Hang

A Wikipédiából, a szabad lexikonból.

A hang a fül, a hallás által érzékelt inger. Az emberi beszéd, a beszélt nyelvek, illetve a zene, a zenei hangrendszerek alapeleme. Fizikai jellegét tekintve valamely rugalmas közeg mechanikai rezgése, e rezgés hullámként való tovaterjedése. Ha e rezgés frekvenciája kb. 20 Hz alatti, vagy kb. 20 kHz fölötti, akkor hallásunk nem érzékeli azt, első esetben infrahangról, a másodikban ultrahangról van szó.

A hangot mint fizikai jelenséget az akusztika, a beszédhangokat a fonetika, a zenei hangokat a zenetudomány tanulmányozza.

Tartalomjegyzék

1 A hang mint rezgés
- 1.1 Egyszerű rezgések
- 1.2 Összetett rezgések
2 A hang terjedése
- 2.1 Hullámok
- 2.2 Hullámfajták
3 A hang érzékelése
4 A hang rögzítése
- 4.1 Digitális rögzítés
5 Forrás

[szerkesztés] A hang mint rezgés

A hang rezgés, hullámjelenség, ami a levegőben terjed. Az egészséges fülű fiatalok 20 Hz, és 20000 Hz (20 kHz) közötti hangokat érzékelik. Rezgésnek azt a folyamatot nevezzük, melynek állapotai időközönként ismétlődnek.

Periodikus rezgésről beszélünk, ha ezek az időközök egyenlőek,
nemperiodikus rezgésről egyébként.

[szerkesztés] Egyszerű rezgések

Mechanikai rezgésen leggyakrabban anyagi testeknek vagy részecskéknek egy pont körüli meghatározott irányú kimozdulásait értjük. Ennek legegyszerűbb esetét egy rugóra függesztett tömeggel illusztrálhatjuk, melyet függőlegesen kitérítünk nyugalmi helyzetéből, majd elengedünk. Ebben az esetben a tömegre ható erő nagysága egyenesen arányos a kitéréssel, de ellentétes irányú, és ez azt eredményezi, hogy a tömeg függőleges irányban fel-le mozog. Ha ennek a mozgásnak az időbeli lefolyását vizsgáljuk, hullámvonal formájú függvényt kapunk, amely megfelel egy $r$ sugarú körpályán egyenletes $ω$ szögsebességgel keringő pont vetülete által leírt mozgásnak. Az $y$ kitérés a $t$ idő függvényében $φ$ kezdeti szög esetén ekkor ilyen formájú:

$y = r\,\sin\,(\omega\,t + \phi)$ .

Az ilyen típusú rezgést egyszerű, harmonikus, vagy szinuszos rezgésnek nevezzük. Az $ω$ -t ebben az esetben körfrekvenciának nevezzük:

$\omega = 2\,\pi\,f$ .

Az $f$ a frekvencia, az időegység alatt végzett rezgések száma, ennek reciprok értéke a $T$ rezgési idő vagy periódusidő:

$f = \frac{1}{T}$ .

A $φ$ szöget a nullafázis szögének, vagy fázisszögnek nevezzük, az $r$ értéket, a csúcsértéket pedig amplitúdónak. Az $y$ pillanatnyi értékeit kitérésnek, elongációnak hívjuk.

A különböző rezgések össze is adódhatnak, új rezgést hozva létre. Ekkor rezgések összetevéséről, szuperpozíciójáról beszélünk, ebben az esetben az eredő rezgés kitérése mindig egyenlő a részrezgések kitéréseinek összegével.

[szerkesztés] Összetett rezgések

Minden periodikus vagy nemperiodikus rezgés előállítható különböző frekvenciájú, amplitúdójú és fázisú harmonikus rezgések összetevésével. Hangrezgések esetén ezeket az összetevőket részhangoknak nevezzük. Ezen a szemléleten alapul a hangelemzés, melynek matematikai alapja a Fourier analízis. Ennek azért is van jelentősége, mert a hallásunk hasonlóképpen, hangelemzés útján különbözteti meg a hangokat, hangszíneket, és nem a hangrezgés időbeli lefolyása alapján. Például két rezgés összege fáziseltolódásuktól függően más-más rezgésformát mutathat, fülünk ennek ellenére mindig ugyanolyan hangot hall.

