Zvuk a jeho základní vlastnosti (frekvence,decibel,hluk atd.)

Zvuk a jeho základní vlastnosti

Zvuk je z fyzikálního hlediska mechanické vlnění hmotných částic, které se šíří v prostředí. Z fyziologického hlediska je zvuk každý akustický podnět vyvolávající sluchový vjem. Zdrojem zvuku je kmitající těleso (např. kmitající ladička, houslová struna, nebo sloupec kmitajícího vzduchu, jako je tomu  v dechových hudebních nástrojích nebo při tvoření hlasu). Kmitání můžeme rozdělit na pravidelné a nepravidelné. Zvuky vznikající pravidelným kmitáním vnímáme jako čisté tóny a hudební zvuky, nepravidelným kmitáním se tvoří složené zvuky. Zvuk se šíří hmotným prostředím jako vlnění všemi směry. Kmit ze zdroje zvuku je  předáván sousedním částicím prostředí, ať se jedná o vzduch, vodu nebo ocel a toto nosné prostředí se také rozkmitá. Rychlost šíření zvuku je konstantní  a odpovídá struktuře nosiče. Ve vzduchu, kde se zvuk šíří nejčastěji, je 340 m za sekundu, ve vodě 1480 m za sekundu, v oceli 5000 m za sekundu. Ve vakuu se zvukové vlny šířit nemohou.

  zvuk     Zvuk a pohyb vln

Frekvence (kmitočet) tónu je počet cyklů (period) za sekundu. Trvá-li jeden kmit 1/100 sec., znamená to, že je to kmitání se 100 periodami nebo cykly za vteřinu. Mezinárodně doporučená jednotka kmitočtu je c/s a jmenuje se Hertz (Hz) podle německého fyzika Heinricha Hertze. Pro existenci tónu např. 1000 Hz je tedy nezbytné, aby došlo k  rozkmitání elastických elementů nosiče přesně 1000 kmitů za sekundu a to po celou dobu trvání tohoto tónu. Frekvenční rozsah sluchu člověka je 16Hz až 20 000Hz. Zvuk frekvenčně pod touto hranicí se nazývá infrazvuk a má blízko k vibracím. Zvuk frekvencí nad horní hranicí je ultrazvuk. Komunikačně rozhodující část frekvenčního spektra bývá nazývána řečová frekvence. Je to ta frekvenční část sluchového pole, které odpovídá podstatná většina lidské řeči. Jedná se o oblast 500 – 2000 Hz.Posluchač  vnímá subjektivně frekvenci tónu jako jeho výšku. Tóny hluboké mají nízkou frekvenci, tóny vysoké pak frekvenci velkou. Určení výšky tónu je především otázkou vrozeného nadání a cviku. Osoby s tzv. hudebním sluchem obvykle posuzují vztah tónu k jinému a řadí jednotlivé tóny do oktávových stupnic. Oktáva představuje poměr kmitočtu 2:1. Je zajímavé , že tzv. hudební sluch je zcela odlišný od sluchu obecného. I hluché osoby byly schopny skládat hudební díla a jiné velmi dobře slyšící osoby nejsou schopny hudbu vnímat a reprodukovat.

Barva tónu je vlastnost, pomocí níž rozeznáváme zvuk houslí od flétny. V běžném životě se jednoduchý harmonický sinusový zvuk vyskytuje jen velmi zřídka. Většina tónů, které dosáhnou našeho ucha, má složený charakter. Tyto zvuky, jako řeč nebo hudba, si můžeme představit jako složení mnoha jednoduchých sinusových (harmonických) složek, vyskytujících se v témže časovém okamžiku. Složka s nejnižším kmitočtem se nazývá harmonická. Ostatní složky, které jsou jejími násobky jsou číslovány podle pořadí (2,3,4,…). Subjektivní akustický vjem složeného zvuku je dán vzájemnou kombinací všech jeho harmonických složek.

Intenzita zvuku: k rozkmitání nosného prostředí (nejčastěji vzduchu) při šíření zvuku je třeba určité energie. Tuto energii získává zvukové vlnění z kmitajícího zdroje zvuku. Energie zvukového vlnění, která prochází jednotkou plochy za sekundu se nazývá intenzita zvuku a je zaznamenávána ve watech na metr čtvereční. W.m2. Aby bylo možné stanovit hodnoty intenzity pro libovolný tón, bylo nejprve nutné stanovit základní vztažnou jednotku. Stala se jí hodnota intenzity 1000 Hz, který zdravý posluchač právě zaslechne (prahová hodnota). Lidské ucho je schopno slyšet zvuky ve velkém rozsahu intenzity. Tak velký rozsah hodnot je velmi těžké vyjádřit., proto bylo stanoveno měření intenzity zvuku v decibelech.

