6. Praktické využitie vlastností zvuku - Gymnázium J. A. Raymana

Gymnázium Jána Adama Raymana
Ročníková práca
Zvuk a jeho vlastnosti
RnDr. Miroslav Krajňák PhD. Matúš Kivader
Mgr. Ján Guniš
Prešov, máj 2004

Anotácia
Stručný obsah:
− Uvedenie a definovanie(vysvetlenie) základných pojmov,
týkajúcich sa danej problematiky.
− Čo je to zvuk, jeho vlastnosti, ako sa šíri rôznymi prostrediami,
od čoho závisí rýchlosť šírenia v danom prostredí...
− Ako vzniká zvuk pri vzájomnom pôsobení telies (hudobné
nástroje, explózie, nárazy a pod.).
− Skladanie zvukových vĺn, vznik akustických rázov, odraz zvuku...
− Zvuky v prírode, kde a v akej forme sa vyskytujú, čo je podstatou
ich vzniku
− Druhy zvukových signálov(infrazvuk, ultrazvuk...), ich význam a
použitie v praxi.
Vysvetlivky:
X. TEXT – názov kapitoly
X.Y. TEXT – názov podkapitoly
TEXT – dôležité pojmy
TEXT – dôležité definície
??? – problémy, otázky
!!! – odpovede, riešenia problémov

Prehlásenie
Prehlasujem, že som túto ročníkovú prácu
vypracoval samostatne, a že som uviedol všetku použitú
literatúru a všetky použité informačné zdroje.
.............

Obsah
1. ZÁKLADY............................................................................................5
1.1 Podstata zvuku...........................................................................5
1.2 Šírenie zvuku..............................................................................5
1.3 Rýchlosť zvuku ...........................................................................6
2. CHARAKTERISTIKY ZVUKU......................................................8
2.1 Definície a pojmy.......................................................................8
2.2 Intenzita zvuku ..........................................................................8
2.3 Vyššie harmonické frekvencie (vhf)....................................9
3. ZVUKOVÉ JAVY ...............................................................................10
3.1 Difrakcia, interferencia, rázy ...............................................10
3.2 Odraz zvuku, ozvena a rezonancia....................................12
4. ZÁZNAM ZVUKU ...........................................................................15
4.1 Záznam a prehrávanie zvuku..............................................15
4.2 Elektromagnetická indukcia.................................................15
4.3 CD prehrávač............................................................................16
5. OTÁZKY A ODPOVEDE...............................................................17
6. PRAKTICKÉ VYUŽITIE VLASTNOSTÍ ZVUKU .................19
7. SLOVNÍK POJMOV.......................................................................21
8. MEDIÁLNY INDEX (LEN NA CD)...........................................24
ZOZNAM POUŽITEJ LITERATÚRY................................................25
PRÍLOHA:................................................................................................26

1.1 Podstata zvuku
1. Základy
Zvuk môžeme vnímať len za určitých podmienok. Základnou z
podmienok je, že musí existovať: zdroj zvuku, prostredie, ktorým sa šíri
a zdravý sluch. Zjednodušene je zvuk kmitanie akejkoľvek hmoty.
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. Faktom je, že jediné
prostredie, ktorým sa zvuk nemôže šíriť, je vákuum. Potom naše uši
zhromažďujú tieto vibrácie a umožňujú nám interpretovať ich.
1.2 Šírenie zvuku
Ak chceme byť vo vysvetlení presnejší, treba dodať, že kmity, ktoré
vytvárajú zvuk, nie sú výsledkom pohybu celého objemu "tam a späť".
Ak by to platilo, celá atmosféra by sa musela hýbať zakaždým, keď sa
vytvorí sebemenší zvuk! Namiesto toho, sa kmity objavujú medzi
jednotlivými molekulami látky a šíria sa v látke vo forme zvukových vĺn.
Zvukové vlny sa šíria látkou tak, že každá molekula vráža do vedľajšej
a vracia sa do pôvodnej polohy. V dôsledku toho sa v látke striedajú
oblasti, v ktorých je hmota hustejšia, nazývané zhluky, s oblasťami, kde
je hmota redšia, nazývané zriedenia.
Napríklad: ak oceľový prúžok alebo tenkú drevenú doštičku upevníme
na jednom konci a druhý koniec vychýlime, doštička sa rozkmitá a
počujeme zvuk.
Pri chvení oceľového prúžku sa predáva časť jeho pohybovej energie
molekulám plynov vzduchu. Zatiaľ čo v istom okamihu sú molekuly
plynov po jednej strane prúžku viacej k sebe stlačované, sú na opačnej
strane viacej od seba oddiaľované. V nasledujúcich okamihoch nastáva
jav opačný. Týmto, pravidelne sa opakujúcim dejom, sa prenáša
energia postupne aj na vzdialenejšie molekuly plynov. Vzduchom sa šíri
všetkými smermi od chvejúceho sa prúžku rozruch, v ktorom prebieha
striedavo pravidelné zhustenie a zriedenie molekúl vzduchu. Podobne
počujeme zvuk rozkmitanej struny upevnenej na oboch koncoch alebo
zvuk ladičky, ktorú sme rozkmitali úderom kladivka z pryže.
5

