Šíření akustického vlnění

Akustika je nauka o slyšitelném zvuku, ultrazvuku a infrazvuku. Slyšitelným zvukem rozumíme zvuk o frekvenci 16-20000 Hz, Ultrazvukem pak hodnoty nad 20 kHz a infrazvukem hodnoty do 16 Hz.

Zvuk je mechanické vlnění látkového prostředí, šíří se tedy v plynech, kapalinách i pevných látkách (ve vakuu se zvuk nešíří).

Zdroje zvuku jsou tělesa, ve kterých vzniká chvění, které se přenáší na okolní prostředí a v něm se dále šíří jako postupná vlna mechanického vlnění. Příkladem budiž struna, tyč, blána atd.

Pro popsání zvukové vlny se používá akustický tlak, rychlost částic a intenzita zvuku.

Základními veličinami, které popisují šíření akustického vlnění, jsou: frekvence kmitavého pohybu f (Hz) a rychlost šíření c (m/s). Z těchto dvou veličin můžeme dále odvodit vlnovou délku λ (m). Ta je dána vztahem: λ = c/f neboli λ = c.T.

Periodické zvuky se nazývají tóny nebo hudební zvuky. Jestliže má zvuk harmonický průběh, je to jednoduchý tón. Periodické zvuky složitějšího průběhu označujeme jako složené tóny. Mezi hudební zvuky patří nejen zvuky hudebních nástrojů, ale např. i samohlásky řeči, jejichž zvuk je periodický, ale není harmonický. Odlišnost časového průběhu zvuků z různých zdrojů nám umožňuje jejich vzájemné odlišení (např. rozpoznání hlasů různých lidí, různých hudebních nástrojů). Hudební tóny tvoří řada harmonických kmitání o různé frekvenci a amplitudě, jejichž superpozicí pak vzniká výsledný složený tón. Neperiodické zvuky vnímáme jako hluk (zvláštním případem je pak šum doprovázející sluchové vjemy prakticky neustále). Neperiodický průběh mají také souhlásky.

Akustický signál se šíří od zdrojů ve formě vlnoploch, které jsou závislé na rozměrech zdroje. Zvuk se akustickým polem šíří podle Huyghensova principu.

Zvuková vlna se ohýbá kolem objektů, které jsou s ní srovnatelně dlouhé. Pro slyšitelné frekvence je to pár centimetrů až asi 21 metrů. Díky ohybu tedy zvuk slyšíme i za překážkami. Vyskytne-li se více vln současně, dochází opět k interferenci. Pakliže jsou frekvence nehodné, nebo jejich poměr není celé číslo, většinou vznikají takzvané zázněje - rázy, což je kolísání intenzity zvuku.

Akustický odpor:

Rázová vlna

Pokud se pohybuje těleso ve vzduchu rychlostí, která je větší než rychlost zvuku ve vzduchu - vzniká tak zajímavý jev, kterému se říká "sonický třesk" anebo také "rázová vlna". S tímto jevem se lze setkat i u výstřelu nábojnice ze zbraně či u výbuchu bomby. Rázová vlna je občas slyšitelná za letícím objektem anebo jí můžeme pozorovat v případě velké exploze. Lze být také viditelná v případě, že si natočíme na video výstřel ze zbraně a ten se zpomalí.

Pohybuje-li se těleso vzduchem/plynem, který se nachází bez kinetické změny (bez pohybu, je v klidu), tak těleso naruší svým pohybem tento klidný prostor a vznikne porucha v rovnovážném stavu vzduchu/plynu, která se začne automaticky vzduchem/plynem v návaznosti na sebe šířit, jakožto řetězová reakce. Pokud tento projev trvá dostatečně dlouho, tak jej může vnímat sluchem - jedná se totiž o vznik zvuku.

Pokud se bude těleso pohybovat konstantní rychlostí, která je menší než velikost rychlosti zvuku v konkrétním prostředí, tak vzniknou poruchy ve vzduchu či v plynu, které se šíří všemi směry a vytváří se tak kulová vlna.

Velikost rychlosti zvuku se totiž ve vzduchu výrazně mění s rostoucí nadmořskou výškou, je to z toho důvodu, že se zde výrazně mění hustota vzduchu. S rostoucí nadmořskou výškou hustota vzduchu klesá - proto Machovo číslo, které je platné pro výšku 1 kilometru není stejné, jako například v 10 kilometrech.

Jakmile letadlo překročí rychlost zvuku, tak poruchy, které způsobuje ve vzduchu nechává za sebou - poruchy se totiž šíří rychlostí zvuku do prostředí klidu, jenž není narušeno žádnou zvukovou vlnou. V případě, že bychom se postavili před letadlo, které by letělo k nám, tak bychom jej jen viděli, ale neslyšeli. Pokud budeme stát na povrchu - několik desítek kilometrů pod letadlem, tak jej uvidíme i uslyšíme.

Vztah mezi velikostí rychlosti pohybu tělesa "v" a velikostí rychlostí zvuku "c" v konkrétním prostředí a v dané výšce vyjadřuje tzv. "Machovo číslo":

Výsledkem je buďto podzvuková rychlost anebo nadzvuková rychlost objektu. Nadzvukovou rychlost vytvoří těleso, které se pohybuje z pravidla ve vzduchu rychlostí nad 1000 km/hodinu. Pokud letoun letí nad povrchem, tak se jedná o 1226,5 km/hodinu a pokud se jedná o let v 11 kilometrech se jedná o rychlost letounu 1061,3 km/hod.

Ráz: jedná se o "skokovou" změnu hustoty prostředí i tlaku. Skokový nárůst tlaku se postupně v daném míst vyrovnává.

Z obr. 60 je zřejmé, že nejhlasitěji bude rázová vlna vnímána přímo pod dráhou pohybujícího se tělesa, protože se rázová vlna velmi rychle tlumí při šíření vzduchem; přímo pod drahou tělesa urazí nejkratší vzdálenost směrem k pozorovateli. Navíc se uplatňuje vliv lomu zvukových paprsků, takže pod dráhou letadla je hladina akustického tlaku výrazně vyšší (dosahuje hodnot až ) než v oblastech přilehlých.

I když je rázová vlna vytvářena tělesem po celou dobu jeho nadzvukového pohybu, případný pozorovatel může slyšet rázovou vlnu pouze jedenkrát, a to v okamžiku protnutí Machovy linie (viz obr. 60) s místem pozorovatele. Úhel , který svírá Machova linie se směrem pohybu tělesa, je dán vztahem .

Není pravda, že rázovou vlnu (zvukový třesk) slyšíme pouze v okamžiku překročení rychlosti zvuku.

Kromě letícího letadla je možné se s rázovou vlnou setkat např. při výstřelu ze zbraně, různých explozích, práskání biče, ...