou jeho telefonem: „Pane Watsone, přijďte sem, potřebuji vás.“
Přes technické úspěchy zůstal jeho telefon zpočátku nepovšimnut. Jako komunikační prostředek si ho nikdo neuměl představit. Ani na světové výstavě roku 1876 ve Filadelfii nevzbuzovalo instalované zařízení zprvu žádnou zvláštní pozornost. Teprve když ho objevil brazilský císař a věnoval mu svoji vladařskou pozornost, rozpomenulo se vedení výstavy na jeho exponát a udělilo mu zlatou medaili. Byl tak motivován k dalšímu rozvoji telefonu. Začal experimentovat s dálkovým spojením a 8. října uskutečnil rozhovor na vzdálenost 3200 metrů mezi Bostonem a Cambridge.
Svůj telefon nabídl americké a britské vládě. Britský poštovní úřad odpověděl, že Američané snad takovou věc potřebují, ale Angličané předávají zprávy pomocí malých chlapců, kteří přenášejí listy mezi adresáty. Dne 9. července následujícího roku založil společně s Watsonem, G. Hubbardem a Sandersem firmu Bell Telephone Company, Gardina D. Hubbard* *Trustee v Bostonu a zahájil výrobu telefonních přístrojů ve velkém. Tato společnost telefonní přístroje neprodávala, jen je pronajímala. Od roku 1878 se společnost jmenovala Bell Telephone Company. Po zahrnutí Grayových patentových práv přešla 28. února 1885 v American Telephone and Telegraph Company v New Yorku. Jejím cílem bylo provozovat telefonní spojení po celé Severní Americe.
Původně měl každý telefonní přístroj svou baterii, později bylo řešeno centrální napájení telefonních přístrojů z telefonní ústředny.