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.
Fyzikálnou príčinou vzniku zvuku je chvejúce sa teleso.
Ak je kmitanie zdroja zvuku pravidelné, vnímame tón, t.j. hudobný zvuk.
Ak zvuk vzniká nepravidelným chvením telesa, vnímame ho ako hluk,
napr. vrzanie, šramot, hukot a praskot.
Pre zjednodušenie fyzikálnych úvah sa zvukové vlny sa často
znázorňujú pomocou tzv. vlnových funkcií alebo vlnoplôch.
1.3 Rýchlosť zvuku
Zvuk sa šíri v rôznych prostrediach rôznou rýchlosťou. Závisí to od
vlastností daného prostredia. Zo všetkých skupenstiev (plynné,
kvapalné, pevné) sa zvuk šíri najpomalšie plynom, rýchlejšie kvapalinou
a najrýchlejšie pevnou látkou. Rýchlosť zvuku ovplyvňuje tiež teplota
prostredia.
Plyny:
Ak sa pozrieme bližšie na vlastnosti plynov, vidíme, že len v prípade,
keď sa molekuly zrážajú jedna z druhou, sa môžu hýbať zhluky a
zriedenia zvukovej vlny. Z toho logicky vyplýva, že: Rýchlosť zvuku
ako fyzikálna veličina má ten istý charakter ako stredná rýchlosť
medzi dvoma po sebe idúcimi zrážkami molekúl.
Pri plyne je osobitne dôležité vedieť jeho teplotu. Je to preto, lebo pri
vyšších teplotách sa molekuly zrážajú častejšie a tým umožňujú
vzruchu (zvuku) šíriť sa rýchlejšie. Pri bode mrazu (0°C), sa zvuk šíri
vzduchom rýchlosťou 331 m/s. Ale, pri 20°C (izbová teplota) sa zvuk
šíri rýchlosťou 343 m/s.
Kvapaliny:
Zvuk sa v kvapalinách šíri rýchlejšie, pretože ich molekuly sú tesnejšie
viazané. V čistej vode sa zvuk šíri rýchlosťou 1482 m/s. Je to
štvornásobne viac ako vo vzduchu! Niektoré zo živočíchov žijúcich v
oceánoch sa spoliehajú na zvukové vlny ako na prostriedok, ktorý im
umožňuje komunikáciu s inými živočíchmi, lokáciu potravy a prekážok
(echolokáciu). Dôvodom, prečo sú schopné efektívne využívať túto
metódu komunikácie na veľké vzdialenosti, je fakt, že zvuk sa vo vode
šíri veľmi rýchlo.
6

Pevné Látky:
Zvuk sa najrýchlejšie šíri pevnými telesám. Je to preto, že príťažlivé
sily, ktorými navzájom pôsobia molekuly sú v pevnom skupenstve
väčšie ako v kvapalinách, aj keď vzdialenosti medzi molekulami sa len
málo líšia. Rýchlosť zvuku v oceli (5960 m/s) je viac ako 17-násobne
vyššia ako vo vzduchu. Ale, tento fakt platí len pre väčšinu pevných
látok. Rýchlosť zvuku vo všetkých pevných telesách nie je väčšia ako
vo všetkých kvapalinách.
Príloha: Tabuľka č.1
Iné príklady na šírenie sa zvuku v rôznych prostrediach:
- pod vodou je možné počuť nárazy kameňa alebo zvuk motorového
člnu; chvenie trúbky pri odoberaní vody z vodovodného kohútika
(prenáša sa potrubím tj. pevnou látkou, preto to počuť po celom dome);
vlak prichádzajúci z veľkej vzdialenosti (zvukový rozruch sa prenáša
koľajnicami) ...
7

2.1 Definície a pojmy
Pozri: Slovník
Amplitúda
Frekvencia
Kmitavý pohyb
Oscilátor
Perióda
Vlnová Dĺžka
2.2 Intenzita zvuku
2. Charakteristiky zvuku
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:
- ako silne bolo rozochvené teleso, ktoré je zdrojom
zvukového rozruchu. Ak buchneme kladivkom slabo na
ladičku, počujeme iba slabý, málo hlasný tón. Ak
buchneme kladivkom za ináč rovnakých okolností
silnejšie, počujeme podstatne hlasnejší tón.
- - od vzdialenosti zdroja zvuku od nášho ucha a od
prostredia, ktorým sa zvukový rozruch k nášmu 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.
Príloha: Tabuľka č.2
8

2.3 Vyššie harmonické frekvencie (vhf)
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
celočíselnými 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.
Príloha: Obr. č.5
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.
Príloha: Obr. č.6
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 syntetizátory,
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).
9

