Akustika

Tyto akustika (z řeckého ἀκούειν (vyslovoval „akuein“) slyšet ‚nebo akoustikós , slyšení týkající se‘) je věda o zvuku a jeho šíření. V oblasti vědy je zahrnuta řada souvisejících aspektů, jako je původ a generace, šíření, ovlivňování a analýza zvuku, jeho vnímání uchem a vliv na člověka a zvířata. Akustika je interdisciplinární předmět, který staví na znalostech z mnoha odborných oblastí, včetně fyziky , psychologie , komunikačního inženýrství a vědy o materiálech . Akustika je také (fuzzy) rozdělena do tří podoblastí:

Mezi nejdůležitější aplikace akustiky patří výzkum a snižování hluku , snaha o vytvoření příjemného zvuku nebo o přenos akustických informací , jako je tón . Kromě toho je použití zvuku pro diagnostiku nebo pro technické účely důležitou aplikací akustiky.

Dějiny

Prvním systematickým zájmem o akustiku bylo zavedení tónových systémů a nálad v hudbě ve 3. tisíciletí před naším letopočtem. V Číně . Ze západního starověku předával vědeckou studii akustiky mj. Pythagoras ze Samosu (přibližně 570–510 př. N. L.), Který matematicky analyzoval vztah mezi délkou struny a výškou tónu v monochordu , některá zjištění připisovaná jako je Pythagoras v kovárně , ale jsou spíše legendou. Chrysippos ze Soli (281–208 př. N. L.) Rozpoznal vlnový charakter zvuku srovnáním s vlnami na hladině vody. Římský architekt Vitruvius (přibližně 80–10 př. N. L.) Analyzoval šíření zvuku v amfiteátrech a předpokládal šíření zvuku jako sférickou vlnu . Popsal také způsob působení Helmholtzových rezonátorů pro absorpci nízkofrekvenčního zvuku.

Helmholtzův rezonátor vyrobený z mosazi přibližně od roku 1900

Leonardo da Vinci (1452–1519) mimo jiné uznal, že vzduch je nezbytný jako médium pro šíření zvuku a že zvuk se šíří konečnou rychlostí. Autor Marin Mersenne (1588-1648), mimo jiné vědecké poznatky o povaze zvuku a první indikace pochází z experimentálně určené rychlosti zvuku . Galileo Galilei (1564–1642) popsal vztah mezi výškou tónu a frekvencí, což je důležité pro akustiku . Joseph Sauveur (1653–1716) zavedl pojem „akustika“ pro teorii zvuku. Isaac Newton (1643–1727) byl první, kdo vypočítal rychlost zvuku na základě teoretických úvah, zatímco Leonhard Euler (1707–1783) našel vlnovou rovnici pro zvuk v dnešní podobě. Ernst Florens Friedrich Chladni (1756–1827) je považován za zakladatele moderní experimentální akustiky; našel chladnianské zvukové postavy , které zviditelňují přirozené vibrace desek.

Na počátku 19. století začalo intenzivní zaměstnání akustikou a tomuto tématu se věnovalo mnoho vědců. Například Pierre-Simon Laplace (1749–1827) shledal adiabatické chování zvuku, Georg Simon Ohm (1789–1854) předpokládal schopnost sluchu rozdělit zvuky na základní tóny a harmonické a Hermann von Helmholtz (1821– 1894) zkoumané vnímání tónu popsalo Helmholtzův rezonátor a John William Strutt, 3. baron Rayleigh (1842-1919) publikoval „Theory of Sound“ s mnoha matematicky založenými poznatky týkajícími se zvuku, jeho původu a šíření.

Ve druhé polovině 19. století byly vyvinuty první akustické měřicí a záznamové přístroje, Phonautograf od Édouard-Léona Scotta de Martinville (1817-1897) a později fonograf od Thomase Alvy Edisona (1847-1931). August Kundt (1839–1894) vyvinul Kundtovu trubici a použil ji k měření stupně absorpce zvuku .

Od počátku 20. století byly široce využívány stávající teoretické znalosti o akustice. Takto se vyvinula akustika vědecké místnosti , kterou založil Wallace Clement Sabine , s cílem zlepšit slyšitelnost místností. Vynález elektronové trubice v roce 1907 umožnil široké použití elektroakustické přenosové technologie. Paul Langevin (1872–1946) použil ultrazvuk pro technické umístění objektů pod vodou ( sonar ). Heinrich Barkhausen (1881–1956) vynalezl první zařízení pro měření objemu . Vědecké časopisy byly vydávány přibližně od roku 1930 a jsou výhradně věnovány tématům souvisejícím s akustikou.

