Dźwięk i jego cechy

1. Powstawanie dźwięku

Gdy zaśpiewamy, uderzymy w klawisz fortepianu, dmuchniemy w piszczałkę,

pociągniemy smyczkiem po strunie skrzypiec itp., usłyszymy dźwięk. Muzyka
składa się właśnie z dźwięków. Lecz odpowiedź na pytanie, co to jest dźwięk
i jak on powstaje — nie jest łatwa.

J a k powstaje dźwięk? Do powstania dźwięku potrzebne jest źródło dźwięku.

Źródłem dźwięku może być ciało sprężyste, to znaczy takie, które może pod­
legać drganiom. Tego rodzaju ciałem jest pręt metalowy, płytka metalowa
lub drewniana, napięta struna metalowa, z jelit zwierzęcych, z jedwabiu, włosia,
nylonu, przędzy, trawy, słup powietrza zawarty w rurze itp.

Dźwięk na instrumentach strunowych może powstać przez uderzenie struny

młoteczkiem, wprawionym w ruch przez grającego (fortepian), przez szarp­
nięcie struny palcem (harfa) lub przez specjalny mechanizm (klawesyn) albo

też przez pocieranie struny smyczkiem (instrumenty smyczkowe).

Na instrumentach perkusyjnych dźwięk powstaje przez uderzenie, np.

przez uderzenie pałką płytki drewnianej (ksylofon) itp.

Przez zadęcie w drewnianą lub metalową rurę powstaje dźwięk w instru­

mentach dętych (trąbka, flet).

Dokładniej sprawą wydobywania dźwięku na poszczególnych instrumentach

muzycznych zajmuje się instrumentoznawstwo, czyli nauka o instrumentach
muzycznych.

Żebyśmy jednak mogli usłyszeć dźwięk, potrzebne są pewne warunki.

Pierwszy warunek to istnienie przewodnika dźwięku. Przewodnikiem dźwięku

mogą być ciała lotne (gazy), płynne (ciecze) lub stałe (metale, drzewo, szkło
itp.)

1

, które na zasadzie ruchu falowego przenoszą dźwięk od jego źródła do

ucha słuchającego. Jeśli nie ma przewodnika dźwięku, dźwięku nie usłyszymy.
Łatwo się o tym przekonać wkładając nastawiony na dzwonienie budzik pod
szklany klosz, z którego wypompujemy powietrze. Z chwilą gdy dzwonek
będzie dzwonił, zobaczymy uderzenia młoteczka w dzwonek, lecz dźwięku nie

1

Z ciał stałych najlepiej przewodzą dźwięk te ciała, które są zarazem twarde, sprę­

żyste, np. metale; tłumią głos ciała miękkie, sypkie, plastyczne, np. tkaniny, w a t a , piasek,
guma.

10

DŹWIĘK I JEGO CECHY

usłyszymy. Gdy przy t y m samym doświadczeniu pozostawimy powietrze pod
kloszem, dźwięk dzwonka usłyszymy bez trudności.

Ciało wprawione w ruch drga w następujący sposób: stan spoczynku drga­

jącego ciała, którym może być np. struna monochordu, fortepianu, oznaczmy

linią prostą A — B (rys. 1). A i B będą to punkty zaczepienia struny.

Gdy ciało wprawimy w ruch drgający, nastąpi jego wychylenie; np. punkt

x wychyli się w kierunku X

1

, po czym nastąpi jego powrót do stanu równowagi,

a następnie wychyli się w kierunku

x

2

i znowu powróci do stanu pierwotnego,

po czym wychylenia powtarzają się od początku. W ten sposób każdy punkt
drgającego ciała wychyla się w jednakowych odstępach czasu kolejno w prze­
ciwnych kierunkach

Jeżeli ruch drgający jednego z punktów ciała, np. punkt

x (rys. 1), przedsta­

wimy w postaci wykresu w ten sposób, że na prostej poziomej oznaczymy
czas potrzebny do wychylenia się punktu w obie strony i do powrotu do punktu
wyjściowego, otrzymamy linię krzywą, tzw. sinusoidę. Każdy punkt tej sinu-
soidy określa chwilowe położenie drgającego punktu.

