Charakteristické parametry zvukových vln

Charakteristické parametry zvukových vln

Tato animace vysvětluje nejdůležitější parametry vln, a to pomocí zvukových vln.

Fyzika

Klíčová slova

vlna, zvuková vlna, vlny, kmitočet, amplituda, fázis, mechanická vlna, vlnová délka, znít, hertz, elektromagnetická vlna, Rychlost zvuku, stěna vlny, chvění, jednoduchý harmonické kmitání, rychlost šíření, pružina, ultrazvuk, infrazvuk, intenzita zvuku, periodicita, stav, fyzika, Fyzika, Mechanika

Související doplňky

Otázky

  • Je to pravda, že čím hlasitěji křičíme, tím rychleji se šíří zvuk?
  • Je to pravda, že rychlost šíření závisí na frekvenci?
  • Co je jednotka frekvence?
  • Co je kmitočet?
  • Jaký vztah je mezi frekvencí a vlnovou délkou?
  • Jaký vztah je mezi frekvencí a amplitudou?
  • Co je jednotka amplitudy?
  • Kde je rychlost zvuku větší: ve vodě nebo ve vzduchu?
  • Jaký vztah je mezi frekvencí a rychlostí šíření?
  • Jaká je rychlost zvuku ve vzduchu o teplotě 15 °C?
  • Co je ultrazvuk?
  • Jaký je fázový rozdíl mezi částicemi, které kmitají synchronně?
  • Je to pravda, že zvukové vlny šířící se v plynu jsou vždy longitudální?
  • Co je vlnoplocha?
  • Jaká je vlnová délka zvuku s frekvencí 20000 Hz ve vzduchu na úrovni hladiny moře? (c=f*λ)

Scénky

Vznik vlny

  • vlnoplocha - Částice kmitající ve stejné fázi vytvářejí vlnoplochy.
  • vlnová délka (λ) - Vzdálenost mezi sousedními vlnoplochy, označení: λ (lambda). Ve skutečnosti za běžných podmínek vlnová délka zvuku vnímaného člověkem spadá do rozsahu 1,6 cm až 16 m, jeho vlnová rychlost je cca. 340 m/s.
  • částice - Kmitající částice.
  • Rychlost šíření - Závisí zejména na prostředí, není totožná s rychlostí pohybu částic.
  • Frekvence - Počet kmitů za sekundu.
  • Amplituda - Amplituda je maximální hodnota některého parametru kmitání, v případě zvuku se nejčastěji ztotožňuje s maximální hodnotou tlaku vzduchu nebo výchylky a vnímáme ji jako sílu zvuku. Nezávisí na kmitočtu a rychlosti zvuku.
  • amplituda
  • reproduktor - Reproduktor vysílá longitudální zvukové vlny. I zvuk, podobně jako každá jiná vlna, má vlnovou délku, frekvenci, vlnovou rychlost a amplitudu.

Vznik vln

Vlna vzniká tehdy, když se v nějakém prostředí šíří rozruch. Vlny mohou být různé v závislosti na vlastnostech prostředí a zdroje.
Nejjednodušší vlnou je mechanická vlna, která se šíří v plynu, například zvuk šířící se ve vzduchu. Zdroj zvuku rozhýbe molekuly vzduchu, ty postrčí sousední molekuly a ty pak vzdálenější sousední molekuly. Takto se šíří vibrace.
Pokud je směr pohybu částic rovnoběžný se směrem šíření vlny, mluvíme o podélné (longitudinální) vlně. Zvuk se ve vzduchu šíří vždy jako longitudinální vlna. Vzduch se zhušťuje a následně zřeďuje, kvůli čemuž vznikají vlnoplochy. Vzdálenost mezi sousedními vlnoplochy nazýváme vlnovou délkou. Pokud se zvětšuje rychlost šířen​í zvuku, zvětšuje se i jeho vlnová délka.

