Fizyka instrumentów - Natura dźwięku

Natura dźwięku

Fala akustyczna (f. dźwiękowa) to zróżnicowane w czasie i w przestrzeni drgania ośrodka sprężystego. W powietrzu odpowiadają im zmiany ciśnienia. Gdy cząsteczka powietrza przemieszcza się ze swojego położenia równowagi, siły sprężystości starają się przywrócić ją do pierwotnej pozycji. Cząsteczka ma pewną bezwładność, więc przemieszcza się poza swoją pozycję spoczynku i siły sprężystości zaczynają działać w przeciwnym kierunku. Swoim drganiem pobudza również cząsteczki sąsiadujące i w ten sposób występują lokalne zagęszczenia i rozrzedzenia ośrodka. Kierunek drgań cząsteczek odpowiada kierunkowi rozchodzeni się zaburzenia w przestrzeni – jest to więc fala podłużna. Kiedy częstotliwość drgań mieści się w przedziale słyszalnym (20 Hz - 20 kHz), wtedy człowiek odbiera je jako dźwięk. Dźwięk jest więc subiektywnym obrazem fali, a fala – obiektywnym obrazem dźwięku. Zasadniczym celem akustyki dźwięków słyszalnych jest poszukiwanie zależności pomiędzy fizycznymi właściwościami fal, a subiektywnymi cechami dźwięku.

Dźwięk łatwo się rozchodzi w ośrodkach sprężystych takich jak powietrze, woda, stal, beton itd. Prędkość rozchodzenia się dźwięku w ośrodku gęstszym jest większa. Bez ośrodka sprężystego dźwięk nie będzie się rozchodził. Zaburzenie w ośrodku rozchodzi się  jednakowo we wszystkich kierunkach. Intensywność dźwięku maleje z kwadratem odległości . Prędkość rozchodzenia się dźwięku zależy od fizycznych właściwości ośrodka – od jego sprężystości i bezwładności cząsteczek, które go budują. W stali prędkość dźwięku wynosi 6000 m/s, w wodzie – 1500 m/s, a w powietrzu 331 m/s (przy 0 ^oC) i rośnie o 0,6 m/s ze wzrostem temperatury o 1 ^oC .

Ze względu na zawartość częstotliwościową dźwięków wyróżniamy następujące ich rodzaje:

Ton - sygnał elementarny, reprezentowany przez sinusoidę, odpowiadającą drganiu o określonej częstotliwości. W przyrodzie czyste tony w zasadzie nie występują, lecz są one składowymi tworzącymi dźwięki bardziej złożone – wielotony i szumy.

Wielotony to sygnały złożone z tzw. tonu podstawowego A₁*cos(ωt+φ₁) i tonów harmonicznych o częstotliwościach będących całkowitymi wielokrotnościami tonu podstawowego A_n*cos(nωt+φ_n), gdzie n=2,3,.... Muzycy często zamiast terminu harmoniczne używają terminu tony składowe lub alikwoty. Okazuje się, że dla niektórych instrumentów (dzwonów, kurantów, fortepianu) alikwoty nie są w związku harmonicznym z tonem podstawowym. W przypadku wielotonów (harmonicznych czy nie) energia koncentruje się w składowych harmonicznych, co widać w widmie takiego dźwięku - pomiędzy wierzchołkami odpowiadającymi tonom składowym i składowej podstawowej energia jest bliska zeru.

Szum jest to sygnał o zrównoważonym widmie dźwięku, w którym żadna składowa częstotliwościowa nie posiada znacząco większej amplitudy od reszty składowych sygnału. Szum może być zjawiskiem pozytywnym lub niepożądanym. Mowa jest modulowanym szumem. Szum ma znaczenie pozytywne, jeśli przenosi pewną informację (np oklaski są szumem, ale niosą informację o uczuciach widowni). Jeśli energia sygnału jest równomiernie rozłożona w całym zakresie częstotliwości to mamy do czynienia z szumem losowym, zwanym też szumem białym. Jeśli w widmie szumu przeważają niskie częstotliwości to jest to szum różowy.