קול

קול במובן צליל היא תופעה פיזית ומתפשטת בחומר, אשר יכולה להיקלט על ידי איבר או מכשיר שמיעה ולהיות מתורגמת לחוויה חושית שמיעתית. המונח קול מתייחס לעיתים באופן ספציפי לקול האנושי, בדיבור ובזמרה, שהוא מקרה פרטי, סוג של צליל.

מאפיינים פיזיקליים

בגלל אופיו המחזורי, הקול הוא סוג של גל, ויכול להתפשט בגז, נוזל, מוצק ופלזמה. לפי הגדרה אחרת, הקול הוא תוצר לוואי של מחזורי של דחיסות ודילול מולקולריים, או גלי אורך שמתפשטים, דרך תווך (החומר בו מתפשט הקול, לדוגמה האוויר, דרכו עובר הקול למשל בשיחה רגילה בין אנשים), הניתן לדחיסה (כל חומר למעט ריק). מייצר הקול נקרא גם מקור הגל. גלי קול ניתנים לתיאור בצורה גרפית, כאשר ציר אחד הוא ציר הזמן או המרחב, והציר השני הוא צפיפות התווך.
גלי קול נוצרים בשל עלייה או ירידה בלחץ בנקודה או באזור מסוימים של חומר, הנקראת הפרעה. עלייה או ירידת לחץ זו נוצרת כאשר מולקולה אחת או יותר של החומר נדחפת/ות לכיוון מסוים ולכן מתקרבת ו"נלחצת" אל המולקולות הסמוכות באותו כיוון (מה שיוצר אזור דחוס או לחוץ יותר), ובאותו זמן מתרחקת או נמשכת מהמולקולות שבכיוון המנוגד (מה שיוצר אזור פחות לחוץ/דחוס או דליל יותר). בגלל שכל מולקולה קשורה בכוחות משיכה למולקולות שסביבה, נוצר "אפקט דומינו": כל מולקולה שנדחפת, נדחפת אל ודוחפת את המולקולות הבאות באותו כיוון, הן דוחפות את הבאות אחריהן וכך הלאה. מהצד השני, כל מולקולה שנמשכת, מושכת אחריה את המולקולות שמהן היא נמשכה, הן מושכות את הבאות לפניהן וכן הלאה. כך הפרעה בנקודה אחת מתפשטת בהכרח בחומר לכל הכיוונים כשהיא מועברת בין מולקולות סמוכות. כשהלחץ בנקודה מסוימת עובר הלאה, הוא מותיר מיד אחריו תת-לחץ באותה נקודה, ולהפך. כך ההפרעה הופכת מנקודה לכדור מתפשט של לחץ גבוה ונמוך לסירוגין, הגורם לתווך לרעוד או לרטוט.
ההפרעה נוצרת על ידי מתן אנרגיה קינטית למולקולה אחת או יותר של התווך. אנרגיה זו יכולה להימסר על ידי אנרגיה קינטית אחרת (כלומר על ידי פגיעה של חומר אחד בחומר אחר), או על ידי אנרגיה אחרת. כאשר שני תווכים שונים או יותר (למשל מיתר מתכת, האוויר שסביבו, עור התוף של אוזן) נמצאים בסמוך זה לזה, גל הקול עובר מהאחד אל השני וממשיך להתפשט בו. אפשר לומר שהתווך הראשון יצר הפרעה בתווך השני, התווך השני יצר הפרעה בשלישי וכן הלאה. כך קורה שתווך מסוים מתווך את גל הקול בין התווך הקודם (שהפריע לו) לתווך הבא (שלו הוא מפריע). התופעה שבה שניים או יותר חומרים שאינם נוגעים זה בזה (למשל שני מיתרים בפסנתר, או מיתרי קול אנושיים וכוס זכוכית) מתווכים על ידי חומר שלישי שנמצא ביניהם (למשל אוויר), ולכן רועדים יחדיו עקב אותה ההפרעה, נקראת "הדהוד סימפתטי".
הקול הוא תופעה גלית, וככזה, מתאפיין בתדירות ,במהירות ובמשרעת (אמפליטודה). המשרעת היא העוצמה של לחץ גל הקול המשתנה בתוך הגל, או או המרחק בין שיא הלחץ לשיא תת-הלחץ. עוצמת הקול נמדדת בדציבלים (שהוא יחס לוגריתמי, ובמילים אחרות, אינו יחס ישיר).
מהירות הקול - מהירות הקול תלויה בגורמים רבים, ביניהם סוג, טמפרטורה ולחץ התווך. למשל, גלי קול עוברים דרך האוויר במהירות שונה מאשר דרך מים. באוויר, ביום יבש בו הטמפ' היא 20 מעלות, מהירות הקול היא 343 מטרים לשנייה, או כ-1250 קמ"ש.
מהירות הקול איטית מאוד יחסית למהירות האור. הבדל זה מסביר לדוגמה את פער הזמנים בין ראיית הברק לבין שמיעת הרעם, למרות שהם נוצרים באותו רגע.
תדירות גל הקול היא מספר הרעידות, כלומר מספר הפעמים שהתווך מגיע לשיא הלחץ או לשיא תת-הלחץ בפרק זמן נתון. התדירות נמדדת בהרץ (מספר רעידות בשנייה). האוזן האנושית מסוגלת להבחין בגלי קול שתדירותם היא בטווח שבין 20 לכ-20,000 הרץ. בעלי חיים שונים מסוגלים להבחין בטווחים שונים של תדירות קול.

