Úvod do elektroakustiky a akustiky

Elektroakustika je věda zabývající se zvukem, jeho šířením, jeho záznamem a reprodukcí pomocí elektroniky.

Jejími podobory jsou například: Prostorová akustika, která se zabývá šířením zvuku uzavřeným prostorem a optimalizací poslechového prostoru. Stavební akustika se zabývá stavebními úpravami zamezujícími pronikání zvuku ven, případně zamezením pronikání rušivých zvuků dovnitř. Také má za úkol stavebními úpravami místnosti docílit optimálních dozvukových vlastností. Další oblastí je fyziologická akustika zabývající se uchem ( sluchovým orgánem člověka ) a procesem slyšení. Hudební akustika se zabývá akustickými vlastnostmi hudebních nástrojů. Psychologická akustika zkoumá mechanismy, které určují kvalitu vnímaného zvuku a jeho působení na člověka.

Zvuk

Zvuk je mechanické vlnění,které vzniká kmitáním ( střídavým zhušťováním a zřeďováním ) pružných částic a šíří se v pružném prostředí ( voda, vzduch, dřevo). Podle směru pohybu částic se vlnění dělí na příčné ( pohybují se kolmo na směr šíření ) a podélné ( po směru šíření ). Podélné vlnění vzniká a šíří se téměř v každém prostředí (tuhé, kapalné, plynné), příčné vlnění se uplatňuje pouze v tuhých látkách.

Zvuk se zkládá z tónů. Čistý tón se dá znázornit křivkou sinusoidou ( viz obrázek ), takový tón se však v přírodě vyskytuje jen málo, mnohem častější jsou "různě zdeformované křivky" . Čistému tónu sinusového průběhu se nejvíce přibližuje flétna nebo píšťala varhan.

Sinusový průběh tónu

Podle průběhu křivky poznáme, jak se s časem mění tlak působící na ušní bubínek. V čase t₀ působí na bubínek našeho ucha pouze normální atmosférický tlak. V čase t₁ se tento tlak zvětší o tlak +P, v čase t₂ je hodnota tlaku vyrovnána na úroveň atmosferického tlaku, v čase t₃ na ušní bubínek působí pokles tlaku na hodnotu -P a v čase t₄ dojde k vyrovnání. Počet opakování celého tohoto jevu za sekundu se označuje jako frekvence (též kmitočet) zvuku.

Základní veličiny charakterizující zvuk

1. Frekvence
Frekvence je počet opakování kmitů (zvýšení, vyrovnání, snížení a vyrovnání tlaku, viz text pod obrázkem nahoře ^ ) za sekundu. Jednotkou frekvence je hertz se značkou Hz, 1000 Hz = 1kHz ( kilohertz ). Tón o nižší frekvenci se jeví jako hlubší, o vyšší frekvenci se lidskému uchu jeví jako vyšší. Frekvence nám umožňuje tón zařadit do hudební stupnice podle výšky. Lidské ucho ale nevnímá změnu výšky vnímaného tónu lineárně. Ucho nevnímá změnu výšky jako přírůstek o určitou hodnotu, ale jako o poměrnou změnu. Nejznatelnější je změna v poměru 1: 2, to je oktáva. Tón o oktávu vyšší tedy není vyšší vždy o určitou hodnotu, ale dvakrát vyšší. Př.: tón a má frekvenci 220 Hz, o oktávu vyšší tón a¹ má hodnotu 440 Hz, tedy 2x vyšší než a.
Slyšitelný zvuk se pohybuje ve frekvenčním rozmezí přibližně od 16 do 20 000 Hz. Průměrný posluchač však slyší zhruba v rozmezí mezi 20Hz - 16 000 Hz. Horní hranice se s přibývajícím věkem ještě snižuje, třeba i pod 10 kHz. Kmity s frekvencí nižší než 16 Hz je ještě člověk schopen vnímat, ale pouze tehdy, mají-li dostatečnou amplitudu a nejsou vnímány jako tóny, ale jako vibrace, dunění. Zvuky s nižší frekvencí ( 0 - 16 Hz ) se označují jako infrazvuk, s vyšší frekvencí ( nad 20 kHz ) jsou označovány jako ultrazvuk.

