Ahang a hallószervünk által felfogható, rugalmas közegekben – például levegőben – mechanikai hullámként terjedő rezgés. Élettani, lélektani értelemben a hangrezgés által afül és ahallás által érzékelt hangérzet. Hangoknak nevezzük az emberi beszéd, a beszéltnyelvek, illetve azene, a zenei hangrendszerek alapelemeit is.
Fizikai értelemben a hang egyrugalmas közegmechanikai rezgése, amihullámokban tovaterjed. Például a megpendített gitárhúr rezgésbe jön, rezgésbe hozza a levegő részecskéit, ez részecskéről részecskére továbbadódik, „hanghullámként” tovaterjed a levegőben. A fülünkbe jutva a rezgő levegőrészecskék megrezegtetik a dobhártyánkat, amit az agyunk hangként érzékel.
Ha e rezgésfrekvenciája kb. 20 Hz alatti, vagy kb. 20 kHz fölötti, akkor hallásunk nem érzékeli azt, ennek ellenére fizikai sajátosságai alapján ezt is hangnak, első esetbeninfrahangnak, a másodikbanultrahangnak nevezzük. A nagyon nagy frekvenciájú ultrahangokat – hol 100 MHz, hol 1 GHz fölött – hiperhangnak is nevezik.
A gyakorlatban minden hang mögött valamilyen tárgy, anyag részecskéinek rezgése áll: gitárnál a húr, emberi hangnál a hangszálak, dobnál a dob bőre, xilofonnál a falapocskák, trombitánál a trombitás ajka, hangfalnál a hangszóró membránja, kőre csattanó üvegpohárnál a kő és az üvegdarabkák, fűrészelésnél a fűrész és a fűrészelt anyag, amikor bekopogunk egy ajtón, az ujjunk és az ajtó anyaga jön rezgésbe. A rezgésbe jött tárgy hozza rezgésbe a levegő részecskéit, és e rezgés pedig részecskéről részecskére továbbadódva, „hanghullámként” tovaterjed a levegőben. A fülünkbe jutva a rezgő levegőrészecskék megrezegtetik a dobhártyánkat, amit az agyunk hangként érzékel. Az egy pillanatig tartó hangoknál (durranás, csattanás, lövés) egyszeri léglökés jön létre. Például egy kidurranó léggömbnél a belső, nagy nyomású levegő hirtelen kiszabadulva meglöki a körülötte levő levegőt, és ez a lökés terjed a dobhártyánkig.
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 a tehetetlensége miatt fel-le mozog. Ha ennek a mozgásnak az időbeli lefolyását vizsgáljuk, hullámvonal formájú függvényt kapunk, amely megfelel egy sugarú körpályán egyenletes szögsebességgel keringő pont vetülete által leírt mozgásnak. Az kitérés a idő függvényében kezdeti szög esetén ekkor ilyen formájú:
.
Az ilyen típusú rezgéstharmonikus,szinuszos (vagy egyszerű) rezgésnek nevezzük. Az -t ebben az esetbenkörfrekvenciának nevezzük:
.
Az afrekvencia, az időegység alatt végzett rezgések száma, ennek reciprok értéke arezgési idő vagyperiódusidő:
.
A szöget anullafázis szögének, vagyfázisszögnek nevezzük, az értéket, acsúcsértéket pedigamplitúdónak. Az pillanatnyi értékeitkitérésnek, elongációnak hívjuk.
A különböző rezgések össze is adódhatnak, új rezgést hozva létre. Ekkor rezgésekösszetevéséről, szuperpozíciójáról beszélünk, ebben az esetben azeredő rezgés kitérése mindig egyenlő arészrezgések kitéréseinek összegével.
Minden periodikus vagy nemperiodikus rezgés előállítható különböző frekvenciájú, amplitúdójú és fázisú harmonikus rezgések összetevésével. Hangrezgések esetén ezeket az összetevőketrészhangoknak nevezzük. Ezen a szemléleten alapul a hangelemzés, melynek matematikai alapja aFourier-elemzés. Ennek azért is van jelentősége, mert az emberi hallás 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 részhangjainakspektrumaként 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 nevezzükfelhangsornak, az alapfrekvenciát pedigalaphangnak. Ez az alapfrekvencia határozza meg ilyen esetben a hang általunk érzékelthangmagasságát. A dallamhangszerekzenei hangjai, a beszédhangokzöngéi 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 afehérzaj, amikor minden hallható 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 folyamatotátmeneti, tranziens folyamatnak nevezzük. A fülünk ezt kattanásként, csattanásként, durranásként stb. érzékeli. Az ilyen folyamat folytonos spektrummal ábrázolható.