Rychlost šířen​í

  • vlnoplocha - Částice kmitající ve stejné fázi vytvářejí vlnoplochy.
  • vlnová délka (λ) - Vzdálenost mezi sousedními vlnoplochy, označení: λ (lambda). Ve skutečnosti za běžných podmínek vlnová délka zvuku vnímaného člověkem spadá do rozsahu 1,6 cm až 16 m, jeho vlnová rychlost je cca. 340 m/s.
  • částice - Kmitající částice.
  • Rychlost šíření - Závisí zejména na prostředí, není totožná s rychlostí pohybu částic.
  • Frekvence - Počet kmitů za sekundu.
  • Amplituda - Amplituda je maximální hodnota některého parametru kmitání, v případě zvuku se nejčastěji ztotožňuje s maximální hodnotou tlaku vzduchu nebo výchylky a vnímáme ji jako sílu zvuku. Nezávisí na kmitočtu a rychlosti zvuku.
  • amplituda
  • reproduktor - Reproduktor vysílá longitudální zvukové vlny. I zvuk, podobně jako každá jiná vlna, má vlnovou délku, frekvenci, vlnovou rychlost a amplitudu.

Vlnová rychlost

Rychlost pohybu vlnoploch je vlnovou rychlostí. Není totožná s rychlostí pohybu částic. Vlnová rychlost závisí zejména na kvalitě prostředí, ale také na jiných parametrů, jako je například teplota prostředí.

Vlnová rychlost zvuku ve vzduchu při teplotě 0 °C dosahuje cca. 1200 km/h, zatímco při -57 °C je to pouze cca. 1060 km/h.
V pevném prostředí však rychlost zvuku může být i mnohem větší než zmíněné hodnoty.

Frekvence

  • vlnoplocha - Částice kmitající ve stejné fázi vytvářejí vlnoplochy.
  • vlnová délka (λ) - Vzdálenost mezi sousedními vlnoplochy, označení: λ (lambda). Ve skutečnosti za běžných podmínek vlnová délka zvuku vnímaného člověkem spadá do rozsahu 1,6 cm až 16 m, jeho vlnová rychlost je cca. 340 m/s.
  • částice - Kmitající částice.
  • Rychlost šíření - Závisí zejména na prostředí, není totožná s rychlostí pohybu částic.
  • Frekvence - Počet kmitů za sekundu.
  • Amplituda - Amplituda je maximální hodnota některého parametru kmitání, v případě zvuku se nejčastěji ztotožňuje s maximální hodnotou tlaku vzduchu nebo výchylky a vnímáme ji jako sílu zvuku. Nezávisí na kmitočtu a rychlosti zvuku.
  • amplituda
  • reproduktor - Reproduktor vysílá longitudální zvukové vlny. I zvuk, podobně jako každá jiná vlna, má vlnovou délku, frekvenci, vlnovou rychlost a amplitudu.

Frekvence

Frekvence je počet vlnoploch, které dorazí k pozorovateli za jednu sekundu. Nazývá se také kmitočet.
V případě zvukových vln čím větší je frekvence zvuku, tím vyšší výšku slyšíme. Frekvence hlubokých zvuků je nižší. Jednotkou frekvence je Hz (hertz).
Pokud například vnímáme zvuk s frekvencí 1000 Hz, tak za sekundu k našemu uchu dorazí 1000 vlnoploch. Čím větší je rychlost šíření a čím menší je vlnová délka, tím větší je frekvence.
Vztah mezi těmito třemi parametry popisuje následující vzorec:
c=f*λ
(Kde c je rychlost šíření, f je frekvence a λ je vlnová délka.)
Lidské ucho vnímá zvuky s frekvencí 20 Hz-20000 Hz. Velmi hluboké zvuky, jejichž frekvence je menší než 20 Hz, jsou infrazvuky. Například sloni komunikují pomocí infrazvuku. Velmi vysoké zvuky, jejichž frekvence je větší než 20000 Hz, jsou ultrazvuky. Netopýři a delfíni používají při orientaci ultrazvuk.

Amplituda

  • vlnoplocha - Částice kmitající ve stejné fázi vytvářejí vlnoplochy.
  • vlnová délka (λ) - Vzdálenost mezi sousedními vlnoplochy, označení: λ (lambda). Ve skutečnosti za běžných podmínek vlnová délka zvuku vnímaného člověkem spadá do rozsahu 1,6 cm až 16 m, jeho vlnová rychlost je cca. 340 m/s.
  • částice - Kmitající částice.
  • Rychlost šíření - Závisí zejména na prostředí, není totožná s rychlostí pohybu částic.
  • Frekvence - Počet kmitů za sekundu.
  • Amplituda - Amplituda je maximální hodnota některého parametru kmitání, v případě zvuku se nejčastěji ztotožňuje s maximální hodnotou tlaku vzduchu nebo výchylky a vnímáme ji jako sílu zvuku. Nezávisí na kmitočtu a rychlosti zvuku.
  • amplituda
  • reproduktor - Reproduktor vysílá longitudální zvukové vlny. I zvuk, podobně jako každá jiná vlna, má vlnovou délku, frekvenci, vlnovou rychlost a amplitudu.

