Co je frekvence zvuku a jak se měří?

Zvuk vzniká kmitáním zdroje, které vytváří změny tlaku v okolním prostředí. Ve vzduchu se tyto změny šíří jako podélná zvuková vlna. Frekvence udává, kolik kmitů proběhne za jednu sekundu, a měří se v hertzech (Hz).

Jeden hertz znamená jeden kmit za sekundu. Nízká frekvence se obvykle pojí s hlubokým tónem, vysoká s tónem výrazně vyšším. Výška tónu ale není totéž co hlasitost: hlasitost souvisí především s amplitudou a hladinou akustického tlaku.

Pro základní vysvětlení frekvencí a kmitání můžete navázat na článek Energie, frekvence a vibrace: články na našem blogu. Téma zvuku a viditelných obrazců dále rozvíjí také článek o cymatice a tom, jak zvuk vytváří geometrii.

Jaké jsou hranice lidského sluchu?

Jako orientační rozsah lidského sluchu se často uvádí přibližně 20 Hz až 20 000 Hz (20 kHz). Tento údaj není ostrou hranicí platnou stejně pro každého.

Citlivost závisí na věku, zdravotním stavu sluchu, hlasitosti signálu a způsobu měření. Mnoho dospělých neslyší nejvyšší frekvence až k 20 kHz; s věkem se citlivost k vysokým tónům často snižuje. Nízké frekvence navíc potřebují k vnímání obvykle vyšší hladinu zvuku než oblast, na kterou je ucho nejcitlivější.

Proto je přesnější chápat 20 Hz a 20 kHz jako praktické orientační meze. Přechod k infrazvuku nebo ultrazvuku neznamená, že se zvuk náhle stane pro každého absolutně nepostřehnutelným.

Co je infrazvuk?

Infrazvuk je zvuk s frekvencí pod přibližně 20 Hz. Jeho vlnová délka může být při šíření vzduchem velmi dlouhá, a proto se při nízkém útlumu může šířit na značné vzdálenosti. Jeho měření vyžaduje vhodné mikrofony nebo tlakové senzory a pečlivé odlišení okolních vibrací.

Infrazvuk vzniká v přírodě i v lidské činnosti. Mezi přirozené zdroje patří některé bouře, silné větry, oceánské vlnění, sopečná činnost a zemětřesení. Technické zdroje zahrnují těžkou dopravu, průmyslová zařízení, ventilaci nebo velké konstrukce.

Infrazvuk nemusí být vždy „neslyšitelný“. Odborný přehled o vnímání nízkých frekvencí uvádí, že dostatečně intenzivní zvuk pod 20 Hz lze slyšet; při vyšších hladinách mohou lidé vnímat také tlak nebo vibrace. Prah vnímání se mění podle frekvence a mezi jednotlivci. Viz přehled Hearing at low and infrasonic frequencies a práci What is infrasound?.

K čemu se měření infrazvuku používá?

Infrazvukové senzory pomáhají sledovat jevy, které uvolňují energii ve velkém měřítku. Vědci jej mohou využít při monitorování sopečných erupcí, výbuchů, atmosférických dějů nebo jiných zdrojů akustických vln. Síť měřicích stanic dokáže zaznamenat signály, které se běžnými mikrofony pro slyšitelný zvuk zachycují obtížně.

Naměřený signál sám o sobě ještě neříká, jaký zdroj jej vytvořil. K určení původu se porovnává čas příchodu vln na různá místa, jejich spektrum, amplituda a další dostupná měření.

Co je ultrazvuk?

Ultrazvuk označuje zvukové vlny s frekvencí nad přibližně 20 kHz, tedy nad běžně uváděnou horní hranicí lidského sluchu. Jde stále o mechanické vlnění, které k šíření potřebuje prostředí, například vzduch, kapalinu nebo tkáň.

Vyšší frekvence mají ve stejném prostředí kratší vlnovou délku. To umožňuje zachytit drobnější detaily v obrazu, zároveň se však ultrazvuk v různých materiálech a tkáních více či méně pohlcuje a odráží.

Ultrazvuk v medicíně

Lékařské ultrazvukové zobrazování vysílá vysokofrekvenční zvukové vlny do těla a zaznamenává jejich odrazy od rozhraní mezi tkáněmi. Z času návratu signálu a jeho charakteru přístroj sestaví obraz. Dopplerovské vyšetření využívá změny odraženého signálu k hodnocení pohybu krve.

Ultrazvuk se používá například při vyšetření břicha, srdce, cév nebo v těhotenství. Na rozdíl od rentgenového záření nejde o ionizující záření. To však neznamená, že akustická energie nemůže mít biologické účinky. FDA uvádí, že při nevhodném nebo zbytečně dlouhém použití může ultrazvuk tkáně mírně zahřívat a za určitých podmínek vyvolat mechanické účinky. Klinická vyšetření proto mají provádět kvalifikovaní zdravotníci s rozumným nastavením expozice.

Podrobnosti popisuje FDA: Ultrasound Imaging. Ultrazvukové vyšetření je třeba používat pro zdravotní účel a podle doporučení odborníků.