קול כחוויה פסיכו-אקוסטית

החוויה הפסיכו-אקוסטית של הקול, הוא האופן בו הצליל נתפש על ידי בני-אדם או בעלי-חיים. נהוג לאפיין את החוויה שנוצרת כתוצאה מגרוי של גלי קול מחזוריים או מחזוריים-למחצה באמצעות גובה, עוצמה, גוון ומשך.
באופן כללי, הקשר בין החוויה  הפסיכו־אקוסטית של הצליל,  לבין המאפיינים הפיזיקליים של גל הקול הוא מורכב למדי. עם זאת, יש התאמה ברורה בין מספר מאפיינים בסיסיים של הצליל לתכונות פיזיקליות של הגל, כמתואר להלן. בהמשך יהיה נוח לדמיין את הגל כפונקציה המתארת את לחץ האוויר בכל נקודה בזמן ובמרחב.

עוצמת הצליל

על אף שהתחושה הנשמעת של עוצמת הצליל מושפעת מגורמים רבים, יש התאמה ברורה בינה לבין המשרעת של גל הקול. אם ניקח גל קול, ונבנה ממנו גל שני על ידי כך שבכל נקודה בזמן ובמרחב נכפיל את לחץ האוויר לפי איזשהו יחס קבוע (ליתר דיוק, נכפיל את ההפרש ביחס ללחץ הממוצע, שהוא בערך אטמוספירה אחת), נקבל שני גלים הנבדלים רק בעוצמתם.
במובן הפיזיקלי המדויק, נהוג למדוד עוצמה של קולות (לאו דווקא צלילים) ביחידות של דציבל. לרוב משתמשים בדציבלים כמדד של עוצמה יחסית (כאשר משווים עוצמות של שני צלילים, למשל), אם כי ניתן להשתמש בהם גם כדי לתאר עוצמה מוחלטת (ביחס לתקן שנקבע) ואז אפשר לחשב את המשרעת של גל הלחץ על סמך העוצמה בדציבלים.
במוזיקה קלאסית נהוג לתאר את תחושת העוצמה, או הדינמיקה, הרצויה באמצעות מילים (שמקורן באיטלקית): פיאניסימו, פיאנו, פורטה, פורטיסימו, ועוד. נראה, כי החוויה הרגשית של היצירה מושפעת לא-פחות, ואולי אף יותר, משינויים בעוצמת הצליל. ועל כן גם להם סימנים ומונחים מיוחדים כגון קרשנדו ודימינואנדו. ישנן מספר יצירות של מוזיקה אלקטרונית בהן העוצמה מוגדרת באופן מדויק, בדציבלים.

