hlavní-stránka › Články › o-zvuku

Co je to zvuk

Jeho chápání a vznik

Věřím, že jste si již mnohokrát třeba při spuštěném Winampu položili otázku, co vlastně reprezentuje ta podivuhodně se klikatící křivka pod časomírou a jak je možné, že skrývá tolik rozličných zvuků od různorodých nástrojů, třebaže my bychom nedokázali odlišit její průběh vyjadřující symfonický orchestr od hry na hřeben. A co je to vlastně zvuk? Jak se šíří, jak vzniká? Na všechny otázky bych chtěl jednoduchou, populární formou odpovědět. Bohužel nevím, jaký typ čtenářů a s jakými znalostmi tento web navštěvuje, tak jsem použil zprvu jednoduchý výklad bez nějakých nečitelných fyzikálních konstrukcí a matematických vzorců. Laicky se dá vysvětlit úplně všechno, jenom to déle trvá, a proto jsem si někde dovolil použit i rychlejšího jednoznačného vysvětlení.

Jestliže bouchnu do stolu, uslyším krátký, ale intenzivní úderný zvuk. Co se stalo? Jakmile jsem udeřil do stolu, deska se prohnula, a jelikož vše má snahu zůstat ve své klidové energeticky nejméně náročné poloze, začne se stejnou silou vracet do své původní polohy. Jenomže při své cestě ke klidové poloze se nezastaví a naopak se nabytou silou začne dostávat do opačné výchylky. Toto vše by se opakovalo do nekonečna, kdyby deska byla nějaká ideální bezeztrátová kmitavá soustava. To ale stůl v žádném případě není. Vyrábí se většinou z nějaké dřevotřísky ne nepodobné té, která se používá v ozvučnici reproduktorů právě proto, aby byla akusticky naprosto tuhá a nereagovala na rozvlněný prostor uvnitř jako sekundární zářič. Vzruch v desce vyvolaný úderem se šíří po celém jejím objemu a všemožně se odráží a lomí a co nejhorší, tlumí. Vznikne tak superponované (navzájem sesčítané) vlnění tuhé hmoty stolu, které dráždí a popostrkává okolní molekuly vzduchu a dostává se tak do zvukovodného prostředí, na které jsou naše uši adaptované. Vidíme, že stůl jako zdroj zvuku není úplně košer. Zato například taková ladička je na tom zcela jinak. Je zhotovena z masivního stejnorodého kovu naladěného na určitou frekvenci, nečastěji komorní A (440 Hz). Oproti stolu a jeho zběsilému průběhu vydává čistý, jednoduchý, sinusový tón.

Zvuk potřebuje oproti světlu nějaké hmotné prostředí zprostředkovávající jeho přenos. To že intuitivně chápeme šíření zvuku ve vzduchu tak, že je to prostředí, které je průhledné, a tak zvuku nebrání v cestě, je mylné. Naopak zvuk si libuje v pevných masivních látkách, v kterých jsou molekuly v těsné blízkosti, takže vzruch se přenese nejenom silněji ale také rychleji. Zkuste si ponořit někde na plovárně hlavu do vody a uslyšíte třeba vzdálenou práci na silnici, nebo zvuk projíždějícího kamiónu, o kterém byste s hlavou nad vodou neměli ponětí. Samozřejmě ty zvuky budou deformované, protože fyziologie vašich uší je primárně určena na příjem zvuku ze vzduchu a mozek už je navyklý, jak má asi co znít. Na základní škole jste se učili, že zvuk se šíří vlněním, které se dá reprezentovat sinusovkou reprezentující změny tlaku v prostředí. To je sice pěkná abstrakce, ale někdy to odvádí od správného pochopení, jak to skutečně funguje. Situací nejlépe osvětluje následující obrázek.

Červený píst na levé straně symbolizuje kupříkladu výchylku membrány reproduktoru. Vidíme, jak se molekuly vzduchu pravidelně zahušťují a zase zřeďují a zdánlivě se pohybují zleva doprava ve směru šíření. Zaměříme-li se na jednu molekulu, uvidíme, že se jedná o klam. Každá molekula kmitá pouze kolem své rovnovážné polohy, a pokud není zároveň nesena větrem, nikam necestuje.

