Intenzita a Decibelová stupnice

V této části se podíváme na intenzitu zvukové vlny, princip obráceného čtverce a velmi jednoduchým způsobem si představíme základy decibelové stupnice.

INTENZITA

Zvukové vlny jsou vneseny do média pomocí vibrace zdroje, například vibrující struna kytary přinutí svými vibracemi molekuly v jejím okolí k jejich kompresím a rozptylům a tím vytvoření tlakové poruchy která se skládá ze střídavých proměn komprese a rozptylu.

Tyto proměny jsou přenášeny molekulu po molekule skrze médium čímž přenášejí energii. Energie, kterou tlaková porucha přenáší byla vytvořena vibrující strunou a síla této energie, která je vnesena do média je tedy závislá na síle vibrací této struny.

 

Jestliže vložíme více energie do brnknutí, znamená to že více síly je vynaloženo na přemístění struny z její klidové pozice a struna pak vibruje vetší silou a tím pádem i většími rozkmity. Větší amplituda (síla) vibrací struny přenáší do média větší energii, což znamená že atomy mohou být vychýleny ze své klidové pozice na větší vzdálenost.  Amplituda (síla) vibrací atomů média se bude zvyšovat v závislosti na zvýšení množství energie přenášené na atomy.

INTENZITA je definována množstvím energie přenesené určenou oblastí v daném časovém úseku . Čím větší je amplituda vibrací atomů media, tím větší je síla přenášené energie což znamená větší intenzitu zvukové vlny.

INTENZITA = Energie / (oblast x čas)

a jelikož poměr Energie / čas je ekvivalent množství výkonu, tak intenzita je akustický výkon / jednotka plochy  a její jednotkou je Watt/m2 

Když zvuková vlna přenáší svoji energii skrze dvou- či tří-dimenzionální prostředí, intenzita zvukové vlny se zeslabuje s zvyšující se vzdáleností od zdroje svého vzniku. Zeslabování intenzity se zvyšující se vzdáleností je dáno faktem, že vlna se rozptyluje 2-dimenzionálně (válec či vertikální plocha) nebo 3-dimenzionálně (koule) do prostoru.

I když existují 2D modely přenosu intenzity a jeho intenzity my si představíme pouze kulovité šíření.

Kulovité šíření vlny

Dříve než vám objasním tento způsob šíření vlny, zastavíme se u pana Newtona na čaj, abychom si připoměli jeden z jeho zákonů a to zákon o velikosti gravitační síly. A to že gravitační síla klesá s druhou odmocninou vzdálenosti od zdroje. To znamená, že při zdvojnásobení vzdálenosti klesne síla 4-krát, při ztrojnásobení 9-krát atd. Jestliže máme čtverec o straně  A  pak obsah čtverce neboli jeho plocha je dána jeho druhou odmocninou A2 .

Matematický vztah mezi intenzitou a vzdáleností se nazývá zákon převráceného čtverce protože se jedná o takzvanou nepřímou úměrnost, to znamená že jedna hodnota se zmenšuje v závislosti na zvětšování se hodnoty druhé. V našem případě se zmenšuje intenzita při zvětšování vzdálenosti od zdroje.

Pro lepší pochopení si jako zdroj představte baterku (kapesní svítilnu), zatím co kužel světla se zvětšuje, intenzita světla se zmenšuje s narůstající vzdáleností. To znamená že ten samý signál je rozptýlen na větší plochu. Teď ale zpět k šíření vlny.

 

Jak jsem již zmínil signál se šíří dle zákona obráceného čtverce to znamená že když se vzdálenost od zdroje zdvojnásobí pak pokles intenzity bude čtyřnásobný, když se vzálenost od zdroje zčtyřnásobí pak pokles intenzity bude 16-ti násobný atd.

Jako příklad si představme že měřící pozice bude 1m od zdroje a naměřená hodnota na této pozici bude 100dB. Jak vidíte na obrázku pozice 2r má ¼ intenzity, 3r 1/9 intenzity. Jaká tedy bude intenzita na pozici 4r?

I= 1/r2 = 1/42 = 1/16

z výpočtu vyplývá že pokles intenzity na pozici 4r 16-ti násobný

100 : 16 = 6.25

Intenzita na pozici 4r bude 6.25 dB

Pozn: hodnoty dB jsou pouze jako příklad. Vše je odvozeno od síly signálu vyslaného zdrojem a pozici měření intenzity.