Egy hang tehát nemcsak a rezgő közeg időbeli mozgásával írható le, de részhangjainak spektrumaként is ábrázolható, ha megadjuk, hogy különböző frekvenciahelyeken milyen intenzitású részhangokból tevődik össze.

Vonalas, tehát különálló, diszkrét részhangokból álló spektrum esetén egy meghatározható hangmagasságú hangot hallunk, vagy több ilyen hangot együtt. A periodikus rezgések spektruma vonalas, ráadásul ebben az esetben a részhangok frekvenciái mindig egy alapfrekvencia többszörösei. Az ilyen tulajdonságú részhangok sorozatát nevezzük felhangsornak, az alapfrekvenciát pedig alaphangnak. Ez az alapfrekvencia határozza meg ilyen esetben a hang általunk érzékelt hangmagasságát. A dallamhangszerek „zenei” hangjai, a beszédhangok zöngéi ilyen típusú spektrumon alapulnak.
Folytonos a spektrum, ha a különböző frekvenciájú összetevők folytonosan helyezkednek el egymás mellett. A nemperiodikus rezgések mutatnak ilyen képet. Az így létrejövő hangot zörejszerűnek halljuk, extrém esete a fehérzaj, mikor minden frekvencia megtalálható a spektrumban, ráadásul egyenlő intenzitással. A legtöbb ritmushangszer hangja, a beszédhangok közül a mássalhangzók egy része tartozik ebbe a csoportba.

Meg kell említeni a rezgésnek egy határesetét is, amikor szigorú értelemben nincs is szó rezgésről, csak egyszeri hirtelen állapotváltozásról, mechanikai lökésről. Az ilyen folyamatot átmeneti, tranziens folyamatnak nevezzük. A fülünk ezt kattanásként, csattanásként, durranásként stb. érzékeli. Az ilyen folyamat folytonos spektrummal ábrázolható.

[szerkesztés] A hang terjedése

A hang terjedése mindig valamilyen anyagban, közegben történik, vákuumban nem terjed hang. Ez a közeg lehet gáz, folyadék vagy szilárd test.

[szerkesztés] Hullámok

A hang terjedésének lényege az, hogy a közeg részecskéi egy hangforrás hatására kimozdulnak nyugalmi állapotukból, és ezt a kimozdulást a környező részecskék is átveszik, ilyen módon az eredeti elmozdulás hullámszerűen továbbterjed. A rezgés a közeg különböző helyeire nem azonnal, hanem bizonyos késéssel jut el, így a közeg különböző részei az adott pillanatban a rezgés más-más állapotában, fázisában vannak. Ha ez a tovaterjedő rezgés periodikus, akkor viszont lesznek olyan helyek, ahol a fáziseltolódás már akkora (2 $π$ vagy többszöröse), hogy újra az eredetvel azonos rezgésállapot áll elő. Az ilyen, azonos rezgésállapotban lévő pontok egymástól mért távolsága a hullámhossz. A $λ$ hullámhossz és az $f$ frekvencia segítségével meghatározhatjuk a hanghullám terjedési sebességét:

$c = \lambda\,f$ .

Ez a $c$ érték a hangsebesség. Ennek nagyságát a közeg anyaga, illetve annak fizikai állapota (nyomása, hőmérséklete stb.) határozza meg.