Jedním z nejdůležitějších aplikací akustiky v první polovině 20. století bylo snížení hluku, například se neustále vylepšoval tlumič výfuku motorových vozidel. Se zavedením proudových motorů kolem roku 1950 a redukcí hluku nezbytnou pro úspěšné použití se vyvinula aeroakustika , která byla v zásadě založena na díle Michaela Jamese Lighthilla (1924–1998).

Podoblasti

Tlumič výfuku na autě

Akustika řeší velké množství různých aspektů:

Analytické metody

Frekvenční analýza

Kromě zohlednění časově zprůměrovaného zvukového pole a množství zvukové energie se často měří také časové vychýlení , např. B. tlakový signál a podroben frekvenční analýze. Vztah mezi takto získaným kmitočtovým spektrem a zvukem viz zvukové spektrum . Časová změna v rámci zvukové události je přístupná prostřednictvím krátkodobé Fourierovy transformace . Změny ve spektru během procesu zvukového záření, šíření a měření nebo vnímání jsou popsány příslušnou frekvenční odezvou . Křivky vážení frekvence berou v úvahu frekvenční odezvu ucha .

Rezonanční analýza

Analýza akustické rezonance hodnotí výsledné rezonanční frekvence, když je tělo nastaveno na oscilaci impulzivním buzením, jako je rána . Pokud je tělo oscilačním systémem, který se tak po určitou dobu vyznačuje charakteristickými frekvencemi, tělo vibruje v takzvaných přirozených vlastnostech nebo rezonančních frekvencích - krátkých rezonancích.

Analýza objednávek

Při analýze objednávek jsou analyzovány zvuky nebo vibrace rotujících strojů. Na rozdíl od frekvenční analýzy není energetický obsah hluku vynesen proti frekvenci, ale proti pořadí. Pořadí odpovídá násobku rychlosti.

Laboratoře

Místnost s nízkým odrazem (místnost s volným polem) TU Dresden - celkový objem 1 000 m 3

Místnost s nízkým odrazem

Bezodrazová pokoj , někdy nesprávně nazývá „bezodrazová“ místnost, má absorpční materiál, na strop a stěny tak, že pouze minimální odrazy vyskytují a podmínek jako v přímém pole D (volném prostranství nebo volného zvukového pole) převažují, se akustického tlaku na 1 / r zákon vzdálenosti od bodového zdroje zvuku klesá. Takové místnosti jsou vhodné pro hlasové záznamy a pro pokusy o lokalizaci zdrojů zvuku. Pokud se intenzita zvuku procházející vertikálně tímto povrchem měří na imaginární obálce kolem zdroje zvuku, lze určit zvukový výkon zdroje. Místnost s nízkým odrazem a podlahou odrážející zvuk se označuje jako místnost s polovičním polem sousedící s místností s volným polem.

Otevřený prostor

Pokoj ve volném poli je speciální design bezodrazové místnosti. Zde je však podlaha také pokryta absorpčním materiálem. Vzhledem k tomu, že po tomto opatření již nelze po podlaze chodit, je na něj obvykle umístěna zvukově propustná mřížka, která umožňuje přístup k měřenému objektu. Tyto místnosti se používají v technologii akustického měření, aby bylo možné provádět cílené analýzy zdrojů zvuku - také pod měřeným objektem.

Dozvukovou místnost

Sál TU Drážďany

Dozvuk místnosti, na druhou stranu, je konstruován tak, že úvahy o stejné velikosti ze všech směrů scházejí v libovolném místě zvukového pole. V ideální dozvukové místnosti, s výjimkou oblasti přímo kolem zdroje zvuku (viz poloměr dozvuku ), převládá na každém místě stejný akustický tlak. Takové zvukové pole se nazývá difuzní pole . Protože zvukové paprsky dopadají ze všech směrů současně, není v difuzním poli žádná intenzita zvuku. Aby se zabránilo rezonanci v dozvukové místnosti, je obvykle postavena bez stěn a stropů, které jsou navzájem rovnoběžné. Místnosti může být kalibrován za použití doba dozvuku měření nebo referenčního zdroje zvuku . Zde se určuje rozdíl mezi hladinou akustického tlaku měřenou na jakémkoli místě v místnosti, dostatečně daleko za poloměrem dozvuku, a hladinou akustického výkonu zdroje zvuku. Tento rozdíl je závislý na frekvenci a zůstává nezměněn, pokud se nezmění struktura místnosti a stupeň absorpce stěn. V dozvukové místnosti lze tedy teoreticky určit zvukový výkon zdroje pomocí jediného měření akustického tlaku. To je např. B. velmi užitečné pro otázky v oblasti zvukové izolace .

