4.1. ábra. Eredő légnyomás
A léghang légnyomás-ingadozás formájában jelentkezik.
Az állandó értékűnek tekinthető légköri nyomásra szuperponálódik a hangnyomás (4.1. ábra).
A tér egy pontjában az eredő P(t) légnyomás a P0-val jelölt állandó légköri nyomás és a p(t) hangnyomás összegeként adható meg:
A hang fizikai jellemzésére leggyakrabban a hangnyomás effektív értékét szokás használni.
A hangnyomás szabványos mértékegysége a Pa (Pascal), 1 Pa 1 N erőhatást jelent 1 m2 felületen.
(A konstans légköri nyomás kereken 100000 Pa).
A hangnyomás értékét mérőmikrofonnal mérjük.
Gyakran nem a nyomásértéket, hanem a mért hangnyomás és egy referencia érték arányát adják meg dB-ben.
Az elfogadott referencia a p0 = 20 µPa, ami az átlagember számára az éppen meghallható 1000 Hz-es szinuszhang nyomásértéke.
A hangnyomásszint tehát:
A tér egy pontjában létrehozott nyomáseltérés a szomszéd térrészek felé kiegyenlítődni igyekszik.
A kiegyenlítődés során a részecskék elmozdulnak, ami újabb, a szomszédos térrészekben kialakuló nyomáskülönbséget okoz.
A nyomásváltozás ily módon a térben hanghullámok formájában tovaterjed.
A hanghullámok azonos fázisú pontjai közötti távolságot hullámhossznak nevezzük.
A hullámhossz és a frekvencia szorzata egy állandó érték, ez a hang terjedési sebessége:
4.1. ábra. Eredő légnyomás
A hang terjedési sebessége kb. 340 m/s.
Ha a hang forrása pontszerű, és ha a térben a hang minden irányban akadálytalanul terjedhet, akkor gömbhullámok keletkeznek.
A hangforrástól nagy távolságra az azonos fázisú gömbfelületek alig görbülnek (4.2. ábra), ezért ezeket már síkhullámoknak tekinthetjük.
A síkhullámokra érvényes, hogy a hangnyomás és a részecskesebesség hányadosa állandó:
4.2. ábra. A gömb- és a síkhullám
A hang jellemezhető az időegység alatt a felületegységen áthaladó energia nagyságával is.
Ezt nevezzük hangintenzitásnak, értékét a hangnyomás és a részecskesebesség szorzataként számítjuk.
Síkhullámoknál az előző egyenletet is behelyettesíthetjük:
Az intenzitást is gyakran viszonyszámként, dB-ben kifejezve adjuk meg. Ha a viszonyítási alap I0 = 1 pW/m2, ami az 1000 Hz-en éppen meghallható szinuszhang intenzitásértéke, akkor az intenzitásszint
4.3. ábra. Az emberi hallás korlátai
A szubjektív hangosságérzet számszerűsítésére vezették be a hangosságszint (avagy a régebbi irodalomban: hangerősség) fogalmát. Ennek alapján egy tetszőleges hang hangosságszintje annyi phon, ahány dB a vele azonos hangosságérzetet keltő 1 kHz-es szinuszhang hangnyomásszintje. (Ebben a kísérletben a mérendő hangot és a megfigyelő által változtatható szintű referenciahangot felváltva kell meghallgatni.) Ha a frekvencia függvényében összekötjük az azonos hangosságszintű pontokat, akkor megkapjuk az ún. Fletcher–Munson-görbéket (4.4. ábra). Egy adott frekvenciájú és adott hangnyomásszintű hang hangosságszintjét a görbékre írt phon érték alapján állapíthatjuk meg. Az így megállapított hangosságszint jele LN. Ezen az alapon eltérő frekvenciájú hangokat is össze tudunk hasonlítani a hangosságszintjük alapján.
4.4. ábra. Fletcher–Munson-görbék (ISO 226:2003)
Az egyidejűleg megszólaló hangok eredőjének meghatározására vezették be a hangosságot, amelynek jele N és mértékegysége a son.