3. Zvukové javy
3.1 Difrakcia, interferencia, rázy
Skladanie zvukových vĺn (interferencia)
Uvažujme situáciu: nech sú dva rovnaké zdroje umiestnené v rovnakej
vzdialenosti od pozorovateľa (3 metre) a oba zdroje vydávajú rovnaký
zvuk. Povedzme, že vlnová dĺžka zvukových vĺn je 1m. A nakoniec,
zdroje vibrujú synchrónne (pohybujú sa naraz dopredu a späť).
Vzhľadom na rovnakú vzdialenosť zdrojov, zhluky zvukovej vlny od
jedného zdroja sa vždy v rovnakom okamihu stretávajú so zhlukmi z
druhého zdroja. Rovnako to platí aj o zriedeniach. Jeden z princípov,
ktoré platia pre zvuk je lineárna superpozícia, ktorá hovorí, že výsledná
vlna sa rovná sumácii jednotlivých vĺn, ktorých zložením vznikla. Teda,
amplitúda resp. tlakové výkyvy, kde sa stretávajú rovnaké vlny sa
rovnajú dvojnásobku amplitúdy jednotlivých vĺn. Nárast amplitúdy
reprezentuje nárast hlasitosti zvuku. Keď nastane takáto situácia
hovoríme, že vlny sú v rovnakej fáze a ilustrujú tzv. "konštruktívnu
interferenciu (skladanie vĺn) ".
Príloha: Obr. č.7
Ale, ak čo i len trochu zmeníme jednu z premenných veličín, výsledný
zvuk je takmer opačný ako bol. Posuňme jeden zo zdrojov o 0,5m (1/2
vlnovej dĺžky) ďalej. Budeme predpokladať, že hlasitosť tohto zdroja sa
zvýši tak, že amplitúda ostáva konštantná. Takéto posunutie spôsobí to,
že zhluky jedného zdroja sa stretávajú so zriedeniami druhého zdroja a
naopak. Hovoríme, že vlny sú v opačnej fáze. Tentoraz, odvolávajúc sa
na princíp lineárnej superpozície, je výsledkom skladania vzájomné
vyrušenie sa vĺn. Zriedenia jednej vlny sú vykompenzované zhlukmi
druhej vlny a tak vytvárajú konštantný tlak vzduchu. Konštantný tlak
vzduchu pre nás znamená to, že prakticky nepočujeme žiaden zvuk
prichádzajúci zo zdrojov. Tento jav sa nazýva "deštruktívna
interferencia".
Príloha: Obr. č.8
10

Akustické rázy (takty)
Teraz, keď už vieme čo sa stane, keď sa prekryjú dve vlny s rovnakou
frekvenciou, pozrime sa čo sa stane pri prekrytí dvoch zvukových vĺn s
rôznou frekvenciou. Dve ladičky sú vedľa seba, jedna vydáva zvuk o
frekvencii 440 Hz a druhá zvuk o frekvencii 438 Hz. Ak uvedieme do
činnosti obe ladičky (ktoré majú rovnaké amplitúdy) v ten istý okamžik,
nebudete počuť konštantný zvuk. Namiesto toho, hlasitosť
skombinovaného zvuku bude rásť a klesať. Zakaždým keď sa zhluk
stretne so zhlukom alebo zriedenie so zriedením, nastáva konštruktívna
interferencia a amplitúda rastie. Zakaždým, keď zhluk stretáva zriedenie
a naopak, nastáva deštruktívna interferencia, hlasitosť klesá. Tieto
periodické zmeny hlasitosti sa nazývajú rázy. V našom prípade budete
počuť hlasitosť rásť a klesať 2-krát za sekundu, lebo platí 440- 438=2.
Teda frekvencia rázov je 2 Hz. Hudobníci pri ladení počúvajú rázy, aby
zistili, či ich nástroj je naladený. Hudobník počúva ladičku, ktorá vydáva
čistý tón a hraje danú notu na svojom nástroji. Ak počuje rázy, potom
vie, že jeho nástroj je rozladený. V momente, keď rázy zmiznú, je
nástroj naladený.
Príloha: Obr. č.9
Difrakcia
Difrakcia (ohyb zvukovej vlny na prekážke) je jav charakteristický pre
vlny všeobecne, nielen pre zvukové vlny. Z vlastnej skúsenosti vieme,
že zvuk sa šíri aj za prekážku, ktorá mu stojí v ceste. Napríklad, ak je
stereo prehrávač pustený v izbe s otvorenými dverami, zvuk počujeme
nielen priamo pred dverami, ale šíri sa do celej miestnosti.
Tento jav fyzikálne vysvetľuje tzv. Huygensov princíp (viď. ďalej).
Príloha: Obr. č.10
Ohyb vlnenia na prekážke je najvýraznejší , ak je rozmer prekážky
porovnateľný s vlnovou dĺžkou vlnenia (1a). V inom prípade vzniká za
prekážkou tzv. akustický tieň (1bc) - priestor kam sa vlnenie nedostane.
Ak by ste stáli v oblasti akustického tieňa nepočuli by ste žiaden zvuk
napriek tomu, že by na prekážku pred vami dopadal.
Príloha: Obr. č.11
Iným príkladom ohybu vlnenia je ohyb vlnenia na otvore v prekážke.
Ohyb na otvore je tým výraznejší, čím je otvor pri danej vzdialenosti od
zdroja vlnenia, menší a čím je vlnová dĺžka vlnenia väčšia (1c).
11

