Proč je akustika důležitá?
Zvuk je neoddělitelnou součástí našeho každodenního života – od konverzací až po hudbu a prostorové efekty v divadle či kině. Porozumět tomu, jak zvuk vzniká, šíří se a transformuje na vjem v mozku, je zásadní nejen pro fyziky, ale i pro scénické technologie, architekty či filmaře, kteří navrhují filmové a divadelní prostředí.
Co je to zvuk?
Zvuk je mechanické vlnění – vibrace částic v pružném prostředí (plyn, kapalina, pevná látka). Tyto vibrace vznikají například pohybem membrány reproduktoru nebo hlasivek a šíří se díky pružnosti prostředí .
Z teoretického hlediska platí pro ideální plyn Newton‑Laplaceova rovnice:
kde:
c – rychlost zvuku
γ – adiabaticita plynů (poměr měrných tepelných kapacit)
p – tlak a
ρ – hoρ hustota prostředí
Šíření zvuku a faktory ovlivňující šíření
Rychlost zvuku v suchém vzduchu závisí hlavně na teplotě. Pro přibližné výpočty se používá vzorec
Frekvence, amplituda a rozsah lidského zvuku
Frekvence [Hz] – určuje výšku tónu
Amplituda popisuje intenzitu vibrace, kterou vnímáme jako hlasitost (Může mít více jednotek)
Lidské ucho obvykle detekuje zvuky od cca 20 Hz do 20 000 Hz, přičemž s věkem citlivost na vysoké frekvence klesá (u průměrného dospělého hranice klesá na 15–17 kHz). Zvuky pod 20 Hz nazýváme infrazvuk, nad 20 kHz ultrazvuk (používaný např. v lékařském zobrazování či čištění).
Spektrální složení zvuku a Fourierova analýza
Ve skutečnosti se přírodní zvuky skládají z mnoha frekvencí – každý nápěv v řeči či hudbě je komplexní spektrum. Pomocí Fourierovy transformace lze tento spektrální obsah rozložit na jednotlivé sinusové složky a analyzovat, které frekvence dominují (základní frekvence) a jaké jsou jejich harmonické. Tato metoda je základem analýzy řeči, akustické signalizace i digitálního zpracování zvuku.
Základní fyziologie lidského ucha
- Vnější ucho
Celý proces slyšení začíná ve vnějším uchu, které funguje jako přirozená anténa. Boltec (to, co vidíme zvenku) je tvarovaný tak, aby co nejefektivněji zachytával zvukové vlny z okolí a směřoval je dovnitř do zvukovodu. Zvukové vlny pak narážejí na bubínek (membrana tympani), tenkou membránu na konci zvukovodu, která začne jemně vibrovat podle frekvence a intenzity dopadajícího zvuku. - Střední ucho
Za bubínkem se nachází střední ucho – malý, vzduchem vyplněný prostor, ve kterém se nachází tři drobné kůstky: kladívko, kovadlinka a třmínek (malleus, incus, stapes). Tyto kůstky tvoří nejmenší kosti v lidském těle a přenášejí vibrace z bubínku dále do vnitřního ucha. Zároveň fungují jako zesilovač – díky rozdílu ploch (bubínek je výrazně větší než oválné okénko, do kterého naráží třmínek), se mechanická energie zesiluje až 20×. Tento mechanismus také přizpůsobuje přenos vibrací mezi prostředími s různou impedancí – ze vzduchu do tekutiny. - Vnitřní ucho
Za oválným okénkem začíná vnitřní ucho, které je naplněno tekutinou. Jeho hlavní částí je hlemýžď (cochlea) – spirálovitá trubice obsahující basální membránu s vláskovými buňkami (senzorickými receptory). Když třmínek zatlačí na oválné okénko, vyvolá vlnění tekutiny v hlemýždi. Tohle vlnění „rozvibruje“ basální membránu a stimuluje vláskové buňky, které převádějí mechanické pohyby na elektrické signály pomocí tzv. mechanoelektrické transdukce.
Zajímavost: Každé místo na basální membráně reaguje na jinou frekvenci zvuku – na začátku hlemýždě vysoké tóny, na konci hluboké. Díky tomu mozek dokáže analyzovat výšku tónu (frekvenční rozklad). - CNS (centrální nervová soustava)
Vláskové buňky předávají elektrické signály dál do sluchového nervu (nervus cochlearis), který je součástí osmého hlavového nervu. Tento signál prochází několika přepojovacími stanicemi v mozkovém kmeni a thalamu, až se dostane do primární sluchové kůry v mozku (gyrus temporalis superior). Právě zde se zvuk vědomě „rozkóduje“ – mozek rozpozná, co slyšíme: hlas, tón, směr nebo řeč.
Mozek umí analyzovat nejen co slyšíme, ale i odkud to přichází – díky jemným rozdílům mezi signálem z levého a pravého ucha. Tohle prostorové slyšení je naprosto zásadní třeba pro orientaci v prostoru nebo porozumění řeči v hlučném prostředí.
Použité zdroje:
- Kinsler, L. E., Frey, A. R., Coppens, A. B. & Sanders, J. V. (1999). Fundamentals of Acoustics (4th ed.). John Wiley & Sons.
- Rossing, T. D., Moore, F. R. & Wheeler, P. A. (2002). The Science of Sound (3rd ed.). Addison Wesley.
- Moore, K. L., Dalley, A. F. & Agur, A. M. R. (2013). Clinically Oriented Anatomy (7th ed.). Lippincott Williams & Wilkins.
- Yost, W. A. (2000). Fundamentals of Hearing: An Introduction (3rd ed.). Academic Press.
- Sabine, W. C. (1900). Collected Papers on Acoustics. Harvard University Press.
- National Institute on Deafness and Other Communication Disorders (NIH). “How the Ear Works.”
https://www.nidcd.nih.gov/health/how-ear-works (cit. 17. 4. 2025) - Greenwood, D. D. (1990). „A cochlear frequency‐position function for several species: 29 years later.“ Journal of the Acoustical Society of America, 87(6), 2592–2605.
- on Békésy, G. (1960). Experiments in Hearing. McGraw‑Hill.
- Hudspeth, A. J. (2014). „Integrating the active process of hair cells with cochlear function.“ Nature Reviews Neuroscience, 15, 600–614.
