Świat dźwięków

Człowiek żyje w oceanie dźwięków. Kontakt z dźwiękami uzależnia nie gorzej niż papierosy, alkohol czy narkotyki. Wizyta w komorze bez-echowej – miejscu, w którym naprawdę nie ma dźwięków (uwaga: nie zaleca się osobom o słabej odporności psychicznej), przekonuje nas, że świat prawdziwej ciszy byłby trudny do zniesienia.
W naszym środowisku dźwięk pełni najrozmaitsze funkcje. Dostarcza przyjemności (szum morza, śpiew ptaków albo… Placido Domingo) lub przykrości (hałas). Może ostrzegać (klakson) lub służyć do przekazywania informacji kodowanej na różne sposoby (tam-tamy, alfabet Morse’a). Mowa ludzka, ten wspaniały twór człowieka, wyróżniający go ze świata ożywionego, pozwoliła mu stworzyć kulturę.
Dźwięk może też stanowić reakcję na wydarzenia w otaczającym nas świecie lub wyrażać nasze nastroje czy uczucia. Na dźwięki możemy patrzeć (przepraszam, słuchać ich) z pozycji szarego człowieka (odbiorcy, użytkownika) albo przedstawiciela jakiejś specjalności, na przykład artysty muzyka. Trzeba to muzykom oddać – kiedy malarze zachłystywali się odkryciem obrazu abstrakcyjnego, muzycy bez hałasu uprawiali sztukę abstrakcyjną już od wielu wieków. Wspaniałe dzieła Bacha, Mozarta czy Beethovena są przecież w większości abstrakcyjne. Albo patrzeć z pozycji filozofa. Całe to rozważanie uświadamia nam, że dźwięk jest po coś, że jest wytworzony w określonym celu. Przez człowieka (czy zawsze?), Pana Boga (czy ma głowę, żeby zajmować się każdym drobiazgiem?), czy może powstaje sam z siebie? A tu już wkraczamy w domenę filozofii. Filozof nie przejmuje się szczegółami. Na przykład Arystotelesowi wystarczyło stwierdzić, że skoro grzmot słychać w chwilę po błyskawicy, a nie jednocześnie z nią, to widocznie dźwięk rozchodzi się wolniej niż światło.
Można stawiać mnóstwo szczegółowych pytań – ale to już pole działania dla fizyka. Spróbujmy więc spojrzeć na dźwięk tak, jak robi to fizyk. Spojrzeć, bo dźwięk można też zobaczyć, ale o tym innym razem. Pierwsze pytanie, które się nasuwa, to:
CO TO JEST DŹWIĘK?
Dla fizyka dźwięk jest falą, czyli rozchodzeniem się drgań. O drganiach można się przekonać dość łatwo, dotykając dźwięczącej struny lub gongu czy własnej krtani, kiedy mówimy. Ale jeśli drganie ma się rozchodzić, to w czym? Inaczej mówiąc, pytamy o ośrodek. Tak niewinne zdawałoby się pytanie ma jednak ukryte założenie, że ośrodek jest niezbędny do rozchodzenia się fali dźwiękowej. Szczęśliwie intuicja nas nie zawodzi: ośrodek jest potrzebny, jest nim najczęściej powietrze.
A jeżeli powietrze usuniemy? Ponad trzy wieki temu burmistrz Magdeburga Otto von Guericke zadał sobie to pytanie, usunął powietrze spod klosza, gdzie umieścił źródło dźwięku i… przestał je słyszeć. Powietrze nie jest zresztą najlepszym ośrodkiem; podświadomie dobrze o tym wiemy, bo stukamy w rurę, żeby hałaśliwy sąsiad usłyszał, że chcemy spać. Jeżeli się zgodzimy, że dźwięk jest falą, to można zapytać, jaką? Są fale poprzeczne i podłużne. W szkole uczą nas, że dźwięk jest falą podłużną. To prawda, ale nie cała: w ciałach stałych rozchodzą się także poprzeczne fale dźwiękowe.
Jeżeli nie chcemy zadowolić się poziomem ogólności przyjętym w opinii Arystotelesa, następnym pytaniem, które się nasuwa, jest
JAK PRĘDKO BIEGNIE DŹWIĘK?
Gdyby nawet Arystoteles uparł się i chciał zmierzyć prędkość dźwięku, to musiałby zmierzyć odległość i czas potrzebny na jej pokonanie. Z czasem kłopot byłby mniejszy (odstęp między błyskawicą a grzmotem), choć trzeba by założyć, że światło biegnie nieskończenie prędko; nie jest to tutaj najgorszym przybliżeniem. Gorzej z odległością, bo trudno zmierzyć ją między błyskawicą a miejscem obserwacji, a sztuczne źródła dźwięku o odpowiednim natężeniu nie były wtedy łatwo dostępne. Do pokonania tych trudności przyczyniło się… wynalezienie armaty, która wydawała dźwięk słyszalny na dużą odległość, a ponadto błyskiem i dymem sygnalizowała moment wystrzału. Potrzebny był już tylko odpowiedni człowiek. I rzeczywiście William Derham z powodzeniem wywiązał się z zadania i obliczył, że prędkość dźwięku wynosi około 340 m/s.
Czy to dużo? Samochodem tak szybko nie pojedziemy, naddźwiękowym odrzutowcem nie każdy może latać, ale każdy może nauczyć się strzelać z bata – koniec bata porusza się wtedy przez moment z prędkością ponaddźwiękową. Skoro jesteśmy przy strzelaniu – pociski z broni palnej poruszają się najczęściej szybciej od dźwięku. Posiadłszy wiedzę o cechach wspólnych wszystkich zjawisk akustycznych, możemy teraz zapytać
CZYM SIĘ RÓŻNIĄ DŹWIĘKI?
Spośród najrozmaitszych zjawisk akustycznych: szumów, stuków, trzasków, dźwięków muzycznych, fizyk najżyczliwszą uwagę skupia na fali harmonicznej, polegającej na rozchodzeniu się drgania prostego, czyli sinusoidalnego. Muzycy nazywają ta-
kie dźwięki tonami (prostymi). Są to elementarne cegiełki, z których możemy składać wszelkie możliwe zjawiska akustyczne. Czasem potrzeba ich zaledwie kilka, czasem – nieskończenie wiele. Różnią się między sobą częstością (muzycy używają pojęcia wysokości dźwięku) oraz natężeniem. Dowolne dźwięki możemy rozkładać na tony proste, przeprowadzając w ten sposób analizę harmoniczną.
Powszechnie dostępnym przyrządem, który się do tego nadaje, jest… fortepian. Spróbujmy się przekonać: trzeba podnieść klapę, nacisnąć pedał, aby zdjąć tłumiki ze strun, i głośno zawołać do wnętrza fortepianu “aaa” albo “ooo”. Jeżeli raptownie urwiemy nasze wołanie, to nasłuchując uważnie usłyszymy słabe “aaa” lub “ooo” w wykonaniu fortepianu. Czyżby umiał mówić? Jeżeli tylko nie był zaczarowany, to jedynie przeprowadził analizę harmoniczną: poszczególne tony zawarte w naszym wołaniu pobudziły odpowiednie struny fortepianu do drgania, a potem drgające struny wysyłały dźwięki, które złożyły się z powrotem w analizowaną samogłoskę. Szkoda, że jest to analizator zbyt prymitywny, żeby odtworzyć bardziej złożone dźwięki.
Dźwięk, tak jak każda inna fala ulega odbiciu i załamaniu, jeżeli tylko dać mu szansę, to znaczy doprowadzić go do granicy różnych ośrodków.
Fascynującym zagadnieniem jest oddziaływanie muzyki na człowieka. Jedno z pytań, które można sobie tu zadawać, dotyczy harmonii. Dźwięki, które ze sobą harmonizują, mogą być wydane przez tę samą strunę lub ten sam słup powietrza w piszczałce. Można więc przypuszczać, że człowiek, słuchając od tysiącleci tego rodzaju naturalnych rezonatorów, a także próbując samemu wykonywać prymitywne instrumenty muzyczne, po prostu harmonii się nauczył.
Inną koncepcję można przedstawić, posługując się analizą harmoniczną. Oprócz tonów prostych (a ideałów, jak wiadomo, na świecie się nie spotyka) w każdym dźwięku jego częstości podstawowej towarzyszy więcej lub mniej wyższych harmonicznych. Niektóre harmoniczne dwóch dźwięków, które ładnie ze sobą współbrzmią, mają identyczną częstość. Narząd słuchu człowieka, porównując dwa dźwięki, jak komputer sprawdza, czy zawierają one harmoniczne o jednakowych częstościach. A więc poczucie harmonii byłoby cechą wrodzoną człowieka, wynikającą z budowy ucha i układu nerwowego? Ostatecznego rozstrzygnięcia między tymi dwiema koncepcjami jeszcze się nie doczekaliśmy.
Wrażliwość człowieka na piękno dźwięków wykorzystują od wieków kompozytorzy, tworząc wspaniałe dzieła muzyczne. A może oni nam tę wrażliwość wmówili, zachwalając swój towar podobnie jak każdy sprzedawca?