Vlnění
Existují dva druhy vlnění, které se rozdělují podle směru kmitání částic vzhledem ke směru šíření daného vlnění – vlnění příčné a vlnění podélné.
U příčného vlnění kmitají částice kolmo ke směru šíření. Příkladem může být vlnění na vodní hladině, kdy se jednotlivé body hladiny pohybují nahoru a dolů, ale vlny jako takové se šíří do stran.
U podélného vlnění kmitají částice ve směru šíření. Zvukové vlnění které se šíří vzduchem je právě tohoto typu, kdy se jedná o rychlé změny tlaku vlivem pohybu částic vzduchu.
Akustický tlak
Akustický tlak je odchylka zvukového vlnění od atmosférického tlaku a stejně jako on je vyjádřený v Pa. Hladina akustického tlaku je vyjádřena v dB (SPL) a lze ji vypočítat vzorcem L=20*log(p/p0), kde p značí akustický tlak daného zvuku a p0 je vztažná hodnota akustického tlaku, která byla zjištěna experimentálně a odpovídá hodnotě 0,00002 Pa zvukového vlnění o kmitočtu přibližně 1000 Hz.
Z toho důvodu je možné, že mohou existovat zvuky, jejichž hladina akustického tlaku nabývá záporných hodnot. Jako horní hranice je uvažována hladina akustického tlaku 120 dB (SPL) (20 Pa), která je označována jako práh bolesti.
Ačkoliv je výpočet z hlavy poměrně nepraktický, lze se naučit pár jednoduchých pravidel která lze při počítání s dB použít:
- Dvojnásobný akustický tlak odpovídá nárůstu o 6 dB a desetinásobek 20 dB.
- Pokud se sčítají dvě shodná (koherentní) zvuková vlnění mezi kterými není žádné zpoždění, výsledkem je zesílení o 6 dB
- Pokud se sčítají dvě rozdílná (nekoherentní) zvuková vlnění, výsledkem je zisk přibližně 3 dB.
- Tabulka níže uvádí přibližné hladiny akustického tlaku pro různé běžné situace.
Rychlost zvuku
Je to rychlost, kterou se zvuková vlna šíří prostorem. Nejedná se o rychlost, kterou se pohybují jednotlivé částice, ale o rychlost kterou se šíří čelo vlny. Na rychlost zvuku ve vzduchu má vliv teplota, kdy se při nižších teplotách zvuk šíří pomaleji, než při vysokých. Ale pro běžné podmínky kolem 20°C lze použít rychlost 344 m/s. V různých látkách a v různých plynech se rychlost zvuku liší. Například v heliu je rychlost zvuku přibližně 970 m/s. Právě rozdíl mezi rychlostmi zvuku mezi heliem a vzduchem způsobí vysoký tón hlasu při vdechnutí helia.
Kmitočet
Kmitočet je počet opakování jedné periody za sekundu vyjádřený v jednotkách Hertz (Hz). Slyšitelné spektrum zvuků se nachází mezi kmitočty 20 Hz a 20 000 Hz ale zvuk se může samozřejmě objevovat i na vyšších ale i nižších polohách, jenom je pro lidi neslyšitelný. Kmitočty nižší než 20 Hz se označují jako infrazvuk a lze je zaznamenat například u velrybího zpěvu. Kmitočty vyšší než 20 kHz se označují jako ultrazvuk a lze se s nimi setkat například v lékařství nebo u netopýrů, kteří jej využívají při orientaci ve tmě.
Perioda
Jedna perioda je pravidelně se opakující část zvukového vlnění. Nejjednodušší tvar periody je tvar funkce sinus, takovému vlnění se pak říká harmonické vlnění, toto vlnění je zároveň periodické. V běžném světě se mu nejvíce blíží tóny produkované flétnou nebo pískáním. Na obrázku 1 jsou zobrazeny dvě periody dvou signálů, kdy oba mají kmitočet 1000 Hz. Ačkoliv mají stejnou výšku a mají stejně dlouhé trvání jedné periody tak se liší v barvě zvuku.
Obr.1: Zobrazení dvou period dvou signálů o stejném základním kmitočtu.
Barva zvuku a spektrum
Barvou zvuku běžně nazýváme to, jakým dojmem na nás zvuk působí – například kytara má jinou barvu (jiný zvuk) než například housle, i když hrají stejný tón. Většina tónů je složena z více takzvaných harmonických složek (více signálu sinus) kdy vyšší harmonické složky signálu odpovídají celočíselným násobkům základního tónu (fundamentu). Na obrázku 1 ten signál, který je zobrazen modře, je čistý harmonický signál. Ten který je červeně, je periodický signál, který je složen z 1., 2. a 3. harmonické složky, tedy ze 3 jednotlivých signálů o kmitočtech 1000 Hz, 2000 Hz a 3000 Hz. Běžné hudební nástroje jako například kytara nebo housle mají klidně i přes 20 harmonických složek, vždy samozřejmě záleží na typu nástroje.
