Když se řekne vlna, většina lidí si představí oceán - valící se vlny, rozbíjející se příboj, možná i surfaře, který se velkolepým způsobem zřítí. Ve světě hudby a zvuku však vlny fungují trochu jinak.

To neznamená, že by oceánské a zvukové vlny neměly mnoho společného. Obě se pohybují prostorem, přenášejí energii a lze je měřit podle jejich velikosti a rychlosti.

Velký rozdíl je samozřejmě v tom, že oceánské vlny se pohybují vodou, zatímco zvukové vlny se pohybují vzduchem (nebo jakýmkoli materiálem, kterým právě procházejí). A zatímco u oceánských vln je jejich pohyb snadno pozorovatelný, zvukové vlny jsou o něco složitější a pracují v mikroskopické sféře.

Znalost toho, jak se tyto vlny chovají, může být nesmírně přínosná pro každého, kdo pracuje se zvukem, ať už jste zvukový inženýr, stavitel studia nebo vývojář akustických úprav. Pojďme si to tedy co nejjednodušeji rozebrat!

Co je to zvuková vlna?

Zvuková vlna je v podstatě jen vibrace, která se pohybuje vzduchem (nebo vodou, nebo pevným tělesem. Zvuk není vybíravý). Díky němu slyšíme všechno od hudby přes hlasy až po zvuky, které se ozývají v noci!

Zvukové vlny popisujeme na základě několika klíčových vlastností, mezi které patří rychlost jejich pohybu (frekvence), jejich velikost (amplituda) a jejich změna v čase. Než se však k tomu všemu dostaneme, je důležité si uvědomit, že zvukové vlny jsou zvláštním druhem vln, které se nazývají podélné vlny.

Na rozdíl od oceánských vln, které se při pohybu vpřed pohybují nahoru a dolů, podélná vlna tlačí a táhne vzduch ve stejném směru, kterým se pohybuje.

Chcete-li si představit, jak funguje podélná vlna, představte si dlouhou řadu lidí, kteří stojí rameno vedle ramene. Pokud se první člověk nakloní dopředu a narazí do dalšího a ten udělá totéž s dalším, vznikne řetězová reakce, podobně jako když molekuly vzduchu reagují na zvuk. Tento zpětný pohyb je důvodem, proč se zvuku často říká tlaková vlna.

Když mluvíme o zvukových vlnách v hudbě a každodenním životě, mluvíme ve skutečnosti o tlakových vlnách zvuku. Tyto zvukové vlny se pohybují v rozsahu lidského sluchu, který je zhruba 20 Hz až 20 000 Hz. Pod zvuky vnímanými lidským uchem se nachází infrazvuk, který je příliš nízký na to, abychom ho slyšeli, ale je užitečný například pro detekci zemětřesení a sledování slonů (ano, čtete správně). Nad rozsahem lidského ucha je ultrazvuk, který používáme ke všemu možnému od lékařského zobrazování až po čištění šperků. K těm se vrátíme za chvíli.

Kromě hudby existuje několik průmyslových odvětví, ve kterých hrají zvukové vlny velkou roli. Slouží k různým účelům, od toho, aby lékaři viděli do lidského těla, až po to, aby se ponorky mohly pohybovat pod vodou. Pro nás, hudebníky a producenty, jsou však tyto vlny základem všeho, s čím pracujeme, a čím lépe jim rozumíme, tím větší kontrolu máme nad svým zvukem.

Jaké jsou složky zvukové vlny?

Zvukové vlny se mohou zdát jako temná magie, ale stejně jako cokoli jiného ve fyzice se řídí určitými pravidly. Každý zvuk, který slyšíme, má specifické vlastnosti, které určují, jak se chová, a existuje několik klíčových složek, které zvukové vlny utvářejí.

Frekvence

Frekvence je jedním z největších faktorů, které ovlivňují to, jak zvuk slyšíme. Zjednodušeně řečeno jde o to, jak rychle zvuková vlna kmitá. Měříme ji v hertzích (Hz), které nám říkají, kolikrát se vlna zacyklí za jednu sekundu.

Čím rychlejší jsou vibrace, tím vyšší je frekvence. A frekvence určuje výšku tónu. Například střední tón C na klavíru má frekvenci přibližně 261,6 Hz, což znamená, že vzduch kmitá touto rychlostí za sekundu, aby vznikl tento tón. Nízký basový tón může mít frekvenci kolem 60 Hz a pronikavá psí píšťalka se může vyšplhat nad 20 000 Hz (což je příhodně místo, kde lidský sluch přestává slyšet).

