Vznik a šíření zvuku

Zvuk je fyzikální veličina, nejčastěji definovaná jako mechanické vlnění v látkovém prostředí, které je schopno vyvolat sluchový vjem. Je třeba si ale uvědomit, že zvukový vjem vzniká až v našem vědomí. Bez našeho vědomí se jedná pouze o kmitání pevné hmoty, kapaliny nebo plynu. Proto zvuk můžeme chápat dvěma způsoby, a to jako:

1. Vlnění, neboli postupné šíření kmitáním pevné nebo kapalné látky, případně postupné šíření zhušťováním a zřeďováním plynu (vzduchu)
2. Zvukový vjem, vznikající v našem vědomí po dopadu vlnění na ušní bubínek, případně na povrch těla.

V obou případech uvažujeme o vlnění v tzv. slyšitelném pásmu, nejčastěji udávaném v rozsahu kmitočtů 16 Hz až 20 kHz. Vlnění o nižším kmitočtu než 16 Hz se nazývá infrazvuk, o vyšším kmitočtu než 20 kHz se nazývá ultrazvuk.

Pro vznik zvuku ve formě vlnění jsou nutné dva prvky – 1. zvukový zdroj a 2. médium, které umožní jeho šíření. Budeme-li uvažovat i zvukový vjem, bude třeba ještě další prvek, a to 3. sluchové ústrojí. Místo sluchového ústrojí může přijímat vlnění mikrofon a záznamové zařízení.

1. Zvukový zdroj, například hudební nástroj, reproduktor nebo jakékoli chvějící se těleso svým pohybem způsobí rozkmitání okolního vzduchu.
2. Šíření zvuku ve vzduchu probíhá ve formě postupných kulových vlnoploch, které se vytvoří střídavým zvýšením a snížením tlaku vzduchu oproti normálnímu atmosférickému tlaku. Ve vzduchoprázdnu se zvuk nemůže šířit.
3. Ucho zachytí střídavý pohyb vzduchu a převede jej na zvukový vjem.

Fyzikální vlastnosti zvuku

Podmínkou pro šíření vlnění je určitá pružnost prostředí. Aby vlnění existovalo, musí vždy existovat nějaká rovnovážná síla, která se snaží vrátit vychýlenou částici zpět do rovnovážné polohy. Například reproduktor svým vychýlením způsobí vychýlení částic vzduchu před membránou, ty způsobí změnu tlaku, která má snahu vrátit se zpět k normálnímu atmosférickému tlaku. Přitom naráží na další částice a dojde k šíření vlny.

Rychlost šíření je závislá na teplotě a tlaku vzduchu.

Vlnění může být podélné nebo příčné. U vzduchu nebo vody neexistuje žádná smyková síla, která by umožnila příčné kmitání, proto se v nich může šířit pouze podélné vlnění. Oproti tomu například ve dřevě, kovu a pod. existuje vždy smykové pnutí, které se při rozkmitání v příčném směru snaží o návrat do rovnovážné polohy a navíc je tu i určitá pružnost, která umožní i stlačování a rozpínaní materiálu. V těchto materiálech se může šířit jak příčné, tak i podélné vlnění.

a) Rychlost zvuku

Při teplotě 20°C a nadmořské výšce 200 m je rychlost zvuku ve vzduchu přibližně:

Pro přepočet rychlosti v závislosti na teplotě platí zjednodušený vztah, kde θ (théta) je teplota prostředí ve °C:

Na české Wikipedii se můžete dočíst, že rychlost zvuku není závislá na tlaku, což ale není úplně pravda. V každé odborné publikaci se dočtete, že na tlaku závisí, což je logické, neboť čím má prostředí vyšší hustotu, tím je rychlost zvuku vyšší.

Rychlost zvuku ve vodě je asi 1500 m/s, v oceli (železniční koleje) asi 5 km/s.

b) Kmitočet, vlnová délka

U jednoduchého harmonického vlnění si lze zvukovou vlnu představit jako rozvinutou křivku pohybu zdroje zvuku, která vznikne zakreslením na pohybující se papír, vznikne tak tzv. sinusoida.

Doba T (perioda) je doba, za kterou zdroj zvuku vykoná 1 kmit.

Počet kmitů, které zdroj zvuku vykoná za jednu sekundu se nazývá kmitočet a značí se písmenem f.

nebo

Zvuky o nízkém kmitočtu mají hluboký tón, zvuky o vysokém kmitočtu mají vysoký tón (nemusí se ale ještě jednat o tóny).

Během zachycení jedné periody zvukové vlny uletí zvuk určitou vzdálenost, na jejíž velikost má vliv rychlost zvuku c a kmitočet f. Této vzdálenosti říkáme vlnová délka λ (lambda). Čím je delší vlnová délka, tím je zvuk hlubší.

Známe-li vlnovou délku, můžeme jednoduše vypočítat odpovídající frekvenci:

Zapamatujme si:

• rychlost zvuku je 344 m/s
• vlnová délka v metrech se vypočítá podílem 344/frekvence
• frekvence v Hz se vypočítá 344/vlnová délka
• zvuk se ve skutečnosti skládá z mnoha harmonických kmitů, s jednoduchou sinusoidou se asi nesetkáte
• zvuk je výsledkem vědomí, bez něho by se jednalo o pouhé vlnění