Największe wychylenie drgającego punktu, oznaczone na rys. 1 i 2 jako a,

nazywamy amplitudą drgania; wychylenie ciała w jednym kierunku jest po­
łową pełnego drgania, dopiero zaś wychylenie w obu kierunkach tworzy jedno
pełne drganie. Czas potrzebny do wykonania przez drgający punkt pełnego
drgania nazywamy okresem.

Drgania ciała przedstawione na rys. 1 udzielają się powietrzu i wytwarzają

w nim fale, polegające na rytmicznym zagęszczaniu i rozrzedzaniu cząstek
powietrza. Fale te dochodzą do błony bębenkowej ucha, która pobudzona do
takich samych drgań, jakie miało źródło dźwięku, przekazuje je za pomocą

systemu kosteczek i innych urządzeń aparatu słuchowego ucha do ośrodka
słuchowego w mózgu.

Szybkość rozchodzenia się dźwięku w powietrzu w temperaturze 0° C wy­

nosi około 330 metrów na sekundę. W sali koncertowej, gdzie temperatura
jest wyższa (18° C), szybkość ta wzrasta do ok. 340 m/sek.

Fale głosowe w spokojnym powietrzu i w wolnej przestrzeni rozchodzą się

jednakowo we wszystkich kierunkach jednostajnie: tworzą więc warstwy
kuliste.

1

2

SZEREG ALIKWOTOW DŹWIĘKU 11

3

ł> c d

Nic jednak nie stoi na przeszkodzie, by struna wytrącona z równowagi

nie drgała jednocześnie i w inny sposób. Mianowicie może ona drgać dzieląc
się na dwie części (rys. 3b), trzy części (rys. 3c), cztery części (rys. 3d) itd.

(przykł. 3a, 3b, 3c, 3d). Każde z tych drgań wykonywane jest przez strunę jedno­

cześnie i niezależnie, ale każde posiada inną częstotliwość. Ponieważ często­
tliwość drgań struny jest odwrotnie proporcjonalna do długości fali, jaka się
na niej tworzy, łatwo się przekonać, że opisane drgania będą wykonywane
z częstotliwościami coraz to większymi, w stosunku 1:2:3:4 itd. Taki szereg
częstotliwości nosi nazwę szeregu harmonicznego. Na przykład jeśli jest to
struna wydająca dźwięk a

1

, to jej najniższa częstotliwość drgań (odpowiadająca

rys. 3a) wynosi 440 drgań na sekundę. Następna z kolei częstotliwość będzie
wynosić 440.2 = 880, trzecia — 4 4 0 . 3 = 1320, czwarta — 440.4 = 1760 itd.

Te drgania składowe określają częstotliwości tonów, z których składa się

dźwięk struny.

Tony składowe o częstotliwościach tak uporządkowanych noszą nazwę

alikwotów, z wyjątkiem pierwszego, który zwany jest tonem podstawowym,
a jego częstotliwość określa wysokość dźwięku. Między kolejnymi alikwotami
istnieją różne interwały, wynikające ze stosunku częstotliwości ich drgań, jak
oktawa 2:1, kwinta 3:2, kwarta 4:3 itd.

2. Szereg alikwotów dźwięku

Na rys. 2 zapoznaliśmy się z najprostszym przykładem drgań, które w prak­

tyce występują bardzo rzadko. Drgania takie charakteryzuje najprostsze

zjawisko dźwiękowe, zwane tonem; możemy go usłyszeć jedynie w wyjątko­

wych wypadkach: przez sztuczne wyprodukowanie z generatora elektrycznego.
W praktyce prawie czystym tonem jest również dźwięk widełek strojowych
w końcowym okresie wybrzmiewania. Najczęściej mamy do czynienia w przy­
rodzie z drganiami złożonymi, które powstają, gdy ciało wykonuje równo­
cześnie kilka ruchów drgających. Bardzo typowym przykładem jest rozpatrze­
nie drgania struny.