2. Rychlost šíření zvuku
Značka: c, jednotka je m/s. Tato rychlost je závislá na prostředí, kterým se zvuk šíří. Ve vodě se šíří rychlostí 1437 m/s, železem 5100 m/s a jinými tvrdými kovy a dřevy rychlostmi mezi 4000 až do 5000 m/s. Rychlost zvuku je také závislá na teplotě materiálu. V teplejším prostředí se zvuk šíří rychleji, než v prostředí studeném.

Tabulka rychlostí šíření zvuku vzduchem v závislosti na teplotě

Teplota °C Rychlost zvuku m/s

-30 312

0 331,4

20 344

30 348

3. Akustická rychlost
Značka: v. To je rychlost, kterou kmitají částice vzduchu kolem své rovnovážné polohy.

4. Vlnová délka
Vlnová délka je délka celé zvukové vlny, tj. od času t₀ do času t₄ na obrázku sinusového průběhu tónu. Je označována řeckým písmenem lambda a měří se v metrch nebo cm, jako jakákoli jiná délka : ) Její velikost můžeme určit podle vzorce

5. Amplituda
Amplituda vyjadřuje rozkmit kmitání ve vertikálním směru. Na obrázku křivky sinusoidy je to rozsah mezi nejvyšším tlakem +P a nejnižší hodnotou -P. Na amplitudě závisí intenzita zvuku.

6. Intenzita zvuku
Udává se v dB ( decibel ), je to objektivní fyzikální veličina.

7. Hlasitost zvuku
Hlasitost je subjektivní pocit, udává se ve fónech [Ph]. Lidské ucho totiž 2 zvuky stejné intenzity nemusí slyšet stejně hlasitě. Je to tím, že ucho je nejcitlivější ve frekvenční oblasti kolem 3 až 4 kHz. Směrem k hlubokým i na opačnou stranu, k vysokým tónům citlivost ucha klesá. Aby tedy ucho slyšelo všechny tóny stejně hlasitě, je potřeba měnit jejich skutečnou intenzitu, hlubokým a vysokým tónům je potřeba přidat.

Tabulka ukazuje hlasitost vnímanou uchem v závislosti na frekvenci a intenzitě zvuku

Barva zvuku

Barvě zvuku se také říká témbr. Každý zdroj zvuku ( hudební nástroj, lidské mluvicí ústrojí, ... ) produkuje kromě základního tónu ( tón označený na stupnici, tón který cíleně hrajeme, například E o frekvenci 82Hz, tento tón produkuje nejhlubší struna kytary) ještě takzvané harmonické tóny, kterým se také říká tóny alikvotní, parciální, dílčí, částkové. Harmonické tóny jsou násobky základního tónu. Vyšší harmonické ( celý název je vyšší harmonické složky nebo tóny, ale v praxi se ujalo označování pouze jako "vyšší harmonické") jsou násobky, které jsou vyšší než základní tón. Například 2. harmonická od základního tónu a=440Hz je 880Hz. Vyšší harmonické se vyskytují v hojné míře téměř ve všech zdrojích zvuku. U některých nástrojů dokonce produkce vyšších harmonických přehlušuje vlastní základní tón, který je jen nepatrně zastoupen, jedná se především o nástroje dechové retné. Oproti tomu saxofon je velmi chudý na harmonické tóny, jako jeden z mála nástrojů. Sudé harmonické ( 2., 4., 6., ... ) dávají tónu měkkou příjemnou barvu, kdežto liché ( zejména sedmá ) dávají tónu tvrdý pronikavý témbr.

Kromě vyšších harmonických obsahuje zvuk zřídka i tóny o frekvanci f/2 ( f je frekvence základního tónu ), takzvané subharmonické tóny.

Zvuk tedy obsahuje určité množství harmonických tónů, které mu dává charakteristickou barvu. Protože každý zdroj zvuku produkuje jiné harmonické v různé intenzitě, rozeznáme podle barvy zvuku jeho zdroj ( kytara zní prostě jinak než tuba... ).

Kromě harmonických tónů se na barvě zvuku ještě podílejí složky vznikající při nasazení tónu a dokmitávání rezonátorů nástroje ( tj. rezonanční skříně, např. tělo kytary, roztruby u dechových nástrojů apod. ). Složky vznikají cí při nasazování tónu jsou ovlivněny způsobem nasazení (úder do struny, tažení smyčcem, fouknutí). Dokmitávání je ovlivněno tvarem a velikostí rezonátoru.

