Zvuk jako energie

Zvuk jako energie
Cíle kapitoly
Po prostudování kapitoly dokážete vysvětlit vznik a šíření zvuku. Dozvíte se co je hlasitost a
intenzita zvuku, Dopplerův jev a jaký je rozdíl mezi analogovým a digitálním záznamem zvuku.
Seznámíte se s programem Audacity a budete schopni pracovat s nástroji výběr a zvětšení,
generovat tóny určitých frekvencí, přehrát stopu a projekt vyexportovat.
Vznik a šíření zvuku
Zvuk je forma energie. Je to mechanické vlnění a nemůže se šířit ve vakuu. Zdrojem této energie
je kmitání (vibrace)nějakého předmětu (struna, hlasivky, reproduktor, píšťalka, atd.). Zvuky
můžeme rozdělit na tóny (periodické kmitání) nebo hluk (neperiodické kmitání – šum, praskot,
třesk). Jako příklad si ukážeme vznik a šíření zvuku z reproduktoru.
Obrázek 1 - Šíření zvuku z reproduktoru
Když se vibrující membrána reproduktoru pohybuje dopředu, stlačuje před sebou vzduch a
naopak při pohybu dozadu se vzduch ředí a vzniká tak částečné vakuum. Při vzájemných
srážkách molekul se vibrační energie přenáší z jedné molekuly na druhou. Tímto způsobem se
zvuk vzduchem šíří. Na obrázku 1 je šíření vlny znázorněno na řádcích 1-5. Čím je zvuk silnější,
tím větší je rozkmit molekuly. Šíření zvukových vln v prostoru si můžeme představit jako šíření vln
na vodní hladině po vhození nějakého předmětu.
A proč slyšíme zvuk z větší dálky slaběji? Protože se zvuková vlna rozloží do prostoru…energie
je stejná, ale plocha je větší a zvuk se "rozředí". Abychom zabránili rozložení zvuku do prostoru,
můžeme použít například hadici.
Obrázek 2 - Vlny na hladině
Průběh zvuku
Vzdálenost mezi po sobě následujícími stlačeními vzduchu udává vlnovou délku vydávaného
zvuku, přičemž počet stlačení procházejících daným místem za sekundu udává jeho frekvenci
(kmitočet), která se měří v hertzech (Hz). Amplituda je maximální odchylka kmitání. Perioda
udává dobu trvání jednoho kmitu (jednoho znovu se opakujícího průběhu kmitu).
Obrázek 3 - Průběh zvuku
Vlnová délka (λ) je definována jako podíl rychlosti zvuku (ms-1) a frekvence zvuku. λ=c/f
Můžeme si tak spočítat, že ve vzduchu má zvuk při rychlosti 340 m/s vlnovou délku v rozmezí od
1,7 centimetrů (při 20 kHz) do 17 metrů (při 20 Hz). Zvuk se chová podobně jako světlo. Může se
odrážet od určitých materiálů a jinými materiály je jinak pohlcován. Abychom slyšeli ozvěnu, musí
být překážka, od které se zvuk k nám odrazí, vzdálena minimálně 17m.
Frekvence neboli výška tónu je počet kmitů za jednu sekundu. Lidský sluch je schopný slyšet
tóny o frekvenci přibližně od 20Hz do 20KHz. Frekvence pod 20Hz je Infrazvuk a nad 20KHz
ultrazvuk.
Rychlost zvuku závisí na teplotě (vyšší teplota, vyšší rychlost zvuku) a látce, ve které se šíří
(molekuly blíže - větší rychlost). Zvuk se šíří nejrychleji v kovech, potom v kapalinách a
nejpomaleji ve vzduchu. Ve vzduchu dochází k zřeďování a zhušťování vzduchu.