Amplituda

Sílu zvuku, kterou vnímá ucho, neurčují dosud zmíněné parametry, tedy síla zvuku nezávisí na frekvence a rychlosti šíření.
Sílu zvuku určuje amplituda kmitání, čili to, že jaká je maximální výchylka částic prostředí kmitajících na daném místě.
V případě nemechanických vln amplitudu nelze považovat za maximální výchylku, proto tam může znamenat maximální hodnotu jiného parametru. V případě elektromagnetických vln můžeme amplitudu interpretovat například jako maximální intenzitu pole, ale i jako maximální napětí.
Pokud vlnoplochy vytvářejí rovnou čáru nebo rovinu, amplituda kmitání během šíření neklesá. Obvykle však vlna vytváří kulové vlnoplochy, a proto se její energie v prostoru stále více rozptyluje, její amplituda vzdalováním se od zdroje klesá.

Fáze

  • Fáze vln - Mezi synchronně se pohybujícími částicemi fázový rozdíl je 0. Mezi opačně se pohybujícími částicemi činí 180°.

Fáze

Kmitání je takovým periodickým procesem, který lze dát do souvislosti s kruhovým pohybem, a proto aktuální polohu kmitající částice v rámci periody lze charakterizovat fázovým úhlem s rozsahem 0-360 stupňů. Výchylka částice vzhledem ke klidové poloze závisí na aktuální fáze.
Částice, které kmitají ve stejné fázi, se pohybují synchronně, fázový rozdíl je mezi nimi 0. Jestliže fázový rozdíl dvou částic představuje 180 stupňů, vždy se pohybují opačně. Pokud fázový rozdíl je 90 stupňů, mezi jejich pohybem je posun o čtvrtinu periody.

Vyprávění

Vznik vln

Vlna vzniká tehdy, když se v nějakém prostředí šíří rozruch. Vlny mohou být různé v závislosti na vlastnostech prostředí a zdroje.
Nejjednodušší vlnou je mechanická vlna, která se šíří v plynu, například zvuk šířící se ve vzduchu. Zdroj zvuku rozhýbe molekuly vzduchu, ty postrčí sousední molekuly a ty pak vzdálenější sousední molekuly. Takto se šíří vibrace.
Pokud je směr pohybu částic rovnoběžný se směrem šíření vlny, mluvíme o podélné (longitudinální) vlně. Zvuk se ve vzduchu šíří vždy jako longitudinální vlna. Vzduch se zhušťuje a následně zřeďuje, kvůli čemuž vznikají vlnoplochy. Vzdálenost mezi sousedními vlnoplochy nazýváme vlnovou délkou. Pokud se zvětšuje rychlost šířen​í zvuku, zvětšuje se i jeho vlnová délka.

Vlnová rychlost

Rychlost pohybu vlnoploch je vlnovou rychlostí. Není totožná s rychlostí pohybu částic. Vlnová rychlost závisí zejména na kvalitě prostředí, ale také na jiných parametrů, jako je například teplota prostředí.
Vlnová rychlost zvuku ve vzduchu při teplotě 0 °C dosahuje cca. 1200 km/h, zatímco při -57 °C je to pouze cca. 1060 km/h.
V pevném prostředí však rychlost zvuku může být i mnohem větší než zmíněné hodnoty.

Frekvence

Frekvence je počet vlnoploch, které dorazí k pozorovateli za jednu sekundu. Nazývá se také kmitočet.
V případě zvukových vln čím větší je frekvence zvuku, tím vyšší výšku slyšíme. Frekvence hlubokých zvuků je nižší. Jednotkou frekvence je Hz (hertz).
Pokud například vnímáme zvuk s frekvencí 1000 Hz, tak za sekundu k našemu uchu dorazí 1000 vlnoploch. Čím větší je rychlost šíření a čím menší je vlnová délka, tím větší je frekvence.