Vlnová délka

Vlnová délka (λ) je velikost zvukové vlny, konkrétně vzdálenost, kterou vlna urazí za jeden celý cyklus. Pokud byste zvukovou vlnu zmrazili a natáhli ji před sebe, vlnová délka by byla vzdálenost od jednoho vrcholu k druhému.

Na to existuje jednoduchý vzorec:

λ=c/f

To znamená následující:

• λ (vlnová délka): Délka jednoho celého cyklu vlny
• c (rychlost zvuku): Jak rychle se zvuk pohybuje vzduchem (zhruba 343 metrů za sekundu při pokojové teplotě).
• f (frekvence): Jak rychle vlna kmitá, měří se v hertzích.

Pokud tedy máte zvuk o frekvenci 100 Hz, můžete jej připojit:

λ = 343/100 = 3,43 m

To znamená, že vlna je dlouhá přes 3 metry!

Když to porovnáme se zvukem o frekvenci 1 000 Hz:

λ = 343/1000 = 0,343 metru

Jak vidíte, vyšší frekvence mají kratší vlnovou délku, a proto jsou basy (nízké frekvence) velké a široké, zatímco výšky (vysoké frekvence) jsou soustředěnější a směrovější.

To je také důvod, proč se zvuky s nízkou frekvencí mohou šířit stěnami, zatímco zvuky s vyšší frekvencí se snáze pohlcují nebo odrážejí.

Amplituda

Amplituda představuje sílu nebo hlasitost zvuku. Je to část zvukové vlny, která ji činí hlasitou nebo tichou. Odborněji řečeno představuje, jak daleko se částice vzduchu při průchodu zvukové vlny dostanou ze své klidové polohy. Čím větší je pohyb, tím je vlna silnější a zvuk hlasitější.

Představte si to takto: když jemně ťuknete do bubnu, vzduch se sotva pohne a vyloudíte tichý zvuk. Pokud však do bubnu udeříte silou, vzduch se stlačí a roztáhne mnohem výrazněji, což vytváří hlasitější zvuky.

To je amplituda v akci.

Amplituda vlnění je výška vlny. Vyšší vlny znamenají vyšší amplitudu, kterou vnímáme jako větší objem. Menší vlny znamenají nižší amplitudu, kterou vnímáme jako tišší zvuk.

Kromě hlasitosti však amplituda hraje roli i v tom, jak zvuk působí na prostor, jak je fyzicky cítit a dokonce i jak je v hudbě vnímán emocionálně.

Rychlost

Když mluvíme o rychlosti zvuku (a nejde o jednu z nejlepších písní skupiny Coldplay), jde o to, jak rychle se zvukové vlny šíří prostředím. Na rozdíl od světla, které prolétává prostorem těžko představitelnou rychlostí, zvuk potřebuje něco, čím by se mohl šířit. Může to být vzduch, voda, kov, prostě cokoli. A v závislosti na tom, co to je, se mění rychlost zvuku.

Ve vzduchu (při pokojové teplotě) se zvuk pohybuje rychlostí přibližně 343 metrů za sekundu. Pokud však křičíte pod vodou, zvuk se šíří čtyřikrát rychleji než ve vzduchu. A pokud poklepete na kovovou trubku, vibrace se kovem šíří ještě rychleji.

Proč k tomu dochází?

Záleží na tom, jak pevně jsou molekuly v různých materiálech zabaleny. V plynech, jako je vzduch, jsou molekuly docela rozptýlené, takže vlně trvá déle, než projde. V kapalinách jsou molekuly blíže u sebe, takže se zvuk šíří rychleji. V pevných látkách, kde jsou molekuly těsně u sebe, se zvuk pohybuje nejrychleji.

Proto když přiložíte ucho ke kolejím (nedoporučuji), uslyšíte přijíždějící vlak mnohem dříve, než se k vám zvuk dostane vzduchem. To je také důvod, proč se zvuk v různých prostředích chová odlišně, například váš hlas zní v husté mlze podivně tlumeně, protože dodatečná vlhkost ve vzduchu mění rychlost a pohlcování zvukových vln).

Intenzita

Jestliže amplituda nám říká, jak velká je zvuková vlna, intenzita nám říká, jak je silná. Přesněji řečeno, intenzita je množství energie, kterou zvuková vlna přenáší na jednotku plochy, a měříme ji ve wattech na metr čtvereční (W/m²).

Představte si ji jako svítilnu. Slabá svítilna rozptýlí malé množství energie po celé ploše, zatímco výkonná svítilna vydá na stejném místě tunu světla. Stejně funguje i zvuk. Čím více energie se na vlnu nabalí, tím je intenzivnější.