Huygensov princíp
Každý bod vlnoplochy ( vlnoplocha postupného vlnenia je množina
bodov, v ktorých má vlnenie v istom časovom okamihu rovnakú fázu ),
do ktorého sa dostalo vlnenie v istom okamihu, môžeme pokladať za
zdroj elementárneho vlnenia, ktoré sa z neho šíri v elementárnych
vlnoplochách. Vlnoplocha v ďalšom okamihu je vonkajšia obalová
plocha všetkých elementárnych vlnoplôch.
Príloha: Obr. č.12
V znázornenom prípade (viď. Príloha: Obr. č.13) - každá molekula vzduchu
je sama o sebe zdrojom zvukového vlnenia. Konečným dôsledkom je difrakcia
- ohyb zvukovej vlny na otvore dverí, čím sa zvuk dostane aj do geometrického
tieňa otvoru.
3.2 Odraz zvuku, ozvena a rezonancia
Odraz zvuku a ozvena
Ak zvuk , ktorý sa šíri vzduchom narazí na prekážku, prekážka ho z
časti pohltí, z časti sa od nej odráža a šíri sa vzduchom späť. Pri
neveľkej prekážke sa zvuk šíri aj za ňu, nastáva ohyb.
Príloha: Obr. č.14
O odraze zvuku sa presvedčíme napr. pokusom podľa obrázka č.14.
Zvuk tikajúceho budíka naráža nad valcom na dosku a odráža sa od
nej. Pri vhodnom sklone dosky zachytíme odrážané tikanie v istom
smere sluchom najhlasnejšie.
Aj ozvena je spôsobená odrazom zvuku od pevnej prekážky. Naše
ucho je schopné rozoznať dva po sebe nasledujúce zvukové signály, ak
medzi nimi uplynie doba najmenej 0,1 s (tj. ak uplynie doba kratšia,
zvuky splývajú). Ak chceme počuť úplnú ozvenu nášho hlasu (resp.
volanie, pískanie), musíme byť od odrážajúcej steny aspoň tak ďaleko,
aby zvuk prešiel dráhu k stene a späť za 0,1 s. Zvuk (rýchlosť šírenia
340 m/s) prejde za 0,1 s dráhu 34 metrov. Teda naša vzdialenosť od
steny nesmie byť menšia ako 17 m.
Pri menších vzdialenostiach počujeme odrážaný zvuk iba ako
predĺženie pôvodného zvuku, počujeme dozvuk. Ak nasleduje dozvuk
veľmi rýchlo za pôvodným zvukom, dodáva hlasu plnosť a zlepšuje
sluchový vnem. Ak sa zmieša dozvuk so zvukom nasledujúcim,
vnímame hlas alebo iné zvuky nezreteľne (napr. železničné haly,
štadióny, miestny rozhlas). Potom reč alebo hudbu počujeme
skreslene. Prednáškové alebo divadelné sály, kiná alebo koncertné
12

siene sa upravujú tak, aby dozvuk nepôsobil rušivo, ale aby prispieval k
zlepšeniu počúvania.
Ak sa odráža zvuk postupne od niekoľkých stien rôzne vzdialených od
nás, počujeme niekoľkonásobnú ozvenu.
Vynútené kmity a rezonancia
Každý, kto sa hojdal na hojdačke, vie, čo treba robiť, aby sa udržal jej
kmitavý pohyb. Keby sme na sedadle hojdačky iba sedeli, prestala by
po chvíľke kmitať. Ide o tlmené kmitanie. My ju však chceme udržať v
pohybe, čo dosiahneme zmenou polohy ťažiska tela, alebo
pravidelnými vonkajšími nárazmi. Potom hojdačka kmitá tzv. netlmeným
kmitaním (straty sú počas celej periódy nahradzované pôsobením sily).
Periodickým pôsobením sily vzniká vynútené kmitanie. Ak na teleso
nepôsobí vonkajšia sila, hovoríme o vlastných kmitoch. Keď sa
frekvencia vynúteného kmitania rovná frekvencii vlastných kmitov
nastáva jav, ktorý nazývame rezonancia. Amplitúda (výchylka)
vynúteného kmitania je pri rezonancii maximálna, čo znamená, že
dochádza k zosilneniu kmitov.
Ak necháme kmitajúcu ladičku v blízkosti struny, po chvíli sa struna
rozkmitá frekvenciou ladičky. Ide o vynútené kmitanie. Ak použijeme inú
ladičku (iná frekvencia) a výchylky struny sú väčšie, znamená to, že
frekvencia druhej ladičky je bližšie k frekvencii vlastného kmitania
struny (vlastnej frekvencii). V prípade, že použijeme viac ladičiek s
rôznymi frekvenciami môžeme zistiť vlastnú frekvenciu struny. Tá sa
rovná frekvencii ladičky, pri ktorej výchylky dosiahnu maximum
(rezonancia struny a ladičky).
Príloha: Obr. č.15
Rezonančné zosilnenie demonštrujeme nasledujúcimi pokusmi:
Úderom kladivka z pryže rozochvejme ladičku. Počujeme tón hlasitosti.
Ak podoprieme chvejúcu sa ladičku nôžkou o dosku stola, počujeme
hlasnejší tón ladičky. Doska stola sa môže rozochvieť tónmi s rôznymi
kmitočtami. Dotykom s nôžkou chvejúcej sa ladičky vznikne v doske
nútené chvenie, v ktorom prevláda kmitočet odpovedajúci tónu ladičky.
Tón ladičky sa zosilňuje tým, že sa nôžka ladičky upevní na dutú
drevenú skrinku. Chvením ladičky sa rozochveje skrinka aj stĺpec
vzduchu vo vnútri tak, že u nich prevláda kmitočet odpovedajúci tónu
ladičky. Tým sa zdroj zvuku zväčší a zvuk vnímame hlasnejšie.
Chvenie ladičky môžeme vyvolať aj nútene chvením v stĺpci vzduchu v
trubici. Ak meníme dĺžku stĺpca vzduchu tým, že trubicu ponárame viac
alebo menej do vody v nádobe, nájdeme istú dĺžku vzduchového stĺpca,
pri ktorom počujeme tón ladičky veľmi zosilnený. V tomto prípade
13

hovoríme, že vzduchový stĺpec je v rezonancii s tónom ladičky. Ak by
sme rozozvučali stĺpec vzduchu tejto dĺžky v trubici napr. tak, že
fúkneme tesne cez okraj trubice, počuli by sme potom tón o rovnakej
výške ako vydáva chvejúca sa ladička.
Príloha: Obr. č.16
14