Struna jest przymocowana w dwóch punktach; najprostszym sposobem

drgania jest dla niej drganie pełną długością (rys. 3a).

12

DŹWIĘK I JEGO CECHY

Ten fakt możemy stwierdzić za pomocą prostego doświadczenia. W doświad­

czeniu t y m użyjemy strun fortepianowych do wykrycia, jakie tony składowe
zawarte są w niskim dźwięku fortepianu. Uderzamy np. dźwięk C, podnosząc
uprzednio tłumik przez bezgłośne naciśnięcie klawisza dźwięku c. Okazuje się,
że po zamilknięciu dźwięku C struna G dźwięczy; została ona pobudzona do
drgań na zasadzie rezonansu. Mogło to nastąpić jedynie, gdy w dźwięku C
zawarty był ton c. Podobne doświadczenie z naciśnięciem d nie da wyniku,
gdyż w dźwięku C nie ma takiego tonu składowego. W ten sposób przeprowa­
dzamy doświadczenie, dalej wykrywając w dźwięku C tony o częstotliwościach

odpowiadających g, c

1

, e

1

, g

1

, b

1

, c

2

W przykładzie 4 m a m y szereg alikwotów dźwięku C.

Alikwoty 7, 13 i 14 są trochę niższe od naszego b

1

, a

2

i b

2

, alikwot 11

zaś jest trochę wyższy od naszego f

2

.

Dźwięk składający się z tonów złożonych w szereg harmoniczny posiada

łatwą do określenia wysokość. Muzyka posługuje się na ogół takimi dźwiękami.

Istnieje jednak w przyrodzie wiele zjawisk akustycznych, przy których trudno

nam mówić o określonej wysokości dźwięku.

1

Są to wszelkiego rodzaju szumy,

stuki, trzaski, zgrzyty itp. W akustyce muzycznej przyjęto zjawiska takie

określać nazwą szmerów. Szmery również składają się z tonów prostych, które
jednak nie są uporządkowane w szereg harmoniczny.

3. Cechy dźwięku

a) W y s o k o ś ć dźwięku. Ciała drgające wykonują więcej lub mniej

drgań na sekundę, zależnie od rodzaju materiału i od wymiarów fizycznych.
Struna lub płytka krótka i cienka (struny w skrzypcach, górne struny forte­
pianu, dzwonki itp.) wykonuje tysiące drgań na sekundę i wydaje dźwięk wy­
soki; natomiast struna lub płyta gruba i długa (struny kontrabasu, basowe
struny fortepianu itp.) wykazuje kilkadziesiąt drgań na sekundę, wydając
dźwięk niski. A więc wysokość dźwięku zależna jest od ilości drgań na sekundę:
im większa częstotliwość drgań, t y m wyższy dźwięk, i przeciwnie — im mniej­
sza częstotliwość drgań, t y m dźwięk jest niższy. Dla przykładu podajemy
ilość drgań na sekundę wszystkich dźwięków a na fortepianie, strojonych według
obowiązującego obecnie stroju (a

1

= 440 drgań na sekundę):

A A A a a

1

a? a

3

a*

2 ^ 5 55 110 2 2 0 440 8 8 0 1760 3520

1

F i z y c y na ogół nazwą „dźwięk" określają wszelkie zjawiska akustyczne, włączając

w to i szmery.

CECHY DŹWIĘKU

13

Na przykładzie powyższym widzimy, iż sąsiadujące ze sobą dźwięki po­

siadają częstotliwość pozostającą w stosunku 1:2. Taki stosunek częstotliwości

drgań odpowiada różnicy wysokości, którą nazywamy oktawą. Różnicę wy­
sokości dwóch dźwięków określamy ogólnie nazwą interwału. Określony in­
terwał odpowiada zawsze określonemu stosunkowi częstotliwości, np.

2:1 oktawa

3:2 kwinta itd.