Na intenzitě záleží, protože hraje velkou roli v tom, jak vnímáme hlasitost. Zatímco amplituda nám udává výšku vlny, intenzita nám říká, kolik celkové energie je dodáváno. Malý reproduktor a ozvučení stadionu mohou v jednom bodě produkovat stejnou amplitudu, ale ozvučení stadionu rozprostírá tuto energii na mnohem větší plochu, takže je mnohem intenzivnější.

To je také důvod, proč vzdálenost ovlivňuje hlasitost zvuku. Jak se zvuková vlna šíří, její intenzita klesá, protože se energie rozprostře do většího prostoru. Proto zní koncert v blízkosti reproduktorů ohlušujícím způsobem, ale čím dále se vzdalujete, tím více slábne.

Fáze

Fáze se zabývá načasováním vlny. Jde o to, kde se zvuková vlna v daném okamžiku nachází ve svém cyklu. Kdybyste mohli zmrazit průběh vlny a ukázat na konkrétní místo na ní, určili byste její fázi.

Fázi měříme ve stupních, přičemž jeden úplný vlnový cyklus je 360°. Vlna na 0° nebo 360° je ve svém počátečním bodě, zatímco 180° znamená, že je v polovině a obrátila se vzhůru nohama.

Při interakci více zvukových vln určuje jejich fáze, zda budou působit společně, nebo proti sobě.

Pokud jsou dvě stejné vlny ve fázi (ve stejných bodech), vzájemně se zesilují a zvuk je silnější. Pokud však nejsou ve fázi, což znamená, že vrchol jedné vlny je v jedné linii s poklesem druhé, částečně nebo úplně se vyruší, což může zvuk zeslabit nebo dokonce eliminovat.

Fázové rušení je postrachem každého zvukového inženýra. Pokud jste například někdy nahrávali bicí soupravu a všimli jste si, že virbl zní podivně tence, může být viníkem fázové rušení mezi mikrofony. To je také důvod, proč otočení fáze na mixážním pultu nebo v DAW může někdy zvuk oživit.

O tom, proč je fáze v hudbě důležitá, jsme napsali celý blog, který doporučuji přečíst, pokud se chcete dozvědět více.

Různé typy zvukových vln na základě šíření

Je důležité si uvědomit, že ne všechny zvukové vlny se pohybují stejně. Všechny sice přenášejí energii prostředím, ale způsob, jakým se šíří (módní výraz pro způsob šíření zvukových vln), se může v závislosti na situaci lišit.

Šíření je způsob, jakým se vlna pohybuje prostorem. Některé vlny se tlačí a táhnou ve stejném směru, zatímco jiné se pohybují nahoru a dolů nebo se šíří ve složitých vzorcích.

Rozdělme si hlavní typy zvukových vln podle toho, jak se pohybují, a proč je to důležité.

Podélné vlny

Podélné vlny jsou v každodenním životě nejčastějším formátem zvukových vln. Jsou definovány tím, jak se pohybují. Částice vzduchu vibrují tam a zpět ve stejném směru, jakým se vlna pohybuje.

Rád si představuji, jak tlačím jeden konec slinky dopředu a zároveň ho tahám dozadu a vidím, jak se závity v určitých částech shlukují a rozprostírají. Podélné vlny se v podstatě pohybují v oblastech stlačování (kde se částice tlačí k sobě) a zřeďování (kde se částice rozprostírají od sebe). Tento neustálý cyklus tlačení a tahání je způsob, jakým se zvuk pohybuje vzduchem a dostává se k našim uším.

Ve vzduchu a vodě slyšíme podélné vlny, protože tyto materiály nemají takovou strukturu, aby podporovaly jiné typy vlnění. Vlny se však šíří i v pevných látkách.

Protože tyto vlny jsou zodpovědné za téměř všechny zvuky, které slyšíme, jsou základem všeho v hudbě, od vibrací kytarové struny až po ostrý úder hi-hat.

Příčné vlny

Příčné vlny se pohybují trochu jinak než jejich podélné příbuzné. Místo toho, aby částice vibrovaly tam a zpět ve stejném směru jako vlna, příčné vlny se pohybují kolmo na dráhu vlny, což znamená, že energie se pohybuje dopředu, ale částice se pohybují nahoru a dolů.

Dobrý způsob, jak si to představit, je třepání provazem. Pokud držíte jeden konec lana a třepete jím nahoru a dolů, uvidíte, jak se po laně šíří vlny, ale skutečný materiál lana se pohybuje spíše ze strany na stranu než po délce vlny. Takto se chovají příčné vlny.