V souvislosti s barvou zvuku je ještě potřeba vysvětlit pojem "formanty". Rozborem lidské řeči se zjistilo, že nezávisle na tom, jak vysoko se základní tón hlásky vyslovuje nebo zpívá, je ke každé hlásce přiřazena určitá oblast vyšších kmitočtů, které jí dávají charakter, pomocí které rozpoznáme, o jakou hlásku se vlastně jedná. To jsou formanty ( nejspíš proto, že formují hlásku ). Formanty sykavek jsou položeny dosti vysoko, proto mají starší lidé problémy s rozeznáváním sykavek - jak bylo již uvedeno v pojednání o frekvenci zvuku, horní hranice vnímaného frekvenčního rozsahu se s přibývajícími léty velmi snižuje. Je tedy třeba brát na starší lidi ohled a sykavky vyslovovat pečlivě, aby neměli problémy s porozuměním.

Shrnutí na závěr: Barva zvuku tedy záleží na způsobu vzniku tónu, obsahu harmonických složek a na dokmitávání zdroje zvuku.

Elektroakustické řetězy ( systémy )

Podstata a účel elektroakustického systému ( řetězu ) je snímat, zesilovat, upravovat a reprodukovat zvuk. Případně ho toto zařízení může ještě v nějaké podobě zaznamenávat, uchovávat a pak znovu reprodukovat ( magnetofonový záznam, gramofonový záznam, CD záznam, záznam do paměti integrovaného obvodu, ... ) Od celého řetězu se žádá originálu co nejvěrnější záznam a reprodukce zvuku - viz norma HiFi DIN 45 500. Kvalita celého řetězu je závislá na každém článku, zvláštěpak ale na nejslabším. ( Pokud že bude na zesilovač nejlepší kvality napojeno repro nejhorší kvality, zvuk z takového řetězu prostě nebude dobrý, bude tak kvalitní, jak kvalitní je nejslabší článek, v tomto případě reproduktor ). Nejlepší konfigurace řetězu nastane tehdy, pokud všechny články mají stejnou, co nejvyšší kvalitu.
Tento systém může mít výstup buď elektrický ( např linkový ), akustický ( reprosoustava ), elektromechanický nebo optický ( barevná hudba ). Každý elektroakustický řetěz se vpodstatě skládá ze tří částí:

1. Zdroj signálu
2. Zesilovací a upravovací obvody
3. Spotřebiče elektrického signálu

1. Zdrojem signálu může být buď mikrofon, elektromagnetický snímač elektrických nástrojů ( kytara, housle, elektrofonické varhany ), CD přehrávač, přenoska gramofonu, zvuková karta počítače, magnetofon, rozhlasový přijímač atd.
Důležité kritérium pro rozdělení zdrojů signálu je napěťová úroveň jejich výstupu. Podle té je totiž potřeba zvolit následující zesilovač s vhodnou citlivostí. Zdroje se slabým výstupem jsou třeba mikrofony, snímače el. kytary. Protože na slabé výstupní napětí se snadno chytí šum z okolí a slabý signál je nepoužitelný, je potřeba slabý signál zesílit. K tomu slouží napěťový zesilovač. Zdroje s vysokou výstupní úrovní, které už nepotřebují napěťový zesilovač, jsou především ty, které reprodukují signál z nějakého záznamového média (CD, audiokazeta). Tyto zdroje mají výstup o síle napětí asi 100mV - 1,5V. Takovému výstupu se říká linka (line out), normalizovaná hodnota napětí linky je 0,755V.

2. Zesilovací obvody mají za úkol zesílit signál na nízké napěťové úrovni na použitelnou úroveň ( napěťové zesilovače ). Výkonové zesilovače mají za úkol dodat potřebný výkon pro práci reproboxu. Upravovací obvody mohou upravovat různé charakteristiky signálu jako frekvenční korekce ( pevný korekční obvod nebo ekvalizér = zařízení pro proměnnou úpravu frekvenčního složení procházejícího signálu ), napěťová úroveň, ...

3. Spotřebičem elektrického signálu může být buď reproduktor ( reprobox, reproduktorová soustava ) nebo záznamové zařízení ( záznamová hlava magnetofonu, vypalovačka CD, rycí jehla záznamového zařízení pro gramofonový záznam... nic jinýho mě teď nenapadá )

Řeťez pro snímání mikrofonem

Příklad elektroakustického řetězu

Řeťez pro reprodukci z CD

Celý elektroakustický systém potřebuje ke své funkci napájení. To může být realizováno buď bateriově nebo síťovým zdrojem.