Natura dźwięku

W instrumentach muzycznych ciałem drgającym jest to struna (chordofony), słup powietrza (aerofony), membrana (membranofony) albo element metalowy lub drewniany (idiofony). Osobną grupę stanowią elektrofony - instrumenty w których źródłem dźwięku jest membrana głośnika do którego doprowadzony jest (po wzmocnieniu) sygnał z instrumentów elektrycznych (np. gitara elektryczna) lub elektronicznych (np. organy Hammonda lub syntezator). 

Znasz z pewnością brzmienie różnych instrumentów muzycznych. 

Wiesz także, że tę samą melodię można zagrać np. na fortepianie, gitarze, skrzypcach i wielu innych instrumentach. Ta sama melodia to ciąg tych samych nut.

Gdy drga struna fortepianu (uderzona młoteczkiem), struna gitary (szarpnięta paznokciem) lub struna skrzypiec (pobudzona smyczkiem) tak, że gdy emitowany przez strunę dźwięk odpowiada np. nucie a1, to oznacza, że wytwarzana fala akustyczna ma, niezależnie od instrumentu, częstotliwość tonu równą 440Hz. 

Czy zastanawiałaś/eś się jednak nad tym, że dźwięk tych samych nut, czyli nut o tych samych wysokościach tonu, czyli tych samych częstotliwościach generowane za pomocą różnych instrumentów brzmią inaczej? Na tyle inaczej, że bardzo łatwo je rozróżnić i rozpoznać na jakim instrumencie została zagrana np. ta sama nuta a1 ?

Obejrzyj film, a później przeczytaj artykuł o falach akustycznych.

Fot. 1  Gdy szarpiemy struny gitary pobudzamy je do drgań

Fot. 2   Kwartet smyczkowy

Czym jest dźwięk? 

Żyjemy w świecie dźwięków. Można zamknąć oczy i nie patrzeć. Trudno jednak odseparować się od dźwięków. Fale akustyczne w powietrzu powstają w następstwie przekazywania energii sprężystości cząstkom powietrza przez sprężyste ciało drgające. 

Natura słyszalnych dźwięków jest z jednej strony prosta - to zaburzenia ciśnienia i gęstości cząstek powietrza. Z drugiej jednak strony wydaje się złożona.

Bogactwo i różnorodność dźwięków może zadziwiać. Śpiew ptaków, piękno muzyki, głos ludzi mówiących różnymi językami, szelest liści, deszcz uderzający o szyby i wreszcie budząca grozę potega grzmotu.

I to wszystko to tylko drgania powietrza???   

Tak, ale bardzo specyficzne. Ponieważ drgania przebiegają z określoną częstotliwością to można je matematycznie modelować za pomocą funkcji okresowej.

Udowodniono (Joseph Fourier), że dowolne drgania okresowe można interpretować jako złożenie funkcji sinusoidalnych o częstotliwości podstawowej i kolejnych wyższych harmonicznych będących jej wielokrotnościami.   

Rys. 1  Brzmienie dźwięku zależy od proporcji składowych harmonicznych

Rys. 2    Krzywe dla 3 różnych instrumentów grających nutę a1 (440Hz) różnią się, ponieważ ich składowe harmoniczne mają różne amplitudy

Złożoność dźwięków

Źródłem dźwięku są ciała drgające np. struna fortepianu, gitary lub skrzypiec. Pobudzona struna emituje falą akustyczną nie tylko o częstotliwości odpowiadającej tonowi danej nuty, ale także fale o częstotliwościach będących wielokrotnościami tonu podstawowego czyli 2, 3, 4, 5,... razy wiekszych.

Na rysunku 1, widzimy pięć sinusoid, odpowiadających pięciu kolejnym składowym harmonicznym oraz ich sumę (złożenie składowych) - linia czerwona.