Akustika v přírodě

Akustika v živých věcech

Většina vyšších zvířat má sluch . Zvuk je důležitým komunikačním kanálem, protože má prakticky okamžitý účinek na dálku . Při vokalizaci dostávají zvířata prostředky k označení svého území , hledání partnerů nebo smeček , hledání kořisti a komunikaci nálad, varovných signálů atd. Rozsah lidského sluchu leží mezi prahem sluchu a prahem bolesti (přibližně 0 dB HL až 110 dB HL).

Fonologie

Při generování zvuků v kontextu fonologie se obecně rozlišuje mezi znělými a neznělými fonémy . U vyjádřených fonémů, které se nazývají samohlásky , se v hrtanu generují „syrové“ zvuky vibracemi hlasivek , které jsou poté v hltanu a nosní dutině modulovány různými libovolně ovlivnitelnými nebo nezměnitelnými rezonančními prostory specifickými pro jednotlivce . V neznělých fonémech jsou souhlásky , hlasivky v klidu, zvuk je vytvářen modulací proudění vzduchu. V šeptání , i samohlásky jsou tvořeny pouze modulací spektrum v hluku nuceným proudem vzduchu, se hlasivky odpočívá.

Odborné vzdělávání

Akustičtí profesionálové jsou označováni jako akustici nebo akustičtí inženýři. Anglické pracovní pozice jsou akustický inženýr nebo akustik. Obvyklým přístupem k této oblasti práce je titul z fyziky nebo odpovídající inženýrský titul. Akustici naslouchátek pracují v oblasti lékařské technologie a ve své profesi využívají fyzikální i lékařské znalosti.

literatura

  • Friedrich Zamminer: Hudba a hudební nástroje ve vztahu k zákonům akustiky . Ricker, 1855. Online
  • Wilhelm von Zahn : O akustické analýze vokálních zvuků (= program Thomasovy školy v Lipsku 1871). A. Edelmann, Lipsko 1871.
  • Dieter Ullmann: Chladni a vývoj akustiky v letech 1750-1860 . Birkhäuser, Basel 1996, ISBN 3-7643-5398-8 (Science Networks Historical Studies 19).
  • Hans Breuer: dtv-Atlas Physik, svazek 1. Mechanika, akustika, termodynamika, optika . dtv-Verlag, Mnichov 1996, ISBN 3-423-03226-X .
  • Heinrich Kuttruff: akustika . Hirzel, Stuttgart 2004, ISBN 3-7776-1244-8 .
  • Gerhard Müller a Michael Möser: Kapesní kniha technické akustiky . 3. Vydání. Springer, Berlin 2003, ISBN 3-540-41242-5 .
  • Ivar Veit: Technická akustika . Vogel-Verlag, Würzburg 2005, ISBN 3-8343-3013-2 .
  • Jens Ulrich a Eckhard Hoffmann: Akustika sluchu - teorie a praxe . DOZ-Verlag, 2007, ISBN 978-3-922269-80-9 .

webové odkazy

Commons : Acoustics  - sbírka obrázků, videí a zvukových souborů
Wikislovník: Akustika  - vysvětlení významů, původ slov, synonyma, překlady
Wikibooks: Základy akustiky  - výukové a výukové materiály

Individuální důkazy

  1. ^ H. Backhaus: Akustik (Handbook of Physics, svazek 8), 1927; Výňatky z dotisku dostupné online: H. Backhaus, J. Friese, EMv Hornbostel, A. Kalähne, H. Lichte, E. Lübcke, E. Meyer, E. Michel, CV Raman, H. Sell, F. Trendelenburg: Akustik . Springer-Verlag, 13. března 2013, ISBN 978-3-642-47352-4 , s. 477.
  2. ↑ awi.de , Oceanic Acoustics (4. března 2017)
  3. ↑ deutschlandfunk.de , rozhlasová hra , 17. prosince 2017: Ve tmě mě nechám přebývat - Lieder aus der Finsternis (4. března 2017)