Dźwięk rozprzestrzenia się za pomocą fal dźwiękowych. Fale polegają na przenoszeniu energii mechanicznej, przez drgania cząstek wokół położenia równowagi. Mogą się rozchodzić tylko w ośrodku sprężystym. Nie od razu było to dla człowieka zrozumiałe. Wergiliusz (70 r. p.n.e.) twierdził, że dźwięk to płynący prąd powietrza, a Pierre Gassendi (1592-1655), że to strumień małych niewidocznych drobin. Odkrywcą natury dźwięku jest Izaak Newton (1642-1727), który zauważył, że fala akustyczna to szybkie zmiany ciśnienia i drgania powietrza.

Cząsteczki powietrza znajdują się w ciągłym ruchu i poruszają bezładnie we wszystkich kierunkach. Tyle samo cząsteczek wpada w danej chwili do wybranego elementu przestrzeni, ile go opuszcza. Jeżeli w ośrodku zacznie drgać ciało sprężyste to równowaga zostanie naruszona. Drgania jednej cząstki sprężystej przeniosą się na następne, a te na powierzchnię ciała sprężystego, z którym sąsiadują. Powstaną zagęszczenia i rozgęszczenia środowiska, którym towarzyszą zmiany ciśnienia, a także minimalne zmiany temperatury.

W trakcie rozchodzenia się dźwięku nie następuje przemieszczanie się cząstek, ale drgania kierują oscylacje zgodnie z kierunkiem ruchu fali. Drgania wywołujące fale dźwiękowe mogą odbywać się z częstotliwością od 0Hz – 1GHz (1mln drgań/s). Jako dźwięk człowiek rozpoznaje drgania, których ruch powtarza się przynajmniej 20 razy w ciągu sekundy, lecz nie częściej niż 20 tys. razy w ciągu sekundy.

Fale mogą być poprzeczne i podłużne. Fala poprzeczna powstaje wtedy, gdy kierunek drgań powierzchni sprężystych jest prostopadły do kierunku rozchodzenia się fali. Takie fale rozchodzą się na drgającej strunie. Fala dźwiękowa w gazach i cieczach jest falą podłużną, gdyż kierunek drgań powierzchni sprężystych jest zgodny z kierunkiem rozchodzenia się fali. W ciałach stałych może być zarówno falą podłużną jak i poprzeczną. Falą podłużną i poprzeczną jest zaburzenie rozchodzące się po powierzchni wody, kiedy wrzucimy do niej kamień.

Fale mogą też być kuliste i płaskie. Fala dźwiękowa jest falą kulistą, bo rozchodzi się równomiernie we wszystkich kierunkach. Jednak w dużej odległości od źródła można ją traktować jak falę płaską. Wraz z oddalaniem się od źródła fale słabną, bo opór środowiska, w jakim się rozchodzą powoduje, że na jego przezwyciężanie tracą energię.

Na kierunek rozchodzenia się fal ma też wpływ temperatura i wiatr. Jeżeli występują różnice temperatury poszczególnych warstw środowiska, to powierzchnie falowe fal dźwiękowych się zaginają.

Ze względu na kształt (ang. wave shapes) ich przebiegu czasowego fale mogą być – sinusoidalne, prostokątne, trójkątne, piłokształtne, losowe i szumowe.

Prędkość rozchodzenia się fali dźwiękowej w danym środowisku jest prędkością rozchodzenia się zaburzenia mechanicznego, czyli zależy od prędkości przekazywania kolejnym cząsteczkom substancji, zwiększonej ciśnieniem dźwięku. Prędkość ta w każdym środowisku jest inna. Wolne rozchodzenie się dźwięku oznacza, że środowisko stawia opór, dźwięk traci dużo energii, a więc podlega tłumieniu. Dźwięk nie rozchodzi się w próżni, bo jest to środowisko niesprężyste.

Prędkość rozchodzenia się dźwięku zależy też od temperatury i ciśnienia (dla gazów i cieczy) lub natężeń i gęstości (dla ciał stałych), a więc szybciej rozchodzi się dźwięk wydobyty z mocno naciągniętej struny. Poniżej pewnego naciągnięcia, struna w ogóle przestanie wydawać z siebie dźwięk. Prędkość zmienia się, jeżeli środowisko ma budowę włóknistą (szybciej wzdłuż i wolniej w poprzek włókien drewna), co ma ogromne znaczenie przy budowie instrumentów muzycznych.