תפיסה מוזיקלית של גובה הצליל

תחום התדירויות שהאוזן האנושית יכולה לקלוט היא בין 20 הרץ ל-20 קילוהרץ לערך, אם היא של תינוק. עם ההתבגרות טווח זה יורד עד ל-16 קילוהרץ. ישנם בעלי חיים, כמו כלבים ודולפינים, שיכולים לשמוע אף מעבר לתחום זה. כך למשל, לווייתנים ודולפינים, משמיעים קולות ומאזינים להדים המוחזרים אליהם כדי להתמצא במרחב ולאתר טורפים ומזון, בדומה לסונאר אקטיבי.
רוב בני האדם יכולים לזהות מרווחים צליליים של 3 סנטים (כלומר, שלוש מאיות של "חצי טון"), כאשר המשך והעוצמה של הצלילים אופטימליים והם נמצאים בתחום הרגישות המקסימלית (בסביבות התדר של 3000 הרץ). ככל שאורך הצליל קצר יותר ועוצמתו נמוכה יותר, כך דרושים מרווחים גדולים יותר על מנת לזהות הפרשי גובה בין שני צלילים. לכן הפרש של 5 סנטים נחשב לחסר משמעות מבחינת התפיסה האנושית.
באמצעות אימון, ניתן לחדד את תפישת הגובה של הצליל וכך לזהות בדיוק רב מרווחים, כלומר יחסי תדירויות בין צלילים המושמעים באותו זמן או בזמנים סמוכים. שמיעה כזו מכונה שמיעה רלטיווית. מאידך, אצל רוב האנשים במדינות המערב היכולת לזהות במדויק גובה של צליל, קרויה שמיעה אבסולוטית ושכיחותה קטנה בהרבה.

גון הצליל

הגובה והעוצמה של הצליל אינם מספיקים כדי לתאר אותו באופן מלא. לראיה, ניתן להבחין בין צלילים המנוגנים על ידי שני כלים שונים, כגון פסנתר וחליל, גם כאשר הם מנגנים באותה עוצמה ובאותו גובה. הדיבור מהווה דוגמה עוד יותר מובהקת לכך, שכן אנו יכולים להבדיל בין שלל הברות, גם כאשר מקפידים להגות אותן באותו הגובה ובאותה העוצמה. ההפך נכון גם - אנחנו יכולים לזהות כאותה הברה צלילים שונים, גם כאשר הם נהגים בעוצמה ובגובה שונים.
מכאן שלצליל יש  מרכיבים נוספים, מלבד העוצמה והגובה שלו. ניתן להגדיר את הגוון (באנגלית: Timbre) של הצליל כאוסף המאפיינים של החויה הפסיכו-אקוסטית של הצליל שאינם קשורים בעוצמה או בגובה שלו.

