Zvuk je vlnění. Tedy, zvuková vlna je mechanická vlna, která se šíří látkovým prostředím (např. vzduchem, vodou). Vzniká, když nějaké těleso v tomto prostředí kmitá.

Podle toho, zda je kmitání periodické, můžeme rozlišovat tóny a hluky.

Tón

Zvuková vlna tónu je periodická – je v ní vzor, který se pravidelně opakuje. Jak často se opakuje, nám udává frekvence.

Tóny rozdělujeme na jednoduché a složené. Jednoduché tóny můžeme popsat harmonickou funkcí.

Harmonická funkce

Vysvětlit, co je harmonická funkce, je složité. My si vystačíme s tím, že příkladem harmonické funkce je funkce sinus.

Složené tóny lze vytvořit kombinací několika jednoduchých tónů, které se sečtou. Popisují je složitější funkce.

Složené tóny většinou najdeme v hudbě (zpěv, zvuk flétny, klavíru nebo klarinetu), zatímco jednoduché tóny umí vytvořit počítač nebo ladička. Složené tóny od sebe rozlišíme sluchem, díky tomu že obsahují zastoupení různých tónů vyšších frekvencí.

Příklady tónu:

• vyslovení samohlásky, např. samohlásky a, e, o, i (naše hlasivky kmitají pravidelně)
• hra na flétnu
• drnknutí na kytaru
• zvuk vrtačky (pravidelně se opakuje)
• bzučení hmyzu (moucha periodicky kmitá křídly)

Hluk

Zvuková vlna hluku není periodická. Tím, že je nepravidelná, nemá přesnou frekvenci (počet opakování vzoru za sekundu). Speciálním případem hluku je šum (náhodné změny tlaku ve vzduchu).

Příklady hluku:

• vyslovení souhlásky, např. souhláska r, t, z (naše hlasivky kmitnou nepravidelně)
• kýchnutí
• zvuk rozbité sklenice
• výstřel
• štěrchání rumbakoulemi (přesto že to je hudební nástroj, nevydávají pravidelný zvuk)

Stejně jako jiné druhy vlnění má zvuk frekvenci, periodu, rychlost šíření a vlnovou délku.

frekvence f

• vyjadřuje, kolikrát se vlna zopakuje za jednu sekundu
• jednotka frekvence je hertz (Hz), počet hertzů odpovídá počtu kmitů za sekundu
• lidé slyší pouze zvuku z omezeného rozsahu frekvencí
  jednotka frekvence

  1 \,\mathrm{ Hz} = \frac{1}{\mathrm s} = 1 \,\mathrm{ s}^{-1} Jeden hertz znamená, že předmět kmitne jednou za sekundu – takovou frekvenci mají třeba běžné hodiny (s vteřinovou ručičkou). Zvuková vlna tónu s frekvencí 440 Hz se za sekundu zopakuje čtyři sta čtyřicetkrát!

perioda T

• vyjadřuje, jak dlouho trvá jedno kmitnutí
• měříme ji v sekundách
• platí: T\cdot f = 1, tedy čím je perioda větší, tím je frekvence menší a naopak

To dává smysl, když si představíme, co vlastně frekvence a perioda znamenají. Pokud je vysoká frekvence, kmitá vlna rychle. A čím rychleji kmitá, tím víckrát stihne kmitnout za jednu sekundu – její perioda tedy bude kratší.

rychlost šíření v

• vyjadřuje, jak rychle se zvuk šíří daným prostředím
• vyjadřujeme ji v metrech za sekundu (m/s)

vlnová délka λ

• vzdálenost, kterou zvuk v prostoru urazí za dobu jedné periody T (za jedno kmitnutí)
• odpovídá vzdálenosti mezi dvěma po sobě jdoucími místy s nejvyšším tlakem (nejvíce nahuštěný vzduch)
• platí v = \lambda \cdot f

Vlnová délka se tedy při stejné frekvenci mění podle toho, v jakém prostředí se zvuk šíří. Slyšitelné zvuky mají ve vzduchu vlnovou délku mezi 2 cm a 20 m, ve vodě je víc než čtyřikrát větší.

Výška, hlasitost, barva

Mezi základní vlastnosti, které jsou specifické pro zvuk, patří výška, hlasitost, barva a délka.

výška

Výšku tónu vnímáme subjektivně, je dána základní frekvencí zvuku. Čím je frekvence vyšší, tím vyšší zvuk slyšíme.

Vysokým zvukům tak odpovídají vlny s vysokou rychlostí kmitání nebo také krátkou vlnovou délkou a krátkou periodou.

hlasitost

Hlasitost souvisí s amplitudou zvukové vlny (jak moc se změní tlak vzduchu nebo intenzita zvukové vlny) – čím je změna vyšší, tím hlasitější zvuk slyšíme. Vnímáme ji subjektivně.