4.1 Záznam a prehrávanie zvuku
4. Záznam zvuku
Nahrávanie zvuku sa tak ako väčšina technológií sa vyvíjalo od
jednoduchších k dokonalejším a zložitejším postupom. V princípe sa
snažilo okopírovať a využiť spôsob akým ľudia prijímajú zvuk. Prvé
mono nahrávky vyústili do stereo-a. Novšie technológie ako 3D zvuk a
ďalšie pokroky digitálnej éry posúvajú tento proces ďalej.
Tieto náhravky sú stále lepšiou imitáciou procesu, ktorým ľudské
ucho prijíma a reprodukuje zvuk. Zvuk môžeme zadefinovať ako zmenu
tlaku prostredia. Je jasné, že takáto znema tlaku je veľmi nevhodná na
diaľkový prenos. Treba nájsť niečo, na čo zvuk premeniť
(pretransformovať) a čo sa dá ľahko a bez väčších skreslení prenášať
na ľubovoľnú vzdialenosť. V praxi sa na tento účel používa elektrický
signál.
4.2 Elektromagnetická indukcia
Pri zázname a následovnom prehrávaní zvuku má veľký význam jav
elektromagnetickej indukcie. V princípe ide o vznik indukovaného
napätia, spôsobený zmenou magnetického poľa napr. ak do cievky v
pokoji vkladám a vzápätí vyberám magnet, tak v cievke sa indukuje
elektrické napätie. Prúd je tým väčší, čím rýchlejšie magnet vkladám a
vyberám. A funguje to aj naopak tj. ak mám magnet voľne vložený v
dutine cievky a cievkou nechám prechádzať elektrický prúd, vzniká v
cievke magnetické pole a to potom pôsobí na magnet v jej vnútri. Čím
väčší prúd cievkou tečie, tým je magnetické pole cievky silnejšie.
Na pretransformovanie akustického signálu (zvuku) na elektrický,
slúži mikrofón. Ako sme si už povedali, v praxi môže byť zvuk
charakterizovaný zmenou tlaku prostredia (podtlak, pretlak). Táto
zmena tlaku vyvoláva pohyb membrány. Membrána rozkmitá magnet v
cievke a jeho pohyb spôsobí vznik príslušného prúdu v cievke tj. zmena
zvuku sa zmenila na elektrický signál. Analogicky, ale obrátene, je to u
reproduktorov tj. elektrický signál privedený na cievku v nej vytvorí
magnetické pole. Vplyvom magnetického poľa sa magnet spojený s
membránou pohne. Rozkmitaná memrána reproduktora rozkmitá
vzduch pred reproduktorom tj. z elektrického signálu dostávame zvuk.
15

Na tomto princípe sú založené všetky druhy zvukového záznamu.
Najpoužívanejšie sú gramofónová platňa, magnetický pás a digitálna
platňa. Zvuk na gramofónovej platni je záznamenaný v drážke vyrytej v
povrchu disku platne. Pohybujúca sa po nej ihla sníma (sleduje) jej
nepravidelný tvar. Rýchlosť, s ktorou sa hrot pohybuje od jednej strany
drážky k druhej určuje výšku tónu. Rozsah vychýlenia určuje hlasitosť.
U magnetického pásu je zvuk záznamenaný v podobe magnetickej
stopy. Na páse sa vytvára magnetický obraz zaznamenávaných zvukov
tým, že sa čiastočky magneticky orientujú zhodne s vytváraným
magnetickým poľom. Pri prehrávaní sa pás pohybuje pred hlavou a
vybudzuje v nej elektrické prúdy odpovedajúce magnetizácii pásu v
danom mieste.
Nakoniec CD alebo Compact Disc. Pri reprodukcii zvuku z CD-čka
laserový lúč číta stopu v podobe binárneho kódu (ako série jamôk a
prázdnych miest na povrchu disku reprezentujúce 0 a 1) a ten potom
D/A prevodník prevedie na akustický signál.
4.3 CD prehrávač
Úlohou CD prehrávača je nájsť a čítať informácie uložené vo forme
jamôčok na CD. Kedže tieto jamôčky sú veľmi malé, musí byť veľmi
presným prístrojom.
Zariadenie sa skladá s troch základných súčastí:
• motor otáčajúci disk. Motor otáča diskom v rozmedzí 200 až 500
otáčok za minútu, v závislosti od toho, ktorá stopa sa práve číta
(čím ďalej od stredu, tým menšia rýchlosť otáčok). Zmena
rýchlosti otáčok má zabezpečiť konštantný tok informácií.
• laser a systém šošoviek na presné zameranie a čítanie jamôčok
• mechanizmus pohybujúci laserovou časťou, tak aby laserový lúč
snímal špirálovitú stopu. Tento systém musí byť schopný pohnúť
laserom na mikrometrové vzdialenosti. Pohybuje sa od stredu k
vonkajšiemu okraju.
Vo vnútri CD prehrávača je tiež počítačová technológia, ktorá
spracúva dáta a posiela ich do digitálno-analógového prevodníka.
Základnou funkciou prehrávača je sledovať presne stopu na CD-čku.
Laserový lúč prechádza povrchovou vrstvou (v nej sú zaznamenané
dáta vo forme jamôčok usmporiadaných do špirálovitej stopy) a na
podkladovej vrstve sa odráža späť do optického systému, ktorý túto
výchylku osvetlenia zaregistruje (podobný princíp aj u sonaru atď.).
Elektronika v zariadení prevedie zmeny v odraze na bit-y (postupnosť 0
a 1, na jazyk pre techniku zrozumiteľný).
16