Do niedawna obowiązywał tzw. strój paryski, w którym dźwięk a

1

posiadał

nieco niższą częstotliwość drgań, a mianowicie a

1

= 435 drgań na sekundę.

Na mocy międzynarodowego porozumienia w roku 1939 przyjęto powszechnie

jako ogólnie obowiązujący strój a

1

= 440 drgań na sekundę.

Kamertonem, czyli widełkami strojowymi

l

, nazywamy stalowy pręt dwu-

ramienny (rys. 5), osadzony na trzonku.

Po uderzeniu kamerton wydaje dźwięk. Ustalenie wysokości

5

kamertonu, a więc dźwięku, według którego strojono dawniej instru­
menty do gry zespołowej, miało niezmiernie doniosłe znaczenie, gdyż
przedtem dźwięk a

1

zależnie od kraju, a nawet miasta, posiadał

różną częstotliwość drgań, wahającą się w granicach 390do 490drgań
na sekundę, co tworzyło różnicę równą interwałowi tercji wielkiej.

W muzyce używa się dźwięków od C = 16 drgań na sekundę

(osiągalne tylko w wielkich organach) do c

5

= 4186 drgań na sekun­

dę, chociaż ucho ludzkie zdolne jest odróżniać dźwięki o częstotli­
wości ok. 20 000 drgań na sekundę.

b) G ł o ś n o ś ć dźwięku zależy od amplitudy drgania. Na głoś­

ność dźwięku wpływa również w znacznym stopniu wielkość po- 's. )
wierzchni drgającego ciała, np. drgania struny skrzypiec słyszalne

byłyby o wiele słabiej, gdyby do jej drgań nie dołączały się drga­
nia pudła rezonansowego. \ \

c) G z a s t r w a n i a dźwięku zależy od czasu, w jakim drga M

ciało; z chwilą gdy ciało przestaje drgać, gdy drgania zanikają, J
zanika również i dźwięk. Czas trwania dźwięku przedłuża się pozor­
nie, gdy dźwięk zostanie zagrany w dużym pomieszczeniu o ścianach odbijają­
cych falę dźwiękową, np. w kościele. Fala dźwiękowa odbija się wówczas
wielokrotnie od ścian, tworząc zjawisko tzw. pogłosu.

d) Porównując dwa dźwięki wydobyte z różnych instrumentów, np. ze

skrzypiec i klarnetu, stwierdzamy, że nawet jeśli mają tę samą wysokość i gło­
śność, różnią się między sobą wyraźnie. Cecha, która je różni, to właśnie b a r w a
dźwięku. Barwa dźwięku zależy od ilości i natężenia zawartych w niej tonów
składowych.

1

Ogólnie przyjęła się nielogiczna nazwa „stroikowe", jako wynik błędnego tłumacze­

nia terminu niemieckiego Kammerton.

14

DŹWIĘK I JEGO CEGHY

Poznaliśmy więc następujące cechy dźwięku: a) wysokość, b) głośność,

c) czas trwania, d) barwę.

Naukę zajmującą się fizycznymi prawami dźwięku nazywamy akustyką.

Z a d a n i a :

1. Co to jest ton?

2. Objaśnić sposób drgania struny.
3. Objaśnić praktyczny sposób w y k r y w a n i a szeregu alikwotów w dźwięku fortepianu.
4. Co n a z y w a m y szmerem.
5. W y m i e n i ć cechy dźwięku i w y t ł u m a c z y ć , od czego zależą.
6. Postarać się znaleźć związek między cechami dźwięku a budową znanych instru­

m e n t ó w m u z y c z n y c h (piccolo, flet, obój, klarnet, fagot, trąbka, róg, puzon, t u b a ,
skrzypce, altówka, wiolonczela, kontrabas, bębenek, bęben, kotły).

7. W y m i e n i ć z pamięci szereg tonów harmonicznych (od 1 do 16) od dźwięku C.

Zagrać je z pamięci na fortepianie.

8. Objaśnić rys. 6, przedstawiający drgania złożone.

6

a b