ZVOK IN ZVOČNI INSTRUMENTI

Praviloma se vsak človek, ki ima normalno razvit sluh dan za dnem srečuje z različnimi vrstami zvoka. Vendar večina temu ne posveča velike pozornosti. Zdi se, da še največ pozornosti zvoku posvetijo glasbeniki in fiziki vendar se njihova pojmovanja najbrž močno razlikujejo predvsem pa jih zanimajo različne vrste in lastnosti zvoka. Na primer, nek zagret težkometalec si pri skakanju pred odrom na koncertu kakšne priljubljene skupine ne beli glave z doplerjevim efektom, prav tako se violinist sredi koncerta ne bo pričel pritoževati, da se mu zdi v dvorani premrzlo in je zaradi tega hitrost zvoka, ki ga oddaja njegovo glasbilo nekoliko premajhna in bo glasba zaradi tega kasneje prišla do poslušalcev…Tudi fizik se, zatopljen v svoje raziskovanje, pri opazovanju odboja zvočnega valovanja ne bo pritoževal zaradi disonance…Tu pa naletimo že na nov pojem – glasba. Večina ob vprašanju kaj je zvok takoj pomisli na glasbo. Glasbenik bo svoje stvaritve prej imenoval glasba kot zvok, pri svojem ustvarjanju pa bo govoril o tonih, ki pa so le vrsta zvoka. Fizik pa bo pri svojem raziskovanju raje uporabljal besedo zvok. Torej je razlika v grobem le stvar gledanja na zvok.

Strogo fizikalno gledano bi zvok lahko definirali kot longitudinalno valovno motnjo (delci zanihajo vzdolž smeri širjenja motnje, medtem ko pri transverzalnem valovanju delci zanihajo prečno glede na smer širjenja valovanja) v poljubni stisljivi snovi, še posebej v zraku. Fiziološko gledano je zvok zaznavni objekt, ki ga »slišimo« v možganih, ko valovi stimulirajo človeško uho. Veda, ki se ukvarja z zvokom se imenuje akustika in že po tradiciji ta pojem povezujemo s študijo fizikalne narave zvoka. Akustika ima več podpodročij, o katerih bo govora nekoliko kasneje.

