Zelená výstava - Energie

Energie - Energie vln

Vlnění není jen elektromagnetické (světlo), ale také mechanické. Nejznámějším projevem takového vlnění je zvuk. Způsobuje ho mechanické kmitání (vibrace), které se mohou šířit vzduchem, pevnými látkami i kapalinami. Jeho přenos umožňují molekuly obsažené v látce určitého skupenství, proto se zvuk nemůže šířit ve vzduchoprázdnu (vakuu). Molekuly vzduchu vibrují, když uhodíte do bubnu, mluvíte nebo tleskáte. Vznikem, šířením a vnímáním zvuku se zabývá část fyziky zvaná akustika.

U zvuku rozlišujeme jeho frekvenci a hlasitost. Frekvence má jednotku Hz (Hertz) a je to počet kmitů, které proběhnou za jednu sekundu. Čím je vyšší frekvence, tím je zvuk vyšší (vyšší tóny v hudbě). Hlasitost zvuku se měří v decibelech (dB) a závisí na velikosti zvukových vibrací. Jak hlasité jsou některé zvuky v decibelech, ukazuje tabulka 1.

Rychlost šíření zvuku je významným způsobem ovlivněna okolním prostředím. Ve vzduchu se šíří zvuk přibližně rychlostí 340 m/s, což je cca 1 225 km/h. Rychlost tělesa, které tuto hodnotu překročí, nazýváme nadzvukovou (supersonickou). Té jsou v běžných podmínkách schopna dosáhnout pouze stíhací letadla, jejichž rychlost se udává v jednotkách Ma (Machovo číslo), které zjednodušeně vyjadřuje násobek rychlosti zvuku. Podstatně větší rychlost má zvuk ve vodě a v pevných látkách (tabulka 2). To je dáno jejich vyšší hustotou.

Slyšitelný zvuk tvoří jen část spektra vln, které v přírodě existují. Lidské ucho reaguje na zvukové vlny pouze v rozmezí cca 16–20 000 Hz. V nižších frekvencích mluvíme o infrazvuku; můžeme ho i cítit hmatem jako kmitání. Nad touto hranicí mu říkáme ultrazvuk. Ten našel využití v lékařské diagnostice, defektoskopii v průmyslu, čistí se jím například optické čočky či šperky, a pro orientaci ho využívají například delfíni a netopýři.

Víte, jak můžete znalost rychlosti zvuku využít pro zjištění vzdálenosti blesku od místa, kde se nacházíte? Od chvíle, kdy uvidíte na obloze blesk, stačí počítat vteřiny, než uslyšíte jeho hřmění. Tento čas vydělíme třemi a zjistíme tak přibližnou vzdálenost blesku v kilometrech.

Zvuk je mechanické vlnění v látkovém prostředí, které je schopno vyvolat sluchový vjem. Frekvence tohoto vlnění, které je člověk schopen vnímat, jsou značně individuální a leží v intervalu přibližně 16 Hz až 20 000 Hz. Mechanické vlnění mimo tento frekvenční rozsah sluchový vjem nevyvolává, přesto se někdy také označuje jako zvuk.

Frekvenci nižší než 16 Hz má infrazvuk, slyší jej např. sloni. Frekvenci vyšší než 20 kHz má ultrazvuk, který mohou vnímat např. psi, delfíni či netopýři. Děje, které jsou spojeny se vznikem zvuku, jeho šířením a vnímáním, se nazývají akustika a stejný název má i věda, která tyto děje zkoumá.

Jako 1. zaznamenal zvukovou stopu Thomas Alva Edison pomocí fonografu. Fonografonový válec na který byl zvuk zaznamenáván byl ale z vosku a nevydržel hrát moc dlouho. Tak roku 1895 přišel Emile Berliner s gramofonem poháněným klikou. Později byl gramofon poháněn elektrickým proudem a dala se u něj zvyšovat hlasitost.

Lidské vnímání zvuku

Lidské vnímání zvuku je velice složitý proces.