5. Otázky a odpovede
č. 1: „Reč a spev“
???
Je známe, že zvuk vydávajú chvejúce sa telesá. Čo je zdrojom zvuku,
keď človek hovorí alebo spieva?
Pozri: šírenie zvuku prostredím.
!!!
Hlas vzniká rozochvievaním dvoch pružných záhybov – hlasivkových
väzov. Nachádzajú sa v hornej časti dýchacej sústavy – v hrtane. Keď
dýchame, hlasivkové väzy sa rozostúpia tak, že tvoria trojuholníkovitú
štrbinu, ktorou vzduch voľne prúdi do pľúc a z pľúc von.
Ak chceme vydať nejaký zvuk, zvláštne svaly približujú hlasivkové väzy
k sebe a štrbina sa zúži. Vzduch štrbinou ťažko preniká a pri jeho
výdychu sa väzy rozkmitajú. Pritom vzniká v dutinách hrtanovej, ústnej
a nosovej zvuk, zosilňuje sa a získava charakteristické zafarbenie.
č. 2: „U lekára“
???
Prečo sa musí membrána fonendoskopu prikladať priamo na telo, a nie
na odev človeka?
Pozri: rýchlosť zvuku.
!!!
Membránu fonendoskopu lekár prikladá na telo, aby z telových dutín
lepšie počul zvuky. Odev a vrstva vzduchu medzi povrchom tela
a odevom pohlcujú totiž väčšiu časť zvuku.
č. 3: „Ten má ale hlas“
???
Prečo sú detské a ženské hlasy vyššie ako mužské?
Pozri: frekvencia, intenzita zvuku.
!!!
Zdrojom zvuku v hlasovom orgáne sú hlasivkové väzy. Rozochvievajú
sa vzduchom, ktorý prúdi z pľúc. Hlasivkové väzy žien a detí sú zväčša
tenšie a kratšie, ich vlastná frekvencia kmitania je väčšia ako u mužov.
17

č. 4: „Lesná ozvena“
???
Prečo v lese ťažko určíme, odkiaľ prichádza zvuk? Prečo na okraji lesa
vzniká dobre počuteľná ozvena?
Pozri: odraz zvuku.
V lese ucho zachytáva nielen zvuky, ktoré prichádzajú priamo zo
zdroja, ale aj zvuky, ktoré sa odrážajú od stromov. Tieto odrazené
zvuky znemožňujú určiť presný smer, z ktorého zvuk prichádza.
Naopak. Stromy, ktoré rastú na okraji lesa, tvoria odrazové plochy, od
ktorých sa odrážajú zvukové vlny. Tým sa vysvetľuje dobrá počuteľnosť
ozveny na okraji lesa.
č. 5: „Formula F1“
???
Dvaja kamaráti Peter a Pavol stáli pri ceste, po ktorej práve
prichádzalo auto so zapnutou sirénou. V okamihu, keď prechádzalo
okolo sa výška tónu sirény znížila. Peter povedal: " Auto zmenšilo
rýchlosť. " Pavol na to: " Vôbec nie !!! Išlo stále rovnakou rýchlosťou. "
Kto mal pravdu?
Pozri: Dopplerov jav(efekt).
!!!
Ak sa k Vám približuje auto so zapnutými sirénami, zvuk, ktorý počujete
je vyšší ako keby auto stálo. Je to preto, lebo zvukové vlny pred
pohybujúcim sa autom sa navzájom stláčajú. To zapríčiňuje, že do
vášho ucha za jednu sekundu dopadne viac kmitov. Ako už viete, viac
kmitov znamená zvýšenie tónu. V momente, keď Vás auto míňa sa tón
znižuje. Za ním sa zvukové vlny zrieďujú a menej kmitov za jednu
sekundu znamená, že budeme počuť nižší tón. Táto zmena výšky tónu
je známa ako Dopplerov jav (efekt).
Keď sa zdroj zvuku pohybuje rýchlejšie ako zvuk, t.j. väčšou ako 330
m/s (napr. lietadlo), je možné počuť treskot . Ako lietadlo predbieha svoj
vlastný zvuk, zvukové vlny sa za ním šíria vo forme šokovej vlny, inak
nazývanej rázová vlna.
18

