Odpowiedzi

2009-12-03T15:51:38+01:00

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.