Zvuk 1.4.2005 - Kategorie: Akustika Definice zvuku, šíření prostředím, odraz od překážky a související fyzikální veličiny.

Definice

Zvuk je definován jako mechanické zhušťování a rozřeďování šířící se nosným prostředím v podobě vlnění.

Šíření zvuku

Při šíření zvuku nedochází k přenosu hmoty nosného prostředí, ale energie. Rychlost tohoto šíření je závislá na teplotě, tlaku a typu prostředí. Ve vzduchu o teplotě 15°C je za běžného atmosférického tlaku rychlost šíření zvuku přibližně 340 m/s.

Mechanické vlnění je zprostředkováno vazebnými silami mezi jednotlivými částicemi prostředí, tedy atomy nebo molekulami. Kmitání částice se vazbami přenáší na okolní částice a těmi se šíří na další. Vzniká tak vlnění které přenáší energii. Toto vysvětlení je použitelné pro pevné a kapalné prostředí, kde jsou vazby mezi atomy a molekulami dostatečně pevné. V případě plynů, jsou od sebe částice vzdáleny tak, že na sebe téměř nepůsobí. Vlnění se pak šíří díky srážkám molekul, které jsou v plynech velmi časté. Ve vakuu se logicky zvuk nešíří, ačkoli se nás mnoho scifi filmů snaží přesvědčit o opaku.

Při šíření vlnění dochází v nosném prostředí ke ztrátám energie, nebo přesněji k její transformaci na jiný druh, především na tepelnou. V důsledku toho hlasitost zvuku klesá se vzdálenosti od zdroje. V případě všesměrového šíření je úbytek hlasitosti ještě výraznější, protože se energie rozprostírá do stále většího prostoru.

Hlavním orgánem pro vnímání zvuku je ucho, ale protože se jedná o mechanické vlnění může být zaznamenán i hmatovým smyslem.

Odraz zvuku

Když vlnění na své cestě prostředím dorazí k překážce, za kterou můžeme považovat každé jiné prostředí, dojde částečně k pohlcení zvuku, který se dál šíří pro něj novým prostředím a částečně dojde k odrazu. Směr odrazu závisí na tvaru překážky. Od rovné a dokonale hladké překážky se odráží, stejně jako světlo od zrcadla, pod úhlem dopadu. Na hrbolatých překážkách dochází k rozptylu. Pyramidy na akustických tlumících materiálech odráží zvuk do překážky a zvyšují tak její pohltivost.

Veličiny

Pokud je vlnění pravidelné můžeme určit jeho frekvenci, která znamená rychlost kmitání částic prostředí a její jednotkou je hertz (Hz). Frekvence vyjádřená v Hz udává počet kmitů za 1s. Lidské ucho vnímá frekvence přibližně od 16Hz do 20kHz. To je samozřejmě individuální a také závislé na věku jedince. Mechanické vlnění o frekvenci nižší než je slyšitelná se nazývá infrazvuk a pokud je jeho frekvence nad slyšitelnou oblastí, pak se jedná o ultrazvuk. Ultrazvuky a infrazvuky, přestože nejsou slyšitelné, mohou být vnímány a mohou mít nezdravý vliv. Další měřitelnou veličinou týkající se zvuku je amplituda. Ta popisuje velikost změn tlaku v nosném prostředí zvuku a vystihuje tak hlasitost zvuku. Je definována jako maximální rozdíl okamžité hodnoty tlaku v určitém bodě od průměrného tlaku prostředí, jímž zpravidla bývá hodnota atmosférického tlaku. Ačkoli tlak bývá nejčastěji udáván v pascalech, amplitudou je spíše myšlena úroveň zvukového tlaku a měří se v decibelech (dB). Spodní hranice slyšitelnosti úrovně zvuku je pro člověka 0dB, tzv. práh slyšení. Od úrovně 85dB výše může dojít k poškození sluchu a úroveň vyšší než přibližně 130dB (opět individuální a na věku závislá hodnota) způsobuje bolest (práh bolesti).

Vedle těchto dvou základních veličin popisujících vlnění se používá také perioda a vlnová délka. Perioda je doba trvání jednoho kmitu a je tak úzce spjata s frekvencí - jedná se o její převrácenou hodnotu. Vyjadřuje časový údaj a proto se nejčastěji udává v sekundách. Vlnová délka, jak název napovídá, popisuje délku vlny, neboli vzdálenost, kterou vlnění urazí za dobu jedné periody. Narozdíl od frekvence a periody není závislá jen na rychlosti kmitání částic prostředí, ale také na rychlosti šíření zvuku prostředím.

Obrázek 1: Časový průběh změn tlaku v určitém bodě prostředí. Zobrazuje význam periody a amplitudy.

Obrázek 2: Časově statický snímek vlny postupující prostředím demonstrující význam amplitudy a vlnové délky.