Co je to zvuk?
Zvuk je podélné mechanické vlnění, které se šíří prostředím, jako je vzduch, voda nebo pevné látky. Jedná se o specifický rozruch – pohyb částic, který dokáže zachytit lidské ucho. Ucho převede pohyb částic na elektrické signály a pošle je do mozku.
Jak si představit šíření zvuku
Jak funguje ucho?
Vnější ucho zachycuje zvukové vlny a směruje je do zvukovodu, kde dorazí k bubínku. Vibrace bubínku se následně přenášejí přes systém drobných kůstek ve středním uchu – kladívko, kovadlinku a třmínek – až do vnitřního ucha, konkrétně do hlemýždě. V hlemýždi se mechanické vlnění přeměňuje na nervové impulsy pomocí vláskových buněk. Tato složitá interakce umožňuje lidem vnímat různé tóny, hlasitosti a barvy zvuku, což hraje klíčovou roli v komunikaci, orientaci a vnímání okolního světa.
Vlnění
Vlnění je šíření kmitavého pohybu látkou nebo prostorem, při kterém se energie přenáší, ale samotná látka zůstává na místě. Může být mechanické, jako zvukové vlny nebo vlny na vodě, nebo elektromagnetické, jako světlo či rádiové signály.
Vlastnosti zvuku
Vlnu charakterizují 3 základní veličiny. Frekvence, vlnová déla a perioda.
Zvuk – frekvence a amplituda
Čím větší je frekvence vlnění (čím větší má rychlost) tím vyšší se nám zvuk jeví. Čím větší je amplituda (výchylka), tím vnímáme zvuk hlasitěji.
Ucho dokáže zachytit vlnění s frekvencí od 16 Hz do 20 kHz přímo a až 100 kHZ nepřímo skrz barvy zvuku.
„Pozorování“ zvuku
Hudební nástroje
Při zpomaleném záběru je vidět, že struna nekmitá nahodile, ale pravidelně kolem své rovnovážné polohy. Tento kmitavý pohyb rozkmitá okolní vzduch a vytváří podélné tlakové vlny, které se šíří jako zvuk. Frekvence kmitání struny určuje výšku tónu, zatímco velikost výchylky ovlivňuje hlasitost. Tvar kmitání a vznikající vyšší harmonické pak dávají zvuku jeho charakteristickou barvu.
U trumpety není primárním zdrojem zvuku samotný nástroj, ale kmitání rtů hráče. Zpomalený pohled ukazuje, že rty periodicky přerušují proud vzduchu, čímž v trubce vzniká podélné kmitání vzduchového sloupce. Toto kmitání se projeví střídáním oblastí vyššího a nižšího tlaku. Různě vysoké plameny nad trubicí tyto tlakové změny zviditelňují: tam, kde je větší tlaková amplituda, je plamen vyšší. Délka trubice a zvolený tón určují frekvenci kmitání, a tím i výšku slyšeného zvuku.
Rozdíl mezi příčným a podélným vlněním
Při příčném vlnění kmitají částice prostředí kolmo ke směru šíření vlny. Typickým příkladem je kmitající struna: struna se vychyluje nahoru a dolů, zatímco vlna se šíří podél její délky. Podobně se chovají i vlny na hladině vody. Tento druh vlnění je dobře „viditelný“, protože pohyb částic probíhá napříč směrem šíření.
Naopak u podélného vlnění kmitají částice ve stejném směru, jakým se vlna šíří. To je případ zvuku ve vzduchu. Částice vzduchu se střídavě zhušťují a zřeďují, čímž vznikají tlakové změny, které se šíří prostorem. Právě tyto změny tlaku vnímáme jako zvuk, například u trumpety nebo jiných dechových nástrojů.
Zásadní rozdíl tedy spočívá ve směru kmitání částic vůči směru šíření vlny, nikoli v tom, zda se vlna „pohybuje“ rychleji nebo pomaleji. Oba typy vlnění se řídí stejnými fyzikálními zákony, ale projevují se odlišným způsobem.
Co je to vibrace?
Vibrace (kmitání) je v fyzice periodický pohyb tělesa nebo jeho části kolem rovnovážné polohy. Tento pohyb se v čase opakuje a je charakterizován například frekvencí, periodou a amplitudou. Vibrace jsou základem vzniku mechanického vlnění a zvuku.
Zvuk – shrnutí
Druhy zvuků
- Tón: Pravidelné kmitání, slyšitelné jako hudební tón.
- Hluk (šum): Nepravidelné kmitání.
- Infrazvuk: Nízké frekvence pod hranicí lidského sluchu (např. sloni).
- Ultrazvuk: Vysoké frekvence nad hranicí lidského sluchu (např. psi, netopýři).
Vlastnosti zvuku
- Výška: Určuje ji frekvence vlnění (Hz). Vyšší frekvence = vyšší tón.
- Hlasitost: Určuje ji amplituda (velikost výchylky) vlnění. Větší amplituda = hlasitější zvuk (měřeno v decibelech, dB).
- Barva (Zabarvení): Určuje ji spektrum složených kmitů (harmonické frekvence), které nám umožňuje rozeznat různé nástroje nebo hlasy.