Hlavní rozdíl spočívá v tom, že příčné vlny se vyskytují pouze v pevných látkách. Je to proto, že pevná tělesa mají potřebnou tuhou strukturu, která podporuje pohyb nahoru a dolů. Kapaliny a plyny takový vnitřní odpor nemají.

Přestože nejsou součástí toho, jak slyšíme zvuk, hrají příčné vlny obrovskou roli v pochopení mechanických vlastností materiálů ve světě kolem nás. Projevují se v seismické aktivitě, vibracích pevných konstrukcí, a dokonce i v tom, jak rezonují hudební nástroje. Pokud jste někdy cítili, jak tělo akustické kytary vibruje, když zahrajete tón, poznáváte příčné vlny v akci.

Povrchové vlny

Povrchové vlny jsou jakoby tím nejlepším z obou světů a kombinují prvky podélných i příčných vln. Namísto pohybu čistě tam a zpět nebo nahoru a dolů vytvářejí povrchové vlny při pohybu podél hranice mezi dvěma různými materiály spíše kruhový nebo valivý pohyb.

Když se vrátíme k oceánským vlnám, když se vlna valí ke břehu , voda se pohybuje ve smyčce. Částice u hladiny se pohybují ve větších kruzích, zatímco částice hlouběji pod hladinou se pohybují méně. Stejný princip platí i pro povrchové vlny v jiných materiálech, včetně některých případů, kdy zvuk interaguje s pevnými povrchy.

Klíčovou vlastností povrchových vln je, že jejich energie s hloubkou slábne. Čím dále od hladiny, tím je pohyb vlny menší. Proto hlubinní potápěči necítí stejný pohyb, který zmítá loděmi nahoře.

Různé typy zvukových vln podle frekvence

Některé zvukové vlny slyšíme, jiné jsou zcela mimo náš dosah. Podle frekvence se zvukové vlny dělí do tří hlavních kategorií:

• Slyšitelné zvukové vlny: To jsou frekvence, které lidé skutečně slyší. Do tohoto rozsahu spadá vše od 20 Hz do 20 kHz. S přibývajícím věkem má horní hranice tendenci klesat, což je důvod, proč některé vysokofrekvenční zvuky slyší jen mladší uši (určitě si vzpomínáte na spolužáky, kteří si ve třídě pouštěli ty otravné aplikace na komáry, protože je učitel neslyšel).
• Infrazvuk: Jedná se o velmi nízké frekvence pod 20 Hz, které jsou pro lidský sluch příliš hluboké, ale přesto jsou velmi reálné a silné. Infrazvuk se používá při detekci zemětřesení, monitorování sopečné činnosti a dokonce i při komunikaci se zvířaty. Například sloni používají infrazvuk k "komunikaci" na velké vzdálenosti. Někteří vědci dokonce spojují infrazvuk s pocity neklidu, což by mohlo vysvětlovat momenty typu "přísahám, že jsem právě viděl ducha".
• Ultrazvuk: Tyto vysokofrekvenční zvukové vlny o frekvenci nad 20 kHz jsou pro člověka neslyšitelné, ale mají spoustu praktických využití. Na ultrazvuku je založeno lékařské zobrazování (ultrazvukové snímání), sonarová technologie a dokonce i některé prostředky na hubení škůdců. Někteří živočichové, například netopýři a delfíni, jej používají k echolokaci, aby "viděli" způsobem, který je mimo naše vnímání.

Závěrečné myšlenky o zvukových vlnách

Co můžete s těmito nově získanými informacemi o zvukových vlnách dělat?

Pro začátek vám porozumění zvukovým vlnám umožní lépe ovládat hudební produkci, mixáž, nahrávání a dokonce i živé ozvučování. Ať už nastavujete ekvalizér a snažíte se zjistit frekvenci vln, které slyšíte, nebo umisťujete mikrofony a snažíte se vyhnout fázi, znalost toho, jak se zvuk pohybuje, vám pomůže lépe se rozhodovat.

Chcete si vyzkoušet zábavné zvukové vlny?

Zkuste to takto: vezměte reproduktor, pusťte nízkofrekvenční sinusovou vlnu (asi 50-100 Hz) a přiložte k ní ruku. Cítíte vibrace? Nyní zahrajte sinusovou vlnu o vysoké frekvenci (5 000 Hz nebo více). Všimněte si, jak vibrace slábnou? To je vlnová délka a frekvence v akci. Čím nižší je frekvence, tím delší je vlnová délka a tím více se pohybuje vzduchem způsobem, který můžete fyzicky cítit.

Nakonec zvukové vlny nejsou jen součástí nějaké abstraktní vědy. Utvářejí vše, co v hudbě slyšíme a cítíme. A čím více jim rozumíte, tím více je můžete ohýbat podle své vůle.