Kot sem že omenil je zvok motnja v zraku, skozi katerega se ta giblje. Vendar poznamo dve vrsti motenj. Kot vibracije pojmujemo hitro premikanje objekta ali dela večjega objekta sem ter tja, kot npr. en »krak« glasbenih vilic. Medtem ko je valovanje motnja, ki se širi v vseh smereh proč od vibrirajočega izvora, kot npr. krožni valovi, ki se pojavijo, če mečemo kamenčke v vodo. Vendar sta ta dva pojma močno povezana, saj valovanje na svoji poti skozi določeno področje povzroči, da vsak majhen delec snovi na tem področju zavibrira a se kmalu umiri, saj gre valovanje naprej. To pomeni, da mi zvoka ne slišimo zato, ker bi valovanje do nas prineslo določeno gmoto zraka, ampak po prostoru potuje motnja, zrak pa v okolici miruje. Če bi torej lahko videli motnjo, ki se širi po zraku, bi opazili zgoščine (ojačive) in razredčine (oslabitve). Zgoščine se pojavijo na mestih, kjer se gostota in pritisk povzpnejo nad normalne vrednosti, pri razredčinah pa sta pod normalnimi vrednostmi. Dejstvo, da se zvok širi kot valovanje je s stališča raziskovanja precej pomembno, saj imajo vsa valovanja nekaj skupnih lastnosti kar nam močno olajša in pospeši delo. Pri tem imamo v mislih valovno dolžino, frekvenco in hitrost. Valovna dolžina (oznaka ) je razdalja med dvema zgostitvama ali oslabitvama. Pri zvoku se ta giblje med 2 cm za najvišji slišen zvok pa tja do 20 m za najnižji. Frekvenca (oznaka ) je določena kot število nihajev na časovno enoto, merska enota pa je Hertz ali 1/s. Hitrost zvoka pa je produkt valovne dolžine in frekvence valovanja. Torej sta ti dve količini v obratnem sorazmerju. Hitrost zvoka je v suhem zraku pri 20 stopinj Celzija 344 metrov na sekundo, kar je precej manj kot na primer hitrost svetlobe. Zato se tudi pojavijo zaksnitve zvoka, ki so slišne tudi s prostim ušesom. Seveda to ne velja za normalen pogovor med ljudmi. Zakasnitve med zvokom in tem kar vidimo se pojavijo šele na razdaljah nekje pri 20 metrih. Zato je za nekatere malo moteče, če na koncertih v velikih dvoranah sedijo čisto zadaj, ker se dirigentovi gibi ne skladajo z glasbo, ki jo slišijo. Zvok torej potrebuje približno 3 sekunde, da prepotuje en kilometer, zato npr. zlahka izračunamo na kakšni oddaljenosti je odarila strela med nevihto. Čeprav je za vsakdanjo rabo zgoraj omenjena hitrost zvoka najbrž zadovoljiva, pa pri raziskovanju ne gre zanemariti dejstva, da se hitrost spreminja s temperaturo. Pri višjih temperaturah je gibanje molukul hitrejše, s tem pa je večja tudi hitrost zvoka. Tako se hitrost poveča za 0.6 m/s, če se tempertura poviša za 1 stopinjo Celzija. Na primer v sobi, kjer je 30 stopinj Celzija, je hitrost zvoka za 2 % višja kot v sobi kjer je 20 stopinj. Seveda je hitrost zvoka odvisna tudi od medija, po keterem se ta širi. Pri sobni temperaturi je tako hitrost zvoka v heliju približno 1000 m/s, v ogljikovem dioksidu pa le 270 m/s. Zvok načeloma potuje hitreje v kapljevinah in trdih snoveh. Tako je hitrost zvoka v vodi približno 1500 m/s, v jeklu pa 6000 m/s.

Kot sem že omenil ima akustika več podpodročij. Eno izmed teh je seveda slišni zvok, ki ima frekvence nekje od 16 do 20000 Hz. Poznamo še ultrazvok, to je valovanje s frekvenco nad 20 kHz, ki je ljudem neslišno. Uporablja se za npr. klicanje psov, odkrivanje vlomilcev, odstranjevanje nečistoč z majhnih delov strojev ali za preučevanje kristalne strukture trdih snovi. Valovanje s frekvenco nižjo od 16 Hz pa je infrazvok. Ta se uporablja v hidrometeorologiji za preučevanje vremenskih pojavov. Infrazvok se zaradi nizke frekvence lahko širi zelo daleč in se pri tem v zraku le malo absorbira. Zaznavajo ga predvsem ptice in vodne živali in se lahko tako umaknejo pred nevarnostmi. Prav tako naj bi infrazvok čutile nekatere podzemne živali ob bližajočem se potresu. V ta namem že potekajo poizkusi, kako bi s pomočjo določenih živali, ki jih namerno gojijo v laboratorijih, na podlagi spremembe v njihovem obnašanju napovedali morebitno bližajočo se katastrofo. Omeniti velja še, da je premočan infrazvok lahko tudi nevaren, saj ga ljudje zaznavamo predvsem v želodcu in prsnem košu, kjer povzroča drgnjenje pluč in reber, ki lahko pripelje do notranjih krvavitev. Za preučevanje zvoka, ki se širi pod vodo pa uporabljajo sonar, s katerim odkrivajo jate rib ali podmornice. Za gradbenike so zelo pomembne vibracije, ki se širijo po konstrukciji in nastanejo zardi hoje, dvigala, vetra ali potresov. Fiziologi se ukvarjajo z akustiko, ki je povezana z zaznavanjem zvoka v ušesu ter registriranje le tega; večino spoznanj na tem področju dobimo s poskusi na živalih. Druga veja akustike se ukvarja z meritvami zvoka, ki nastanejo kot posledica okolja (industrija, promet, koncerti…). Delno je z gradbeništvom povezana tudi veja, ki se ukvarja z akustiko glasbenih instrumentov in preučuje načine s katerimi ti instrumenti proizvajajo zvok, hkrati pa je pomembna tudi akustika prostorov, v katerih se dogajajo glasbene prireditve. To je le nekaj področij, ki pa jih ne moremo strogo ločiti, saj se večkrat med seboj prepletajo.