Fyzikálně hlasitosti odpovídá veličina zvaná hladina intenzity zvuku. Hladina intenzity zvuku je bezrozměrná (podobně jako např. procento). Využíváme pro ni ale jednotku Bel (nebo častěji její násobek – decibel (dB)), která vyjadřuje logaritmus poměru dvou hodnot: naměřené hladiny intenzity zvuku k hladině intenzity nejtiššího slyšitelného zvuku. Nejtišší slyšitelný zvuk se nazývá práh slyšení (0 dB). Nad 130 dB se pak nachází práh bolesti.

Decibel je logaritmická jednotka. Lidské ucho totiž vnímá i velké změny podnětů (například nárůst změny tlaku ve vzduchu) jako malou změnu počitku. Pokud se intenzita změní stokrát, hladina intenzity se zvedne o dvacet decibelů.

hlasitost a výška – příklad

• zvukové vlny v grafu se liší frekvencí i amplitudou
• oranžová vlna má vyšší frekvenci než modrá vlna, slyšeli bychom ji tedy jako vyšší

barva

Barva zvuku souvisí s tvarem zvukové vlny. Díky barvě zvuku od sebe můžeme odlišit lidské hlasy nebo tóny různých hudebních nástrojů, přestože vydávají zvuk stejné frekvence.

Složené tóny kromě základní (nejnižší) frekvence obsahují také směs dalších (tzv. vyšších harmonických) frekvencí. Vyšší harmonické frekvence jsou celočíselné násobky základní frekvence. V tónech různé barvy jsou vyšší harmonické frekvence zastoupené s různou intenzitou, ovlivňují tvar zvukové vlny a tím i barvu tónu.

výška a barva – příklad

• zvukové vlny v grafu mají stejnou frekvenci, takže bychom je slyšeli stejně vysoko
• liší se ale tvarem vlny – barvou

Zvuk je mechanické vlnění, ke svému šíření potřebuje látkové prostředí (např. voda, vzduch, pevná látka). Na rozdíl od světla (elektromagnetické vlnění) se tedy zvuk nešíří ve vakuu.

Čím jsou v daném prostředí částice k sobě blíž a čím pevnější mají vazby, tím rychleji se zvuk šíří. Ve vzduchu (rychlost zvuku ~340 m/s) se tedy šíří pomaleji než ve vodě (~1500 m/s) nebo třeba v oceli (~5000 m/s).

Šíření zvuku ve vzduchu

• Zvuková vlna se šíří všemi směry jako změna tlaku. Šíření zvuku odpovídá kmitání částic, které se k sobě přibližují a pak se zase vzdalují.
• Zvuk ve vzduchu je podélné vlnění. To znamená, že částice kmitají ve směru šíření vlny.
• Rychlost zvuku závisí na teplotě vzduchu: čím je vzduch teplejší, tím rychleji se zvuk šíří. Tato závislost je v rozumném rozsahu teplot (rozuměj zhruba od -100 °C do 100 °C) přibližně lineární.
• Pokud považujeme vzduch za ideální plyn, nezávisí rychlost šíření zvuku na tlaku.
• Zvuk se taky šíří nepatrně rychleji ve vlhkém vzduchu (třeba při bouřce), rychlost závisí i na složení vzduchu (např. v lehčích plynech se šíří rychleji než v těžších).

Odraz zvuku

Když zvuková vlna narazí na překážku, část se odrazí. Podle toho, o jakou překážku se jedná, odrazí se více nebo méně zvuku – tvrdé a hladké povrchy (skála, dlaždice) vedou k silnějšímu odrazu, zatímco měkčí povrchy (molitan, koberce) více zvuku pohltí. Proto když si zpíváme v koupelně, zvuk se hezky “rozléhá” – odráží se od hladkých povrchů.

Ozvěna a dozvuk

• Pokud je překážka, od které se zvuk odráží, plochá a velká (např. skalní stěna, rozměrná budova), může vzniknout ozvěna nebo dozvuk.
• Pokud se odražený zvuk vrátil za více než 0,1 sekundy, mluvíme o ozvěně. Desetina sekundy je totiž čas, který zhruba trvá vyslovit jednu slabiku. Takovou ozvěnu pak tedy slyšíme jako opakování původního zvuku, například poslední slabiky.
• Pokud se odražený zvuk vrátí za méně než desetinu sekundy, jedná se o dozvuk. Lidské ucho v takovém případě nezvládne jasně rozlišit původní a odražený zvuk.

Využití odrazu zvuku

• Odraz zvuku využívají v přírodě například delfíni nebo netopýři při lovu kořisti (echolokace).
• Lidé tento postup napodobili – například k měření hloubky moře využívají sonar.
• Odrazu zvuku se také využívá například při kontrole materiálů nebo při měření vzdálenosti pomocí ultrazvukových měřičů.

Ohyb zvuku

Zvuk se může šířit i za překážkami. Díky ohybu zvuku slyšíme, když někdo mluví za rohem, přestože jej nevidíme. Ohyb zvuku je výraznější u překážek, které mají podobnou velikost jako vlnová délka zvuku. Zvuky vysokých frekvencí se tlumí snáz než nízkofrekvenční zvuky. Proto ve velké vzdálenosti slyšíme hrom už jen jako hluboké dunění.

