Detail předmětu

Fyzikální akustika

FEKT-MPC-FYAAk. rok: 2024/2025

Předmět se věnuje partiím fyzikální akustiky. Je zde provedeno shrnutí matematického aparátu potřebného ke studiu této oblasti. Následně jsou rozšířeny poznatky týkající se zvukových vln, se kterými se studenti seznámili v povinných kurzech Fyzika 1 a Fyzika 2 v průběhu bakalářského studia. Vše je následně aplikováno na problematiku sestavení a řešení vlnové rovnice pro zvukové vlny v různých typech prostředí a jsou zkoumány vlastnosti těchto vln. Studenti jsou také seznámeni se základními pojmy a zákony z oblasti ultrazvuku, ultrazvukové defektoskopie a akustické emise.

Jazyk výuky

čeština

Počet kreditů

7

Garant předmětu

prof. Ing. Pavel Koktavý, CSc. Ph.D.

Zajišťuje ústav

Ústav fyziky (UFYZ)

Vstupní znalosti

Student, který si zapíše předmět, by měl mít znalosti na úrovni absolventa předmětů Fyzika 1 a Fyzika 2.

Pravidla hodnocení a ukončení předmětu

Hodnocení studia je založeno na bodovacím systému. Celkové maximální hodnocení předmětu je 100 bodů.
Student získá až:
- 20 bodů za samostatné úkoly v počítačovém cvičení,
- 20 bodů za projekt,
- 60 bodů za zkoušku (písemná část 40 bodů a ústní část 20 bodů).
Pro postup do ústní části je nutné získat v písemné části alespoň 15 bodů.
Pro úspěšné složení zkoušky je nutné získat z ústní části alespoň 5 bodů.
Podmínkou úspěšného ukončení předmětu je získání zápočtu a vykonání závěrečné zkoušky. Celkový dosažený počet bodů pro absolvování předmětu musí být minimálně 50.

Počítačová a numerická cvičení jsou jsou nepovinná.
Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění stanoví každoročně aktualizovaná vyhláška garanta předmětu. 

Učební cíle

Cílem předmětu je poskytnout studentům jasný a logický výklad základních fyzikálních pojmů a zákonů se zaměřením na oblast fyzikální akustiky. Jedná se především o popis fyzikálních polí, vlny, mechaniku tekutin, akustiku, ultrazvuk. Porozumění těmto pojmům a zákonům bude posíleno pomocí širokého spektra zajímavých aplikací. Ověření schopnosti aplikace získaných poznatků proběhne v rámci vypracování projektu.
Absolvent předmětu je schopen:
- určovat vlastnosti fyzikálních polí, počítat jejich charakteristiky,
- sestavit vlnovou rovnici a určit její řešení pro vybrané situace,
- vypočítat stavové veličiny zadané soustavy,
- vytvořit popis zvukového pole,
- sestavit vlnovou rovnici pro kuloév, rovinné a válcové vlny a uvést a diskutovat jeí řešení,
- popsat chování vln na překážce,
- řešit chování zvukových vln v uzavřeném prostoru s využitím statistické akustiky.

Základní literatura

HALLIDAY, D.; RESNICK, R.; WALKER, J. Fyzika. Vysoké učení technické v Brně, Vutium, Prometheus Praha, 2000, 2003, 2006. (CS)
FYZIKÁLNÍ AKUSTIKA. Studijní materiály k přednáškám, cvičením a laboratornímu cvičení. Stránka předmětu na eLearningu VUT. (CS)

Doporučená literatura

FEYNMAN, R; LEIGHTON, R; SANDS, M. Feynmanovy přednášky z fyziky 1-3. Fragment 2001, 2007, 2013. (CS)
KOPEC, Bernard. Nedestruktivní zkoušení materiálů a konstrukcí (Nauka o materiálu IV). Česká společnost pro nedestruktivní testování, Akademické nakladatelství CERM, s.r.o., Brno, 2008. (CS)

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program MPC-AUD magisterský navazující

    specializace AUDM-TECH , 1. ročník, letní semestr, povinný
    specializace AUDM-ZVUK , 1. ročník, letní semestr, povinný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

prof. Ing. Pavel Koktavý, CSc. Ph.D.