Echolokácia
6. Praktické využitie vlastností zvuku
Je to používanie ozven zvukov produkovaného určitými zvieratami za
účelom detekcie (zistenia) prekážok a potravy. Zvieratá, ktoré používajú
echolokáciu, žijú prevažne tam, kde je nedostatok svetla. Niektoré z
týchto zvierat sú netopiere, delfíny, niektoré druhy veľrýb, niekoľko
druhov vtákov. Prvým krokom pri echolokácii je vydávanie zvuku.
Vysoké frekvencie zabezpečia lepšiu rozpoznateľnosť cieľov ako nízke
frekvencie. Nie každé zviera používa ultrazvuk na echolokáciu.
Zvuky používané pri echolokácii sa môžu vytvoriť v hlasovej skrinke
(voice box), ústach alebo inej časti hlavy. Potom, silne vyvinutý
sluchový systém registruje vracajúce sa ozveny (zvuky, ktoré sa odrazili
od predmetov). Aby echolokácia fungovala ako má, musí byť vyslaný
zvuk zaregistrovaný mozgom, aby mohol byť neskôr porovnaný s jeho
ozvenou. Používanie echolokácie umožňuje niektorým zvieratám
efektívne loviť korisť alebo vidieť v tme.
Infrazvuk
Výskumy ukázali, že infrazvuk vnímajú mnohé morské živočíchy (ryby,
medúzy). Je to pre nich varovanie pred vlnobitím a búrkami. Na ľudský
organizmus pôsobí infrazvuk škodlivo najmä vtedy, ak má frekvenciu
približne rovnakú, ako je frekvencia tlkotu srdca. Tým, že človek
infrazvuk nepočuje, je chránený pred mnohými zdrojmi hluku.
Umožňuje mu to napr. pokojný spánok, lebo neregistruje vlastný krvný
obeh.
Hĺbka morí
Hĺbka morí sa meria pomocou ultrazvuku. Zdroj ultrazvuku vysiela pod
hladinu krátke ultrazvukové impulzy, ktoré sa od dna mora odrážajú a
zachytáva ich prijímač ultrazvuku. Ak medzi vyslaným a prijatým
signálom uplynie doba Δt, tak hĺbka mora je h=0,5.v.Δt, kde v je rýchlosť
ultrazvuku vo vode.
19

Ultrazvuková defektoskopia
Významné je využitie ultrazvuku pri zisťovaní skrytých kazov materiálu.
Keď je napr. v kovovom materiáli dutina, ultrazvukový impulz vyslaný do
materiálu sa od dutiny odrazí a zachytí ho detektor. Odrazený impulz sa
zobrazí na obrazovke osciloskopu a z jeho polohy možno určiť polohu
kazu v materiáli.
Ultrazvuk (iné)
Ultrazvuk sa ďalej uplatňuje pri vypudzovaní plynov z kvapalín alebo
roztavených kovov, skla a pod. Používa sa pri homogenizácii
heterogénnych sústav, t.j. pri dokonalejšom rozptyľovaní drobných
čiastočiek látky v kvapalinách (utváranie suspenzií a emulzií), alebo
naopak, urýchľuje zrážanie rozptýlených častíc do väčších celkov.
Ultrazvukom sa čistia súčiastky (pri oprave hodiniek, čistení šošoviek
okuliarov a pod.)
20

7. Slovník pojmov
Amplitúda
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.
Príloha: Obr. č.4
Dopplerov jav (efekt)
Keď sa zdroj zvuku pohybuje smerom k prijímaču, jeho vlnové dĺžky sa
zhusťujú, čo má za následok zvýšenie tónu. Keď sa zdroj vzdiaľuje,
prebieha tento dej, nazývaný Dopplerov jav, presne naopak.
Frekvencia
Frekvencia zvukovej vlny vyjadruje počet cyklov, ktoré prejdú daným miestom
za jednu sekundu.
Rovná sa počtu kmitov, ktoré prebehnú za sekundu. Je teda
prevrátenou hodnotou periódy: f=1/T. Fyzikálnou jednotkou je 1 Hertz
(1Hz).
Príloha: Obr. č.17
Huygensov princíp
Každý bod vlnoplochy, do ktorého sa dostalo vlnenie v istom okamihu,
môžeme pokladať za zdroj elementárneho vlnenia, ktoré sa z neho šíri
v elementárnych vlnoplochách. Vlnoplocha v ďalšom okamihu je
vonkajšia obalová plocha všetkých elementárnych vlnoplôch.
Kmit
Periodicky sa opakujúca časť kmitavého pohybu.
Kmitavý pohyb
Predstavte si zariadenie, ktoré koná opakovane a periodicky sa vracia
do istého stavu. Toto zariadenie potom koná periodicky
nestacionárny dej alebo kmitanie.
Mechanické oscilátory konajú kmitavý pohyb. Trajektória kmitavého
pohybu môže byť priamočiara(pružinový oscilátor) aj
krivočiara(kyvadlo).
21

