Od Fizyki do Muzyki

Fala dźwiękowa

Zapewne dla większości czytelników poniższego artykułu, zagadnienia z dziedziny fizyki mogą się wydać obce, jednak w przypadku omawiania tematu szeroko rozumianej muzyki, nie sposób nie wspomnieć o jednej z jej elementarnych składowych, jaką jest dźwięk. Niezależnie od tego czy mamy do czynienia z muzyką graną "na żywo", odtwarzaną z głośników czy też śpiewem, w każdym z tych przypadków mamy do czynienia z falami dźwiękowymi.

Fala dźwiękowa w rzeczywistości jest zwykłą falą ciśnieniową rozchodząca się w ośrodkach sprężystych (woda, powietrze). Najprostszym przykładem fali ciśnieniowej jest fala uderzeniowa powstająca przy eksplozji ładunku wybuchowego, a którą nasze ucho odbiera jako pojedynczy huk. Czynnikiem który jednak odróżnia dźwięk od "huku" jest częstotliwość. Ludzkie ucho jest w stanie wychwycić dźwięki o częstotliwości od 16Hz do 20'000Hz (czyli od 16 fal ciśnieniowych na sekundę do 20'000), im większa częstotliwość tym wyższy dźwięk. To właśnie ten zakres definiuje fale dźwiękowe spośród fal ciśnieniowych. Fale o częstotliwości niższej od 16 Hz zwane są infradźwiękami, zaś te powyżej 20Khz ultradźwiękami.

Obok częstotliwości istnieje także pojęcie natężenia dźwięku. Natężenie charakteryzuje siłę pojedynczej fali, określając tym samym jej głośność. Niektóre dźwięki, nie mieszczące się w progu słyszalnych częstotliwości, mogą nadal być słyszane w przypadku gdy będą miały odpowiednie natężenie. Taka sytuacja ma miejsce choćby w przypadku fali powstającej przy eksplozji, gdzie częstotliwość jest zdecydowanie mniejsza od słyszalnej a mimo to ludzkie ucho z łatwością ją wychwytuje.

Ostatnią z istotnych wartości opisujących dźwięk jest powszechnie znany decybel. Wielkość ta jest skojarzona z częstotliwością jak i natężeniem dźwięku, zaś w największym skrócie odpowiada za subiektywne odczucie słyszalności dźwięku. W skali decybelowej, fale dźwiękowe o wartości 0dB są dla nas niesłyszalne, zaś te z progu 120dB odczuwane są jako dotkliwy ból ucha a nie dźwięk.

Zjawiska akustyczne

Jednym z najważniejszych i najczęściej spotykanych zjawisk akustycznych w muzyce jest rezonans akustyczny. Mamy z nim do czynienia niemal we wszystkich instrumentach gdzie źródłem dźwięku jest drgająca struna, której dźwięk musi zostać wzmocniony poprzez "pudła rezonansowe". Występuje on także w fletach, organach oraz innych instrumentach w których wysokość dźwięku regulowana jest poprzez długość tuby.

W obu przypadkach zjawisko rezonansu akustycznego polega na wprawieniu pudła rezonansowego lub tuby w stań drgań rezonansowych, które przenosząc się na powietrze wewnątrz pudła/tuby spowodują powstanie nowych fal dźwiękowych. Gdy weźmiemy do ręki gitarę i szarpniemy za jedną z jej strum, możemy wyraźnie wyczuć jak drga pudło rezonansowe, w ten sposób uzyskujemy efekt wzmocnienia głośności. Regulacja wysokości dźwięku w tym przypadku polega na doborze długości tuby, tak aby jej częstotliwość rezonansowa odpowiadała częstotliwości dźwięku, który chcemy uzyskać.

Innymi zjawiskami istotnymi w muzyce są echo, pogłos i dudnienie. W przypadku instrumentów co prawda nie mamy z nimi do czynienia , jednak są one brane pod uwagę przy projektowaniu sal koncertowych.

O echu możemy mówić wówczas gdy powierzchnia odbijająca fale dźwiękowe znajduje się dostatecznie daleko od źródła dźwięku. W wyniku odpowiednio dużego ostępu czasu pomiędzy kolejnymi seriami fal dźwiękowych, doznaje się wrażenia kilkakrotnego słyszenia tego samego dźwięku.

Zjawiskiem pokrewnym jest pogłos. Opiera się ono na tych samych zasadach co echo, z tą różnicą jednak, iż czas odstępu pomiędzy poszczególnymi seriami fal jest znacznie mniejszy. Zjawisko to występuje najczęściej w dużych pomieszczeniach, dając efekt subiektywnego wydłużenia czasu trwania dźwięku, spowodowanego wielokrotnym odbiciem fal dźwiękowych. Dla uniknięcia tego negatywnego dla odbiorcy efektu, ściany boczne oraz tylna sal koncertowych są projektowane w ten sposób aby pochłaniały jak największą ilość fal.

Ostatnim zjawiskiem, spotykanym nieco rzadziej lecz bardzo efektownym, jest dudnienie. Wiąże się ono z interferencją fal dźwiękowych, czyli nakładaniu na siebie dwóch fal rozchodzących się w tym samym kierunku, o zbliżonych częstotliwościach. W wyniku interferencji powstaje nowa fala o częstotliwości będącej średnią arytmetyczną częstotliwości fal nakładających się i o amplitudzie zmiennej okresowo. To właśnie te zmiany amplitudy odpowiedzialne są z specyficzne wrażenie dźwiękowe polegające na słyszeniu danego dźwięku na przemian głośniej i ciszej. Efekt ten możemy łatwo uzyskać, poprzez szarpnięcie sąsiadujące ze sobą strun w gitarze.

Marian Augustyn Herman, Podstawy fizyki dla kandydatów na wyższe uczelnie, Warszawa 1995.