Další technické využití ultrazvuku

Ultrazvuk se používá také v průmyslové defektoskopii pro hledání vnitřních vad materiálů, v čisticích lázních nebo při měření vzdálenosti. Konkrétní zařízení pracují s různými frekvencemi, výkony a způsoby přenosu. Samotné slovo „ultrazvuk“ proto nepopisuje jediný druh zdroje ani jednu úroveň intenzity.

Jak infrazvuk a ultrazvuk využívají zvířata?

Sluchové schopnosti živočichů se liší podle stavby sluchových orgánů a prostředí, ve kterém žijí. Některé druhy komunikují nebo se orientují frekvencemi, které člověk přímo neslyší.

• Netopýři používají echolokaci. Vysílají krátké vysokofrekvenční zvuky a podle jejich ozvěny odhadují polohu překážek nebo kořisti.
• Ozubené velryby a delfíni využívají vysokofrekvenční zvuky pro echolokaci a komunikaci pod vodou.
• Někteří sloni a kytovci komunikují nízkými tóny, které se za vhodných podmínek mohou šířit na velké vzdálenosti.
• Hlodavci a některé další druhy vydávají ultrazvukové signály, například při sociální komunikaci.

Jednotlivé druhy mají vlastní sluchové rozsahy a komunikační vzorce. Není proto přesné mluvit o jednom společném „zvířecím sluchu“.

Může člověk vnímat zvuk, který údajně neslyší?

Ano, za určitých podmínek může člověk vnímat zvuk na okraji obvyklého slyšitelného rozsahu, případně velmi nízké frekvence jako tlak nebo vibraci. Významná je frekvence, hladina zvuku, délka expozice, způsob přenosu i individuální citlivost.

Studie 26 dospělých zkoumala slyšitelnost vzduchem přenášených frekvencí v rozsahu 14–24 kHz. S rostoucí frekvencí se počet účastníků, kteří zvuk zaznamenali, výrazně snižoval; výsledky tak ukazují, že horní hranice není totožná u všech lidí. Studie ovšem sama neopravňuje k tvrzením, že každý člověk běžně slyší ultrazvuk. Viz výzkum publikovaný v Biomedizinische Technik.

U velmi vysokých zvuků může být navíc důležité, zda se k uchu nedostávají současně slyšitelné složky nebo jiné zvuky zařízení. Při vyhodnocování stížností na „neslyšitelný tón“ je proto potřeba provést vhodné měření a zohlednit okolní hluk, harmonické složky i další možné příčiny.

Témata frekvencí a lidského vnímání rozvíjejí také články o mozkových vlnách EEG a vědomí a o tom, jak mozek vytváří myšlenky a vědomí.

Jsou infrazvuk a ultrazvuk nebezpečné?

O bezpečnosti nelze rozhodovat pouze podle toho, že je určitá frekvence neslyšitelná. Důležité jsou hladina akustického tlaku, výkon zdroje, vzdálenost, délka expozice, přenos prostředím a citlivost člověka.

U diagnostického ultrazvuku je třeba rozlišovat běžné klinické použití od zbytečné nebo neodborné expozice. FDA doporučuje používání pro zdravotní účel, kvalifikovanými pracovníky a s omezením expozice na potřebnou míru. Ultrazvuk není ionizující záření, ale do těla přenáší energii.

U vzduchem šířeného ultrazvuku i infrazvuku se v odborných přehledech diskutují možné účinky při vysokých hladinách a mezery ve výzkumu. Mezinárodní komise ICNIRP uvádí, že některé nespecifické obtíže hlášené při expozici vzduchem šířenému ultrazvuku zatím nelze jednoznačně připsat přímo neslyšitelnému ultrazvuku; potřebný je další výzkum. Pro kontext viz stanovisko ICNIRP k ultrazvuku.

Pokud máte podezření na intenzivní zvuk nebo vibrace v pracovním či domácím prostředí, je vhodné obrátit se na odborníka na akustická měření. Mobilní telefon obvykle nedokáže spolehlivě změřit infrazvuk ani ultrazvuk.

Nejčastější otázky

Odborné zdroje a další čtení

1. Møller, H. a Pedersen, C. S. (2004). Hearing at low and infrasonic frequencies. Noise & Health, 6(23), 37–57. Přehled lidského vnímání nízkých a infrazvukových frekvencí.
2. Leventhall, G. (2007). What is infrasound? Progress in Biophysics and Molecular Biology, 93(1–3), 130–137. Definice infrazvuku a rozbor jeho vnímání.
3. Kühler, R. a kol. (2019). Does airborne ultrasound lead to activation of the auditory cortex? Biomedical Engineering / Biomedizinische Technik, 64(4), 481–493. Studie prahů slyšení vysokých frekvencí u dospělých.
4. U.S. Food and Drug Administration. Ultrasound Imaging. Přehled využití, přínosů a bezpečného klinického používání ultrazvukového zobrazování.
5. International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection. Ultrasound. Stanoviska a informace k expozici ultrazvuku.