Infrazvuk
Infrazvuk je mechanické vlnenie s frekvenciou nižšou ako 16 Hz.
Infrazvukové vlnenie sa veľmi dobre šíri vo vode. Tak možno napr. zistiť
„hlas mora”, ktorý niekoľko hodín vopred predpovedá príchod vlnobitia.
Oktáva
Tóny hudoných nástrojov sú usporiadané v tzv. oktávach. Vždy, keď
výška tónu vzrastie o oktávu, frekvencia zvuku sa zdvojnásobí.
V prípade tónov na klávesnici platí, C má dvojnásobnú frekvenciu Ccka,
ktoré je k nemu najbližšie zľava. To isté platí aj pre ostatné tóny,
ktoré sú od seba vzdialené o oktávu.
Oscilátor
Každé zariadenie ktoré môže voľne (bez vonkajšieho pôsobenia)
kmitať, nazývame oscilátor.
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.
Príloha: Obr. č.3
Princíp superpozície
Keď hmotný bod koná súčasne niekoľko harmonických pohybov
rovnakého smeru s okamžitými výchylkami y1, y2 ... yk je okamžitá
výchylka y výsledného kmitania
y = y1 + y2 + ... + yk
Okamžité výchylky môžu mať kladnú aj zápornú hodnatu. Preto sa pri
superpozícii sčítajú, alebo odčítajú.
Superpozíciou vzniká zložené kmitanie. Jeho časový priebeh závisí od
amplitúdy výchylky, začiatočnej fázy a frekvencie jednotlivých zložiek a
môže mať veľmi zložitý priebeh.
Tón (hudobný tón)
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).
Tóny hudobných nástrojov sú usporiadané v tzv. oktávach. Vždy, keď
výška tónu vzrastie o oktávu, frekvencia zvuku sa zdvojnásobí.
22

Ultrazvuk
Je to mechanické vlnenie s frekvenciou vyššou ako 16 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 malá absorbcia ultrazvuku v kvapalinách a pevných látkach.
Vlnoplocha
Body, do ktorých sa vlnenie dostane z bodového zdroja vlnenia, ležia
na guľovej ploche, ktorú nazývame vlnoplocha. Smer šírenia vlnenia v
dannom bode určuje kolmica na vlnoplochu, ktorá sa nazýva lúč.
Keď je zdroj vlnenia rovinný, prípadne ak je vo veľkej vzdialenosti,
vlnoplocha má tvar roviny. Je to rovinná vlnoplocha. V tomto prípade
sú lúče navzájom rovnobežné.
Všetky body vlnoplochy kmitajú s rovnakou fázou.
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.
Príloha: Obr. č.2
Vlnová funkcia
Ak si zvuk predstavíme ako vlnenie napr. na povrchu jazera, potom
vlnová funkcia znázorňuje pohľad na vlny z boku a vlnoplocha pohľad
zhora.
23

Program
Ladička na gitaru
8. Mediálny index (len na CD)
Tento program vám môže jednoducho pomôcť pri ladení vášho
hudobného nástroja, konkrétne gitary. Je potrebné prečítať Pomoc.
Tento program bol vytvorený pomocou programovacieho jazyka
PASCAL a bol na to použitý program Turbo Pascal Version 7 (c)
1983,92 Borland International. V komprimovanom súbore
rocnik/media/ladicka.zip je priložený zdrojový kód ladicka.pas, ktorý si
môžte pomocou vyššie uvedeného programu pozmeniť. Súbor
ladicka.bak je textový súbor s týmto zdrojovým kódom.
Mediálny index
V tejto sekcii sa nachádzajú zobrazenia vlnových funkcií základných
hudobných tónov. Po odkliknutí na položku vypočuť sa otvorí nové okno
s daným obrázkom a v ako podhudba sa trikrát prehrá zvuk daného
tónu.
24

Zoznam použitej literatúry
kniha:
VARIKAŠ, V.M. – VARIKAŠ, I.M. – KIMBAR, B.A.:
Fyzika v živej prírode. Prvé vydanie. 1990.
ISBN 80-08-00445-2
LEPIL, O. – HOUDEK, V. – PECHO, A.: FYZIKA pre
3. ročník gymnázia. Tretie vydanie. 1994.
ISBN 80-08-02328-7
ISBN 80-08-01449-0 (2.vydanie)
www stránka:
GREJTÁK Vladimír. Akustika. [online] Publikované
2001. Dostupné z
25

PRÍLOHA:
CD(FD): Na sputenie stránky je potrebné mať nainštalovaný Apache server
a PHP klient. Na spustenie prílohy mediálneho indexu, nie je potrebná
inštalácia týchto programov.
Tabuľka č.1
skupenstvá látka teplota rýchlosť
plyny
oxid uhličitý 0 259
kyslík 0 613
vzduch 0 331
vzduch 20 343
hélium 0 965
kvapaliny
chloroform 20 1004
etanol 20 1162
ortuť 20 1450
voda 20 1482
pevné látky
olovo - 1960
meď - 5010
sklo - 5640
oceľ
tabuľka rozdelenia rýchlosti zvuku podľa prostredia
- 5960
Tabuľka č.2
zdroj decibely slovný opis
0 prah počuteľnosti
normálne dýchanie 10 zriedka počuteľné
šum lístia 20
šepkanie 30 veľké ticho
knižnica 40
tichá kancelária 50
rozhovor 60
hromadná doprava 70
priemerná továreň 80 konštantná hladina hluku
Niagarské vodopády 90 ohrozenie sluchu
vlak 100
hluk na stavbe 120 prah bolesti
rockový koncert 130
samopal 140
štart lietadla 150
raketový motor 180
26

Obr. č.1
Obr. č.2
Obr. č.3
27

Obr. č.4
Obr. č.5
Obr. č.6
28

Obr. č.7
Obr. č.8
Obr. č.9
29

Obr. č.10
Obr. č.11
Obr. č.12
30

Obr. č.16
Obr. č.13
Obr. č.17
Obr. č.14
Obr. č.15
31