Zvuk a zvukové vlnění


Zvuk

  • šíří se pomocí média – vzduchu
  • podmínkou vzniku zvuku je nějaký pohyb → částečky kmitají ve frekvencích, které člověk vnímá jako zvuk
  • to, co se šíří, nejsou pohyby molekul, ale poruchy tlaku – tzv. vzruchová vlna
  • když se částečky přiblíží, vzniká lokální zvýšení tlaku
  • → vzduch je systém hustšího a řidšího tlaku


Definice zvuku:

"Podélné kmitání elastického prostředí, které je způsobené pohybem zdroje zvuku. Kmitání musí být v rozsahu slyšitelných frekvencích"

  • zvuk je mechanické vlnění, potřebuje prostředí → nešíří se ve vakuu (na rozdíl od světla)
  • všechny zvuky se dají rozložit na soustavu sinusoid


Vlastnosti zvuku

  • perioda - trvání jednoho cyklu vlny
- značka: T
- jednotka: sekunda
  • frekvence - převrácená hodnota periody, kolik period se vejde do 1 s
- značka: f
- jednotka: Herz
- f = 1/T
  • oktáva má 12 půltónů (= ST / semitone) = 2f (tzn., že tón o oktávu výše má 2× vyšší frekvenci)
  • amplituda – vyjadřuje sílu zvuku – nakolik se zdroj vychyluje z rovnovážné polohy
- max. amplituda
- rozkmit („peak-to-peak“)
- amplituda neříká nic o tom, jak se zvuk vnímá (max. amplituda může být stejná, ale časem se zmenšuje × zůstává stejná)
→ efektivní amplituda (ang. rms = „root mean square“) – zprůměrovaná síla → lepší popis
  • fáze, fázový posun – nevnímají se
  • rychlost zvuku (c)
- je vlastností média
- zákl. hodnota = 330 m/s (asi milionkrát pomalejší než světlo) – asi v 0°C v 0 m.n.m.
- v normálním prostředí asi 340 m/s
- ve vokálním traktu asi 350 m/s (v héliu ještě rychleji)
- v kapalných látkách rychleji a v pevných nejrychleji
  • vlnová délka – říká, jak dlouhá je perioda
- λ (délková jednotka) = T * c
- frekvence udává, kolik vln se v sekundě nachází na délce 340 m


Huygensův princip

  • zvuk se šíří všemi směry stejně rychle → kulová vlnoplocha (její body kmitají se stejnou fází)
  • každý bod vlnoplochy je zdrojem elementárního vlnění
  • všechny body se vyruší a vzniká nová vlnoplocha
  • modeluje zvuk přes překážky a kolem nich
  • → protihlukové zábrany: vysoká frekvence se šíří jen nahoru (dole je stín), nízká i dolů za překážku
  • zvukový stín – kam za překážkou nepronikne zvuk
  • vlnoplocha – plocha, kam dorazí zvuková vlna
- na jejím povrchu je shodné kmitání


Dopplerův efekt

Změna vlnové délky způsobená pohybem zdroje zvuku.
  • síla zvuku závisí na poloze zdroje a pozorovatele
  • když stojí dva posluchači na různých stranách zdroje, slyší stejně
  • když dva posluchači stojí a zdroj mezi nimi jede směrem k jednomu, ten slyší silněji a vyšší tóny
  • pokud rychlost zdroje (letadlo, pistole, bič) překročí rychlost zvuku, šíří se vlny až za ním → „obaly“ vln se sečtou a až dorazí k posluchači, ten slyší akustický třesk (projde jím Machova linie)


Druhy vlnění

Postupné vlnění

  • podélné – např. zvukové vlnění
  • příčné – např. kámen hozený do vody

Stojaté vlnění

  • podélné – dechové nástroje, vokální trakt
  • příčné – strunné nástroje
- kmitny – místa, která kmitají s maximální amplitudou
- uzly – místa, která se jakoby nehýbou


Základní formy zvuku

  • kvaziperiodický zvuk
- sonory a vokály
není zcela periodický
  • frikce
- šumové hlásky vznikající přiblížením artikulačních orgánů a následnou turbulencí
- náhodné kmitání
- např. exploze
  • němá forma
- často obsahuje jisté nezřetelné složky
- v závěrových fázích explozív (na závěr pak frikce)
  • superpozice dvou forem (např. kvaziperiodická a frikce)


Periodické vlny

  • vznikají periodickým pohybem hlasivek
  • znělé
  • Fourierův teorém
- vznik v napoleonské době
- zabývá se rozkladem vlny na jednodušší
- „všechny periodické vlny můžeme rozložit na nekonečný počet složek, všechny jsou SIN a COS vlny o různé frekvenci a fázi“
- složky jsou v harmonickém vztahu – celočíselné násobky té nejnižší
- nejnižší složka = základní frekvence (= f0 = H1)
- ostatní = vyšší harmonické složky (= alikvóty = H2, H3, ...)
- základní frekvence je zároveň i frekvencí opakování celé vlny, vyšší odpovídají členění a tvaru vlny

: Př.: f0 = 240 Hz → H2 = 480 Hz, H3 = 720 Hz

  • skládání vln = prostý součet jejich amplitud
  • složený tón vzniká, pouze když se skládají vlny různých frekvencí (když se skládají vlny stejné frekvence, i výsledná má stejnou frekvenci, i když třeba posunutou)
  • podle toho, kolik má perioda vrcholků, tolikátou má vyšší frekvenci (f0 + H2 → 2 vrcholky, f0 + H5 → 5 vrcholků) → lze určit jen v případě dvou složek