Zvukové vlny — výška a hlasitosť

Zvuk je pozdĺžna vlna, ktorá potrebuje prostredie na šírenie. Výška tónu závisí od frekvencie — vyššia frekvencia znamená vyšší tón. Hlasitosť závisí od amplitúdy — väčšia amplitúda znamená hlasnejší zvuk. Zvuk sa šíri rýchlejšie v tuhých telesách a kvapalinách ako v plynoch.

Čo je zvuk?

Zvuk je pozdĺžna vlna — častice kmitajú tam a späť v rovnakom smere ako vlna, čím vznikajú:

Zhuštenie: častice sú pritlačené k sebe (vysoký tlak)
Zriedenie: častice sú od seba vzdialené (nízky tlak)

Zvuk potrebuje prostredie na šírenie (častice na zhuštenie a zriedenie). Vo vákuu sa šíriť nemôže.

Rýchlosť zvuku

Zvuk sa šíri rôznymi rýchlosťami v rôznych látkach:

Prostredie	Rýchlosť zvuku (pribl.)
Vzduch (20 °C)	340 m/s
Voda	1 500 m/s
Oceľ	5 000 m/s

Zvuk sa šíri rýchlejšie v hustejších látkach, pretože častice sú bližšie pri sebe a rýchlejšie sa zrážajú.

Výška tónu

Výška tónu udáva, ako vysoký alebo nízky tón je. Závisí od frekvencie:

Vyššia frekvencia → vyšší tón (napr. píšťalka)
Nižšia frekvencia → nižší tón (napr. basový bubon)

Rozsah ľudského sluchu: 20 Hz – 20 000 Hz

Zvuky nad 20 000 Hz = ultrazvuk (lekárske zobrazovanie, sonar) Zvuky pod 20 Hz = infrazvuk (slony, zemetrasenia)

Hlasitosť

Hlasitosť závisí od amplitúdy:

Väčšia amplitúda → hlasnejší zvuk
Menšia amplitúda → tichší zvuk

Hlasitosť sa meria v decibeloch (dB).

Upozornenie

Dlhodobé vystavenie zvukom nad 85 dB môže spôsobiť trvalé poškodenie sluchu. Na koncertoch alebo pri hlučných strojoch vždy chráň uši.

Ozvena

Ozvena je odrazená zvuková vlna. Zvuk sa odráža od tvrdých, rovných povrchov. Časový rozdiel medzi pôvodným zvukom a ozvenou možno použiť na výpočet vzdialenosti:

$\text{vzdialenosť} = \frac{\text{rýchlosť} \times \text{čas}}{2}$

(Delí sa 2, pretože zvuk ide tam aj späť.)

Prax: Ultrazvukové vyšetrenie v nemocnici

Nemocničný ultrazvukový prístroj vysiela zvukové impulzy s frekvenciou nad 20 000 Hz do tela. Impulzy sa odrazia od vnútorných tkanív a orgánov (aj od nenarodného dieťaťa) v rôznych hĺbkach. Prístroj meria čas každej ozveny a zostavuje 2D obraz — rovnaký princíp ako vzorec na vzdialenosť: vzdialenosť = (rýchlosť × čas) / 2.

Prax: Netopiere sa orientujú v tme (echolokácia)

Netopiere vydávajú ultrazvukové piskoty pri 20 000–100 000 Hz a počúvajú ozveny odrazené od hmyzu a stien. Čím kratší je čas ozveny, tým bližší je objekt. Netopier dokáže odhaliť moľu zo vzdialenosti 5 m v úplnej tme — biologický sonarový systém fungujúci na rovnakej fyzike ako sonar ponoriek.

Prax: Poškodenie sluchu na koncertoch

Rockový koncert produkuje pri reproduktoroch hladiny zvuku 110–120 dB. Už 2 minúty pri 110 dB môžu začať poškodzovať vláskové bunky vo vnútornom uchu. Na rozdiel od kostí sa tieto bunky neobnovia — preto hudobníci a technici nosia zátkové chrániče sluchu, ktoré znižujú amplitúdu bez úplného blokovania hudby.

Tip Kde vidíš zvukové vlny v každodennom živote? Ultrazvukové vyšetrenia, sonar na lodiach, echolokácia netopierov, slúchadlá s aktívnym potlačením hluku a dokonca kontrola kovových potrubí ultrazvukom — všade sú zvukové vlny!

Cvičné príklady

Psia píšťalka má frekvenciu 25 000 Hz. Počujú ju ľudia? Vysvetli.

Zobraziť odpoveď

Nie. Rozsah ľudského sluchu je 20 Hz až 20 000 Hz. 25 000 Hz presahuje tento rozsah (ultrazvuk), takže ľudia ho nepočujú, ale psy áno.

Ozvena sa vráti 0,4 s po vzniku zvuku. Rýchlosť zvuku je 340 m/s. Ako ďaleko je odrazová stena?

Zobraziť odpoveď

vzdialenosť = (340 × 0,4) / 2 = 136 / 2 = 68 m.

Dva hudobné tóny majú rovnakú frekvenciu, ale jeden je hlasnejší. Čo je iné v ich vlnách?

Zobraziť odpoveď

Hlasnejší tón má väčšiu amplitúdu. Frekvencia určuje výšku tónu; amplitúda určuje hlasitosť.