Ktoś kiedyś powiedział : "muzyka - to cisza wyhaftowana dźwiękami".
Dźwięki, to wszelkie zjawiska akustyczne odbierane naszym zmysłem słuchu.
Zauważmy, że wśród tych zjawisk akustycznych można wyróżnić dwie grupy:
- dźwięki o określonej wysokości, które są podstawowym tworzywem muzyki
- dźwięki o nieokreślonej wysokości (szumy, stuki, trzaski, zgrzyty itp., określane jednym mianem jako "szmery"). Są one wykorzystywane we współczesnej muzyce awangardowej oraz w muzyce ilustracyjnej (np. filmowej).
Żebyśmy mogli cokolwiek usłyszeć, to musi istnieć źródło dźwięku (wprawione w ruch drgający) i przewodnik dźwięku.
Źródłami dźwięków są różne ciała z materiałów sprężystych w postaci struny, pręta, płytki, słupa powietrza zawartego w rurze (łatwo zauważyć, że wymienione postaci ciał sprężystych są podstawowym elementem budowy różnych grup instrumentów muzycznych).
Przewodnikiem dźwięków są również ciała sprężyste - lotne (gazy), płynne (ciecze) i stałe (metale, szkło, drewno). W praktyce, przewodnikiem dźwięku jest najczęściej otaczające nas powietrze (przeciwieństwem przewodników są ciała tłumiące dźwięk - sypkie, miękkie, plastyczne a najdoskonalszym tłumikiem jest próżnia).
Nie wchodząc w szczegóły wprawiania różnych źródeł dźwięku w ruch drgający (czyli sposobów wydobywania dźwięków na różnych instrumentach, bo tym zajmuje się instrumentoznawstwo), istotny jest fakt, że drgania te wywołują w powietrzu, jako przewodniku, analogiczne drgania, które w postaci fal dźwiękowych docierają do ucha słuchacza. Fale te w spokojnym powietrzu i na wolnej przestrzeni rozchodzą się we wszystkich kierunkach, czyli tworzą tzw. falę kulistą. Jej szybkość przy temperaturze 0o C wynosi ok. 330 m/sek a np. w sali koncertowej (18o C) ok. 340 m/sek.
ALIKWOTY, czyli tony składowe dźwięku
Kto pamięta jeszcze coś z fizyki, z nauki o naturze światła, to wie, że światło białe jest "mieszaniną" różnych barw. Mało tego - oprócz światła widzialnego dla człowieka występują jeszcze światła (barwy) niewidzialne - podczerwień i ultrafiolet, które stanowią "początek i koniec" palety barw.
Podobnie jest z naturą dźwięków - też występują 3 zakresy : infradźwięki (bardzo niskie, niesłyszalne dla człowieka), dźwięki słyszalne (od niskich do wysokich) i ultradźwięki (bardzo wysokie, niesłyszalne dla człowieka, słyszalne np. dla psów).
Przez analogię do światła białego, można powiedzieć, że dźwięki są "mieszaniną" tonów składowych.
Na czym to polega - wyjaśnia poniższe doświadczenie.
Jeśli zagramy na fortepianie (bo najłatwiej zauważyć to zjawisko) dowolny dźwięk (ale najlepiej odpowiednio niski - n.p. "C" w oktawie wielkiej), to po chwili stwierdzimy, że dźwięczy też struna "c" w oktawie małej (jeśli wcześniej ostrożnie podniesiemy z niej tłumik), bo została pobudzona do drgań na zasadzie rezonansu. Wynika z tego, że w dźwięku "C", jako dźwięku podstawo- wym, zawarty jest również ton "c" (wyższy o oktawę).
W wyniku dalszego takiego badania ustalono, że w podstawowym dźwięku "C" zawarte są jeszcze następujące tony składowe, czyli alikwoty:
c, g, c1, e1, g1, b1, c2, d2, e2, f2, g2, a2, b2, h2, c3,
które na pięciolinii oraz na klawiaturze fortepianu przedstawiają poniższe ilustracje :
Innymi słowy, co widać z ilustracji, w skład dźwięku podstawowego "C" wchodzi jego oktawa, dalej następuje kwinta, kwarta, tercja wielka, tercja mała i t.d.