Na rysunku 2 powyżej widzimy tę samą czerwoną linię (co na rys. 1) oraz niebieską i zieloną. Każda z nich odpowiada złożeniu sinusoid odpowiadającym kolejnym pięciu częstotliwościom harmonicznym tyle, że o różnych proporcjach amplitud składowych. 

Czerwona linia na rys. 2 ma kształt taki sam czerwona linia jak na rys. 1, na którym przedstawiona jest jako złożenie - suma składowych harmonicznych.

Rys. 3 Złożenie 5 pierwszych harmonicznych dla nuty a1 (440Hz) granej na skrzypcach i na fortepianie

Rys. 4   Nuta c (131 Hz) grana na fortepianie ma 16 składowych harmonicznych, wysokość pionowej kreski oznacza amplitudę składowej harmonicznej

Brzmienie - barwa dźwięków różnych instrumentów i ludzkich głosów

Amplitudy harmoniczne pozostają w określonych, charakterystycznych dla danego instrumentu, proporcjach w stosunku do tonu podstawowego.

Na rys. 3 widzimy złożenie pięciu pierwszych składowych nuty a (440Hz) o rzeczywistych proporcjach dla skrzypiec i fortepianu. Wysokość pionowych kresek (w zakresie od 0 do 1) poniżej krzywych odpowiadają amplitudom częstotliwości harmonicznych. Zauważ, że dla skrzypiec składowe druga (prawie =1, a piąta = 1, czyli taką samą jak pierwsza składowa.

Zwróć uwagę, jak bardzo różni się kształt krzywych sumarycznych dla skrzypiec i fortepianu. To one właśnie przekładają się na tak duże różnice w brzmieniu tych instrumentów. 

Ponieważ drgająca struna pobudza do drgań także cały instrument czyli tzw. pudło rezonansowe, które nie tylko wzmacnia dźwięk, ale także wpływa znacząco na jego brzmienie czyli barwę dźwięku. Brzmienie  instrumentu zależy od jego budowy, konstrukcji, materiałów z których został wykonany. 

Na przykład wierzchnia płyta skrzypiec wykonywana jest zwykle z drewna świerkowego, a dolna z jaworu. Drewno z którego buduje się skrzypce jest sezonowane przez co najmniej kilkadziesiąt lat zanim zostanie użyte do budowy instrumentu. Lutnicy czyli budowniczowie skrzypiec mówią, że dziadek kupuje drewno z którego wnuk będzie robił skrzypce. 

Budowanie instrumentów muzycznych jest sztuką. W ramach, odbywającego się co pięć lat w Poznaniu, Międzynarodowego Konkursu Skrzypcowego im. Henryka Wieniawskiego odbywa się także najważniejszy na świecie Międzynarodowy Konkurs Lutniczy.

Podobnie jak w instrumentach, ludzkie głosy powstają w następstwie drgań strun głosowych. I tu także mamy różnice brzmienia głosów ponieważ różne są proporcje składowych harmonicznych różnych osób.

Ciekawe

Być może słyszałaś/eś o słynnych skrzypcach budowanych przez Antonio Stradivariego (1644-1737). W ciągu długiego życia zbudował ok. 1100 instrumentów. "Stradivariusy", które dotrwały do naszych czasów kosztują na aukcjach kilka milionów dolarów. 

Zadanie:

Jeśli umiesz grać na jakimś instrumencie to proszę napisz dlaczego zacząłeś się uczyć gry. Jeśli nie grasz to napisz jakiego instrumentu brzmienie najbardziej lubisz, i na jakim chciałbyś ew. umieć grać?

tel.: 505 377 726     e-mail: kontakt@terazrozumiem.pl

NOTA PRAWNA: Zgodnie z art. 25 ust. 1 pkt 1 b) Ustawy o prawach autorskich i prawach pokrewnych (z 4 lutego 1994 r, z późn. zmianami) zastrzegam, że wszystkie materiały zamieszczone na terazrozumiem.pl są objęte prawami autorskimi, a ich dalsze rozpowszechnianie bez mojej zgody jest zabronione