Decibel: je jednotka zavedená ke zjednodušení vyjádření intenzity zvuku. Udává intenzitu měřeného zvuku v porovnání  s intenzitou základní vztažné jednotky. Intenzita zvuku v decibelech (db) je definována jako desetkrát dekanický logaritmus poměru intenzity naměřené k intenzitě základní. Nejedná se o jednotku absolutní, ale relativní, která udává, kolikrát je určitý zvuk silnější nebo slabší, než zvuk základní jednotkový.

Příklady intenzity zvuku: 

práh sluchu 0 db (decibelů)

šepot 20 db

tiše hrající rádio 40 db

konverzační řeč 60 db

hlasitá řeč 80 db

pneumatické kladivo 140 db

práh bolesti (intenzita, kdy začínáme zvuk vnímat jako bolest) 140 db

Výška zvuku je jednou ze subjektivních veličin sluchového vjemu.Podle ní můžeme daný zvuk zařadit do stupnice od tónů hlubokých k vysokým.Výška tónu je pojem fyziologický, který je paralelní k fyzikální frekvenci (kmitočtu) tónu nebo zvuku. Není však s frekvencí totožný, třebaže se s ní někdy zaměňuje.Výška tónu sice závisí převážně na frekvenci zvuku, ale do jisté míry i na intensitě. Frekvence v jejím určení však převládá a proto výšku posuzujeme nejčastěji podle frekvence čistého tónu, s nímž mě zkoumaný zvuk stejnou výšku. Rozsah výšky tónu je určen dolní a horní hranicí sluchu. Dolní hranice se udává obyčejně 16 kmitočtů za sekundu, ale je těžké jí přesně určit, neboť sluchový orgán má při velmi hlubokých tónech tolik zkreslení , že nemůžeme do ucha zavést čistý tón nízké frekvence. Při frekvenci 10 Hz již rozpoznáváme jednotlivé nárazy, ale zvuk nevnímáme jako tón. Horní hranici lze určit přesně a většinou se pohybuje okolo 16000 Hz. U dětí je ještě vyšší, u starých lidí se věkem snižuje na 11 000 Hz. Jestliže hlubší tón zesílíme v intenzitě při zachování frekvence, připadá nám silnější zvuk nižší. Nejvýraznější je tento jev asi při frekvenci 100HZ, kdy se nám zdá, zesílíme-li zvuk ze 40 decibelů na 100 decibelů, jakoby se frekvence tónu snížila asi o 10%. Jinak je tomu u tónů vysokých nad 4000 Hz. Při zvětšování intenzity u nich subjektivní výška tónu stoupá, takže zvuk s větší intenzitou se nám zdá vyšší, než skutečně je.

Hlasitost určitého zvuku je vlastnost subjektivního vjemu, která vyjadřuje, jak silně působí daný zvuk na normální sluch. Je to odraz intenzity zvuku vědomí. při posouzení hlasitosti je třeba mít na zřeteli zkreslení zvuku v převodním aparátu sluchového orgánu a všechny změny, které nastávají ve vyšších oddílech v nervovém systému.Při mnoha přeměnách je pochopitelné, že míra podráždění způsobená zvukem není přímo úměrná fyzikální energii, nýbrž probíhá podle funkce jiné, kterou je možno stanovit empiricky.Rozsah hlasitosti sluchového vjemu je omezen dvěma hodnotami. Sluchový podnět musí dosáhnout určité intensity, aby vůbec způsobil sluchový vjem. Tato minimální intenzita pro určitý zvuk se nazývá sluchový práh a je nejmenší možnou hlasitostí daného zvuku.

Sluchový práh (HTL) je pro čisté tóny nejmenší intenzita tónu, kterou je pozorovatel s normálním sluchem schopen při daném kmitočtu vnímat. Citlivost sluchu je největší v oblasti mezi 1000 Hz a 3000 Hz. Směrem nahoru i dolů od této oblasti citlivost klesá. Sluchová práh je možno stanovit několika způsoby a podle toho se získávají těž různé výsledky. Hodnoty sluchového prahu se vyjadřují buď pomocí intensity zvuku nebo akustického tlaku. Rozdíly podle kmitočtů jsou značné a proto pro příslušné veličiny používáme logaritmického vyjádření, t.j. pomocí hladiny intensity nebo hladiny akustického tlaku.