Osnova

1. Vektory ve fyzice. Operace s vektory, skalární a vektorové pole, vektorová analýza, diferenciální operátory, tok a cirkulace, důležité identity, integrální věty. 2. Diferenciální rovnice ve fyzice. Vybrané typy rovnic a metody jejich řešení, parciální diferenciální rovnice. 3. Maxwellovy rovnice v integrálním a diferenciálním tvaru, odvození vlnové rovnice pro elektromagnetické vlny a její řešení. 4. Vlny. Základní veličiny a pojmy, druhy vln, základní zákony a jevy, vlnová rovnice a její odvození a řešení pro strunu a membránu. 5. Mechanika tekutin. Základní vlastnosti, statika a dynamika tekutin. Plyny. Ideální plyn, stavová rovnice, děje v ideálním plynu, energie, práce a teplo, adiabatický děj. 6. Zvukové vlny. Zvukové pole, akustická výchylka a tlak, rychlost šíření zvuku, akustická impedance, měrný výkon a intenzita, hladiny akustického tlaku a intenzity, vzájemné závislosti těchto veličin pro kulové, válcové a rovinné vlnění. 7. Zvukové vlnění ve volném prostoru. Vlnová rovnice a její řešení pro kulové, válcové a rovinné vlnění, konvergentní a divergentní vlna. 8. Zvukové vlnění na překážce. Odraz, stojaté vlny, ohyb, rozptyl, absorpce. 9. Zvukové vlnění v uzavřeném prostoru. Vlnová rovnice a její řešení, vlastní kmity. 10. Akustické soustavy s rozprostřenými parametry, zvukovody, akustické čočky. 11. Vytvoření. zvukové vlny sekundárními zdroji, Huygensův–Fresnelův princip, Kirchhoffův–Helmholtzův integrál, Rayleighův integrál. 12. Ultrazvuk. Vlastnosti, zdroje a detektory, šíření, účinky, využití. 13. Šíření ultrazvuku v pevných látkách, ultrazvuková diagnostika a defektoskopie, akustická emise, lokalizace zdrojů akustické emise.

Cvičení odborného základu

14 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

prof. Ing. Pavel Koktavý, CSc. Ph.D.

Osnova

Ve cvičení probíhá řešení vybraných úloh. 1. Vektory, vektorová analýza, aplikace v mechanice. 2. Fyzikální pole, diferenciální operátory, integrální věty, elektromagnetické pole, Maxwellovy rovnice. 4. Mechanika tekutin. 5. Vlny. 6. Zvukové vlny, vlnové rovnice, hladiny, skládání účinků zvukových zdrojů, šíření zvuku. 6. Dopplerův jev. 7. Statistická akustika.

Cvičení na počítači

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

prof. Ing. Pavel Koktavý, CSc. Ph.D.

Osnova

V počítačovém cvičení probíhá řešení vybraných úloh s podporou PC v systému Jupyter (Python). 1. Úvod do systému Jupyter. 2. Polohový vektor, rychlost, zrychlení, trajektorie, délka dráhy. 3. Vektorová analýza, aplikace v mechanice. 4. Fyzikální pole, diferenciální operátory, integrální věty. 5. Elektromagnetické pole, Maxwellovy rovnice. 6. Mechanika tekutin, obtékání těles. 7. Plyny, stavová rovnice, principy termodynamiky, práce a teplo. 8. Kmitavý pohyb 9. Vlny, vlnová rovnice a její řešení, postupná a stojatá vlna. 10. Zvukové vlny, základní veličiny, vlnová rovnice a její řešení pro jednotlivé typy vln, měrná akustická impedance. 11. Zvukové vlny, hladiny, skládání účinků zvukových zdrojů, šíření zvuku. 12. Dopplerův jev. 13. Statistická akustika.