Na laickej úrovni možno o zvuku hovoriť ako o vlnení prostredia, ktoré človek potenciálne môže vnímať. Keďže prirodzeným prostredím človeka, ktoré ho obklopuje, je vzduch, ide najmä o vibráciu vzduchu. (Do úvahy prichádza napríklad aj voda – človek pod hladinou vody tiež vníma zvuk, ale o tomto špeciálnom prípade nebudeme ďalej uvažovať. Z pohľadu fyzikálnych zákonitostí sa však zvuk šíri všetkými tuhými, kvapalnými a plynnými látkami.) Na vneme počutia (vnímanie zvuku poslucháčom) má podiel predovšetkým ľudský sluch.
Odborne sa dá zvuk stručne popísať ako „zmena tlaku, rozloženia častíc alebo ich rýchlosti, ktorá sa šíri pružným materiálom.“Pozn. 1. Fakticky ide o pozdĺžne vlnenie (v aspoň trochu stlačiteľnom médiu), teda o vlny, ktoré vibrujú v smere svojho šírenia. Vlna, ako akási jednotka vlnenia, je potom lokálna zmena tlaku vzduchu v čase, zložená z deja kompresie prostredia (stlačenia zmrštenia, zvýšenia tlaku) a dekompresie prostredia (roztiahnutia, rozpínania, zníženia tlaku).
Treba podotknúť, že zvuk nie je pohyb média, ale zmena jeho vnútorného stavu. Tento princíp sa opisne vysvetľuje na papierovej loďke na povrchu jazera pri pohľade zhora. Ak hodíme do vody kameň, vlny sa budú šíriť radiálne od miesta dopadu a keď zasiahnu loďku, táto bude stúpať a klesať podľa momentálnej fázyPozn. 2 vlny. Pohyb vody je však len zdanlivý, loďka totiž – odhliadnuc od vertikálnych pohybov – ostane na tom istom mieste. Ak teda abstrahujeme rozmer „výšky“, ide o šírenie pozdĺžnej vlny. Na objasnenie (jednorozmerného) pozdĺžneho vlnenia možno použiť aj napr. dlhú pružinu v pokojovom (nestlačenom a neroztiahnutom) stave, ktorú na jednom okraji upevníme a druhým okrajom náhle pohneme smerom k prvému okraju. Pružina sa na tomto mieste „neprirodzene“ stlačí, pričom táto tlaková vlna postupuje ďalej. Za ňou zas nasleduje „neprirodzené“ roztiahnutie.
V tejto časti práce si spomenieme základné fyzikálne vlastnosti zvuku. Obsahuje dva odseky: 2.1.1 Frekvencia a vlnová dĺžka a 2.1.2 Hlasitosť zvuku.
Poznámka 1: Cit. OLSON, Harry F. Accoustical Engineering. 1957. Ďalej v texte budeme tento jav jednoducho označovať zmena tlaku.
Poznámka 2: Stupeň priebehu (časové vymedzenie priebehu) vlny medzi kompresiou a dekompresiou prostredia.
Zvuk je prejav zložený z rôznych vĺn. Ak je však tento jav periodický, podľa Fourierovej vety ho možno rozložiť na sínusové vlnenia s rôznymi kmitočtami a amplitúdami. Je to práve sinusoida, na ktorú ľudské ucho reaguje ako na „čistý tón“ nejakej výšky. Každá sínusová zvuková vlna, teda dej kompresie i dekompresie, nastáva s určitou pravidelnosťou. Rýchlosť tejto oscilácie sa označuje frekvencia vlnenia (ekvivalentným termínom je kmitočet) a vyjadruje sa v Hertzoch (Hz = 1/s), teda počte vĺn za sekundu. Zmenu tlaku P(t) oproti okolitému tlaku na danom mieste v priestore (v ďalšom texte považujeme za médium na šírenie zvuku implicitne vzduch) v závislosti od času t možno vyjadriť ako:
kde P0 je amplitúda vlnenia (najväčšia veľkosť zmeny tlaku oproti okolitému tlaku na danom mieste), f je frekvencia vlnenia a φ0 je počiatočná fáza.
Vlna sa šíri v priestore, teda možno zmerať vzdialenosť medzi dvoma najbližšími bodmi s najvyššou (resp. najnižšou) zmenou tlaku. Táto vzdialenosť – vlnová dĺžka λ – je zjavne rovná
kde c je rýchlosť šírenia zvuku vo vzduchu. Táto rýchlosť pri štandardných podmienkach (20 °C) predstavuje 343 m/s. Treba poznamenať, že na rýchlosť zvuku, ktorá sa odvíja aj od rýchlosti častíc vzduchu (pozri odstavec o intenzite zvuku nižšie), nemá vplyv tlak vzduchu ani frekvencia vlnenia. Vzduch je pre človekom počuteľné zvuky nedisperzným médiom (tzn. šíria sa bez rozptylu). Pre vysoké frekvencie (nad 5 kHz) dochádza pri dlhšej dráhe zvuku k miernemu útlmu (vysokofrekvenčné kmitanie ľahšie stráca energiu).