Kiszámításának módja, ha a hangosságszint meghaladja a 40 phont:
Frekvenciában közeli hangoknál fellép a hangelfedés jelensége. Ennek lényege, hogy az egyik, a zavarónak tekintett hang megemeli a másik, a vizsgálandó hang hallásküszöbét. A hangelfedést megvizsgálták tiszta szinuszos hangokra, valamint keskeny- és szélessávú zajokra. A 4.5. ábrán különféle hangnyomásszintű, 1000 Hz-es, keskenysávú zajok által megnövelt hallásküszöböket adtunk meg. A hangelfedő hatás a magasabb frekvenciákon erősebben jelentkezik.
4.5. ábra. Hangelfedés
A hangjelenségek térben és időben játszódnak le, ezért igen fontos a térinformációk felismerése is. Ezek közül legjelentősebb a hangforrás iránya. A vízszintes síkban a két fülünkbe jutó hangnyomáseltérés alapján állapítjuk meg a hangforrás irányát. A szemből érkező hanghullámok szimmetriaokokból azonos hangnyomást keltenek mindkét fülünkben. Az oldalirányú hanghullámok útjai eltérőek. Kisfrekvencián az útkülönbség okozta fáziseltérést detektálja a fülünk, magasabb frekvenciákon pedig a fej árnyékoló hatása következtében fellépő intenzitáskülönbséget érzékeljük. A függőleges irányok érzékeléséhez a fej mozgatására is szükség van.
A hangtér előállításának különféle lépései és eszközei vannak. Az eredeti hangtérben történik a hangvétel, amelynek eszköze a mikrofon. Esetenként több mikrofont kell használnunk. A mikrofonok a hangnyomással arányos jeleket állítanak elő, amelyeket a következő lépésben jelfeldolgozásnak vetünk alá. Ilyen feldolgozás pl. az egyes jelek megfelelő arányú összegzése, zengetése, szűrése stb. A feldolgozott jel az átviteli csatornába kerül, ami lehet vezetékes vagy vezeték nélküli összeköttetés. Egyszerűbb esetekben – pl. közvetlen távbeszélő-összeköttetésben – jelfeldolgozásra nincs szükség. A csatornán megérkező jelet a vevő fogadja és alakítja át oly módon, hogy alkalmas legyen a hangszóró vagy a fejhallgató táplálására. Ezek az átalakítók az elektromos jelből hangjelet állítanak elő. A fenti jelátvitel gyakorlatilag azonos időben történik, vagyis az eredeti hangtérhez képest a mesterséges tér csak igen kis késéssel jelenik meg.
A jelátvitel speciális esete az, amikor a feldolgozott jelet valamilyen hangrögzítőn tároljuk. Ekkor a hanghordozó (pl. hanglemez, kazetta stb.) jut el a fogyasztóhoz, aki tetszése szerinti időpontban hallgathatja meg a műsort.
Ha a hangtérből csak egy mikrofonnal vesszük a jelet, vagy több mikrofont használunk ugyan, de ezek jeleit összegezzük, akkor egycsatornás, másnéven monoösszeköttetést, ill. rögzítést valósítunk meg. Természetesen az egy jelből reprodukált hangtérben semmiféle irányfelismerésre nincs lehetőség. A visszahallgatott műsorban megszólaló összes hangforrás egyetlen irányból lesz hallható.
A térérzet kialakításához a hangtérből legalább két, független, jól megválasztott jelet kell venni, és azokat külön csatornákon továbbítani. Ezt az elvet követi az 1960-as években bevezetett és azóta széles körben elterjedt sztereorendszer, amelyet az URH rádiózásra, valamint különféle hangrögzítő megoldásokra is kidolgoztak. A legjobb térérzet akkor alakul ki, ha a műsor lejátszásakor, ill. meghallgatásakor a két hangszóró és a lehallgató személy egy egyenlő oldalú háromszög csúcsait alkotják (4.6. középső ábra).
4.6. ábra. A hangtér előállításának módozatai
Ugyanezen ábrasoron tüntettük fel a legjobb térérzetet keltő négycsatornás, ún. kvadrofonelrendezést is. A legjobb térhatás a négyzet középpontjában jelentkezik. Ezt a rendszert az 1970-es években dolgozták ki, de pénzügyi okok miatt széles körben nem terjedt el.