[szerkesztés] Hullámfajták

Longitudinális hullámról beszélünk akkor, ha a részecskék rezgésének iránya azonos a hullám terjedésének irányával. Gázokban és folyadékokban csakis ilyen hullámok jöhetnek létre. Ezekben az esetekben a közeg térfogati rugalmassága kap szerepet, vagyis az adott anyag részecskéinek elmozdulásával összhangban annak sűrűsödése-ritkulása terjed tovább. Ha a közeg kellően tágas méretű, a hangforrás pedig pontszerű, akkor ezek a hullámok gömbhullámok, azaz az azonos rezgésállapotban lévő részecskék a hangforrás mint középpont körüli koncentrikus gömbök felületén helyezkednek el. Ebben az esetben a rezgési energia a hangforrástól távolodva egyre nagyobb felületen oszlik el, tehát a rezgés amplitúdója, intenzitása a távolsággal csökken. A hang terjedésének legjellemzőbb esete, a levegőben terjedő hang, a léghang ilyen jellegű.

Transzverzális hullám esetén a részecskék rezgési iránya merőleges a hullámterjedés irányára, mechanikai hullám esetén ez csak szilárd halmazállapotú anyagban lehetséges. A kifeszített húron létrejövő hullámok is ilyenek.

Hajlítási hullámok hosszúkás vagy lapos formájú szilárd testekben keletkeznek, itt az anyag alaki rugalmassága kap szerepet, egy geometriai deformáció terjed hullámszerűen. Ilyen esetben a terjedési sebesség függ a frekvenciától is, a részecskék elsősorban (de nem kizárólag) transzverzális mozgást végeznek. Az idiofon hangszerek, illetve a húros hangszerek testén keletkeznek ilyen hullámok, az utóbbi esetben ezek segítségével tud például a húrok rezgése léghang formájában a térben szétterjedni.

Léteznek még nyúlási és torziós hullámok is, ezek hangtani szempontból kevésbé fontosak.

[szerkesztés] A hang érzékelése

A fülünk által érzékelt hangoknak a következő tulajdonságai vannak:

Frekvencia: Másodpercenkénti rezgések száma, - műszeres mérés alapján - melyet hertzben (Hz) mérnek. (1 kHz = 1000Hz)

Amplitúdó: Maximális kitérés, a hullám erősségének mértéke, a hullám „magassága”. A hullám amplitúdója: A hullám erőssége, az az energia, amit hangerőként érzékelünk.

Sávszélesség: Frekvenciák azon tartománya, amelyben hang kibocsátására, vagy érzékelésére képes egy hangszer, vagy saját fülünk.

Hangosság: Mértéke a hanghullám intenzitásával, amplitúdójával kapcsolatos, de emellett erősen függ a frekvenciától is. Azonos hangnyomás mellett a magasabb hangokat hangosabbnak halljuk, kb. 4000 Hz fölött viszont már egyre gyengébbnek. Amikor a „hangosság” a kétszeresére változik, az amplitúdó csak 3 decibellel nő. A hangerőnek 10 decibellel kell növekednie ahhoz, hogy az emberi fül is „kétszer” olyan hangosnak hallja. (3 decibel a legkisebb változás a jel erősségében, amelyet az átlagos fül a hangerő határozott változásaként érez.)

Decibel (dB): A jel - a hang számítógépes reprezentációja - erősségének a mértékegysége.

Dinamikatartomány: A nagyzenekar fortissimóban 110 decibelt ér el, a leghalkabb lírai részeknél pedig 30 decibelre halkul. A dinamikatartomány tehát 80 decibel. (Ezt a dinamikatartományt egyetlen hanghordozó sem képes reprodukálni.)

Hang - Hangerő (Nyomás decibelben)

Suttogás - 10 dB
Beszéd - 60 dB
Kiabálás - 80 dB
Kellemetlenségi küszöb - 120 dB
Fájdalomküszöb - 140 dB

Hangszín: A hangnak egyik legnehezebben megragadható tulajdonsága. Nyilvánvalóan összefügg a hang összetételével, spektrumával, de érdekes, hogy egyazon hangforrás (hangszer vagy ember) különböző magasságú hangjaiban is képesek vagyunk érzékelni az azonos karaktert, az azonos eredetet.

