Dźwięk jest zjawiskiem fizycznym, które towarzyszy nam wszędzie. Dźwiękiem odbieranym przez człowieka jest zjawisko drgania cząstek powietrza w zakresie częstotliwości od 16 herców do 20 kiloherców. Pasmo to nazywa się pasmem akustycznym. Konstrukcja ludzkiego aparatu słuchowego sprawia, że jest ono ograniczone do tych właśnie wartości.
Podstawowym warunkiem zaistnienia zjawiska dźwiękowego jest obecność ośrodka, którego cząsteczki mogą zostać wprawione w ruch. W próżni zjawisko to nie zachodzi. Dźwięk jest zaburzeniem falowym. Gdy na przykład rzucimy do wody kamień , spowodujemy zaburzenie pewnego ustalonego porządku, wywołując powstanie ruchu o charakterze falowym. Oznacza to, iż np. wibracje instrumentów, powodując cykliczne rozrzedzanie i zagęszczanie molekuł powietrza wymuszają ruch fali dźwiękowej, która docierając do ucha powoduje efekt słyszenia dźwięku. Proces ten w prosty sposób zobrazować można na podstawie pracy głośnika. W momencie, gdy jego membrana wychyla się na zewnątrz powietrze zostaje zagęszczone i jego ciśnienie jest wyższe od atmosferycznego. W przypadku wychylenia membrany do wewnątrz powietrze zostaje rozrzedzone, osiągając ciśnienie niższe od atmosferycznego. Tak wytworzona, przez poruszające się poprzez reakcję łańcuchową molekuły powietrza, fala rozchodzi się z prędkością 1200 km/h. Im większa jest intensywność wibracji tym wyższa jest amplituda szczytowa, a co za tym idzie głośniejszy jest dźwięk. Jedna fala oznacza jedno pełne drganie określane mianem cyklu.
Częstotliwość
Częstotliwość jest pierwszą podstawową cechą fizyczną charakteryzującą zjawisko dźwięku. Dla określenia wartości częstotliwości wprowadzono jednostkę zwaną hercem, od nazwiska niemieckiego fizyka Heinricha Rudolfa Hertza (1857-1894). Jeden herc reprezentuje jeden pełen cykl w ruchu falowym, to znaczy od szczytu do następnego szczytu fali. Dzieje się tak, bowiem właściwą istotą dźwięku są drgania. Charakterystyczną cechą drgań jest ich okres. Ilość takich drgań (okresów) zachodzących w ciągu sekundy określana jest w okresach na sekundę. I wówczas jedno drgnięcie (okres) w ciągu jednej sekundy określane jest jako 1 Hz (herc). 1500 drgań w ciągu 1 sekundy to 1500 Hz. A ilość drgań w ciągu jednej sekundy oznacza częstotliwość (wysokość) danego dźwięku. Dla muzyków, wysokość dźwięku "a" odpowiada 440 okresom/sekundę czyli 440 Hz Dźwięki z zakresu leżącego poniżej pasma akustycznego, zwane są infradźwiękami i odbieramy je jako serię impulsów, natomiast dźwięki mające częstotliwość powyżej 20 kHz to ultradźwięki. Mogą być one przez niektórych ludzi odbierane raczej jako odczucie niż wrażenie słuchowe. W tej części zostaną omówione pozostałe wielkości związane z dźwiękiem. Należy pamiętać, że każdy instrument wytwarza częstotliwości w pewnym określonym przedziale.
Zła charakterystyka częstotliwościowa
Charakterystyka czestoliwościowa jest odpowiedzią - sposobem, w jaki głośnik reaguje na pobudzenie go sygnałem o stałej amplitudzie i częstotliwości równomiernie zmieniającej się od najniższych basów do najwyższych sopranów. Głośniki posiadające nierównomierną charakterystykę, będą "podbijały" dźwięk nienaturalnie. Głośnik o charakterystyce płaskiej brzmieć będzie naturalniej niż ten, którego charakterystyka jest poszarpana. Poza tym, płaskość charakterystyki częstotliwościowej umożliwia w dużym stopniu redukcję sprzężeń między mikrofonem a głośnikami. Jeśli bowiem głośniki wykazują duże uwypuklenie charakterystyki w pewnym przedziale, to może się okazać, że mikrofon zareaguje na ten szczyt i na tej właśnie częstotliwości zacznie się sprzęgać.