Egy rendszer frekvenciatartományát azon frekvenciák határolják, ahol 3 dB csökkenés lép fel a középfrekvenciás átvitelhez képest. A jel–zaj-viszony az átvitt hasznos jel és a zaj effektív értékeinek aránya dB-ben. Dinamika a továbbított műsor legerősebb és leghalkabb részleteinek aránya dB-ben. A fentiekből következik, hogy a dinamika a jel–zaj-viszony értékénél nagyobb nem lehet. Harmonikus torzításon a többszörös frekvenciák effektív értékének és az alaphang effektív értékének az arányát értjük %-ban kifejezve. Az átvitt és reprodukált hangtér minőségére vonatkozó igény más, ha csak beszédet továbbítunk, és más, ha zenét kell reprodukálni. A legszerényebb igényeket a beszédátvitel minőségével szemben támasztjuk. Az ún. hifi-minőség alkalmas zenei műsorok megfelelő színvonalú reprodukálására. Ezen minőségi jellemzőket először a német DIN 45 500 szabványban fogalmazták meg. A legmagasabb műszaki színvonalat az ún. stúdióminőség jelenti, amelyet azonban csak a rádió- és tv-stúdiók költséges berendezései, valamint némely digitális készülékek érnek el.
A távbeszélőrendszerekben a cél a beszéd érthető, ugyanakkor gazdaságos átvitele. A 4.3. ábra alapján látható, hogy a beszédjel komponensei néhányszáz Hz-től 4…5 kHz-ig vannak jelen. A vizsgálatok szerint a jó beszédérthetőség már 3000 Hz felső határfrekvencia mellett megvalósítható. A beszélő személyének felismeréséhez ennél valamivel nagyobb frekvenciák is szükségesek, ezért a távbeszélő-technikában a 300 Hz-től 3400 Hz-ig terjedő sávot szabványosították. A kívánatos jel–zaj-viszony is igen szerény, kb. 20…25 dB, a megengedett torzítás pedig 5…10%.
A közép- és rövidhullámú amplitúdómodulált (AM) rádióadásokban már zenei műsorokat is továbbítunk. A továbbított jel paraméterei valamivel jobbak. A frekvenciasáv felső határa 4,5 kHz-ig terjedhet, a jel–zaj-viszony elérheti a 40 dB-t is. Egészen más a helyzet az ultrarövidhullámú frekvenciasávokban, ahol az adóállomások 300 kHz-enként helyezkednek el. Itt a jeltovábbításra a kevésbé zavarérzékeny frekvenciamodulációt (FM) használjuk. A rendszer paraméterei jó minőségű zenei anyag reprodukálását is lehetővé teszik. Az átvitel frekvenciatartománya 50 Hz-től 15 kHz-ig terjed, a jel–zaj-viszony meghaladhatja a 60 dB-t, és a torzítás 1% alatt tartható.
Már az 1960-as években kifejlesztették, és azóta általánosan elterjedt az FM adások sztereováltozata. Két, egymástól független jelet továbbítanak a monóhoz hasonló minőségben. A két jel közötti áthallási csillapítás mintegy 40 dB, amivel jó térhatás valósítható meg. A sztereorendszer hátránya a monóhoz képest a nagyobb zavarérzékenység.
Az 1970-es évek kísérleti kvadrofon adásait is az URH sávokon végezték. A meghallgatások eredményei azt mutatták, hogy a kvadrofon hangtérben a hangforrások lokalizálása minden irányban nagyon jó.
A földi analóg tv-adások kísérő hangjának paraméterei hasonlóak az FM adások jellemzőihez, és sokáig csak egycsatornásak (monó) voltak. A 2000-es évektől az analóg tv-adások Magyarországon is sztereóvá váltak. Ez utóbbihoz többféle, egymással nem kompatibilis műszaki megoldás is született a világban: volt ahol egy második analóg hangcsatornát jelöltek ki (A2 Stereo), és volt ahol digitális hangcsatornát vezettek be (NICAM).