A hang, a rezgés 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 elmozduláshullámszerűen 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 vagy többszöröse), hogy újra az eredetivel azonos rezgésállapot áll elő. Az ilyen, azonos rezgésállapotban lévő pontok egymástól mért távolsága ahullámhossz. A hullámhossz és az frekvencia segítségével meghatározhatjuk a hanghullámterjedési sebességét:
.
Ez a érték ahangsebesség. Ennek nagyságát a közeg anyaga, illetve annak fizikai állapota (nyomása, hőmérséklete stb.) határozza meg.
Fontos megjegyezni, hogy nem a hangforrásnál jelen lévő anyagrészecskék teszik meg az utat a hangforrástól a befogadóig, hanem csak maga a hullám, a részecskék rezgési állapota.
Transzverzális hullámok. Különböző frekvenciájúszinuszhullámok; a lentebbiek magasabb frekvenciájúak
Transzverzális hullám esetén a részecskék rezgési iránya merőleges a hullámterjedés irányára. Ilyen, amikor egy kötél egyik végét megrázva hullámot idézünk elő, ami végig terjed a kötélen. Hétköznapi értelemben „hullámzásra” gondolva ilyen transzverzális hullámot képzelünk magunk elé. Transzverzális hullám csak szilárd halmazállapotú anyagban alakulhat ki. Ugyanis csak szilárd anyagokban elég nagy a részecskék közötti vonzerő ahhoz, hogy a példánkbanfüggőlegesen kilengő részecskéket a kilengés után visszahúzza eredeti helyükre, úgy, hogy közben ez a kimozdulás a szomszéd részecskéreoldalirányban terjedjen tovább. Vízszintes kötél esetén például miközben a kötél egy adott pontja függőlegesen föl-le mozog, az összetartó erő elég erős ahhoz, hogy megrántsa-kilendítse a szomszédját is. Így alakul ki a sajátos, hullámként érzékelt mozgás, melyben a részecskék függőlegesen rezegnek, ám közben a rezgés a vízszintes szomszédokra átadódva, vízszintes irányban, „rezgésirányára merőleges irányban” terjed. (Ez csak a valós anyagmozgást jelentő mechanikai hullámokra érvényes, az elektromágneses hullámokra nem). A molekulákat és a köztük ható összetartóerőt még jobban modellezi, ha kötél helyett gyöngysorként felfűzött biliárdgolyókra gondolunk. Gázokban (levegőben) transzverzális hullámok nem jöhetnek létre, mivel a gázrészecskék közt nincsen összetartó erő, ezért nem tudják a szomszédjukat magukkal húzni, csupán biliárdgolyó módjára lökdösni. A kifeszített húron vagy membránon létrejövő hullámok is transzverzális hullámok. A húr transzverzális rezgése azonban – a levegőben már longitudinális (hang)hullámokat kelt.
Longitudinális hullám esetén a részecskék rezgésének iránya azonos a hullám terjedésének irányával. Ahanghullámok jellemzően longitudinális hullámok. Megértéséhez képzeljük el egy tipikus hanghullám keletkezését: Amikor egy hangfal membránja előre kimozdul, az előtte levő levegő (egymáshoz képest szabadon elmozduló) részecskéi biliárdgolyókhoz hasonlóan lökődnek neki a szomszédos részecskéknek, majd pattannak vissza. A szomszédos részecskék ugyanígy: továbblökődnek, majd maguk is visszapattannak. Ez az anyagban mint átmeneti sűrűsödés-ritkulás terjed tovább. A terjedés iránya megegyezik a részecskék oda-visszapattogásának irányával, tehát „longitudinális”. Longitudinális rezgés gáz, folyadék, szilárd halmazállapotú anyagban is létrejöhet. Gázokban (levegőben) viszont csakis longitudinális hullámok jöhetnek létre, hiszen a gázrészecskék csak lökdösni képesek biliárdgolyó módjára a szomszédjukat, összetartó erő híján magukkal húzni, „rángatni” nem.Longitudinális hullám terjedése (síkban terjedő impulzus). A részecskék oda-vissza rezgésének átadódását, tovaterjedését "sűrűsödések-ritkulások” formájában érzékeljük.Ha a közeg kellően tágas méretű, a hangforrás pedig pontszerű, akkor a keletkező longitudinális hullámokgömbhullámok lesznek, 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, alevegőben terjedő hang, aléghang ilyen jellegű. A longitudinális hullámoknál a közegtérfogati rugalmassága kap szerepet, vagyis az adott anyag részecskéinek elmozdulásával összhangban annak sűrűsödése-ritkulása terjed tovább.