Frekvenční rozsah
Frekvenční rozsah zvuku, který většina lidí vnímá, začíná kolem 16 Hz a dosahuje k 16 kHz (teoreticky je oblast slyšitelnosti 16 Hz - 20 kHz). S rostoucím věkem horní hranice výrazně klesá. Nejvýznamnější rozsah je 2–4 kHz, který je nejdůležitější pro srozumitelnost řeči a na nějž je lidské ucho nejcitlivější. Nejvyšší informační hodnota řeči je přenášena v pásmu 0,5–2 kHz.

Dynamický rozsah
Dynamický rozsah lidského ucha (rozdíl mezi nejhlasitějším a nejtišším vnímatelným zvukem) je uprostřed slyšitelného frekvenčního pásma asi 120 dB. Na okrajích pásma je mnohem menší.

Rozlišování frekvence
Schopnost rozlišit frekvence tónů se u každého člověka liší a je frekvenčně závislá. Uprostřed slyšitelného frekvenčního pásma za ideálních podmínek lze rozlišit změnu frekvence o několik centů. Na okrajích pásma je rozlišovací schopnost výrazně nižší.

Frekvenční maskování
Schopnost odlišit dva frekvenčně blízké tóny je ovlivněna frekvenčním maskováním. Pokud znějí dva tóny současně, může jeden z nich potlačit slyšitelnost toho druhého. Tato neschopnost slyšet oba současné tóny se nazývá frekvenční maskování. Maximální úroveň maskovaného signálu je závislá na frekvenční vzdálenosti a úrovni maskujícího signálu. Maskovací schopnost je též závislá na frekvenci maskujícího tónu. Vnímání tónů s blízkými frekvencemi je ovlivněno šířkou kritického pásma. To má na nejnižších frekvencích velikost kolem 100 Hz, zatímco na nejvyšších frekvencích dosahuje až 4 kHz. Maskování se využívá u některých algoritmů pro kompresi zvukových dat, např. MP3, Ogg Vorbis nebo ATRAC.

Časové maskování
Pokud po hlasitém tónu následuje stejný tón s menší hlasitostí, je jeho vnímání potlačeno. Potlačen může být i tichý tón předcházející maskovacímu tónu.

Příklady intenzity hluku

0 dB – práh sluchu
5 dB – bzučení komára
10 dB – šelestění listí
30 dB – šeptání
40 dB – tlumený hovor
50 dB – běžný pouliční hluk
60 dB – hlasitý hovor
70 dB – vysavač
80 dB – hlasitě reprodukovaná hudba
85 dB – poškození sluchu při častém nebo dlouhodobém působení
90 dB – jedoucí vlak
100 dB – pneumatická sbíječka
110 dB – diskotéka
115 dB – hrom
120 dB – letadlo
130 dB – práh bolestivosti, poškození sluchu i při krátkodobém působení
170 dB – výbuch petardy

Vznik zvuku

Zvuk vzniká různými způsoby, nejčastěji:

úderem (např. hra na buben, klavír)
drnkáním (např. hra na harfu)
smýkáním (např. hra na housle)
rychlým pohybem (např. úder bičem)
prouděním vzduchu okolo ostré hrany (např. hra na flétnu)
prudkou změnou tlaku (např. zatřepání a otevření limonády [,,Pssst"])

Většina těchto způsobů má praktické využití u hudebních nástrojů.

Rychlost šíření zvuku v různých materiálech

ve vzduchu – 340 m/s
ve vodě (o teplotě 20°C) – 1 500 m/s
v ledu – 3 200 m/s
v oceli – 5 000 m/s
ve skle – 5 200 m/s

Zvuky se i při stejné výšce tónu mohou lišit odlišným zabarvením. Barva zvuku je určena počtem vyšších harmonických tónů ve složeném tónu a jejich amplitudami. Sluchem podle barvy zvuku rozeznáváme hudební nástroje a hlasy lidí.

A máme zde malé zopakování.

Jakou rychlostí se šíří zvuk v ledu?
Podle čeho rozeznáváme hlasy lidí?
Jaký je běžný rozsah zvuk, který vnimá člověk?