Reálné zvuky jsou navíc často doplněny o ruchové (šumové) složky, tedy o zvuky, které jsou náhodné nebo o inharmonicity, což jsou harmonické složky, které neodpovídají celočíselnému násobku fundamentu. Srovnání 3 různých spekter pro zvuky o stejném tónu znázorňuje obrázek 2.
Obr. 2: Porovnání zvukového spektra pro harmonický signál (vlevo nahoře), flétnu (vpravo nahoře) a kytaru (dole)
Vlnová délka
Vlnová délka vychází z rychlosti zvuku a kmitočtu značí velikost jedné periody v metrech. Pro nejnižší kmitočet 20 Hz odpovídá vlnová délka 17,2 m a pro nejvyšší kmitočet pouhých 1,72 cm. Právě vlnová délka zvukového vlnění má velký vliv na to, jak se toto vlnění v prostoru chová.
Fáze a zpoždění
Fáze je "posunutí" zvukového vlnění, zpravidla se vyjadřuje pro jeden konkrétní kmitočet harmonického signálu ve °. Fázový posun 360° odpovídá posunutí o jednu celou periodu a takto posunuté zvukové vlnění je prakticky shodné s vlněním bez fázového posuvu, stejně tak to platí pro celočíselné násobky 360. Fázový posun 180° odpovídá posunutí přesně o půl periody, takže v případě sčítání dvou zvukových vlnění s tímto rozdílem je výsledný signál nulový. Porovnání jak fázové posunutí signálu vypadá pro jeho časový průběh ukazuje obrázek 3.
Obr. 3: Porovnání různých fázových posuvů pro harmonický signál o kmitočtu 1000 Hz.
S fázi je přímo spjato zpoždění. Zpoždění může vznikat například odrazem (odražený zvuk musí urazit delší trasu než zvuk přímý) nebo uměle (například v efektorové jednotce). Zpoždění logicky způsobí posunutí signálu v čase, což vede i k fázovému posuvu. Velikost fázového posuvu je kmitočtově závislá. To znamená že například zpoždění širokospektrálního zvukového signálu o 1 ms (0,001 s) vede k fázovému posuvu oproti původnímu vlnění o 36° na 100 Hz, 180° na 500 Hz a 864° na 2400 Hz.
Hřebenový filtr
Hřebenový filtr vzniká součtem dvou shodných zvukových vlnění, kdy jedno z nich je zpožděné v rámci milisekund. Právě díky kmitočtové závislosti fázového posuvu vzniká na určitých kmitočtech součet zvukového vlnění, a na určitých zase odečet. Tato minima a maxima jsou pravidelně rozprostřena napříč zvukovým spektrem a výsledná kmitočtová charakteristika připomíná tvarem hřeben, odtud název. Obrázek 4 znázorňuje výslednou kmitočtovou charakteristiku (zesílení/zeslabení jednotlivých kmitočtů v místě posluchače), která vzniká sčítáním dvou signálů pro tři různá zpoždění tau.
Obr. 4: Porovnání výsledné kmitočtové charakteristiky pro 3 různé hodnoty zpoždění.
Směrová charakteristika
Směrová charakteristika je základní parametr reproduktorů a mikrofonů. Tak jako frekvenční charakteristika udává hladinu výstupního signálu v závislosti na kmitočtu, tak směrová charakteristika udává závislost na směru přicházejícího zvuku u mikrofonů a hlasitost signálu v závislosti na odklonu od osy reproduktoru.
Nejzákladnější směrová charakteristika je kulová, což znamená, že intenzita signálu nezávisí na úhlu od osy přijímače/vysílače. Další typické charakteristiky jsou osmičková, kardioidní, hyperkardioidní a subkardioidní. Tyto směrové charakteristiky zobrazuje obrázek 5.
Obr. 5: Různé typy směrových charakteristik
Směrová charakteristika je u skutečných zařízení navíc kmitočtově závislá, protože velikost membrány a její vlastní rezonance mají na výsledek vliv, tak jak je ukázáno na příkladu na obrázku 6.
Obr. 6: Prostorové rozložení akustického tlaku v blízkosti membrány reproduktoru o průměru 17,5 cm.
