Elektronika

Maturitní otázky

ZVUK, ZÁKLADNÍ AKUSTICKÉ VELIČINY, DĚLENÁ REPRODUKCE ZVUKU

39.Zvuk, základní akustické veličiny, dělená reprodukce zvuku

Vlnění hmotného prostředí, pokud se o jeho existenci můžeme přesvědčit sluchem, se ve fyzice i v běžném řeči nazývá zvuk. Je předmětem studia části fyziky, přesněji nauky o mechanickém vlnění, která se nazývá akustika.

Definice akustiky : Akustika je obor zabývající se fyzikálními ději, které jsou spojeny se vznikem zvukového vlnění, jeho šířením a vnímáním zvuku sluchem.

Rozdělení akustiky

Důvody a cíle zájmů o akustiku jsou různé, a právě podle toho se tento obor dá rozdělit na několik částí:

1. Fyzikální akustika - studuje způsob vzniku a šíření zvuku. Dále se zabývá jeho odrazem a pohlcováním v různých materiálech.
2. Hudební akustika - zkoumá zvuky a jejich kombinace se zřetelem na potřeby hudby.
3. Fyziologická akustika - se zabývá vznikem zvuku v hlasovém orgánu člověka a jeho vnímáním v uchu.
4. Stavební akustika - zkoumá dobré a nerušené podmínky poslouchatelnosti hudby a řeči v obytných místnostech a sálech.
5. Elektroakustika - se zabývá záznamem, reprodukcí a šířením zvuku s využitím elektrického proudu.

Zvuk jako mechanické vlnění

Jelikož definice zvuku zní: "Zvukem je každé mechanické vlnění v látkovém prostředí, které je schopno vyvolat v lidském uchu sluchový vjem.", rozhodl jsem se věnovat celou jednu kapitolu stručné charakteristice mechanického vlnění.

Mechanické kmitání je děj, při němž se kmitání šíří látkovým prostředím. Šíření vln není spojeno s přenosem látky, avšak vlněním se přenáší energie.

Mechanické vlnění vzniká v látkách všech skupenství a jeho příčinou je existence vazebných sil mezi částicemi (atomy, molekulami) prostředí, kterým se vlnění šíří. Kmitání jedné částice se vzájemnou vazbou přenáší na další částici. Současně se na tuto částici přenáší energie kmitavého pohybu. Takovéto prostředí se označuje jako pružné prostředí. Přenosem kmitání mezi částicemi pružného prostředí se vytváří vlna. Jestliže hmotný bod, který je zdrojem vlnění, kmitá harmonicky, vzniká mechanická vlna sinusového průběhu. Platí zde vztah:

kde je vlnová délka, v rychlost postupného vlnění, T perioda a f frekvence kmitání. Vlnová délka je vzdálenost dvou nejbližších bodů, které kmitají se stejnou fází.

Vznik postupné vlny je dobře patrný z obr. 1. Existují dva typy postupného mechanického vlnění:

1.                   Postupné vlnění příčné, kdy hmotné body pružného prostředí kmitají kolmo na směr, kterým vlnění postupuje.

2.                   Postupné vlnění podélné, při němž částice pružného prostředí kmitají ve směru, kterým vlnění postupuje. Vzniká v tělesech všech skupenství, tedy i v kapalinách a plynech, která jsou pružná při změně objemu (tzn. při stlačování a rozpínání). Důležité je, že se zvuk šíří právě tímto vlněním

  Základní pojmy akustiky

Zdroj zvukového vlnění se stručně nazývá zdroj zvuku a hmotné prostředí, v kterém se toto vlnění šíří, jeho vodič. Vodič zvuku, obyčejně vzduch, zprostředkuje spojení mezi zdrojem zvuku a jeho přijímačem (detektorem), kterým bývá v praxi ucho nebo mikrofon.

