Charakteristika zvuku

Charakteristika zvuku
1.1.  Všeobecná charakteristika zvuku:
Zvuk je predmetom štúdia časti fyziky, presnejšie náuky o zvukovom vlnení a jeho šírení, ktorá sa nazýva akustika.
Dôvody a ciele záujmu o akustiku sú rôzne a práve podľa toho sa tento obor dá rozdeliť na niekoľko častí:
 
    1. Fyzikálna akustika - študuje spôsob vzniku a šírenie zvuku. Ďalej sa zaoberá jeho odrazom a pohlcovaním v rôznych materiáloch.
    2. Hudobní akustika - skúma zvuky a ich kombinácie s ukazovateľom na potreby hudby.
    3. Fyziologická akustika - sa zaoberá vznikom zvuku v hlasovom orgáne človeka a jeho vnímaním v uchu.
    4. Stavebná akustika - skúma dobré a nerušené podmienky počúvanosti hudby a reči v obytných miestnostiach a sálach.
  5. Elektroakustika - sa zaoberá záznamom, reprodukciou a šírením zvuku s využitím elektrického prúdu.
 
 Akustika sa zaoberá aj vznikom, vlastnosťami a účinkami tzv. ultrazvuku (a infrazvuku), mechanického vlnenia s veľmi vysokou (pre infrazvuk nízkou) frekvenciou, na ktoré už ľudské ucho nereaguje. Zvuk je kmitanie hmotných častíc, ktoré  si navzájom prenášajú energiu a tým vyvolajú sluchový vnem => Fyzikálnou príčinou vzniku zvuku je chvejúce sa teleso.
 
Zvuk môžeme vnímať len za určitých podmienok. Základnou z podmienok je, že musí existovať: zdroj zvuku, prostredie, ktorým sa šíri a zdravý sluch. Hmotou (látkou) môže byť vzduch, voda, drevo, alebo ktorýkoľvek iný materiál. Prostredie, ktorým sa šíri zvukový rozruch od chvejúceho sa telesa k nášmu uchu, je najčastejšie vzduch. Potom naše uši zhromažďujú tieto vibrácie a umožňujú nám interpretovať ich.
Faktom je, že jediné prostredie, ktorým sa zvuk nemôže šíriť, je vákuum.
 
Ak je kmitanie zdroja zvuku pravidelné, vnímame tón, t.j. hudobný zvuk.
Ak zvuk vzniká nepravidelným chvením telesa, vnímame ho ako hluk.
 
Infrazvuk je mechanické vlnenie s frekvenciou nižšou ako 16 Hz. Vďaka dobrému šíreniu vo vode možno napr. zistiť „hlas mora”, ktorý pár hodín vopred predpovedá príchod vlnobitia – varovanie pre ryby a medúzy. Na človeka pôsobí škodlivo najmä vtedy, ak má frekvenciu rovnakú, akú má tlkot srdca. Tým, že ho nepočujeme, sme chránení pred mnohými zdrojmi hluku. Umožňuje mu to napr. pokojný spánok, lebo neregistruje vlastný krvný obeh.
 
Ultrazvuk je mechanické vlnenie s frekvenciou vyššou ako 20 kHz, takže ho sluchom nevnímame. Ultrazvuk však má významné uplatnenie v technickej praxi. Pretože vlnová dĺžka ultrazvuku je veľmi malá, šíri sa prostredím priamočiaro a pri odraze od prekážok platí zákon odrazu. Praktické využitie je založené práve na týchto vlastnostiach. Súčasne sa uplatňuje jeho malá absorbcia v kvapalných a pevných látkach.

1.2.  Zvukové vlny
Zvukové vibrácie môžeme cítiť napríklad keď si priložíte konček ukazováka na hrdlo  a rozprávate, alebo sa dotknete zvončeka na bicykli keď zvoní.
Keď udrieme na bubon, bubon sa rozkmitá, rýchlo sa prehýna dopredu a dozadu. Kmitajúci bubon stláča molekuly vzduchu, pričom miesta zhusteného a zriedeného vzduchu sa pravidelne menia. V miestach, kde sú častice blízko pri sebe, sa tlak vzduchu o máličko zvýši a vytvára zhluky. V miestach, kde sú ďalej od seba, sa o máličko zníži a vytvára zriedenia. Pri bežnom rozhovore je táto zmena tlaku iba asi 0,01 Pa. To však stačí na vytvorenie zvukového vnemu. Samotné častice vzduchu pri zvuku nepostupujú,  len nepatrne kmitajú sem a tam a tým si odovzdávajú - prenášajú energiu. Hovoríme, že vzduchom sa šíri zvuková vlna => Zvuková vlna je striedavé stláčanie a zrieďovanie vzduchu. Zvukovú vlnu môžeme znázorniť pomocou tzv. vlnovej funkcie. Ak by bola látka v kľude (žiaden zvuk - žiadne mechanické vlnenie), hustota častíc by sa v látke nemenila tj. vlnová funkcia by vyzerala ako vodorovná os x.
 
Zvukové vlny sa často znázorňujú aj pomocou tzv. vlnoplôch. Ak si zvuk predstavíme ako vlnenie napr. na povrchu jazera, potom vlnová funkcia znázoňuje pohľad na vlny z boku a vlnoplocha pohľad zhora.
Každý cyklus zvuku obsahuje jeden zhluk (oblasť so zvýšeným tlakom) a jedno zriedenie (oblasť, kde je tlak menší ako normálny).
 
1.3.  Vlnová dĺžka
Vlnová dĺžka je vodorovná vzdialenosť medzi dvoma za sebou idúcimi rovnocennými bodmi vlny. To znamená, že vlnová dĺžka je vodorovná dĺžka jedného cyklu vlny.
 
