Zvuk a sluch
Z PanWiki
Obsah |
Slyšitelná energie
Hluk při startu rakety může rozbít okna do vzdálenosti 2 km ve všech směrech. Tato obrovská energie je přenášena jako zvukové vlny-nepatrné vibrace molekul ve vzduchu a v zemi. Pokud máme zvuk pod kontrolou, může přenášet cenné informace. Netopýr využívá zvukových vln k detekci předmětů v naprosté tmě; člověk může jemně modulovat hlas, aby vyjádřil svoje city. Energie vysílaná při řeči je velmi malá a ztrácí se tím, jak se hlas šíří Tak sebesilnější lidský hlas se stane neslyšitelným ve vzdálenosti jednoho až dvou set metrů. Ale význam zvuku pro komunikaci vedl k manipulaci s ním pomocí elektroniky a nápaditých konstrukcí.
Povaha zvukových vln
Jakýkoli chvějící se předmět, například membrána v reproduktoru nebo lidské hlasivky, produkuje zvuk. Jestliže se vibrující membrána pohybuje dopředu, stlačuje před sebou vzduch nebo jiné prostředí; naopak při pohybu dozadu se toto prostředí ředí a vzniká tak částečné vakuum. Stlačování a zřeďování se přenášejí od jedné molekuly ke druhé v přímé dráze a přitom se odvádí zvuková energie od jeho zdroje. Vzdálenost mezi po sobě následujícími stlačeními udává vlnovou délku vydávaného zvuku, přičemž počet stlačení procházejících daným místem za sekundu udává jeho frekvenci (kmitočet), která se měří v hertzech (Hz).
Vibrující reproduktor periodicky stlačuje a zřeďuje okolní vzduch. Při vzájemných srážkách molekul se vibrační energie přenáší z jedné molekuly na druhou. Tímto způsobem se zvuk vzduchem šíří (1-5). Čím je zvuk silnější, tím větší je rozkmit molekuly, ale ani sebesilnější zvuk nemůže molekuly přemístit o více než 0,5mm. Zvuk se přenáší podélnými vlnami (kde částice vibrují ve směru šíření vlny), ale je často znázorňován jako vlna příčná, podobná vlně na vodní hladině.
Zvuk se přenáší vibrací jakéhokoli prostředí, tuhou látkou, kapalinou nebo plynem; to znamená, že se nemůže šířit vakuem. Zvuk putuje rychleji v kapalinách a tuhých látkách, protože v nich jsou částice těsněji při sobě a spolu spojeny různými vazbami. Rychlost zvuku ve vzduchu je přibližně 1 200 km/h, ve vodě 5400 km/h a v oceli 18 000 km/h.
Stejně jako se ohýbá světlo při vstupu do hustého prostředí, například do skla nebo do vody, ohýbá se i zvuk při vstupu do jiného prostředí. Nad ledem zamrzlého jezera se vyskytuje studený hustý vzduch, zatímco vzduch o něco výše je teplejší a řidší. Zvuk se ohýbá dolů směrem k ledu a pak se opět odráží od jeho povrchu. Tzn. že i slabý hlas může být slyšet hodně daleko.
Lidský sluch
Při vstupu do ucha uvedou zvukové vlny (tlakové rozdíly mezi po sobě následujícími vrcholy a doly) do pohybu ušní bubínek, což je ploška asi 50 mm2. Na vnitřní stranu bubínku naléhají tři sluchové kůstky, které zvuk zesilují (amplifikují) a předávají ho do hlemýždě ve vnitřním uchu, který je naplněn kapalinou. Hlemýžď je v podstatě zužující se trubička svinutá do spirály. Přicházející zvuk způsobí změny v tlaku kapaliny v hlemýždi; při vyšším tlaku se dotýká takzvaná tektoriální membrána vláskovitých výčnělků na vláskových buňkách vnitřního ucha. Buňky nesoucí tyto vlásky zaznamenávají tlak tektoriální membrány, přičemž se otvírají membránové kanály a vysílá se nervový impuls do mozku. V mozku se tyto impulsy zaznamenávají jako zvuk čím více impulsů do mozku dorazí v dané časové jednotce, tím silnější je zvuk.
Zvukové vlny vstupují do ucha, jsou zachyceny bubínkem (2) a předány do hlemýždě pomocí sluchových kůstek (4), V hlemýždi (5) se zvuk přeměňuje na proměnlivý tlak kapaliny, jíž je hlemýžď vyplněn. Tyto změny jsou zachyceny stereocilii na vláskových buňkách (6) a převedeny na nervové impulsy (7), které putují do mozku sluchovým nervem.