Bezpośredni związek z częstotliwością fali dźwiękowej ma jej długość. Ponieważ prędkość dźwięku jest ograniczona i wynosi średnio 331,8 m/s, łatwo można obliczyć, że fala o częstotliwości np. 100 Hz ma długość równą 331,8/100 = 3,32 metra. Wynika to ze wzoru na długość fali dźwiękowej. Długość fali = cT=c/F, (gdzie c to prędkość rozchodzenia się fali w metrach na sekundę (m/s), T to okres - w sekundach (s), natomiast F to częstotliwość drgań, podawana oczywiście w hercach (Hz)). Długość fali nie jest bez znaczenia z naszego punktu widzenia, bowiem gdy dokonujemy odsłuchu w zamkniętym pomieszczeniu, fala bezpośrednia z głośnika i fala odbita od przeciwległej ściany, a następnie odbita ponownie, mogą nałożyć się na siebie, powodując powstanie tzw. fali stojącej. Praktycznym tego efektem jest osłabienie lub wzmocnienie odbioru konkretnej częstotliwości w tym pomieszczeniu w zależności od tego, czy głowa słuchającego znajduje się w węźle takiej fali, gdzie następuje zanik ciśnienia akustycznego, lub też przeciwnie - tam, gdzie amplitudy fal są najwyższe. W praktycznie każdym pomieszczeniu może występować kilka takich częstotliwości . Na przykład jeśli pokój ma długość 3 metrów, a głośniki ustawione są przy jednej ze ścian, do przeciwległej ściany pozostaje dystans równy 3 metrom. Na tym dystansie mogą powstać fale stojące o długościach 3 metrów, 1.5 meta, 0.75 meta, itd. Można obliczyć, że w tym konkretnym przypadku będziemy mieli do czynienia z upośledzeniem odsłuchu dźwięków o częstotliwościach 110,6 Hz, 221,2 Hz, 442,4 Hz i tak dalej. Zmiany te mogą być odczuwalne w zakresie niskich częstotliwości niosących największą część energii dźwiękowej, należy jednak mieć na uwadze fakt, że częstotliwości średnie i wysokie mogą być lekko zafałszowane. Jest to prosty przykład i ma sygnalizować problem przy właściwym przygotowaniu pomieszczenia do odsłuchu. Między innymi z faktu istnienia fal stojących wynika bowiem konieczność stosowania adaptacji akustycznych pomieszczeń, w których pracuje się nad dźwiękiem. Szerzej na ten temat w dziale akustyka oraz innych artykułach naszego serwisu.
Amplituda
Dźwięki możemy charakteryzować nie tylko z uwagi na wcześniej wymienione elementy, lecz również pod względem amplitudy fali je wywołującej. Aby przedstawić to zagadnienie obrazowo należy wyobrazić sobie fale o różnych wielkościach , fale małe i duże. Wysokość takich fal nazywa się amplitudą. Wielkość amplitudy fali ma bezpośredni wpływ na głośność , a ściślej na wrażenie głośności jakie odbiera nasze ucho. Czułość ludzkiego słuchu zmienia się w miarę zwiększania lub zmniejszania częstotliwości dźwięku. Szerzej na ten temat w tym dziale sekcja słuch. W tym miejscu można jednak zasygnalizować, że dźwięki w zakresie 2kHz do 4kHz, są odbierane najsilniej prze ludzkie ucho. Tę cechę zawdzięczamy naturze, która tak pokierowała rozwojem narządu słuchu, aby był jak najbardziej wyczulony na odgłosy mowy. Amplituda drgań cząsteczek powietrza jest zatem następną ważną cechą zjawiska dźwięku. Z wartością amplitudy jest bezpośrednio związane natężenie dźwięku.
Natężenie dźwięku
Natężenie dźwięku, w międzynarodowym systemie miar SI jest określane za pomocą jednostki W/m2 (wat przez metr kwadratowy). Jednostka ta nie wyraża w sposób bezpośredni głośności dźwięku, gdyż jest to odczucie subiektywne, lecz określa ilość energii akustycznej padającej na jednostkę miary powierzchni. Ponieważ nie jest to zbyt wygodne, a przy tym nie odpowiada logarytmicznej charakterystyce czułości ludzkiego słuchu, natężenie wyrażane jest za pomocą skali logarytmicznej i jednostki zwanej decybelem (dB), będącej pochodną od bela (B), który jest zbyt dużą wartością dla zastosowań w akustyce. Pomijając szczegóły, warto pamiętać, że ze zmianą poziomu natężenia dźwięku o 6 dB subiektywnie odbierana głośność zwiększa się dwukrotnie lub zmniejsza o połowę niezależnie od wartości początkowej. Dla bardziej wnikliwych natężenie dźwięku I, sprowokowanego falą sinusoidalną, opisuje się następującym wzorem I=Pa/S (gdzie Pa oznacza moc akustyczną, natomiast S to powierzchnia prostopadła do kierunku rozchodzenia się fali. Z kolei ciśnienie akustyczne to ciśnienie zmienne, wywierane przez cząsteczki powietrza, dzięki którym wrażenia dźwiękowe są odbierane.
Faza
Faza jest określeniem przebiegu cyklu w czasie. Jest ona mierzona w jednostkach stopni (lub radianach), rozpoczynając od 0, a kończąc na 30. W przypadku, gdy porównujemy dwie identyczne fale dźwiękowe, z których jedna jest względem drugiej opóźniona, możemy mówić o przesunięciu fazowym między nimi. Przesunięcie fazowe mierzone jest również w stopniach i jest tym większe, im większe opóźnienie występuje między falami. Jeśli dwie fale przesuną się względem siebie o 180 stopni, to nastąpi ich wzajemne zniesienie (wyciszenie).