Lidské ucho vnímá zvuky s frekvencí 20 Hz-20000 Hz. Velmi hluboké zvuky, jejichž frekvence je menší než 20 Hz, jsou infrazvuky. Například sloni komunikují pomocí infrazvuku. Velmi vysoké zvuky, jejichž frekvence je větší než 20000 Hz, jsou ultrazvuky. Netopýři a delfíni používají při orientaci ultrazvuk.

Amplituda

Sílu zvuku, kterou vnímá ucho, neurčují dosud zmíněné parametry, tedy síla zvuku nezávisí na frekvence a rychlosti šíření.
Sílu zvuku určuje amplituda kmitání, čili to, že jaká je maximální výchylka částic prostředí kmitajících na daném místě.
V případě nemechanických vln amplitudu nelze považovat za maximální výchylku, proto tam může znamenat maximální hodnotu jiného parametru. V případě elektromagnetických vln můžeme amplitudu interpretovat například jako maximální intenzitu pole, ale i jako maximální napětí.
Pokud vlnoplochy vytvářejí rovnou čáru nebo rovinu, amplituda kmitání během šíření neklesá. Obvykle však vlna vytváří kulové vlnoplochy, a proto se její energie v prostoru stále více rozptyluje, její amplituda vzdalováním se od zdroje klesá.

Fáze

Kmitání je takovým periodickým procesem, který lze dát do souvislosti s kruhovým pohybem, a proto aktuální polohu kmitající částice v rámci periody lze charakterizovat fázovým úhlem s rozsahem 0-360 stupňů. Výchylka částice vzhledem ke klidové poloze závisí na aktuální fáze.
Částice, které kmitají ve stejné fázi, se pohybují synchronně, fázový rozdíl je mezi nimi 0. Jestliže fázový rozdíl dvou částic představuje 180 stupňů, vždy se pohybují opačně. Pokud fázový rozdíl je 90 stupňů, mezi jejich pohybem je posun o čtvrtinu periody.

Související doplňky

Harmonické kmitání a rovnoměrný kruhový pohyb

Kolmý průmět hmotného bodu provádějícího rovnoměrný kruhový pohyb vykonává harmonické kmitání.

Jak funguje reproduktor?

Zvukové vlny v reproduktorech jsou generovány pomocí elektromagnetické indukce.

Tvorba zvuku

Při tvorbe zvuku vzduch proudící z plic rozkmitá hlasivky.

Concorde (1969)

První nadzvukový dopravní letoun byl zařazen do provozu v roce 1976.

Tsunami

Vlny tsunami jsou až několik metrů vysoké vlny s obrovskou ničivou silou.

Vysokorychlostní vlak TGV POS

Vysokorychlostní vlak mezi Paříží a jižním Německem jezdí rychlostí 320 km/h.

Zemětřesení

Zemětřesení je jedním z nejničivějších přírodních jevů Země.

B-2 Spirit (USA, 1989)

Americký těžký bombardér, využívající technologii stealth, byl nasazen ve válce v Jugoslávii, v Afghánistánu av Iráku.

Buben

Buben je hudební nástroj který se rozezvučí údery na jeho membránu. Existuje několik verzí bubnů.

Dopplerův jev

Je známým jevem, že zvuk přibližujícího se zdroje zvuku je vyšší než vzdalujícího se.

Gravitační vlna (LIGO)

Když tělesa s velkou hmotností vykonávají zrychlující se pohyb, vznikají kolem nich vlny v časoprostoru, které se nazývají gravitačními vlnami.

Jak to funguje? - Sonar

Sonar funguje na principu radaru, které místo rádiových vln používá ultrazvuk.

Kytara

Kytara je drnkací strunný nástroj dostupný v různých tvarech.

Radar (Zoltán Bay)

Maďarský vědec byl prvním člověkem, který odhalil radarové odrazy od Měsíce, v roce 1946.

Typy vln

Vlny hrají v mnoha oblastech našeho života nesmírně důležitou roli.

Delfín skákavý

Delfíni jsou mořští savci, které k orientaci používají zvukové signály.

Elektrický zvonek

Mechanický zvonek funguje pomocí elektromagnetu.

Slon africký

Největší suchozemské zvíře.

Vrápenec malý

Netopýři se orientují a loví pomocí ultrazvuku.

Ucho, mechanismus slyšení

Uši mění vibrace vzduchu na elektrické signály, které jsou pak zpracovány v mozku.

Added to your cart.