Rychlost zvuku ve vzduchu – při 0°C asi 332 m/s, při 20°C asi 340 m/s
Voda - asi 1 460 m/s
ocel - asi 5 000 m/s
dřevo - asi 4 000 m/s
Hlasitost a intenzita zvuku
Periodické změny tlaku vnímáme jako zvuk o určité hlasitosti. Hlasitost je veličina subjektivní a
závisí na citlivosti sluchu. Pro objektivní hodnocení zvuku byla zavedena intenzita zvuku
(akustický tlak). Intenzita závisí na energii kmitání, které zvukové vlnění v daném bodě vzbuzuje.
Tuto energii zase ovlivňuje výchylka amplitudy a frekvence. Podle citlivosti lidského sluchu byly
zavedeny dvě hranice intenzity zvuku: práh slyšení a práh bolesti. Decibel je obecné měřítko
podílu právě těchto 2 hranic intenzity. Práh slyšení pro tón o frekvenci 1 kHz odpovídá 0 dB.
Druh hluku
Řádová velikost hladiny hluku (dB)
Chvění listí
20
Noční ticho ve volné krajině
40
Tichá ulice ve dne
55
Rozmluva dvou osob (1m)
60
Zpěv kosa v parku (3m)
60
Splav na řece (10m)
70
Ulice s intenzivní dopravou
70-80
Jedoucí vlak
90
Rockový koncert
100
Start proudového letadla (300m)
120
Dopplerův jev
Dopplerův jev se projevuje tím, že frekvence vlnění zjištěná pozorovatelem je jiná, než frekvence
vlnění zdroje. Tento efekt všichni známe. Stačí, když kolem nás projede houkající auto a můžeme
slyšet rozdíl mezi zvukem, když se k nám objekt blížil a následně oddaloval.
Obrázek 4 - Dopplerův jev
Když se k nám auto blíží, zvukové vlny jsou na sebe více namačkané a mají větší frekvenci. Když
se hasičské auto oddaluje, je frekvence zvuku, který slyšíme nižší než frekvence zvuku jím
vydávaná.
Analogový a digitální zvuk
Zvuk jako mechanické vlnění je převedeno na analogový nebo digitální elektrický signál. Média s
analogovým záznamem jsou např. magnetické pásky nebo vinylová deska. Digitální záznamová
média jsou DVD, CD, HDD, flash disky, atd..
Obrázek 5 - Spojitý analogový signál
Na obrázku 5 vidíte spojitý analogový signál. Záznam tohoto signálu probíhá následovně: Zdroj
zvuku vibruje a rozechvívá vzduch. Vzduch rozkmitá membránu mikrofonu a toto vlnění je
převedeno pomocí cívky a magnetu na elektrický signál. Tento signál je jakýmsi kontinuálním
obrazem původního zvuku a jeho kvalita je do této chvíle závislá pouze na kvalitě mikrofonu.
Změny elektronického signálu jsou nepřetržitě zaznamenávány na záznamové médium např.
magnetickou pásku nebo gramofonovou desku.
S rozšířením počítačů bylo třeba převést zvuk do digitální formy. Elektrický analogový signál je při
digitalizaci rozdělen na krátké časové úseky, kterým říkáme vzorky. Hodnota vzorků je vyjádřena
číselně, ve dvojkové, binární soustavě. Zapisováním vzorků čísly dvojkové soustavy dostaneme
posloupnost binárních čísel – digitální signál.
Obrázek 6 - Digitální signál
Kontrolní otázky






Vysvětlete co je to zvuk
Co udává frekvence zvuku?
Co ovlivňuje rychlost zvuku? Jakou rychlostí se šíří zvuk ve vakuu?
Jak se projevuje Dopplerův jev?
Jaký je rozdíl mezi digitálním a analogovým signálem?
Co je to Audacity a k čemu slouží?
Shrnutí
Zvuk je mechanické vlnění v prostředí a vzniká vibracemi nějakého tělesa. Ve vzduchu se šíří
stlačováním a zřeďováním molekul. Kmitání má svou frekvenci, která udává výšku tónu, dále
amplitudu a vlnovou délku. Rychlost zvuku závisí na hustotě a teplotě prostředí. Ve vzduchu je
rychlost zvuku přibližně 334ms-1.. Hlasitost zvuku se udává v dB. Dopplerův jev vzniká při
pohybu vysílače vůči posluchači. Analogový signál je spojitý elektronický signál a digitální signál
je vzorkovaný spojitý signál převeden do binární podoby. Nakonec jste se dozvěděli, že Audacity
je open source software určený k práci se zvukem.