Zvuk je tedy reprezentován změnou tlaku vzduchu. Jak to ale potom napasujeme na skutečnost, že zároveň existuje atmosférický tlak? Zatímco atmosférický tlak si drží konstantní úroveň 1000 hPa, jenž se s nadmořskou výškou a počasím může měnit, má akustický tlak střídavý průběh, jehož rovnovážná poloha je právě hodnota lokálního atmosférického tlaku. Výchylka dosahuje velmi malých hodnot. 1 Pascal je už opravdu rachot. Co je to však oproti 1000 hPa.

Jestliže se zponenáhlu změní tlak, třeba při stoupaní v letadle, tak nám maximálně zalehnou uši, ale určitě nebudeme slyšet zvuk. Náš sluchový orgán je totiž třeba dráždit periodickými změnami. Jestliže jsou změny pomalé, tak nezaregistrujeme, že došlo ke změně a ucho se se změnivším tlakem vyrovná jiným způsobem než vzruchem na zvukocitlivých receptorech. Na druhou stranu, když jsou změny příliš rychlé a tedy frekvence vysoká, nestačí se s tím receptory vypořádat a rezignovaně nereagují. Lidské ucho slyší v rozmezí 16Hz - 22KHz. Převážně horní hranice je velmi individuální a s věkem se snižuje. Nejcitlivější jsme v pásmu 2KHz - 4KHz, v kterém je dominantní lidská řeč. Co leží nad 20 KHz, nazýváme ultrazvuk. Dorozumívají se s ním například delfíní, používá se k echolokaci u ponorek a v lékařství podobně jako rentgenu. Naopak pod spodní hranicí se nachází infrazvuk, kterým se dorozumívají sloni, velryby a některá jiná velká zvířata. Tyto nízké frekvence jsou většinou spojeny s přírodními projevy jako mořské vlny, laviny, vulkány, tornáda, meteory a zemětřesení, které se právě těmito vlnami měří a předpovídají.

Jeden francouzský matematik Jean Baptiste Joseph Fourier přišel v 19. století na to, že všechny periodické funkce se dají složit jen za pomoci sinů. Tedy, když bych měl nekonečné množství takových ladiček, naladěné na různé frekvence a spouštěné v přesné okamžiky, mohl bych simulovat veškeré zvuky od jakýchkoliv nástrojů, které kdy byly slyšeny, či pro nás možná zajímavější varianta, nikdy neslyšeny. A to je základní princip zvukové syntézy, používaný ve všemožných syntezátorech.

Jak už to ale tak bývá, když si hrajeme s nekonečnem, tak k tomuto ideálnímu způsobu tvorby se musíme přiblížit nějakými šikovnými technikami, jako je aditivní syntéza, subtraktivní syntéza, metoda frekvenční modulace a další. O těchto metodách se ještě podrobně zmíním.

Načrtnutím tohoto principu nemůžu vynechat zmínění se o spektru. Zrovna tak jak mluvíme o závislosti průběhu amplitudy na čase, tak nás může zajímat i závislost amplitudy na frekvenci, která je v technice a akustice stejně důležitá a mnohokrát má větší vypovídající a ilustrativní schopnost. Přechodem mezi časovou a frekvenční doménou je nám Fourierova transformace, jejíž ne zas tolik složitý vzoreček vám pro jednoduchost zatajím. Jestliže si zobrazíme zvuk jakékoliv klávesy piána na spektrálním analyzátoru, uvidíme řadu vertikálních čar přes celý graf.

První zleva viditelná čára je základní tón, který ovlivňuje výšku tónu. Další čáry jsou celistvými násobky tohoto základního tónu nazývané vyššími harmonickými nebo též alikvotními. Tyto vyšší tóny rozhodují o barvě zvuku, která je typická pro každý nástroj, ale i různá provedení stejného nástroje.

▉ Telotone | 16/04/2008; Aktualizace 23/12/2012

DISKUZE

Diskuze obsahuje 6 příspěvků

Vložit příspěvek: