Dźwięk
Z
fizycznego punktu widzenia dźwięk to
zaburzenie stanu mechanicznego ośrodka,
które rozchodzi się w tym ośrodku
(w postaci fali) i zdolne jest wywołać
wrażenie słuchowe (tzn. drgania o
częstości zawartej w przedziale od
16 Hz do ok. 20 kHz). Dźwięki o wyższej
częstości nazywa się ultradźwiękami
o niższej infradźwiękami. Z
dźwiękiem człowiek miał do czynienia
od zarania swego istnienia, bowiem
słuch jest jednym z podstawowych zmysłów
człowieka (a także licznych gatunków
zwierząt,np. pies reaguje na
ultradźwięki,dla człowieka już niesłyszalne).
Już w epoce paleolitu człowiek rozumiał,
że źródłami dźwięków mogą być specjalnie
do tego pobudzone różne ciała. Z tego
bowiem okresu pochodzą pierwsze narzędzia
dźwiękowe, których używano do wszczynania
alarmu w niebezpieczeństwie lub do
odstraszania zwierząt. W okresie przedantycznym
znane były już proste bębny, rogi,
różne świstawki oraz prawdopodobnie
bardzo proste instrumenty strunowe
szarpane, wywodzące się od łuku. W
tym też okresie, został wynaleziony
pierwszy instrument muzyczny wydający
szereg dźwięków o z góry określonej
wysokości (zestaw płytek drewnianych,
będący prototypem późniejszego ksylofonu).
W starożytności znano już bardzo wiele
instrumentów muzycznych pozwalających
wytwarzać dźwięki o ądanej wysokości.
Były to instrumenty strunowe szarpane
(np. lira, harfa), instrumenty perkusyjne
(bębny, talerze) i wreszcie instrumenty
dęte (najpopularniejszy w starożytnej
Grecji instrument tego rodzaju to
aulos, będący hałaśliwą piszczałką
z podwójnym stroikiem i kilkoma lub
kilkunastoma otworami bocznymi). Wszystkie
fakty tego rodzaju wskazują, że już
w starożytnej Grecji bardzo zaawansowana
była empiryczna wiedza na temat własności
i tajników budowy i strojenia źródeł
dźwięku, jak również wiedza dotycząca
podstawowych elementów teorii harmonii
muzycznej. Przypuszcza się, że Terpander
(VII w, p.n.e.) znał prawa drgania
strun. Dokumenty wskazują, że Pitagoras
wprowadził muzyczną skalę diatoniczną
i wiedział (być może ze źródeł egipskich),
iż długości struny nastrojonej na
interwały harmoniczne (oktawę, kwintę
itp.) mają się do siebie jak 1 : 2
: 3 itd. Jak dalece zaawansowana była
znajomość własności muzycznych różnych
instrumentów, świadczyć może fakt,
że już w II w. p.n.e. Ktesibiogi z
Aleksandrii zbudował organy wodne.
Może więc zadziwić fakt, że dopiero
Arystotele| zastanawiał się nad fizyczną
naturą dźwięku. Zuważywszy, że dźwięczące
przedmioty drgają, Arystoteles wypowiedział
myśl, iż dźwięk polega na rozchodzeniu
się w powietrzu na przemian po następujących
zgęszczeń i rozrzedzeń, wywołanych
drganiami dźwięczącego ciała. Podobną
opinię głosił Heron z Aleksandrii
(I w.n.e.), który utrzymywał, że dźwięk
to rozchodzące się w powietrzu drgania
podłużne. Myśl tę uzupełnił w I w.
Seneka Młodszy (Lucius Annaeus Seneca),
wiążąc owe drgania podłużne z własnościami sprężystymi powietrza, a więc jak
byśmy to dziś powiedzieli, wskazując,
że są to drgania gęstości powietrza.
W swym dziele "Harmonica" Ptolemeusz
(II w. n.e.) zebrał ówczesną wiedzę
akustyczną i wskazywał, że mechanizm
wytwarzania dźwięków powinien być
identyczny w każdym przypadku źródła
dźwięku, a więc nie tylko w przypadku
instrumentów muzycznych, ale również
wszystkich innych ciał wytwarzających
dźwięki, np. ciał uderzonych, bardzo
szybko poruszających się w powietrzu
i innych. Średniowiecze
nie wniosło praktycznie nic do badań
akustycznych, nie licząc naturalnego
rozwoju rzemiosła wytwarzającego instrumenty,
muzyczne. W okresie renesansu Leonardo
da Vinci badał zjawisko odbicia dźwięku:
w swych notatkach sformułował zasadę,
iż prędkość rozchodzenia się dźwięku
nie zależy od źródła, które ten dźwięk
wytworzyło. Wiele notatek tego uczonego
i artysty zaginęło i dziś nie sposób
nawet domniemywać, jakie badania w
dziedzinie akustyki Leonardo da Vinci
prowadził. Systematyczne badania doświadczalne
i teoretyczne nad naturą dźwięku i
zjawiskami akustycznymi zaczęto
prowadzić dopiero w XVII w. Koncentrowały
się one wokół trzech zasadniczych
zagadnień:
1) zależności wielkości charakteryzujących
dźwięk od fizycznych własności jego
źródła,
2) prędkości dzwięku oraz
3) jej zależności od własności ośrodka.
Pierwsze zakrojone na szeroką skalę
badania podjął M. Mersenne; opisał
je w dziele "Harmonia Unwersalis"
(1636). Mersenne obliczył możliwe
częstości drgań struny w zależności
od jej długości i przekroju, zmierzył
prędkość dźwięku w powietrzu (otrzymał
zbyt dużą wartość ok. 450 m/s), odkrył
zjawisko rezonansu akustycznego, polegającego
na pobudzaniu do dźwięczenia ciała
przez inne ciało będące źródłem dźwięku
o odpowiednio dobranej wysokości.
Zjawisko to wykorzystał do wyznaczenia
prędkości dźwięku, a także do analizy
zależności wysokości tonu od częstości
drgań źródła. Mierząc bezpośrednio
częstość drgań różnych źródeł (przede
wszystkim strun) doszedł w efekcie
do ciekawych wniosków. Przede wszystkim
wprowadził pojęcie tonu podstawowego
(tonu o najniższej częstości drgań
dla danego dźwięku) i tonów harmonicznych
(o częstościach drgań będących wielokrotnościami
częstości drgań odpowiadającej tonowi
podstawowemu).
Następnie powiązał wysokość tonu z
odpowiadającą mu częstością drgań
(im wyższy ton, tym większa odpowiada
mu częstość drgań) i w konsekwencji
wysokość dźwięku z częstością drgań
dla tonu podstawowego. W tym schemacie
określił dalej częstości drgań (podstawowe)
odpowiadające różnym nutom muzycznym.
Podobne badania prowadził Galileusz,
który opisał je w swym dziele "Discorsi",
wydanym w 1638, a więc dwa lata później
niż dzieło Mersenne'a. Galileusz także
wiąże wysokość dźwięku z częstością
drgań, opisuje zależność częstości
drgań struny od jej długości, masy
i napięcia, opisuje badania rezonansu
akustycznego (odkrytego przezeń prawdopodobnie
niezależnie od Mersenne'a). Wreszcie
opisuje swe piękne doświadczenia nad
falami stojącymi, wzbudzanymi na powierzchni
wody w naczyniach dźwięczących. Tego
rodzaju badania drgań przedmiotów
będących źródłem dźwieku były potem
prowadzone przez wielu innych uczonych,
np. J. Sauveura, który w 1701 opublikował
wyniki swych doświadczeń nad drganiami
słupa powietrza w piszczałkach i nad
drganiami strun, a także wyniki pomiarów
długości fali i częstości drgań podstawowych
i harmonicznych strun oraz odkryte
przez siebie zjawisko dudnień akustycznych,
następnie przez Chladniego, który
w 1802 opisał swe badania prowadzone
w latach osiemdziesiątych XVIII w.
nad drganiami podłużnymi i torsyjnymi
prętów oraz drganiami płyt (w tym
ostatnim przypadku zastosował piękną
metodę wizualizacji drgań za pomocą
rozsypanego na drgającej płycie pyłku
widłaka), czy wreszcie badanie efektów
nakładania się drgań prowadzone przez
J.A. Lissajous (1855). Te późniejsze
badania wniosły wiele ciekawych informacji,
niemniej jednak już osiągnięcia z
XVII w. pozwoliły uczonym wyciągnąć
zasadnicze wnioski jakościowe dotyczące
natury dźwięku. I tak, zjawisko rezonansu
akustycznego wskazywało, że dźwięk
musi polegać na rozchodzeniu się zaburzenia
wywołanego drganiami źródła, które
drugie ciało wprawia w ruch drgający.
Zbadanie i zrozumienie zależności
między wysokością dźwięku a odpowiadającą
mu częstością drgań wskazywało, że
dźwięk to rozchodzące się w powietrzu
zaburzenie mechaniczne. Można więc
uznać że w XVII w. zrozumiano już
falowy charakter dźwięku i falową
jego naturę. To oczywiście rodziło
dalsze przypuszczenia i koncepcje.
Dotyczyły one w tym okresie przede
wszystkim prędkości rozchodzenia się
tych zaburzeń i jej zależności od
własności ośrodka. Pierwsze dokładniejsze
pomiary prędkości dźwieku w powietrzu
wykonane zostały w 1660 pod auspicjami
Akademii Florenckiej, dając w wyniku
wartość ok. 340 m/s, a więc bardzo
bliską rzeczywistej, wynoszącej ok.
330 m/s. Pierwszy, który próbował
na drodze teoretycznej powiązać wartość
prędkości dźwięku w powietrzu z jego
własnościami, był I. Newton (w 1667
opublikował on odpowiedni wzór, wyprowadzony
przy założeniu, że zgęszczenia i rozrzedzenia
powietrza nie powodują zmiany jego
temperatury). W
1738 pod patronatem Akademii Paryskiej
przeprowadzono po raz wtóry pomiar
prędkości dźwięku w powietrzu. Na
wzgórzach Montmartre i Monthlery (odległych
o 29 km) ustawiono dwa działa. Z drugiego
działa strzelano po usłyszeniu wystrzału
pierwszego. Mierzono czas między błyskiem
a odgłosem wystrzału. Pomiarów dokonywano
nocą (temp. wynosiła 6°C) i uzyskano
w wyniku wartość 337,18 m/s. Wynik
ten nie był zgodny ze wzorem Newtona.
Problem został definitywnie rozstrzygnięty
dopiero w latach dwudziestych XIX
w. W 1822 Akademia Paryska znowu zorganizowała
pomiary (zasada była podobna jak poprzednio).
Kierowali nimi F. Arago i M. Riche.
Tym razem chodziło już wyraźnie
jak to sugerował m.in. RS. Laplace
o pomiar zależności prędkości dźwięku
w powietrzu od temperatury. Uzyskano
następujące wyniki: w temp. 16°C -
340,88 m/s, w temp. 0°C - 332,25 m/s.
Wyniki te były w jawnej sprzeczności
ze wzorem Newtona. Wzór ten poprawił
cztery lata później Laplace. W przeciwieństwie
do Newtona przyjął on, że zgęszczenia
i rozrzedzenia powietrza następują
tak szybko po sobie, że praktycznie
nie zachodzi tu wyrównywanie się temperatur,
czyli że dźwięk rozchodzi się w sposób
adiabatyczny (bez przewodnictwa cieplnego).
Laplace otrzymał wzór w pełni zgodny
z wynikami pomiarów. O tym, że prędkość
dźwięku i jego rozchodzenie się w
powietrzu musi się wiązać z własnościami
sprężystymi powietrza, uczeni byli
przekonani już w XVII w. O. Guericke
doświadczalnie wykazał np., że w próżni
dźwięk nie rozchodzi się. Na tej podstawie
R. Boyle nawiązał do myśli Seneki
twierdząc, że dźwięk jako zaburzenie
mechaniczne powinien rozchodzić się
w każdym ośrodku sprężystym, nie tylko
w powietrzu. Myśl ta przez długi okres
czasu nie powodowała żadnych reperkusji.
Kto i kiedy wysunął np. hipotezę,
że w wodzie dźwięk rozchodzić się
nie może, nie wiadomo. W każdym razie
występował przeciwko temu B. Franklin w 1762. Prawdopodobnie pod wpływem
doświadczeń L.J. Gay-Lusaca, który
w 1804 w lotach balonowych stwierdził,
że im wyżej znajduje się balon, tym
mniejsze jest natężenie dźwieku (z
tego samego źródła i w tej samej odległości)
- znowu odżył problem związku dźwieku
z własnościami sprężystymi ośrodka.
W 1809 J.B. Biot zmierzył po raz pierwszy
prędkość dźwieku w ciele stałym, mianowicie
w żelazie lanym (wykorzystał w tym
celu żeliwne rury kanalizacyjne w
Paryżu) i uzyskał wartość 3170 m/s
znacznie większą niż dla powietrza
(żeliwo jest bowiem o wiele bardziej
sprężyste). W 1827 D.
Colladon i Ch. Sturm zmierzyli
prędkość dź. w wodzie (jeziora Leman),
uzyskując wynik 1435 m/s. Pomiary
prędkości dźwięku w powietrzu i innych
ośrodkach miały dość zasadnicze znaczenie
dla matematycznej teorii dźwięku Wiązała
się ona z jednej strony w sposób istotny
z rozwojem teorii drgań, z drugiej
- z rozwojem teorii sprężystości.
Z ogromnej liczby nazwisk przykładowo
wymienić można B. Taylora, który w
1713 dokonał pierwszych obliczeń drgania
strun, oraz J.W. Strutta (późniejszego
lorda Rayleigha), którego książka
"Treatise on Sound" (Traktat o dźwięku),
wydana w 1902, zawierała usystematyzowany
i niezwykle pełny przegląd ówczesnej
akustyki, do której autor wniósł niemały
wkład. Dla całości obrazu historii
badań nad naturą dźwięku wspomnieć
jeszcze należy o pracach H.L.F. Helmholtza,
rozpoczętych w 1856 i zebranych w
jego książce wydanej w 1863. Helmholtz
opierając się na pracach J.B.J. Fouriera
z I połowy XIX w., dotyczących analizy
matematycznej drgań rzeprowadził wiele
pionierskich i fundamentalnych doświadczeń
nad analizą i syntezą wrażeń akustycznych
za pomocą swych słynnych rezonatorów
(tzn. układów drgających pod wpływem
zaburzenia mechanicznego o określonej
częstości drgań). Jemu to właśnie
zawdzięczają swe podstawy akustyka
fizjologiczna, akustyka mowy oraz
akustyka muzyczna. |