Zdrojem zvuku může být každé těleso v stojatém vlnění, v chvění. O vlnění v okolí zdroje zvuku však nerozhoduje jen jeho chvění, ale i okolnost, jestli je tento předmět dobrým nebo špatným zářičem zvuku. Tato jeho vlastnost závisí hlavně na jeho geometrickém tvaru. Struna napnutá mezi dvěma pevnými body tělesa s velkou hmotností není dobrým zářičem zvuku, protože při chvění struny vzniká přetlak ve směru jejího pohybu a současně na opačné straně podtlak. Tím se nejbližší okolí struny stává druhotným zdrojem dvou vlnění, které se šíří na všechny strany prakticky s opačnou fází, protože příčné rozměry struny jsou vzhledem na vlnovou délku zvukového vlnění vždy velmi malé. Tyto dvě vlnění se interferencí ruší.

Zvuky rozdělujeme na hudební (tóny) a nehudební. Nehudebním zvukem je každé nepravidelné vlnění vodiče zvuku, jehož příčinami jsou nepravidelné rozruchy (srážka dvou těles, výstřel, přeskočení elektrické jiskry apod.). Na rozdíl od nehudebních zvuků jsou hudební zvuky podmíněné pravidelným, v čase periodicky probíhajícím pohybem hmotného prostředí. Při jejich poslechu vzniká v uchu časově se neměnící, a proto příjemný vjem, který se využívá v každé hudbě. Zdrojem hudebních zvuků mohou být například lidské hlasivky, různé hudební nástroje, případně i reproduktory zvuku.

Každý zvuk, hudební i nehudební, se vyznačuje svojí fyzikální intenzitou, s kterou je rovnocenná veličina nazývaná hladina intenzity zvuku, a fyziologickou hladinou své hlasitosti. Mimo to se hudební zvuky vyznačují ještě výškou a zabarvením.

Základní akustické veličiny

Zvuky vnímáme jako silné nebo slabé. Za objektivní fyzikální míru síly zvuku byla zvolena střední hodnota intenzity příslušného zvukového vlnění, která má význam energie vlnivého pohybu, procházejícího za jednotku času skrz plošnou jednotku, kolmou na směr postupu vlnění.

V důsledku toho, že sluch je nestejně citlivý pro tóny různých výšek, může být subjektivní síla zvuku neboli hladina jeho hlasitosti různá i u dvou zvuků se stejnou intenzitou. Mimo to platí, že subjektivní síla zvuku neroste úměrně s jeho fyzikální intenzitou, ale zhruba podle Weberova a Fechnerova fyziologického zákona: roste-li fyzikální intenzita tónu i dané frekvence geometricky, jeho subjektivní účinek h se zvětšuje přibližně jen aritmeticky (se stejným přírůstkem).

Jednotka hladiny hlasitosti byla určena jako desetina rozdílu hladin hlasitosti dvou zvuků, z nichž hlasitější má fyzikální intenzitu desetkrát větší než druhý - nazývá se fón (značka Ph). Z této definice jednotky hladiny hlasitosti vyplývá, že pokud fyzikální intenzity dvou zvuků splňují vztah , jejich hladiny hlasitosti se odlišují o 10 Ph. Z rovnic a dělením vyplývá

To znamená, že .

Podle tohoto výsledku vztah mezi hladinou hlasitosti a intenzitou vyjadřuje vzorec, který vyplývá už z rovnice : , neboli .

Tento vzorec se však pro běžné používání v akustické praxi nehodí, protože předpokládá znalost prahové intenzity pro zvuky různých výšek a charakteru. Z tohoto důvodu se pomocí naposledy zmíněného vzorce určuje jen hladina hlasitosti tzv. referenčního tónu, tj. jednoduchého harmonického tónu s frekvencí 1 000 Hz, jehož zvukový práh je watt/cm². Hladina hlasitosti referenčního tónu je tedy určena vzorcem

Hladina hlasitosti jiných zvuků byla definována takto: Hladina hlasitosti zvuku se rovná hlasitosti pro lidské ucho stejně silného jednoduchého tónu s frekvencí 1 000 Hz.