Po drugi strani pa razdelimo zvok na tone, zvene in šume. Fizikalni ton je v naravi skoraj nemogoče doseči, sicer pa je take vrste valovanje za uho neprijetno, ker povzroča v notranjem ušesu le nihanja v ozkem frekvenčnem pasu in na enem mestu, tako da večina detektorskih laskov v ušesnem polžu ne sodeluje pri detekciji zvoka. Za uho prijetnejši so glasbeni toni ali zveni. Spekter fizikalnega tona sestavlja ena sama črta, medtem ko je spekter zvena sestavljen iz več črt, tj. iz več harmoničnih nihanj, katerih frekvence so mnogokratniki neke osnovne frekvence, s katero je določena tudi višina zvena. Barva zvena je odvisna od jakosti višjih harmoničnih komponent v zvenu. Če je črta, ki predstavlja valovanje fizikalnega tona povsem gladka, je črta zvena močno valovita. Po načinu valovitosti (tj. po različni sestav spektrov) se ločijo zveni, ki jih proizvajajo različni instrumenti, kljub temu da so enako visoki in enako glasni. Od človeških glasov med zvene štejemo samoglasnike. Kot tretja vrsta zvoka je šum. Spekter šuma sestavljajo valovanja različnih frekvenc, ki pa niso v medsebojnem sorazmerju. Pri šumu ne moremo govoriti o nihajnem času ter osnovni frekvenci šuma, saj časovni graf zvočnega tlaka (tj. razlika v tlakih pri zgoščini in razredčini) ni periodična funkcija. Med šume štejemo nekatere soglasnike (šumnike in sičnike).

Kot že vemo, se zvok širi kot valovanje in zaradi tega so tudi za zvok značilni določeni valovni pojavi. Interferenca se pojavi pri zvoku, ki ga oddajata dva koherentna izvora (z enako frekvenco) in s konstantnim faznim zamikom. Pri tem pride do ojačitev in oslabitev, ko se valovanji seštevata oz. odštevata. Interferenca pa se pojavi tudi pri enem samem izvoru. Ko valovanje doseže mejo prostora po katerem se širi in se odbije, pride do tako imenovanega stoječega valovanja. Tudi pri tovrstnem valovanju se pojavijo ojačitve in oslabitve saj se seštevata valovanje, ki ga povzroča izvor in odbito valovanje. Pojav, ki je značilen izklučno za zvočno valovanje pa je Dopplerjev pojav. Če se približujemo izvoru valovanja slišimo višjo frekvenco kot jo izvor dejansko oddaja, če se oddaljujemo pa nižjo. Podobno se dogaja tudi če sprejemnik miruje izvor pa se giblje. Ta pojav je najlepše opazen, če poslušamo zvok sirene, ko se avtomobil giblje.

Vsako valovanje nosi s seboj tudi določeno energijo, pri čemer tudi zvok ni izjema. Glede na gostoto energijskega toka merimo glasnost zvoka, enota je decibel (dB). Poglejmo to lastnost še z gradbenega stališča. Vemo, da je zvočna izolacija konstrukcije zelo pomembna. Za primer vzemimo situacijo, ko imamo v kleti težak kompresor kot del hladilnega sistema neke stavbe. Ta pri svojem delu proizvaja hrup glasnosti 75 dB, normativi pa dovoljujejo le 60 db. Na videz razlika 15 dB ne predstavlja prevelikega problema dokler po preračunavanju ne ugotovimo, da to pomeni, da bi moral izvor oddajati kar 30 krat manjšo gostoto zvočnega energijskega toka, kar pa že predstavlja kar znaten problem. Zato je treba pri konstruiranju predvideti potrebno zvočno izolacijo, po možnosti pa tudi tišjo opremo. Drugi problem pa predstavlja resonanca. To je pojav, ko npr. konstrukciji vsiljujemo nihanje, ki ima frekvenco blizu njene lastne. Pri tem se amplituda nenehno veča kar lahko pripelje tudi do porušitve konstrukcije.