1.4.  Perióda
Perióda je čas potrebný na jeden celý cyklus vlny ("časová dĺžka" cyklu vlny). Teda, perióda je množstvo času potrebné na to, aby vlna prešla vzdialenosť rovnú jednej vlnovej dĺžke. Frekvencia zvukovej vlny vyjadruje počet cyklov, ktoré prejdú daným miestom za jednu sekundu.
 
Fyzikálnou jednotkou je 1 Hertz (1Hz) . Ak sa zdroj pohybuje "hore-dole" s frekvenciou 900 Hz, potom generuje každú sekundu 900 zhlukov a za každým z nich nasleduje zriedenie a spolu vytvárajú zvukovú vlnu, ktorej frekvencia je 900 Hz. Frekvencia určuje výšku zvuku (tónu). Čím je frekvencia vyššia, tým je výška zvuku vyššia . Každý tón má svoju frekvenciu. V hudobnej akustike bol ako základný tón stanovený tón s frekvenciou 440 Hz (označenie a1, tzv. komorné á). V technickej praxi sa ako základný tón používa tón s frekvenciou 1 kHz (tzv. referenčný tón).
 
1.5.  Amplitúda zvukovej vlny
Amplitúda zvukovej vlny je graficky reprezentovaná maximálnou hodnotou vlnovej funkcie. Keď uvažujeme hlasný zvuk, vlna je vysoká a amplitúda veľká. Naopak, menšia amplitúda reprezentuje tichší zvuk.
 
Hlasitosť zvuku popisujeme fyzikálnou veličinou intenzita zvuku. Vedeckou jednotkou intenzity zvuku v logaritmickej mierke je bel, značka B. V praxi sa používa 10-krát menšia jednotka - decibel (dB).     Rozsah intenzít zvuku, ktoré môžeme vnímať sluchom, je veľký. Najtichšiemu zvuku, ktorý ľudské ucho zaregistruje je priradená intenzita 0 dB. Táto hodnota sa nazýva aj prah počuteľnosti. Zvuku, ktorý môže poškodiť naše ucho, tzv. prah bolesti, odpovedá intenzita 120 dB. Ľudská reč má približne 60 decibelov.
Hlasitosť vnímaného zvuku závisí na : - ako silne bolo rozochvené teleso, ktoré je zdrojom zvukového rozruchu. Ak buchneme kladívkom slabo na ladičku, počujeme iba slabý, málo hlasný tón. Ak buchneme kladívkom za ináč rovnakých okolností silnejšie, počujeme podstatne hlasnejší tón. - od vzdialenosti zdroja zvuku od našeho ucha a od prostredia, ktorým sa zvukový rozruch k našemu uchu šíri. - na našom sluchovom ústrojenstve, ktoré nie je rovnako citlivé na všetky frekvencie tónov zachytiteľných sluchom. Ľudské ucho je najcitlivejšie na tóny o frekvenciách od 2-4 kHz.
 
1.6.  Vyššie harmonické frekvencie
Aj keď klarinet a trúbka hrajú ten istý tón (rovnaká výška, rovnaká základná frekvencia), znejú veľmi odlišne. Túto odlišnosť charakterizuje farba tónu (kvalita tónu). Tieto dva hudobné nástroje sa líšia v množstve a type vyšších harmonických frekvencií.
Vyššie harmonické frekvencie (vhf) sú tóny, ktorých frekvencie sú celočíslenými násobkami základnej frekvencie vlny.
Napr. ak a je hrané na 440 Hz, frekvencie vhf budú 880 Hz, 1320 Hz atď. Vyššie harmonické frekvencie sú očíslované v poradí nárastu frekvencie. Teda, prvá harmonická je základná frekvencia, druhá je dvojnásobkom základnej atď.
 
Grafy zvukových vĺn sa nazývajú vlnové priebehy, resp. vlnové funkcie. Vlnový priebeh tónu ladičky neobsahuje žiadne vhf, iba základnú frekvenciu.Vyššie harmonické tóny vytvárajú so základným tónom zložený zvuk s periódou, ktorá je zhodná s periódou základného tónu. Tento zložený zvuk náš sluch vníma ako jediný tón.
 
Každý nástroj produkuje vhf, ktorých odpovedajúca intenzita závisí od typu a výroby nástroja a spôsobu, akým naň muzikant hrá. Vlnová funkcia klarinetu obsahuje veľké množstvo tretej, piatej a siedmej vhf, a menšie množstvo druhej, štvrtej a šiestej vhf a samozrejme prvú harmonickú frekvenciu, základnú frekvenciu. Vlnová funkcia tónu trúbky pozostáva z veľkého množstva tretej vhf a niečo z druhej, štvrtej a piatej vhf, spolu so základnou frekvenciou.

Harmonická syntéza je spôsob, ako vzniká zvuková vlna z jej harmonických častí . Čím presnejšie priblíženie k vlnovému priebehu daného hudobného nástroja chceme dosiahnuť, tým viac vhf je potrebných pri syntéze zvuku daného nástroja. Elektronické hudobné nástroje používajú série vhf, ktorých rôzne amplitúdy sa dajú upraviť tak, aby mali tvar požadovanej vlnovej funkcie hudobného nástroja. Súčasné skupiny používajú vo svojej tvorbe veľmi často syntezátory, pretože zvuk, ktorý produkujú je takmer nerozpoznateľný od zvuku reálneho nástroja. Opak harmonickej syntézy je harmonická analýza, pri ktorej sa zvuk rozkladá na svoje zložky, tj. vhf. To vyžaduje komplexnú matematiku nazývanú Fourierova analýza (Jean Baptiste Joseph Fourier, francúzky matematik, ktorý študoval periodické funkcie).