Veličina definovaná pro jakýkoliv zvuk vzorcem

Dělená reprodukce zvuku

Používá se pro jakostní reprodukci celého akustického pásma. Při 2 pásmové reprodukci je to pásmo nízkých a vysokých frekvencí a při 3 pásmové je to pásmo nízkých, středních a vysokých frekvencí. Pro celé pásmo vyhovují středové od 100Hz do 10KHz. K rozdělení akustického pásma se používají výhybky. Jsou to dvojbrany s kondenzátory a cívkami, v zapojení jako horní a dolní pásmová propust. Dělící frekvence se volí 600-800Hz mezi hloubky a středy. 6-8KHz se volí mezi středy a výškami. Pro jednodušší soustavy se používá útlumová charakteristika se strmostí 6dB/oktávu a u složitějších 12dB/oktávu.

Reproduktorové soustavy s libovolným počtem pásem řešíme tak, že postupně od nejnižšího kmitočtového pásma počítáme jednotlivé součástky jako pro dvou pásmové soustavy, vždy pro další sousední reproduktor a jeho dělící kmitočet. Pro usnadnění používáme h(n)omogram a výsledné hodnoty platí pro 6dB/dek. Pro strmost 12dB/dek. Indukčnost násobíme 1,414 a kapacity 0,707. A použité součástky mohou mít toleranci ±15% aniž se poruší správná funkce vyhýbky. Je to z důvodu výrobní tolerance reproduktorů, po stránce citlivosti a impedance mají vždy vliv na průběh vyhýbky a dělící kmitočet než tolerance použitých součástek na vyhýbku.

Kondenzátory nejlépe použít z metalizovaného papíru (MP) – stárnutím se nemění moc tolerance a ztráty. Napětí je malé do 30W a R_z = 15W U < 40V. Větší C se vytvoří paralelním řazením více C. Elektrolitické kondenzátory lze použít pro malé nízké dělící kmitočty, kde jsou potřebné kapacity značných velikostí. Doporučuje se zde zapojit C bipolárně. –||+ +||–.

Před zapojením do vyhýbky ke nutno  změřit C a každých 5 let je přeměřit. Do vyhýbky pro tónové repro se použití nedoporučuje. Protože mají velký činitel ztrát a pro vyšší oblast pásma působí jako parazitní indukčnost.

Pro přizpůsobení repra a soustav se užívají převodní trafa. Je i možné celou soustavu napájet jedním trafem a jednotlivá pásma napájet z odboček.

U dražších soustav se používají regulátor, kterým je možno ovládat vyvážení vyhýbky středo nebo vysoko tónového reproduktoru. Nechají se s tím zdůraznit jednotlivé nástroje. Dosahuje se toho zařízením reg. R mezi reproduktorem a vyhýbkou. Většinou se užívá jedn. potenciometr s R 5x větším než R.

Návrh 2 pásmové výhybky 6dB/oktávu : Navrhněte 2 pásmovou výhybku pro frekvenční pásmo 20Hz-20KHz. Strmost 6dB/oktávu. Dělící frekvence fm = 600Hz, R1 = 4W, R2 = 8W
Návrh 2 pásmové vyhýbky 12dB/oktávu :
Návrh 3 pásmové vyhýbky 6dB/oktávu :

Návrh jednovrstvé válcové cívka bez jádra :

Na kostru průměru D₁=7mm má být navinuta cívka s indukčností L=5mH. Efektivní hodnota procházejícího proudu I=0,45A ( )

Řešení : Zvolíme s = 1,5A/mm². Průřez drátu q = I/s = 0,45/1,5 = 0,30mm². Z toho průměr drátu d = 0,62mm( ). Volíme normalizovaný průměr d = 0,63mm. Použitý vodič má s izolací průměr d‘ = 0,685mm. Odhadneme počet závitů N = 50 a určíme délku cívky b = N.d‘ = 34,25mm. Vypočítáme průměr cívky D = D₁ + d‘ = 7,685mm a poměr D/b = 0,224. Z tabulky plyne interpolací k = 8,9936. Ze vztahu pro indukčnost dostaneme . Vypočtená indukčnost je značně menší něž požadovaná indukčnost. Proto zvětšíme počet závitů. Zvolíme N = 65. Při opakovaném výpočtu dostaneme L = 5,14mH.