Človek v vsakdanjem življenju sliši nešteto različnih zvokov. Vsak zvok pa mora imeti nek izvor. Tako ločimo naravne izvore in umetne. V naravi imamo veliko izvorov zvoka in nekateri so tudi glasbeno uporabni. Vendar pa so veliko bolj uporabni zvoki, ki jih proizvajajo umetni izvori tekom kontroliranega in do potankosti izpopolnjenega procesa (npr. glasbila).

Glasbila delimo v 6 skupin. Tolkala, pihala, trobila, brenkala, godala ter na glasbila s tipkami. Med tolkala spadajo predvsem vse vrste bobnov ter glasbila na kater tolčemo s paličicami (npr. zvonci, ksilofon…). Med pihala spadajo klarinet, saksofon, fagot, flavta ter oboa in njim sorodni instrumenti. Med trobila štejemo trobento ter njej sorodne instrumente. Brenkala proizvajajo zvok tako, da brenkamo na strune, ki so napete na instrumentu. Iz godal izvabljamo zvoke s pomočjo loka, ki drsi po strunah. Glasbila s tipkami (klavir, orgle, harmonika, čembalo) pa imajo svojevrsten princip proizvajanja zvoka. Pri klavirju daje zvok kladivce ki udari po struni, pri harmoniki je to jeziček, ki ga zaniha zrak, ravno tako velja za orgle, pri čembalu (baročni inštrument podoben klavirju z značilnim kovinskim zvokom) pa mehanizem, ki ga sestavljajo tudi gosja peresa zaniha struno podobno kot prst pri kitari.

Oglejmo si najprej brenkala. Npr. kitara ima 6 strun (nekatere kitare imajo tudi 12 strun, kar daje bogatejši zvok), ki so napete preko vratu, ki je razdeljen na polja. Spodnji del strun je pritrjen s strunikom in mostičem na telo kitare, ki je v bistvu resonator, ki ojačuje zvok. Struna sama po sebi ne daje od sebe velike gostote zvočnega toka, saj je njena površina precej majhna. Električne kitare pa preko magnetov prenašajo valovanje do ojačevalca, ta pa ga posreduje naprej preko zvočnikov. Pri kitari izkoriščamo lastna nihanja strune in sicer ko pritisnemo polje na vratu kitare struno ustrezno skrajšamo (eno polje predstavlja razliko pol tona) in struna zaniha z določeno frekvenco, tj. z določenim tonom. Poleg tega da so strune različno uglašene so tudi različno debele (najdebelejša je hkrati najnižja).

Pri godalih je princip podoben. Preko strun drsimo z lokom, ki ima napeto konjsko žimo. Ker žima ni popolnoma gladka, povzroča nihanje strune. Telo npr. violine zopet deluje kot resonator oz ojačevalec zvoka. Zanimivo, da pri violini večidel barve zvoka pripisujejo laku, s katerim je premazan resonator oz. violina. Drugače pa je igranje na violino analogno igranju na kitaro. S prsti krajšamo strune tako da jih pritisnemo ob vrat violine, ki pa za razliko od kitare ni razdeljn na polja. Zato se zdi igranje težje saj zahteva veliko večjo mero znanja in vaje.

Podobno je pri klavirju, ko imamo zelo veliko število strun, po katerih s pritiskom na tipke s pomočjo mehanizma udarjajo kladivca. Na splošno za zgornje instrumente velja da izvabljamo tone iz različno dolgih strun, ki imajo različne lastne frekvence.

Pri tolkalih pa izvabljamo tone z udarjanjem po tanki napeti opni. Bolj ko je opna napeta, višji ton dobimo, čeprav bi ton, ki ga daje boben težko primerjali s tonom, ki ga npr. daje violina ali pa klavir. Vendar med tolkala spadata tudi ksilofon in zvonci. Ksilofon je instrument, ki ima različno dolge podolgovate kovinske palice, podprte na obeh koncih. Tudi tu z udarcem spodbudimo lastno nihanje palice. Pri zvonovih pa imamo različno dolge viseče cevi, po katerih udarjamo z lesenim kladivcem in te zanihajo.