 

DECIBEL

Lidský sluch je velmi senzitivní a dovede zachytit signál s extrémě nízkou intenzitou. Nejtišší zvuk který je lidský sluch schoepn rozeznat je 1*10-12 W/m 2. Tato intenzita odpovídá tlaku vlny,  jejíž komprese atomů zvýší tlak vzduchu v kompresní oblasti o 0.3 miliontiny atmosféry. Zvuk o intenzitě 1*10-12 vychýlí atomy vzduchu o 1-miliontinu centimetru. Pro lepší představu to znamená že lidský sluch je shopen zachytit bzukot komářích křídel ze vzdálenosti zhruba 2 m.

Je až neuvěřitelné co ucho dovede zachytit, tento netišší zvuk který náš sluch dovede zachytit se nazývá “práh slyšení”, a nejhlasitější zvuk který lidský sluch může zachytit bez poškození je více než 1-milion krát intenzivnější než “práh slyšení”.

Jelikož rozsah intenzit které je ucho schopno zachytit je obrovský, pak stupnice kterou používají fyzici pro měření intenzity je založena na násobcích 10. Tento druh stupnice se označuje jako stupnice logaritmická a stupnice pro měření intenzity se nazývá Decibelová stupnice.

Prahu slyšení (Io)je připsána hodnota 0 decibelů (0dB). Tento zvuk který je způsoben vibrací která menší než průměr jedné molekuly má intenzitu akusického tlaku  1*10-12 W/m 2.

Zvuk který má intenzitu 10-krát větší (1*10-11 W/m2) má hodnotu  10 dB.

Zvuk s intenzitou 10*10 čili 100-krát větší (1*10-10 W/m2) má hodnotu  20 dB

Zvuk s intenzitou 10*10*10 čili 1000-krát větší (1*10-9 W/m2) má hodnotu  30 dB

Zvuk s intenzitou 10*10*10*10 čili 10 000-krát větší (1*10-8 W/m2) má hodnotu 40 dB

Zdroj Intenzita Hodnota
Práh sluchu 1*10-12 W/m2 0 dB
Šumění listů 1*10-11 W/m2 10 dB
Šeptání 1*10-10 W/m2 20 dB
Normální konverzace 1*10-6 W/m2 60 dB
Rušná ulice 1*10-5 W/m2 70 dB
Vysavač 1*10-4 W/m2 80 dB
Velký orchestr 6.3*10-3 W/m2 98 dB
Přední řada na rockovém koncertu 1*10-2 W/m2 110 dB
Práh Bolesti 1*101 W/m2 130 dB
Stíhačka při vzletu 1*102 W/m2 140 dB
Trvalé protržení ušního bubínku 1*104 W/m2 160 dB

Rozdíl v intenzitě zvuku mezi prahem sluchu a prahem bolesti je v řádech bilionů (10–12 W/m 2 a 1 W/m2), a proto se hladina intenzity zvuku pro snadnější a přehlednější výpočty vyjadřuje pomocí relativní jednotky Bel (B) či decibel (dB).  Zvýšíme-li  hladinu intenzity zvuku o 1 dB, zvýší se intenzita zvuku zhruba o 26 %, což je nejmenší rozdíl, který je zdravé ucho schopno postřehnout.

Zatím co intenzita zvuku je objektivní veličina která může být měřena citlivými přístroji, hlasitost zvuku je subjektivní vjem který je ovlivněn více faktory. Ten samý zvuk nebude mít tu samou hlasitost pro všechny, a věk je jedním z faktorů který ovlivňuje citlivost lidského ucha.

Naši prarodiče nemají takový sluch jaký mívali, a ta samá intenzita nebude pro ně mít tu samou hlasitost s jakou ji slyšíme my. Kromě toho dva zvuky s tou samou intenzitou ale rozdílnou frekvencí nebudou mít tu samou hlasitost.

Děje se tak proto, že lidské ucho více citlivější v rozmezí 1000 Hz – 5000 Hz, a proto nám bude zvuk v těchto frekvencích znít hlasitěji. I navzdory rozdílu mezi intenzitou a hlasitostí však můžeme říci, že intenzivější zvuk bude vnímán jako hlasitější.

Tags:

KONTAKT

Napište svoji zprávu a já se s vámi v nejbližší době spojím

Sending

©2018 ADM magazín

Designed by Stan Skrivanek at FineDiv Studio

or

Log in with your credentials

Forgot your details?