מההבט הפיזיקלי קל לראות, שניתן לצייר פונקציות רבות ומגוונות שלהן אותה תדירות ואותה משרעת, כמתואר בתרשים. 
 ואומנם הצלילים המתאימים לפונקציות אלה ישמעו לנו שונים, אף על פי שנחוש שהם דומים מבחינת העוצמה והגובה. יתר-על-כן, אם נתונה לנו פונקציה כלשהי המתארת את הלחץ באוזננו כפונקציה של הזמן, ניתן לנפח או לכווץ אותה בציר הזמן ובציר הלחץ וכך לשנות את התדירות והמשרעת שלה כרצוננו. מתברר שהצלילים המתוארים על ידי פונקציות אלה ישמעו לאוזננו כבעלי גוון דומה מאוד.
הגוון מתאים, אם כן, ל"צורה" של הפונקציה המתארת את הצליל. כלומר לאותם היבטים של הפונקציה שאינם משתנים כאשר מנפחים או מכווצים אותה לאורך הצירים. כפי שהערנו, התכונות הפיזיקליות של משרעת ותדירות אינן חופפות למרכיבים הפסיכו-אקוסטיים המתוארים על ידי עוצמה וגובה. כך גם הצורה של הפונקציה אינה מתאימה בדיוק לתפיסת הגוון. זו מושפעת גם מהגובה ומהעוצמה של הצליל, וכן מהאופן בו הצורה של הפונקציה משתנה עם הזמן. למעשה, כפי שהערנו, מגוון גדול של צלילים כלל אינם מחזוריים (נקישות תוף, עיצורים פוצצים), או שהם "מחזוריים-למחצה" (התנועות בדיבור), ואז הצורה של המחזור אינה מוגדרת כלל.
השערות בחלקים שונים של שבלול האוזן מגיבות לתדרים שונים. כך שגל הקול הפוגע בעור התוף מפורק כבר ברמה המכנית למרכיבי תדר שונים, לפני שהוא מתורגם לגירויים עצביים. פירוק זה עוזר לנו לשמוע צלילים בו-זמניים. למשל, אם שני כלים מנגנים בו-זמנית בגבהים שונים, לא יהיה לנו קשה להפנות את הקשב מאחד לשני.
העובדה שפירוק כזה מתרחש באוזן מרמזת, שעל מנת להבין את מושג הגוון יותר בדיוק עלינו להסתכל לא על הפונקציה המתארת את הצליל אלא על צורתה המותמרת. הצליל שרוב כלי הנגינה מפיקים, גם כאשר הם מנגנים תו בודד, מתפרק למספר גלי סינוס, או למספר תדרים. אם הפונקציה מחזורית, התדירות הנמוכה ביותר, המכונה תדירות הבסיס, מתאימה למחזור של הפונקציה. תדירות הבסיס היא הקובעת את תחושת הגובה של הצליל. שאר התדירויות תהיינה (במקרה של צליל מחזורי) כפולות שלמות של תדירות הבסיס. הצלילים המתאימים למרכיבי התדר  האלה מכונים צלילים עיליים של הכלי. המופע של הצלילים העיליים אינו מורגש. הגוון של הצליל נקבע, אם-כן, רק לפי העוצמה היחסית של הצלילים העיליים המרכיבים אותו. במילים אחרות, הגוון מתאים, פחות-או-יותר, לצורה של הערך המוחלט של הפונקציה המותמרת.

קול כאמצעי תקשורת

בעלי חיים רבים מתקשרים באמצעות קול. האיבר האחראי לקליטת גלי הקול והמרתם לאותות חשמליים אותם יכול לפרש המוח הוא האוזן. האוזן כוללת מנגנונים המגבירים את תנודות האוויר וממירים אותן לאותות חשמליים, אותן מפרש המוח כקול.
קיים טווח תדירויות שבני אדם מסוגלים לשמוע אשר אצל רוב בני האדם נע  בין 20 הרץ ל-20 קילוהרץ, אך תחום התדירויות שבו רגישותה של אוזן האדם מקסימלית הוא רק עד 4,000 הרץ (זהו בערך תחום התדרים שמועבר בטלפון). אולטרה סאונד (בעברית: על קול) הוא קול בתדירות הגבוהה מהתדירות הגבוהה ביותר שאדם יכול לשמוע (בדרך-כלל מעל 20 קילוהרץ). כמה בעלי חיים, כגון כלבים, דולפינים ועטלפים, יכולים לשמוע תדירויות גבוהות יותר מהאדם, ולפיכך הם יכולים לשמוע אולטרה סאונד (בתדירויות מסוימות).
בעלי חיים יוצרים קולות שונים על-מנת להתקשר ביניהם או להשמיע אזהרה לבעלי חיים אחרים. יש מקרים שבהם הצליל של בעלי החיים הוא מחוץ לתחום השמיעה של בני האדם. פילים לדוגמה מתקשרים בתחום התדר הנמוך מתחת ל-20 הרץ.
מכלול הקולות שבהם בני אדם משתמשים לתקשורת נקרא דיבור, ומערכת של מסרים ואותות שונים שיש להם משמעות נקראת שפה.

תלות מהירות הקול באוויר בטמפרטורה

הגורם המשפיע ביותר על מהירות הקול באוויר הוא הטמפרטורה.

היחס בין טמפרטורת האוויר למהירות הקול נתון במשוואה: 
 - מהירות הקול במטרים לשנייה.
 - טמפרטורת האוויר במעלות צלזיוס.