Naše vnímání výšky zvuku a jeho dalších vlastností je určeno charakteristikami akustické vlny. Jsou to stejné charakteristiky, které jsou vlastní jakékoli mechanické vlně, jmenovitě perioda, frekvence, amplituda oscilací. Subjektivní vjemy zvuku nezávisí na délce a rychlosti vlny. V článku budeme analyzovat fyziku zvuku. Výška a zabarvení – jak se určují? Proč vnímáme některé zvuky jako hlasité a jiné jako tiché? Odpovědi na tyto a další otázky budou uvedeny v článku.
Pitch
Co určuje výšku? Abychom to pochopili, udělejme jednoduchý experiment. Vezměme si flexibilní dlouhé pravítko, nejlépe hliníkové.
Přitiskneme jej ke stolu a silně zatlačíme na okraj. Udeřme prstem na volný okraj pravítka – bude se chvět, ale jeho pohyb bude tichý. Nyní si pravítko přiblížíme k sobě, aby jeho menší část vyčnívala za okraj desky stolu. Pojďme znovupravítko. Jeho hrana bude vibrovat mnohem rychleji a s menší amplitudou a uslyšíme charakteristický zvuk. Dospěli jsme k závěru, že aby mohl vzniknout zvuk, frekvence kmitání musí mít alespoň určitou hodnotu. Spodní limit zvukového frekvenčního rozsahu je 20 Hz a horní limit je 20 000 Hz.
Pokračujme v experimentu. Volný okraj pravítka ještě zkraťte, uveďte jej znovu do pohybu. Je patrné, že se zvuk změnil, zvýšil se. Co experiment ukazuje? Dokazuje závislost výšky zvuku na frekvenci a amplitudě kmitů jeho zdroje.
Hlasitost zvuku
Pro studium hlasitosti použijeme ladičku – speciální nástroj pro studium vlastností zvuku. Existují ladičky s různou délkou nohou. Při úderu kladivem vibrují. Velké ladičky oscilují pomaleji a produkují nízký zvuk. Ty malé vibrují často a liší se výškou tónu.
Pojďme na ladičku a poslouchejme. Zvuk časem slábne. Proč se tohle děje? Hlasitost zvuku je utlumena v důsledku snížení amplitudy kmitání nohou zařízení. Nevibrují tak silně, což znamená, že klesá i amplituda vibrací molekul vzduchu. Čím nižší, tím tišší bude zvuk. Toto tvrzení platí pro zvuky stejné frekvence. Ukazuje se, že jak výška, tak hlasitost zvuku závisí na amplitudě vlny.
Vnímání zvuků různé hlasitosti
Z výše uvedeného se zdá, že čím hlasitější zvuk, tím jasnějšíslyšíme, tím jemnější změny můžeme vnímat. To není pravda. Pokud je tělo nuceno kmitat s velmi velkou amplitudou, ale nízkou frekvencí, pak bude takový zvuk špatně rozlišitelný. Faktem je, že v celém rozsahu slyšitelnosti (20-20 tisíc Hz) naše ucho nejlépe rozlišuje zvuky kolem 1 kHz. Lidský sluch je na tyto frekvence nejcitlivější. Takové zvuky se nám zdají nejhlasitější. Varovné signály, sirény jsou naladěny přesně na 1 kHz.
Úroveň hlasitosti různých zvuků
Tabulka ukazuje běžné zvuky a jejich hlasitost v decibelech.
| Typ hluku | Úroveň hlasitosti, dB |
| Klidné dýchání | 0 |
| Šepot, šustění listí | 10 |
| Tikání hodin ve vzdálenosti 1 m | 30 |
| Pravidelná konverzace | 45 |
| Hluk v obchodě, konverzace v kanceláři | 55 |
| Sound of the street | 60 |
| Hlasité řeči | 65 |
| Hluk tiskáren | 74 |
| Auto | 77 |
| Autobus | 80 |
| Inženýrský obráběcí stroj | 80 |
| Hlasitý výkřik | 85 |
| Motocykl s tlumičem | 85 |
| Soustruh | 90 |
| Metalurgický závod | 99 |
| Orchestr, vůz metra | 100 |
| Kompresorová stanice | 100 |
| řetězová pila | 105 |
| Helikoptéra | 110 |
| Thunder | 120 |
| Proudový motor | 120 |
| Nýtování, řezání oceli (tento objem se rovná prahu bolesti) | 130 |
| Letadlo na startu | 130 |
| Výlet rakety (způsobuje šok granátu) | 145 |
| Zvuk brokovnice střední ráže blízko ústí hlavně (způsobuje zranění) | 150 |
| Nadzvukové letadlo (tento objem vede ke zranění a bolestivému šoku) | 160 |
Timbre
Výška a hlasitost zvuku jsou určeny, jak jsme zjistili, frekvencí a amplitudou vlny. Zabarvení nezávisí na těchto vlastnostech. Vezměme si dva zdroje zvuku stejné výšky, abychom pochopili, proč mají odlišné zabarvení.
Prvním nástrojem bude ladička znějící na frekvenci 440 Hz (toto je nota pro první oktávu), druhým bude flétna, třetím bude kytara. S hudebními nástroji reprodukujeme stejnou notu, na kterou zní ladička. Všechny tři mají stejnou výšku, ale přesto znějí jinak, liší se zabarvením. Jaký je důvod? Všechno je to o vibracích zvukové vlny. Pohyb, který dělá akustická vlna složitých zvuků, se nazývá neharmonické kmitání. Vlna v různých oblastech kmitá s různou silou a frekvencí. Tyto dodatečné podtóny, které se liší hlasitostí a výškou, se nazývají podtóny.
Nepleťte si výšku a barvu. Fyzika zvuku je taková, že pokud„přimícháme“další, vyšší k hlavnímu zvuku, dostaneme to, čemu se říká zabarvení. Je určena hlasitostí a počtem podtónů. Frekvence podtónů je násobkem frekvence nejnižšího tónu, tj. je to celé číslo, kolikrát je větší - 2, 3, 4 atd. Nejnižší tón se nazývá hlavní tón, je to ten, kdo určuje výšku tónu. a podtóny ovlivňují zabarvení.
Jsou zvuky, které vůbec neobsahují podtóny, jako je například ladička. Pokud znázorníte pohyb jeho zvukové vlny na grafu, dostanete sinusovku. Takové vibrace se nazývají harmonické. Ladička vydává pouze základní tón. Tento zvuk se často nazývá nudný, bezbarvý.
Když má zvuk hodně vysokofrekvenčních podtónů, je drsný. Nízké podtóny dodávají zvuku jemnost, sametový. Každý hudební nástroj, hlas má svůj vlastní soubor podtextů. Je to kombinace základního tónu a podtónů, která dává jedinečný zvuk, dodává zvuku určitý zabarvení.
