Naše vnímanie výšky zvuku a jeho ďalších vlastností je určené charakteristikami akustickej vlny. Sú to rovnaké charakteristiky, ktoré sú vlastné každej mechanickej vlne, konkrétne perióda, frekvencia, amplitúda oscilácií. Subjektívne vnemy zvuku nezávisia od dĺžky a rýchlosti vlny. V článku rozoberieme fyziku zvuku. Výška tónu a farba – ako sa určujú? Prečo vnímame niektoré zvuky ako hlasné a iné ako tiché? Odpovede na tieto a ďalšie otázky nájdete v článku.
Pitch
Čo určuje výšku? Aby sme to pochopili, urobme jednoduchý experiment. Vezmime si flexibilné dlhé pravítko, najlepšie hliníkové.
Pritlačte ho k stolu a silno zatlačte na okraj. Udrieme prstom na voľný okraj pravítka – bude sa triasť, ale jeho pohyb bude tichý. Teraz posuňme pravítko bližšie k sebe tak, aby jeho menšia časť vyčnievala za okraj pracovnej dosky. Udrime ešte razpravítko. Jeho okraj bude vibrovať oveľa rýchlejšie a s menšou amplitúdou a budeme počuť charakteristický zvuk. Dospeli sme k záveru, že na to, aby sa zvuk objavil, musí mať frekvencia kmitov aspoň určitú hodnotu. Dolná hranica zvukového frekvenčného rozsahu je 20 Hz a horná hranica je 20 000 Hz.
Pokračujme v experimente. Voľný okraj pravítka ešte skráťte, opäť ho dajte do pohybu. Je zrejmé, že zvuk sa zmenil, je vyšší. Čo ukazuje experiment? Dokazuje závislosť výšky zvuku od frekvencie a amplitúdy kmitov jeho zdroja.
Hlasitosť zvuku
Na štúdium hlasitosti použijeme ladičku – špeciálny nástroj na štúdium vlastností zvuku. Existujú ladičky s rôznymi dĺžkami nôh. Pri údere kladivom vibrujú. Veľké ladičky kmitajú pomalšie a vytvárajú nízky zvuk. Malé často vibrujú a líšia sa výškou tónu.
Poďme na ladičku a počúvajme. Zvuk časom slabne. Prečo sa to deje? Hlasitosť zvuku je zoslabená v dôsledku zníženia amplitúdy kmitania nôh zariadenia. Nevibrujú tak silno, čo znamená, že klesá aj amplitúda vibrácií molekúl vzduchu. Čím je nižšia, tým bude zvuk tichší. Toto tvrdenie platí pre zvuky rovnakej frekvencie. Ukazuje sa, že výška aj hlasitosť zvuku závisia od amplitúdy vlny.
Vnímanie zvukov rôznej hlasitosti
Z vyššie uvedeného sa zdá, že čím je zvuk hlasnejší, tým sme jasnejšípočujeme, tým jemnejšie zmeny dokážeme vnímať. To nie je pravda. Ak je telo prinútené oscilovať s veľmi veľkou amplitúdou, ale nízkou frekvenciou, potom bude takýto zvuk zle rozlíšiteľný. Faktom je, že v celom rozsahu počuteľnosti (20-20 tisíc Hz) naše ucho najlepšie rozlišuje zvuky okolo 1 kHz. Ľudský sluch je na tieto frekvencie najcitlivejší. Takéto zvuky sa nám zdajú najhlasnejšie. Varovné signály, sirény sú naladené presne na 1 kHz.
Úroveň hlasitosti rôznych zvukov
V tabuľke sú uvedené bežné zvuky a ich hlasitosť v decibeloch.
| Typ hluku | Úroveň hlasitosti, dB |
| Kľudné dýchanie | 0 |
| Šepot, šuchot lístia | 10 |
| tikanie hodín vo vzdialenosti 1 m | 30 |
| Pravidelný rozhovor | 45 |
| Hluk v obchode, konverzácia v kancelárii | 55 |
| Sound of the street | 60 |
| Hlasná reč | 65 |
| Hluk tlačiarne | 74 |
| Auto | 77 |
| Autobus | 80 |
| Inžiniersky obrábací stroj | 80 |
| Hlasný krik | 85 |
| Motocykel s tlmičom | 85 |
| Sústruh | 90 |
| Metalurgický závod | 99 |
| Orchester, vozeň metra | 100 |
| Kompresorová stanica | 100 |
| Reťazová píla | 105 |
| Helicopter | 110 |
| Thunder | 120 |
| Prúdový motor | 120 |
| Nitovanie, rezanie ocele (tento objem sa rovná prahu bolesti) | 130 |
| Lietadlo pri štarte | 130 |
| Odpálenie rakiet (spôsobuje šok z granátu) | 145 |
| Zvuk brokovnice stredného kalibru blízko hlavne (spôsobuje zranenie) | 150 |
| Nadzvukové lietadlo (tento objem vedie k zraneniu a bolestivému šoku) | 160 |
Timbre
Výška a hlasitosť zvuku sú určené, ako sme zistili, frekvenciou a amplitúdou vlny. Zafarbenie je nezávislé od týchto charakteristík. Vezmime si dva zdroje zvuku rovnakej výšky, aby sme pochopili, prečo majú rozdielne zafarbenie.
Prvým nástrojom bude ladička znejúca na frekvencii 440 Hz (toto je nota pre prvú oktávu), druhým bude flauta, tretím bude gitara. S hudobnými nástrojmi reprodukujeme rovnakú notu, na ktorej znie ladička. Všetky tri majú rovnakú výšku tónu, no napriek tomu znejú inak, líšia sa zafarbením. Aky je dôvod? Všetko je to o vibráciách zvukovej vlny. Pohyb, ktorý vytvára akustická vlna zložitých zvukov, sa nazýva neharmonická oscilácia. Vlna v rôznych oblastiach osciluje s rôznou silou a frekvenciou. Tieto dodatočné podtóny, ktoré sa líšia hlasitosťou a výškou, sa nazývajú podtóny.
Nemýľte si výšku tónu a farbu. Fyzika zvuku je taká, že ak„primiešaním“dodatočných, vyšších k hlavnému zvuku dostaneme to, čo sa nazýva timbre. Je určená hlasitosťou a počtom podtónov. Frekvencia podzvukov je násobkom frekvencie najnižšieho tónu, t.j. je to celé číslo, koľkokrát je väčšie - 2, 3, 4 atď. Najnižší tón sa nazýva hlavný tón, je to ten, ktorý určuje výšku tónu. a podtóny ovplyvňujú farbu.
Sú zvuky, ktoré vôbec neobsahujú podtóny, ako napríklad ladička. Ak znázorníte pohyb jeho zvukovej vlny na grafe, dostanete sínusoidu. Takéto vibrácie sa nazývajú harmonické. Ladička vydáva len základný tón. Tento zvuk sa často nazýva nudný, bezfarebný.
Keď má zvuk veľa vysokofrekvenčných podtextov, je drsný. Nízke podtóny dodávajú zvuku jemnosť, zamat. Každý hudobný nástroj, hlas má svoj vlastný súbor podtextov. Je to kombinácia základného tónu a podtónov, ktorá dáva jedinečný zvuk, dodáva zvuku určitý timbre.