Harmoniczne i Obwiednia
Najczęściej występujące w naturze dźwięki - o przebiegu złożonym - składają się z tonu podstawowego, zwanego pierwszą harmoniczną oraz przytonów zwanych tonami harmonicznymi. Te właśnie harmoniczne określają charakterystykę dźwięku i jego barwę. Sprawiają one, iż dwa dźwięki posiadające te samą częstotliwość, wyzwolone z różnych instrumentów np. gitary i skrzypiec brzmią inaczej. Kolejną cechą charakterystyczną dźwięku jest zmieniający się poziom głośności w trakcie jego powstawania i trwania. Określany jest on mianem obwiedni, którą podzielić można na cztery etapy. Pierwszy to atak, jest to odcinek czasu w trakcie, którego dźwięk przechodzi z ciszy do maksymalnego poziomu. Drugi etap określany mianem schyłku określa drogę, w której dźwięk przechodzi z maksymalnej głośności do poziomu średniego. Średni poziom określany jest mianem podtrzymania, a po nim następuje zwolnienie dźwięku, czyli odcinek czasu, podczas którego głośność dźwięku zanika do poziomu zerowego. Sygnał
Sygnał akustyczny po zmianie na przebieg elektryczny określany jest mianem sygnału fonicznego. Może on występować pod postacią sygnału analogowego lub cyfrowego. Sygnał analogowy ma przebieg analogiczny do sygnału akustycznego, natomiast sygnał cyfrowy powstaje w wyniku przetworzenia analogowego sygnału fonicznego na ciąg impulsów elektrycznych, przedstawiających liczby dwójkowe (jedynki i zera), określające wartość przebiegu analogowego, pobrane z niego w równych odstępach czasowych.
Prędkość Akustyczna
Wiadomo, że cząsteczki powietrza drgają, pobudzone przez źródło dźwięku. Aby osiągnąć konkretną częstotliwość drgań przy danej amplitudzie, cząsteczki muszą osiągnąć pewną prędkość ruchu. Podczas rozchodzenia się fali dźwiękowej nie zmieniają one położenia, jedynie oscylują wokół punktu spoczynkowego. Wykonują wtedy ruch wzdłuż lub w poprzek fali. Prędkość tej oscylacji zależy wprost od częstotliwości drgań oraz ich amplitudy.
Moc Akustyczna
Przez wielu wielkość ta kojarzona jest z głośnością dźwięku. Wartość ta charakteryzuje ilość energii wypromieniowanej przez źródło dźwięku do otoczenia. Moc akustyczna mierzona jest w watach (W). Natomiast pojęciem gęstości energii akustycznej posługujemy się w celu określenia ilości energii akustycznej w jednym metrze sześciennym ośrodka.
Zniekształcenia
Za różnego rodzaju zniekształcenia odpowiedzialne są niedoskonałe komponenty urządzeń. Pojawienie się ich może być obecne na każdym etapie wędrówki dźwięku. Zasadniczo zniekształcenia dzielimy na liniowe i nie liniowe. Ze zniekształceniami liniowymi mamy do czynienia, gdy dane urządzenie nie przenosi całości pasma doprowadzonego sygnału lub tłumi niektóre z jego składowych. Głos w słuchawce telefonicznej jest tego najlepszym przykładem. Innym prostym przykładem jest prosty odbiornik radiowy oraz jego głośnik, nie mogący odtworzyć częstotliwości zbyt niskich ani wysokich. Charakterystyka częstotliwościowa danego urządzenia wykazuje nam jak przenoszone jest pełne pasmo akustyczne. Najlepszym rozwiązaniem jest płaska charakterystyka częstotliwościowa, to znaczy taka, która nie tłumi ani nie wzmacnia żadnych częstotliwości składowych. Jednak mało które urządzenie ma taką charakterystykę. Stąd też często mówi się o tzw. nauce danego urządzenia wśród realizatorów. Ciekawostką może być fakt, że tak zwany kontur często stosowany w wieżach domowych jest w rzeczywistości wprowadzeniem zakłócenia liniowego wyższych częstotliwości. Innym rodzajem zniekształceń są zniekształcenia fazowe. Pojawiają się wówczas, gdy poszczególne częstotliwości składowe sygnału przechodzą przez dane urządzenie z różną prędkością, co powoduje powstawanie różnic czasowych między nimi. Zniekształcenia nieliniowe są inaczej zwane zniekształceniami amplitudowymi. Bierze się to stąd, iż wynikowa amplitud sygnału nie przebiega proporcjonalnie do amplitudy na wejściu układu. Ekstremalnym przykładem takiego zniekształcenia jest obcięcie części przebiegu, który ma tak dużą amplitudę, iż dany układ nie jest w stanie przenieść tego sygnału w sposób niezakłócony. Miarą zniekształceń jest wskaźnik ich zawartości w całym sygnale. W języku angielskim parametr ten zwany jest TOTAL HARMONIC DISTORTION , w skrócie THD i wyrażany jest w %. Odmianą tej miary jest THD + Noise, co oznacza zawartość częstotliwości harmonicznych oraz szumów. Nowoczesne technologie pozwalają na utrzymanie bardzo niskiego wskaźnika zniekształceń, na poziomie do 0,1. Z reguły większemu opóźnieniu podlegają częstotliwości wysokie niż niskie.