Lidé slyší zvuky z omezeného rozsahu frekvencí – 16 Hz až 20 000 Hz.

Pokud má nějaká zvuková vlna frekvenci nižší než 16 Hz, jedná se o infrazvuk. A naopak vlna o frekvenci vyšší než 20 000 Hz je zase ultrazvuk. S věkem postupně ztrácíme citlivost k vysokým frekvencím (horní hranice toho, co slyšíme, klesá např. na 16 000 Hz).

Přestože lidé infrazvuky a ultrazvuky neslyší, některá zvířata je slyšet mohou. Sloni využívají infrazvuky ke komunikaci, netopýři zase využívají ultrazvuk při orientaci v prostoru a lovu kořisti (tzv. echolokace). A tak dále:

Infrazvuk se využívá například:

• k predikci zemětřesení (seismograf) nebo sopečné aktivity
• k sledování pohybu slonů

Ultrazvuk se využívá například:

• ke kontrole materiálů
• k vyšetřování měkkých tkání ve zdravotnictví (sonografie)
• k čištění

Na světě existují stovky hudebních nástrojů. Tóny v nich vznikají různými způsoby, podle toho nástroje dělíme na různé druhy.

Bicí nástroje (blanozvučné a samozvučné)

• Jsou to například: triangl, kastaněty, dřívka, xylofon, zvon, …
• Zvuk v nich vzniká buď rozkmitáním membrány (např. buben) nebo samotného nástroje (např. gong, zvon).
• Čím je membrána tenčí a napjatější, tím vyšší základní tón buben vydává.

Většina bicích nástrojů má jednu základní frekvenci, ale například u tympánů může hudebník sešlápnutím pedálu napínat nebo povolovat membránu bubnu, čímž zvyšuje nebo snižuje základní frekvenci. U xylofonu získáme různé tóny zase úderem do různě dlouhých kamenů.

Strunné nástroje

• Patří mezi ně například: kytara, banjo, ukulele, housle, viola, violoncello, kontrabas, klavír, harfa, cimbál, …
• Zvuk vzniká rozechvěním struny, zesiluje se často v rezonanční dutině (např. tělo kytary či houslí).

Strunné: smyčcové (housle, viola, violoncello, kontrabas)

Chvění struny vzniká díky tření mezi smyčcem a strunou. Pro zvýšení tření se často smyčec potírá kalafunou.

Strunné: úderné (klavír, cimbál)

Klavír: Při stisknutí klávesy udeří kladívko do struny, ta pak rozkmitá rezonanční desku, která tón zesílí.

Cimbál: Při hře na cimbál rozechvívá struny hudebník tím, že do nich udeří paličkou.

Strunné: drnkací (kytara, harfa, ukulele)

Kytara, ukulele: Hmatník a pražce využívá muzikant pro zkrácení struny, díky tomu zní vyšší tóny. Nástroj se dá také ladit kolíky, které napínají nebo povolují strunu – napjatější struna kmitá s vyšší frekvencí.

Harfa: Výšku tónu ovlivňuje hudebník pedály, které zkracují kmitající část struny.

Dechové nástroje

• V řadě dechových nástrojů může muzikant měnit výšku tónu tím, že prodlužuje nebo zkracuje vzduchový sloupec. Například ve flétně mění hráč délku sloupce zakrýváním nebo odkrýváním otvorů prsty.
• Čím je sloupec kratší (např. při hře na flétnu nezakrývám prstem žádné otvory), tím je tón vyšší.
• Jiné nástroje se dají prodloužit, aby hrály hlubší tóny (např. klarinet nebo trubka).

Flétna: Tón ve flétně vzniká nárazem proudu vzduchu na hranu otvoru. To vytváří opakující se víry, které rozkmitají vzduchový sloupec ve flétně a vzniká stojaté vlnění.

Trubka, tuba: Zdrojem kmitání jsou hudebníkovy rty, mezi kterými vyfukuje tenký proud vzduchu. Pro hru na tyto nástroje musí mít hudebník správný nátisk – kombinace napětí rtů a tlaku vzduchu, který mezi ně hráč vpouští. Plechovým dechovým nástrojům (trubka, tuba, lesní roh, pozoun a další) se také říká nástroje žesťové.

Saxofon, klarinet: Vzduch, který hudebník fouká do nástroje, rozkmitá plátek, který rozkmitá vzduch v nástroji.

Hoboj: V hoboji jsou plátky dva, muzikant fouká mezi ně. Díky tomu se přibližují a oddalují, čímž vznikají kmity.

Varhany: Varhany mají ke každé klávese připojenou píšťalu (dřevěnou nebo kovovou trubici), do které vhání vzduch měchy.

Elektrické nástroje

• Řada nástrojů má také svou elektrickou variantu, ve které se elektrické signály převádějí na akustické.
• Například v elektrické kytaře zaznamenávají snímače (malé cívky) změny v magnetickém poli, které vznikají díky kmitání struny s ocelovým jádrem. Kmity jsou pak převedeny do reproduktorů.