Skąd się biorą takie a nie inne tony składowe?
Wyjaśnienie daje mechanika ruchu drgającego na przykładzie drgania struny.
Poniższa ilustracja podaje różne postaci drgań struny :
Rysunek (niezbyt doskonały) pokazuje istotę zjawiska.
Kropki oznaczają punkty zamocowania struny, linia przerywana - strunę w stanie spoczynku, linia gruba - pełne wychylenie w jedną stronę, linia cienka - pełne wychylenie w drugą stronę.
Okazuje się, że struna wprowadzona w ruch drgający, oprócz drgań pełną długością (postać "a"), może równocześnie i niezależnie drgać dzieląc się na 2, 3, 4 i t.d. części (postacie "b, c, d" i t.d.).
Każde z tych drgań ma inną częstotliwość (liczbę drgań na sekundę), która jest odwrotnie proporcjonalna do długości fali, jaka tworzy się na strunie w danej postaci drgań, czyli:
- w postaci "b" częstotliwość jest 2-krotna w stosunku do postaci "a",
- w postaci "c" częstotliwość jest 3-krotna w stosunku do postaci "a",
- w postaci "d" częstotliwość jest 4-krotna w stosunku do postaci "a",
- i t.d.
Taki szereg częstotliwości zwie się szeregiem harmonicznym i określa wysokości tonów składowych (alikwotów) dźwięku podstawowego.
Zauważmy też, że:
- częstotliwość postaci "b" odpowiada oktawie dźwięku podstawowego, czyli stosunek częstotliwości "b" do "a" jest taki jak 2 : 1
- częstotliwość postaci "c" odpowiada następnej kwincie, czyli stosunek częstotliwości "c" do "b" wynosi 3 : 2
- częstotliwość postaci "d" odpowiada następnej kwarcie, czyli stosunek częstotliwości "d" do "c" wynosi 4 : 3
- itd. (patrz na poprzednią ilustrację - kolejne alikwoty na pięciolinii)
CECHY DŹWIĘKU
Z punktu widzenia muzyki, istotnymi cechami dźwięku są:
- wysokość
- głośność (natężenie)
- barwa
- czas trwania
Wysokość dźwięku określa częstotliwość drgań jego źródła i podawana jest liczbą drgań na sekundę (w fizyce używa się skrótu "Hz" i wymawia "herc", "herców"). Wysokość ta zależy od cech fizycznych źródła dźwięku - rodzaju materiału i jego wymiarów, n.p. krótka i cienka struna wydaje dźwięk wysoki, bo drga z odpowiednio dużą częstotliwością, natomiast struna długa i gruba wydaje dźwięk niski, bo drga z odpowiednio małą częstotliwością.
Kolejne dźwięki "a" fortepianu mają współcześnie częstotliwości następujące:
A2 = 27,5, A1 = 55, A = 110, a = 220, a1 = 440, a2 = 880, a3 = 1760, a4 = 3520 Hz
W muzyce używa się dźwięków w zakresie C2 = 16 do c5 = 4186 Hz.
Warto tu dodać, że zakres dźwięków słyszanych przez człowieka wynosi od 16-20 Hz do 16000-20000 Hz (16-20 kHz).
Głośność (natężenie) dźwięku zależy od wielkości wychylenia drgań jego źródła, czyli od amplitudy drgań i wielkości powierzchni źródła a także od rodzaju i wielkości rezonatora (pudła rezonansowego), czyli urządzenia wzmacniającego występującego w wielu instrumentach (n.p. fortepian, instrumenty smyczkowe).
W muzyce nie używa się fizycznych jednostek głośności ("dB" i wymawia "decybel", "decybele") a jedynie stosuje się określenia słowne (piano, forte i t.d.).
Barwa dźwięku zależy od ilości i natężenia zawartych w nim alikwotów. Cecha ta pozwala na rozpoznawanie słuchem grających instrumentów.
Czas trwania dźwięku zależy od czasu działania jego źródła, czyli - innymi słowy - od rodzaju instrumentu i związanym z tym sposobem jego wydobywania.