Hajlítási hullámok hosszúkás vagy lapos formájú szilárd testekben keletkeznek, itt az anyagalaki 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. Azidiofon hangszerek, illetve ahúros hangszerektestén keletkeznek ilyen hullámok, az utóbbi esetben ezek segítségével tud például ahúrok rezgése léghang formájában a térben szétterjedni.
Léteznek mégnyúlási éstorziós hullámok is, ezek hangtani szempontból kevésbé fontosak.
Hangnyomás: Hanghullámok által keltett, változó nyomás rugalmas közegben, amely a hangtérben közvetlenül mérhető. Jele a kisp, mértékegysége a Pa (pascal). Ahallásküszöb nyomásértéke 2 kHz-es frekvenciánál 20 µPa. Mérhetjük csúcsértékét, effektív értékét vagy akár számtani középértékét. A hangnyomás hozzáadódik a normális légköri nyomáshoz. Haladó síkhullámban a részecskék kitérése és a hangnyomás között 90°Fáziseltolás van.
Hangrezgési sebesség vagyrészecskesebesség: Az a váltakozó irányú és nagyságú sebesség, amellyel a hangot továbbító közeg részecskéi nyugalmi helyzetük körül rezegnek. Jele a kisv, mértékegysége a m/s (méter per szekundum). Haladó síkhullámban a hanghullám és a részecskesebesség azonos fázisú. A részecskék sebessége és tömege együtt energiát hordoz, a hullámterjedéshangenergia terjedésével jár együtt, melynek iránya egybeesik a hullámterjedés irányával.
Hangteljesítmény: A hangteljesítmény az időegységenkénti hangenergiát jelenti. Jele a nagyP, mértékegysége a W (Watt) (vagy J/sec).
Hangintenzitás: A hangintenzitás az egységnyi felületre jutó hangteljesítmény. Jele a nagyI, mértékegysége a W/m².
Hangnyomásszint: Két hangnyomás érték hányadosának a tízes alapúlogaritmusa. JeleLp, mértékegysége a dB (decibel). Számításának módja: Lp=20*lg(p/p0).
Hangteljesítményszint: Két hangteljesítmény érték hányadosának tízes alapú logaritmusa. JeleLP, mértékegysége a dB.
Hangintenzitásszint: Két hangintenzitás érték hányadosának tízes alapú logaritmusa. JeleLI, mértékegysége a dB.
Ha a rezgésfrekvenciája kb. 20 Hz alatti, vagy kb. 20 kHz fölötti, akkor hallásunk nem érzékeli azt, első esetbeninfrahangról, a másodikbanultrahangról van szó.Afülünk által érzékelt hangoknak a következő tulajdonságai vannak:
Hangosság: Mértéke a hanghullám intenzitásával, amplitúdójával kapcsolatos, de emellett erősen függ a frekvenciától is. Azonoshangnyomás mellett a magasabb hangokat hangosabbnak halljuk, kb. 4000 Hz fölött viszont már egyre gyengébbnek.
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: 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.
Időtartam, időbeli lefolyás: A bennünket körülvevő hangok ritka kivételtől eltekintve (például tengerzúgás) mindig időben behatárolt események, van kezdetük, egy időbeli lefolyásuk és egy befejeződésük. A természet zörejeinek azonosításában, a zene ritmusában, a beszédhangok érzékelésében, értelmezésében ennek döntő szerepe van.
A hang, a hangban lévő információ eredeti fizikai formájából, a mechanikai rezgésből leképezhető más fizikai folyamattá, más jellegű információvá is, majd visszaállítható eredeti formájába. Ennek a leképezésnek a célja a hangátvitele,rögzítése,feldolgozása,felerősítése,tömörítése stb. lehet.
A hagyományostelefonkészülék esetén például a hangrezgéstelektromos feszültségingadozássá alakítjuk, hogy vezetéken nagy távolságra továbbíthassuk. A régihanglemezeken a hangrezgést megfelelő formájú barázdákká, ahangosfilmenoptikai jellé, a hangszalagon amágnesség ingadozásává alakítjuk, hogy tárolhassuk, majd visszaalakítsuk hallható hanggá. Az ilyen leképezéstanalóg leképezésnek nevezzük, mert a hangot jellemző nyomásingadozásnak itt egy más jellegű fizikai mennyiség hasonló ingadozását feleltetjük meg.
A hang leképezhető ezen kívüldigitálisan is, ilyenkor a hangot (általában bináris) számok sorozatává alakítjuk. Ez a gyakorlatban úgy történik, hogy meghatározott időközönként (lehetőleg minél sűrűbben, ideális esetben a mintavételezni kívánt legnagyobb frekvencia kétszeresével) mintát veszünk a rezgésfolyamat állapotából, a kitérés pillanatnyi értékének egy számot feleltetünk meg, és e számok sorozata hordozza a hanginformációt.