Az 1980-as évek végétől egyre inkább elterjedőben vannak a műholdas tv-adások is. Ezek a műsorok rendszerint több kísérőhanggal együtt kerülnek kisugárzásra. A kísérőhangok kombinációja többféle lehet. Ilyen lehetőség például a monohang, valamint ugyanezen hang két sztereocsatornája külön-külön, vagy a többnyelvű adások önálló csatornái. Ezek mellett e sávban a tv-től független sztereo-rádióadásokat is sugároznak.
Később megjelentek a nagy hanghűségű, műholdas, digitális rádióadások (Digital Satellite Radio). A rendszer különlegessége az, hogy a digitális hanginformáció mellett hasznos kisegítő adatokat is továbbít. A segédkódok alapján a hallgató a különböző műsorfajták (pl. hírek, tánczene stb.) szerint választhatja ki az adókat.
Az említett hangátviteli rendszerek után tekintsük át a hangrögzítési eljárások jellemzőit is. Ezek közül legrégebben ismert a mechanikai hangrögzítés, amely a kezdetektől nagy változásokon ment át, mindaddig, amíg kialakult a jelenlegi változata. Az analóg hanglemezeken rögzített frekvenciasáv 40 Hz-től 16 kHz-ig terjedt, a jel–zaj-viszony elérte az 50…60 dB-t, és a harmonikus torzítás 1% körüli volt. A rögzítés két csatornán történt, amelyek között az áthallási csillapítás 30…40 dB volt.
Az analóg mágneses hangrögzítők igen népes családot alkottak: a csak beszéd rögzítésére alkalmas diktafonoktól kezdve egészen a sokcsatornás stúdióberendezésekig. A jó minőségű, közszükségleti kazettás magnók paraméterei megközelítették a lemezjátszókét. Az átlagos videomagnók kísérő hangja a kis szalagsebesség miatt nem érte el a kazettás készülékek minőségét, felső frekvenciahatáruk kb. 8 kHz volt. A hifi-hangú videomagnók két hangcsatornát voltak képesek rögzíteni a 40 Hz…16 kHz-es sávban, 70 dB jel–zaj-viszony mellett.
A digitális lézerlemezjátszó (CD) 16 bites felbontásával, 44,1 kHz-es mintavételi frekvenciájával a 10 Hz…20 kHz-es sávban, 96 dB jel–zaj-viszony mellett képes két független hangcsatornát reprodukálni 0,005%-ot meg nem haladó harmonikus torzítás mellett. A lézerlemezjátszóval kiváló minőségű sztereohangteret lehet előállítani.
A közszükségleti digitális hangmagnó (R-DAT) 12 és 16 bites felbontással, valamint 32, 44,1 és 48 kHz mintavételi frekvenciákkal dolgozott. 40 kHz feletti mintavételezéssel a CD minőségét érte el.
Összefoglalva az eddigieket, megállapíthatjuk, hogy akusztikai jelek szempontjából a távbeszélő-összeköttetések csak beszédátvitelre alkalmasak. Az AM rádiók és a videomagnók már jobbak voltak, de még mindig nem voltak alkalmasak jó minőségű zenei anyag reprodukálására. Az analóg berendezéseknél hifi-minőségre az URH rádióadások, a tv-kísérőhangok, a hifi-hangú videomagnók, a jó minőségű kazettás magnók és hanglemezek meghallgatásakor lehetett számítani. A stúdióminőséget a professzionális berendezések és a közszükségleti digitális hangrögzítők (CD és R-DAT), valamint a digitális műholdas rádiók (DSR) érték el. A felosztást nem tekinthetjük véglegesnek, hiszen a készülékek rohamos fejlődésével a továbbiakban is számolnunk kell.
| AM | Amplitude Modulation | amplitúdómoduláció |
| CD | Compact Disc | lézerhanglemez |
| DSR | Digital Satellite Radio | digitális műholdas rádió |
| FM | Frequency Modulation | frekvenciamoduláció |
| Hifi | High Fidelity | nagy hanghűség |
| R-DAT | Rotary Head Digital Audio Tape Recorder | forgófejes digitális hangmagnó |
| URH | ultrarövidhullám |