Zvuk sa šíri všetkými smermi, ak narazí na prekážku, väčšina energie sa odrazí, čiastočne dochádza k pohlteniu (šíreniu zvuku v hmote prekážky, resp. premene akustickej energie na tepelnú energiu). Pomer odrazenej a pohltenej energie závisí od frekvencie a od vlastností povrchu. Odraz zvuku od prekážky spôsobuje prirodzený dozvuk (ľudského hlasu, nástroja); na základe času dozvuku je možné odhadnúť rozmery miestnosti.
Keďže zmeny tlaku sú v porovnaní s atmosferickým tlakom zanedbateľné a navyše samotné číslo vyjadrujúce zmenu tlaku nevypovedá nič o „hlasitosti“ vlnenia, čo je subjektívne kritérium, ujali sa aj iné spôsoby merania úrovne hlučnosti zvuku. Smerodajná odchýlkaPozn. 1. v tlaku vzduchu, ktorého zmena je zapríčinená daným vlnením, sa označuje ako akustický tlak a meria sa v Pascaloch. Práve akustický tlak zohráva hlavnú rolu pri vnímaní hlasitosti.
Testy potvrdili, že človek vníma zvuk až od istého (tzv. prahového) akustického tlaku. Pre frekvenciu 1 kHz je tento prah počuteľnosti p0 = 20,4 μPaPozn. 2. Táto hodnota bola zvolená ako štandard; skutočný, tzv. absolútny prah počuteľnosti sa od neho môže líšiť (v závislosti od kmitočtu vlnenia a veku poslucháča) a venujeme sa mu v odseku 2.2.2 Vnímanie hlasitosti. Akustický tlak s rastúcou vzdialenosťou od zdroja zvuku klesá nepriamo úmerne.
Intenzita zvuku je potom množstvo zvukovej energie, ktorá prejde danou plochou za jednotku času (W/m2). Možno ju vypočítať ako súčin akustického tlaku a rýchlosti častíc vzduchu pri šírení zvuku. Rýchlosť častíc je logicky závislá aj od akustického tlaku, mierny vplyv na ňu má dokonca teplota (so vzrastajúcou teplotou mierne rastie rýchlosť) a vlhkosť vzduchu. Intenzita zvuku teda klesá so štvorcom vzdialenosti od zdroja zvuku. Celkové množstvo energie vo Wattoch, ktoré daný zdroj vyžiari do okolia, sa nazýva akustický výkon.
Hladina akustického tlaku (anglický termín sound pressure level, SPL) je potom logaritmickým vyjadrením „úrovne hluku“ skúmaného zvuku v závislosti od prahového akustického tlaku p0 podľa vzťahu
kde p1 je akustický tlak zvuku. Meriame ju v desiatkach belov (dB, decibel, správne sa označuje dB(SPL), keďže dB nie je jednotka sama osebe, ale vždy sa vzťahuje na nejakú referenčnú hodnotu, akou je p0 v tomto prípade). Opodstatnenie logaritmického merania hlasitosti je namieste: človek zachytí veľký rozsah akustických tlakov, preto by číselné vyjadrenie lineárnymi jednotkami (napr. akustický tlak p) viedlo k príliš dlhému číselnému zápisu (príliš veľké alebo príliš malé čísla).
Podobne meriame aj hladinu intenzity zvuku podľa vzťahu
kde I0 = 10-12 W/m2 je prahová intenzita zvuku. Meriame ju v dB (používané označenie dB(SIL)).
Pre grafické zobrazovanie zvuku, teda zmeny tlaku vzduchu na danom mieste v závislosti od času, sa ujalo zakresľovanie do grafu (vlnový diagram), v ktorom os x predstavuje postupujúci čas v kladnom význame, os y vyjadruje zmenu tlaku, kde kladné hodnoty predstavujú stlačenie molekúl vzduchu (zvýšenie tlaku), záporné hodnoty zas ich roztiahnutie (zníženie tlaku).
Bližší popis subjektívneho vnímania hlasitosti uvádzame v nasledujúcej časti.
Poznámka 1: Pri meraní v krátkom časovom okamihu je fakticky zhodná so samotnou zmenou tlaku vzduchu.
Poznámka 2: SIBBALD, Alastair (Sensaura). An Introduction to Sound and Hearing. 2001. s. 4.