Nekoliko bolj zapleten je nastanek zvoka v pihalih in trobilih. Pri flavti, denimo, pihamo v ustnik, po katerem zrak potuje po tanki reži do jezička. Tam se curek zraka cepi, tako da izmenično potuje po flavti in ven, kar ustvarja ton. Preostali del flavte služi le kot resonator, s pritiskanje na luknjice pa resonančno cev krajšamo ali daljšamo in s tem dobimo različne tone. Že stari grki so poznali dejstvo, da podaljšanje cevi za faktor dva da za oktavo (to je 6 tonov) nižji ton. To je tudi razvidno iz velikosti instrumentov, saj je na primer bas saksofon veliko večji od alt saksofona. Poleg tega da moramo v pihala in trobila pihati, je razlika med njimi in instrumenti s strunami tudi v tem, da tu zvok nastane zaradi razlike v tlakih med razredčinami in zgoščinami, ki se pojavijo v ceveh; torej za razliko do vibracij, ki jih izkoriščamo pri strunah (transverzalno valovanje), pri zračnih instrumentih izkoriščamo longitudinalno gibanje zraka.

Pri saksofonu in klarinetu ter njima sorodnim instrumentom ti. udarni jeziček na ustniku niha in s tem prekinja zračni tok, ki nato v cevi ustvari valovanje, ki ga slišimo kot zvok. Podoben princip je pri orglah. Tudi tu jezički uravnavajo zračni tok, le da imamo veliko število različno dolgih piščali v nasprotju z zgoraj omenjenimi instrumenti, pri katerih z gumbi ustrezno krajšamo cev.

Pri trobilih pa sta ustnici tisti, ki s svojim nihanjem uravnavata zračni tok, ki tvori valovanje v cevi. Zaradi tega je pri trobilih tudi pomembna velikost odprtine na ustniku. Valovanje se nato širi skozi resonator, kjer ga lahko uravnavamo z zaklopkami. Pri vseh zgornjih instrumentih kjer imamo opraviti z zračnim tokom se ta obnaša po Bernoullijevem zakonu ki povezuje tlak, hitrost in višino v toku tekočine.

V zgornjem sestavku sem poskušal na kratko strniti večino lastnosti in pojavov, ki spremljajo zvočno valovanje. Področje zvoka je precej obsežno, sploh pa stvar zakomplicira, če bi se hoteli globlje spuščati v lastnosti instrumentov. Teh je preprosto preveč, hkrati pa ima vsak posamezen instrument, tudi če pripada isti skupini, svoje posebnosti kar se tiče zvoka – naj velja to za način kako nastaja kakor tudi za širjenje zvoka.

 

 

Spisal Gregor Mavrič

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Viri:

Slike


Brez komentarja…

 


Blok flavta

 

Prečna flavta - Podobno kot se zračni tok deli pri bolk flavti se deli tudi pri prečni flavti. Glasbenik prisloni flavto pod določenim kotom pod ustnice, tako

da gre zračni tok izmenično mimo in v cev kar ustvari stoječe valovanje, katero se ojača v cevi, ki deluje kot resonator.

 

Slika prikazuje širjenje zvoka, ki ga oddaja violina. Vidimo, da se različne frekvence tonskega spektra širijo različno, kar pa v celoti za človeško uho ni opazno.


Nihanje zgornje polovice trupa violine pri različnih frekvencah (od leve proti desni): 540, 775, 800, 980 in 1110 Hz.


Lastna nihanja činele posneta s pomočjo holografske interferometrije.


Matematični model napete membrane sestavljen iz idealnih vzmeti in točkovnih tež (črne točke).


Fotografije gumijaste membrane, ki vibrira v eni izmed svojih lastnih frekvenc. Vsak par predstavlja isto lastno frekvenco z zamikom pol cikla.