Sluchový rozsah
Lidské ucho je neuvěřitelné citlivé, protože je schopno zachytit široké frekvenční pásmo od nízkých tónů při 2O Hz až do pištění při 20 kHz, což představuje rozsah více než osmi oktáv. Avšak rozsah slyšitelných intenzit je ještě větší. Intenzita je mírou energie, kterou zvuková vlna přenáší. Velmi hlasitý zvuk, vydávaný například při startu rakety, obsahuje bilionkrát více energie než bzučení komára. Decibelová (dB) stupnice slouží k určování hlasitosti. Nulová hodnota na této stupnici určuje práh slyšitelnosti; přitom každé desetinásobné zvýšení hlasitosti je vyjádřeno přidáním 10 dB na této stupnici. Jestliže bzučící komár vydává zvuk o 10 dB, start rakety dosahuje okolo 1 170 dB. Zatímco intenzitu zvuku lze objektivně měřit a vyjádřit v decibelech, hlasitost je pojmem více subjektivním a závisí na smyslech posluchače.
Sluch většiny lidí se zhoršuje stářím, protože stereocilia na vláskových buňkách ztrácejí něco ze své pružnosti. Tato ztráta sluchu je patrnější při vnímání vysokých tónů. Diagram ukazuje normální rozsah frekvencí a intenzit, které lidské ucho zachytí. Žlutá oblast představuje hranice lidské řeči. Mnoho souhlásek v řeči jsou relativně vysokofrekvenční tóny (okolo 4000 Hz). Jestliže nejsme schopni tyto souhlásky vnímat, stane se pro nás řeč těžko srozumitelnou
Zvuk hudby
Při drnknutí o napjatou strunu slyšíme zvuk o frekvenci dané jejím napětím, délkou a hmotností. Chvějící se struna však nevydává příliš silný zvuk. Je tomu tak proto, že je struna tenká, má nepatrnou hmotnost a může předat svoje vibrace jen malému objemu vzduchu. Ve strunných nástrojích, ať jsou to housle nebo klavír, se intenzita zvuku zvětšuje tím, že je struna napjata přes širokou dřevěnou desku čili ozvučnici, která se chvěje v souzvuku se strunou a která předá vibrace mnohem většímu objemu vzduchu. Zvuk houslí snadno odlišíme od zvuku klavíru, i když tyto nástroje vyluzují tentýž tón. Je tomu tak proto, že vibrace struny houslí není jednoduchá; obrazec chvění zahrnuje několik složek, zvaných harmonické tóny, které jsou pro daný nástroj charakteristické. Je to právě skladba těchto vyšších harmonických tónů, která dodává každému nástroji jeho typický témbr.
Při drnknutí o houslovou strunu z ní vyjde zvuk. Protože je struna na obou koncích upevněna, nejjednodušší způsob její vibrace je takový, při němž je střed struny nejvíce vychýlen (1). Tato vibrace je zodpovědná za základní frekvenci struny (2).Zároveň však může struna vibrovat komplikovanějším způsobem (3,4,5). Tyto druhy vibrace dávají vznik vyšším harmonickým tónům (6,7,8). Základní frekvence zní spolu s těmito harmonickými tóny (9) a propůjčuje tónům houslí charakteristické zabarvení.
Akustika v architektuře
V moderní koncertní síni doléhá přímo na posluchačův sluch pouze asi 8 % celkové intenzity orchestru. Zbytek k němu přichází po různých odrazech od podlahy, stropu, stěn atd. Hluboké tóny se odrazí až 50krát, než se jejich energie vyčerpá. Vysoké tóny se tlumí mnohem rychleji. Doba potřebná k zániku zvuku se nazývá dobou dozvuku čili reverberace a je to faktor, který určuje kvalitu zvuku v místnosti nebo v koncertní síni. Varhanní hudba vyžaduje dlouhý dozvuk a hodí se do velkých kostelů, kde se zvuk odráží od mnoha tvrdých ploch. Pro přenos řeči však musí být dozvuk krátký, protože jinak by následující slova splývala - běžný problém při hlášení na nádražích. V minulosti se koncertní síně stavěly bez ohledu na akustiku, zato dnes to je základní požadavek na architekty.