Pierwszą próbę pomiaru prędkości rozchodzenia się dźwięku w powietrzu zrobił w 1640 r. Marin Mersenne (448 m/s). W 1656 r. członkowie Akademii Włoskiej wyznaczyli tę prędkość na 361m/s, w 1700 r. Robert Boyle na 351m/s, a w 1738 r. członkowie Akademii Paryskiej na 332m/s. Dokładny pomiar udał się im dopiero w 1822 r. Ustalono, że przy 16ºC jest to 340,88m/s, a przy 0ºC – 331,36m/s. Obecnie wiemy, że przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym i temperaturze powietrza 0ºC prędkość ta wynosi 331,8m/s., czyli na pokonanie 1km dźwięk potrzebuje ok. 3s. Zmiana temperatury powietrza o 10°C, zmienia tę prędkość o ok. 5 m/s.

Ze wzrostem temperatury prędkość dźwięku się powiększa:

• przy temperaturze +40ºC – 360m/s
• przy temperaturze +30ºC – 349,6m/s,
• przy temperaturze +20ºC – 343,8m/s,
• przy temperaturze +15ºC – 340m/s, czyli 1225km/h,
• przy temperaturze 0ºC – 331,8m/s,
• przy temperaturze -40ºC – 306m/s.

Również ciśnienie zmienia prędkość rozchodzenia się dźwięku. Spadek ciśnienia, jaki następuje przy oddalaniu się od Ziemi powoduje, że co 696m ta prędkość jest mniejsza o 10km/h. W odległości 11km od Ziemi prędkość dźwięku wynosi 296m/s, czyli 1066km/h i dalej już nie maleje. W niewielkim stopniu prędkość dźwięku zmienia wilgotność. Nie zmienia jej natężenie danego dźwięku.

Częstotliwością drgań określa się liczbę okresów występujących w ciągu 1s. Dźwięki o małej częstotliwości drgań są niskie, o dużej – wysokie. Człowiek słyszy dźwięki o częstotliwości od ok. 20Hz – 20kHz. Drgania o mniejszej częstotliwości nazywamy infradźwiękami i możemy je odczuwać, jako impulsy, drżenia i wstrząsy (do kategorii infradźwięków należą fale sejsmiczne). Bywają szkodliwe, a wręcz niebezpieczne dla człowieka, gdy ich częstotliwość pokryje się z rezonansem naszych narządów. Drgania o większej częstotliwości nazywamy ultradźwiękami. Stosowane są np. w medycynie – ultrasonograf, rybołówstwie – echosonda, czy nawigacji. Można też mówić o hiperdźwiękach dla częstotliwości powyżej 100MHz.

Długość fali oznacza odległość, jaką fala przebywa w czasie jednego okresu. Fale dłuższe to fale dźwięków niższych, im fala krótsza, tym dźwięk jest wyższy (20Hz – 17m; 20kHz – 1,7cm). Pomiędzy częstotliwością i długością fali dźwiękowej zachodzi stała zależność. Częstotliwość fali się nie zmienia, natomiast długość zależy od prędkości rozchodzenia się dźwięku w danym środowisku:

Długość fali = Prędkość dźwięku w danym środowisku / Częstotliwość fali

Natężenie dźwięku to moc akustyczna przypadająca na 1m² powierzchni (jednostka – Wm^-2). Natężenie dźwięku maleje z kwadratem odległości od źródła. Natężenie jest energią fali, która w jednostce czasu przepływa przez jednostkę powierzchni ustawioną prostopadle do kierunku propagacji.

Wielkościami subiektywnymi dźwięku są:

• wysokość,
• głośność,
• barwa,
• czas trwania.

Można uzupełnić tę listę o inne wymiary dźwięku, które określimy jako sensoryczne, bądź psychologiczne. Nie umiemy ich zdefiniować, a nazywając opieramy się na swoich doświadczeniach. U muzyków wykształca się bardzo wyraźne różnicowanie zjawisk słuchowych i taka klasyfikacja może być pomocna.