Hangmagasság: A különböző rezgéseket milyennek érzékeljük. Elsősorban a periodikus rezgést tartalmazó, „zenei” hangoknál kap szerepet, annak alapfrekvenciájával függ össze, de zörejnek is lehet többé-kevésbé meghatározható hangmagassága, ha spektruma egy adott frekvencia környékén erősebb maximumot képez. Az alsó frekvenciatartományt basszusnak nevezzük (20 Hz-ig), a felső frekvenciatartományt pedig szopránnak (15 kHz felett). Középtartomány: 300 - 5000 Hz.

Időtartam, időbeli lefolyás: A bennünket körülvevő hangok ritka kivételtől eltekintve (pl. tengerzúgás) mindig időben véges események, van kezdetük, egy időbeli lefolyásuk, és egy befejeződésük. A természet zörejeinek azonosításában, a zene ritmusában, a beszédhangok érzékelésében, értelmezésében ennek döntő szerepe van.

[szerkesztés] A hang rögzítése

[szerkesztés] Digitális rögzítés

Analóg - Digitális átalakítás: A hangnak az analóg - hallható - formából a gép számára érthető digitális jelekké való átalakítása. A folytonos analóg jelet egy sor diszkrét digitális jellé alakítjuk mintavételezéssel, melynek lényege, hogy azonos időközökben megmérjük a jel pillanatnyi nagyságát.

A rendszer sávszélessége: Az audio-rendszer teljes átvitelét a lánc leggyengébb eleme szabja meg; a jel feldolgozásában résztvevő legkisebb sávszélességű egység korlátozza. (Az olcsó mikrofon sávszélessége: 80 Hz - 12 kHz.)

Hangforrás - Sávszélesség

Női hang 200 Hz - 9 kHz
Férfihang 120 Hz - 7 kHz
Telefon 300 Hz - 3 kHz
AM rádió 80 Hz - 5 kHz
FM rádió 50 Hz - 15 kHz

Zaj: Véletlen hangokból áll, decibelben (dB) mérjük. A kívánt hangok erősségének és a zaj átlagos erősségének viszonyát jel/zaj aránynak nevezzük. Minél nagyobb ez a szám, annál jobb felvételt készíthetünk. (Ha a jel/zaj arány 85 decibel, az azt jelenti, hogy a jel ennyivel erősebb a zajnál.)

Torzítás: Az okozza, hogy a jel egyes komponenseinek frekvenciája kissé megváltozik, amint a jel a hangkártya áramköreiben, vagy az audio-berendezésben halad. Százalékban szokták megadni, eltérően a jel/zaj aránytól, itt az alacsonyabb értékhez tartozik a jobb hangminőség. Megfelelő a 0,5 %, ill. az ennél alacsonyabb érték.

Mintavételi sebesség: Az eredeti felvétel reprodukciójának hűsége nagyban függ a mintavételi sebesség gondos megválasztásától. Ennek a sebességnek elég nagynak kell lennie ahhoz, hogy a magas hangokat pontosan rögzíthessük. Egy hullámformát akkor reprodukálhatunk pontosan, ha mintavétel frekvenciája legalább kétszer akkora, mint a mintában jelenlévő legmagasabb frekvencia.

Sztereó felvétel készítésekor mindkét csatornában 44100 mintát vesznek, - azaz összesen másodpercenként 88200 mintát. Nyolcbites rögzítéskor egy minta, egy bájtot jelent, míg 16 bites rögzítéskor kettőt. Mono felvételkor egy időpillanatban csak egyetlen mintát veszünk, míg sztereóban miden egyes alkalommal kettőt. Érdemes figyelembe venni (egész) rendszerünk sávszélességét. Nincs értelme, pl. a 44,1 kHz-es mintavételnek, ha mikrofonunk csak 12 kHz-ig visz át, és esetleg pont egy mély hangú férfi beszédét vesszük fel, akinek hangjában ritkán találunk 7 kHz feletti komponenseket.

Mintanagyság: A digitális felvétel hűségét meghatározó második fontos tényező. A mintamérettől függ a felvétel dinamikai tartománya. A nyolcbites mintavétel a dinamikát 50 decibelre korlátozza, a 16 bites mintavételnél ez a szám 90 dB.