Práh rozumění řeči (SRT) je nejnižší individuální hladina správného určení 50% slov.

Adaptace: měřením bylo zjištěno, že ucho vystavené po určitou dobu ne příliš hlasitému zvuku reaguje snížením citlivosti. Toto snížení může být značné. Ustane-li působení zvuku, citlivost se opět pomalu vrací ke své původní úrovni. Taková vlastnost sluchu se nazývá adaptace.Je to normální fyziologický proces podobný adaptaci očí.Vejdeme-li náhle z tmy do plného světla, budeme oslněni a nebudeme schopni po určitou dobu vidět předměty v našem okolí. Naopak vejdeme-li z plného světla do přítmí, budeme toto přítmí vnímat jako úplnou tmu a teprve po nějaké době začneme znenáhla vidět i předměty v okolí. Naše ucho se na stejném principu adaptuje okolním podmínkám.Proto osoba, jejíž sluch má být vyšetřen, musí být před měřením nějaký čas v tiché místnosti, aby její sluch byl měřen v neadaptovaném stavu. Druhý důvod, proč musí být sluch měřen v tiché místnosti je, že případný okolní zvuk může rušit vnímání měřících zvuků.

Únava: jestliže bylo ucho podrobeno značně hlasitému déletrvajícímu zvuku (více než 90 db), přidá se k adaptaci i únava sluchu. Snížení hlasitosti je pak mnohem větší a na zotavení je potřeba delší čas.Pokud by byl sluch vystaven soustavnému působení zvuku vyššímu než 90 db, dostaví se poškození sluchu hlukem.

Práh bolesti (MDL) je intenzita zvuku, při které již vzniká bolestivý pocit. U osob s normálním sluchem je okolo 130 db, při některých poruchách sluhu může být nižší.Intenzita vnímaná jedincem jako nepříjemná hlasitost, nikoliv však bolestivá, se nazývá práh nepříjemného poslechu (UCL). U lidí s normálním sluchem bývá okolo 100 db.

Sluchové pole je celý intenzivní a frekvenční rozsah zvuků, které vnímáme. Intenzitně je vymezeno slzuchovým prahem a prahem bolesti (0-130 db), frekvenčně dolní a horní hranicí sluchu (16 Hz – 20 kHz).Zvuk uslyšíme pouze tehdy, pokud dorazí od svého zdroje složitou cestou až do mozkového centra sluchu v kůře mozkové.

Hluk je každý zvuk, který svou intenzitou nepříznivě ovlivňuje pohodu člověka nežádoucími, nepříjemnými nebo škodlivými účinky.Hluk nelze definovat přesně nějakými fyzikálními hodnotami, neboť je to zvuk působící rušivě při práci či odpočinku. Záleží na povaze zvuku, skladbě a časovém průběhu, ale i na přizpůsobivosti jedince. Hluk působí škodlivě na sluch, od 80 db může při dlouhodobém působení způsobit poruchy sluchu (o tom v jiném článku).

hladina různých zvuků v db
zvuk hladina v db
spodní hranice citlivosti lidského ucha 0
šepot, šelest listí 10
tichá zahrada 20
housle hrající pianissimo 30
kroky, tichá hudba 40
hluk v kavárně, hluk automobilu, hlasitá řeč 50
rozhovor, hluk v obchodě 60
televizor, okno do ulice 65
chrápání, školní třída 70
kancelář s mechanickými psacími stroji 80
vysavač, štěkot velkého psa 85
tramvaj, zvonění klasického telefonu 85
rušná ulice, automobilový klakson 90
hluk ve velkých supermarketech a v továrnách 95
siréna např. policejního auta, diskotéka 100
sbíječka, rockový koncert 110
tryskový motor, hrom, wolkman 120
práh bolesti, pneumatické kladivo

 

 

Materiály použité ve všech článcích z oblasti ORL Ušní problematika a audiologie jsou čerpány především z následujících zdrojů :
kniha: Lidské tělo (Z anglického originálu The Human Body), vydavatelství Gemini 1992
kniha: Lidské tělo  (Z anglického originálu The Joy of Knowledge), vydavatelství Albatros 1985
kniha: Anatomie 1 a 2,autor MUDr. Radomír Čihák,DrSc., vydavatelství Avicenum 1988
učebnice: Základy praktické audiologie a audiometrie, Mojmír Lejska a kolektiv autorů
přednášky:  Mudr. Mojmíra Lejsky CSc., MUDr. Ivana Šejna CS. a dalšího kolektivu lékařů a odborníků z oblasti fyziky a audiologie

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *