Akustyka

Akustyka – dział fizyki, a także powiązany z nim dział techniki, którego przedmiotem zainteresowania są fale sprężyste. Bada teoretycznie i doświadczalnie zjawiska dźwiękowe, infradźwiękowe i ultradźwiękowe. Przedmiotem zainteresowania akustyki są własności fal dźwiękowych, ich powstawanie, zachowanie w różnych warunkach oraz ich wzajemne oddziaływania.


Początkowo badano głównie rozchodzenie się dźwięku (fal sprężystych słyszalnych dla człowieka) w ośrodku gazowym, następnie także w ciałach stałych i w cieczach. Później akustyka objęła również inne niż dźwięk rodzaje fal sprężystych, w tym fale sprężyste o częstotliwościach niższych od dźwięku (infradźwięki) oraz fale sprężyste o częstotliwościach wyższych od dźwięku (ultradźwięki). W sensie potocznym, spotykanym także w wiedzy o muzyce, definicja akustyki jest odmienna – określa się w ten sposób warunki akustyczne miejsca, w którym rozchodzi się dźwięk.

Akustyka wiąże się ściśle z wielu dziedzinami życia, ma wiele zastosowań praktycznych – obok akustyki ogólnej, badającej zjawiska takie jak interferencja i dyfrakcja fal akustycznych, wyróżnia się więc także wiele działów akustyki stosowanej. Należą do nich m.in. akustyka muzyczna (analiza zjawisk dźwiękowych zachodzących w muzyce), elektroakustyka (zajmująca się otrzymywaniem energii drgań akustycznych z energii elektrycznej i przeciwnie), akustyka architektoniczna (budowlana i urbanistyczna), akustyka fizjologiczna i akustyka psychologiczna (zajmujące się np. funkcjonowaniem organów słuchu i mowy oraz wpływem hałasu na organizm), hydroakustyka (akustyka morza, badająca zjawiska dźwiękowe w morzach i oceanach), akustyka przemysłowa (zajmująca się m.in. zwalczaniem hałasu i wibracji w zakładach pracy) oraz geoakustyka i aeroakustyka (badające zjawiska akustyczne zachodzące w skorupie ziemskiej, w atmosferze i hydrosferze).

Historia akustyki

Akustyka należy do najwcześniej rozwijanych działów fizyki – zajmowano się nią szeroko już w starożytności, tak klasycznej, jak i na starożytnym Wschodzie. Duże osiągnięcia w rozwoju akustyki mieli starożytni uczeni chińscy. W nauce starożytnej Grecji dużą rolę odgrywały badania nad muzyką i matematyką w obrębie pitagoreizmu, w tym związane z dźwiękiem relacje ilościowe. Zjawiskami akustycznymi zajmowali się m.in. filozof i matematyk Pitagoras (VI w. p.n.e.), pitagorejczyk Archytas z Tarentu (V/IV w. p.n.e.) muzyk i poeta Terpander z Antissy (VII w. p.n.e.) oraz filolog Didymos z Aleksandrii (VII w. p.n.e.) – już w nauce greckiej widoczne są więc szerokie związki akustyki z wieloma różnymi dziedzinami życia i kultury. Szczególną rolę odgrywała w nich teoria systemów dźwiękowych (greckie skale muzyczne). W średniowieczu zainteresowanie akustyką wiązało się zwłaszcza z kontynuowaną wtedy arystotelesowską teorią muzyki sfer.

W XVI i XVII wieku badania nad zjawiskami akustycznymi prowadzili Galileusz i ojciec Marin Mersenne. Zajmowali się oni zwłaszcza problematyką prędkości dźwięku oraz wysokości tonu. U progu nowożytności ukształtował się pogląd, że do rozchodzenia się dźwięku konieczny jest ośrodek materialny (tj. powietrze). Twórcą nowoczesnej teorii akustycznej był John William Strutt, lord Rayleigh (1842-1919, m.in. The Theory of Sound). Od drugiej połowy XIX wieku wykształciły się główne gałęzie akustyki. Do twórców akustyki muzycznej należeli Hermann von Helmholtz i Carl Strumpf. Akustykę fizjologiczną i akustykę psychologiczną ukształtowali Hermann von Helmholtz, Gustav Theodor Fechner, Georg von Békésy, Harvey Fletcher, Marek Kwiek, Eberhard Zwicker i Józef Zwisłocki. Badania nad relacjami zjawisk akustycznych i fonetycznych zapoczątkował m.in. Hermann Grassmann. Zależności między wrażeniami słuchowymi a drganiami harmonicznymi badał m.in. Georg Ohm.

Akustyka muzyczna

Akustyka muzyczna stanowi dział akustyki stosowanej badający zjawiska dźwiękowe powiązane z muzyką. Należą do nich np. wytwarzanie dźwięku przez instrumenty muzyczne oraz przez narządy głosowe śpiewaka, rozprzestrzenianie się dźwięku w salach koncertowych, zjawiska dźwiękowe związane z rejestracją muzyki (np. na płytach gramofonowych, na płytach CD, w zapisie cyfrowym) oraz wrażenia słuchowe odbiorców dzieła muzycznego. Wiąże się ściśle z teorią muzyki, w tym z systemem skal muzycznych oraz z systemem interwałowym. Dotyczy także zagadnień fizjologicznych i psychologicznych związanych z odbiorem muzyki, takich jak powiązane z muzyką właściwości słuchu (por. np. słuch absolutny) i problematyka percepcji dźwięków. Z fizjologią głosu i foniatrią, a także z fonetyką, powiązane są zagadnienia emisji głosu. W muzyce akustyka umożliwia więc zrozumienie działania źródeł dźwięku – instrumentów muzycznych i głosu. Opisuje również naturę nut, tonów i ich wzajemnych relacji. Określa to, dlaczego dźwięki brzmią tak, a nie inaczej w określonych kombinacjach. Pozwala na opis podstawowych własności dźwięków stosowanych w muzyce, takich jak barwa dźwięku lub jego wysokość i głośność.

Istotne są także powiązania akustyki muzycznej z elektroniką i elektroakustyką. Obejmują one m.in. zagadnienia związane z elektroniczną rejestracją dźwięku, sztucznym nagłośnieniem sal koncertowych (także studia radiowe, filmowe i telewizyjne) oraz z elektronicznymi instrumentami muzycznymi. Elektroakustyka pozostaje w związku także z psychoakustyką, odnosząc się do kryteriów jakości nagrywania i odtwarzania dźwięku, które są w dużej mierze zsubiektywizowane.

Często jednak w muzyce i w języku potocznym używa się terminu “akustyka” w odmiennym znaczeniu, stosując określenia takie jak “wspaniała akustyka”, “dobra akustyka”, “zła akustyka”, “okropna akustyka”. Odnoszą się one do jakości i charakterystyki rozchodzenia się dźwięku w pomieszczeniach, w których wykonywana jest muzyka, takich jak sale koncertowe, teatry i audytoria. Akustykę muzyczną utożsamia się więc z pewnym działem akustyki architektonicznej. Tak rozumiana akustyka odpowiada na pytanie o to, jak warunki określonej przestrzeni, w której wykonywana jest muzyka wpływają na jej odbiór.

Akustyka sali koncertowej uchodzi niekiedy za zagadnienie subiektywne, a wręcz “tajemnicze” – nawet niewielkie zmiany układu pomieszczenia mogą na nią wpłynąć w bardzo znacznym stopniu. Istnieją jednak oczywiście czynniki obiektywne, które przedstawić można matematycznie. Należy do nich np. równomierny zanik dźwięku (w tym zwłaszcza niewystępowanie w pomieszczeniu echa), właściwa wartość czasy pogłosu oraz odpowiednia izolacja akustyczna pomieszczenia od dźwięków dochodzących spoza niego. Optymalne warunki uzyskać można przez zastosowanie właściwych materiałów, prawidłowy układ geometryczny sali koncertowej, zastosowanie we właściwych miejscach powierzchni dźwiękochłonnych i odbijających dźwięki oraz stosowanie wielowarstwowych przegród budowlanych.

Subiektywne wrażenia związane z akustyką pomieszczeń służących do odbioru dzieł muzycznych są jednak równie istotne i interesujące. Przymiotniki stosowane do jej opisu wyrażają subtelną gradację wrażeń estetycznych, nie ograniczają się do stwierdzenia, że akustyka sali jest po prostu “dobra” lub “zła”. Mówi się więc o bogatej, czystej, rozbrzmiewającej, suchej, ostrej, jasnej, żywej i martwej akustyce wnętrza. Określenia takie mogą być przy tym jasne i mętne, przydatne lub zwodnicze. W zasadzie jednak dobra akustyka wnętrz służących do wykonywania i słuchania muzyki opiera się na właściwym balansie między związanym z bogactwem brzmienia rezonansem a jasnością i precyzją wrażeń słuchowych. Co istotne, nie istnieją uniwersalnie dobre warunki akustyczne, właściwe dla wykonywania każdego rodzaju muzyki. Różne gatunki muzyczne, formy muzyczne czy nawet poszczególne utwory brzmią lepiej w innego rodzaju wnętrzach. Tak np. średniowieczna muzyka wokalna lub kameralne utwory wiolonczelowe mogą brzmieć najlepiej we wnętrzach kościelnych, które charakteryzuje bogaty rezonans i wyraźny pogłos. W tego samego rodzaju kwartety i sonaty smyczkowe lub utwory przeznaczone na fortepian będą jednak nieprzyjemnie rozmyte.

Do największych problemów związanych z projektowaniem wnętrz przeznaczonych do wykonywania muzyki należy fakt, że na ich akustykę wywierają wpływ bardzo liczne, a często przy tym drobne czynniki. Nie chodzi tu więc tylko o kształt i wielkość pomieszczenia, ale także o zastosowane materiały budowlane i wykończeniowe, konfigurację miejsc siedzących, położenie i wielkość sceny, a nawet dekoracje wnętrza. Dokładne określenie tego, czemu akustyka jednej sali koncertowej jest lepsza, niż innej, graniczy więc z niemożliwością. Wiele czynników w salach o tym samym kształcie i wielkości można określić z góry i przewidzieć – jeśli jednak ściany tego samego pomieszczenia okryjemy tkaninami, dźwięk będzie wydawać się “głuchy” i “martwy”, kiedy zaś okryjemy je kamieniem, będzie wydawać się “żywy”. Jest tak dlatego, że tkanina absorbuje dźwięki, kamień ma zaś tendencję do odbijania fal dźwiękowych.

Zdarza się przy tym często, że akustykę wnętrza zmienia jedna drobna i trudna do uchwycenia zmienna. Wpływu poszczególnych zmiennych na akustykę wnętrz nie sposób przewidzieć z góry przede wszystkim dlatego, że zmiennymi nie operuje się niezależnie od siebie –  nakładają się one na siebie. Kamień odbija dźwięk, drewno wibruje razem z nim, a tkanina absorbuje go. Przy tym jednak zakrzywiona powierzchnia kamienna będzie odbijać dźwięk w inny sposób niż płaska. Drewno wibruje odmiennie w zależności od tego, do jakiej powierzchni i w jaki sposób jest przymocowane, a także od tego, jak daleko znajduje się od źródła dźwięku. Tkanina okrywająca miejsca siedzące może uczynić dźwięk “miękkim”, ale ciężkie kurtyny mogą uczynić go “sztywnym”. Możliwości konfiguracyjne są więc w praktyce nieskończone, a ich ostateczny efekt niemożliwy do przewidzenia. Na warunki akustyczne w pomieszczeniu wpływ wywiera również ilość znajdujących się w nim osób, a nawet pogoda, warunkująca właściwości znajdującego się w nim powietrza (a więc ośrodka, przez który rozchodzi się dźwięk).

Niekiedy ignoruje się jednak to, jak muzyka brzmi w danym pomieszczeniu dla jej wykonawców. Warunki akustyczne wykonywania muzyki są jednak równie istotne, jak warunki odbioru dzieła muzycznego. Trzeba przy tym zaznaczyć, że brzmienie muzyki na scenie jest bardzo odmienne od jego brzmienia na widowni – ma to znaczenie zwłaszcza dla śpiewaków, którzy nie zawsze mogą kierować się w wykonywaniu utworu muzycznego tym, co słyszą sami. Dla instrumentalisty gra jest zazwyczaj łatwiejsza, jeśli sam słyszy muzykę, która wydaje mu się piękna. Na wielu scenach zdarzają się przy tym “martwe punkty” i miejsca, w których jakość dźwięku jest dobra. Kiedy muzycy występują jako zespół – zwłaszcza duża orkiestra symfoniczna – często słyszą się więc nawzajem w niejednakowy sposób. Utrudnia to znacznie zbiorowe wykonanie dzieła muzycznego. Istnieją jednak sale koncertowe, których dźwięk jest szczególnie ceniony przez muzyków, które “dodają coś własnego” do muzyki, nie tylko ułatwiając jej wykonywanie, ale też wpływając na ostateczną postać wykonania.

Akustyka architektoniczna

Akustyka architektoniczna dzieli się ogólnie na akustykę urbanistyczną oraz akustykę wnętrz i budowli. Akustyka urbanistyczna bada rozchodzenie się dźwięku na obszarach zurbanizowanych – jej celem jest przede wszystkim ochrona przed hałasem w miastach. Wiąże się z projektowaniem miast i osiedli, a także wyznaczaniem lokalizacji tras komunikacyjnych i zakładów przemysłowych. Szczególne znaczenie ma akustyka wnętrz przeznaczonych do (teatry operowe, filharmonie, sale koncertowe) – jest ona ściśle powiązana z omówioną wyżej akustyką muzyczną. Akustyka architektoniczna uwzględnia również zasady akustyki psychologicznej i fizjologicznej (prawo Haasa).

Akustyka fizyczna

Przedmiotem badań akustyki fizycznej jest generacja (powstawanie) i propagacja (rozchodzenie się) drgań sprężystych. Badane przez fizykę zjawiska akustyczne obejmują m.in. rozpraszanie i dyfrakcję drgań sprężystych oraz mechanizmy absorpcji drgań sprężystych. Z odziaływaniem drgań na strukturę ośrodków, w których się one rozchodzą wiążą się akustyka molekularna i akustyka kwantowa. Akustyka fizyczna zajmuje się również oddziaływaniem drgań sprężystych z innymi rodzajami fal – tak np. akustooptyka opisuje oddziaływania fal sprężystych z falami świetlnymi. Akustoelektronika, stanowiąca dziedzinę z pogranicza fizyki i techniki, bada rozchodzenie się fal sprężystych (zwłaszcza ultradźwięków i infradźwięków) w niektórych rodzajach ciał stałych, głównie pizoelektrykach.

Akustyka psychologiczna i fizjologiczna

Akustyka psychologiczna i akustyka fizjologiczna zajmują się zagadnieniami powiązanymi z funkcjonowaniem organów słuchowych i powstawaniem sygnałów słuchowych. Badają również zagadnienia związane z funkcjonowaniem narządów mowy i emisją głosu. Przedmiotem zainteresowania tych dziedzin jest także oddziaływanie hałasu oraz wibracji na organizm człowieka. Powiązanymi naukami są audiologia (gałąź medycyny zajmująca się zaburzeniami słuchu) oraz fonetyka. Z fonetyką związana jest zwłaszcza akustyka mowy, badająca strukturę akustyczną głosu ludzkiego. Akustyka mowy znajduje zastosowanie m.in. w systemach automatycznego tłumaczenia z języków obcych oraz w systemach sterowania urządzeniami za pomocą głosu.

Hydroakustyka, aeroakustyka i geoakustyka

Geoakustyka, powiązana z geografią fizyczną, to nauka o rozchodzeniu się dźwięku w skorupie ziemskiej, w atmosferze ziemskiej oraz w hydrosferze. Ma duże znaczenie zwłaszcza jako metoda badania trudno dostępnej za pomocą innych metod badawczych skorupy ziemskiej. W badaniu skorupy ziemskiej wykorzystuje się ultradźwięki i infradźwięki (zjawisko emisji akustycznej – spontanicznej lub wymuszonej generacji fal sprężystych). Pozwala to np. na przewidywanie trzęsień ziemi oraz tąpnięć górniczych.

Hydroakustyka określana jest także jako akustyka morza i akustyka podwodna. Zajmuje się ona całościowo zjawiskami akustycznymi, które zachodzą w wodzie, zwłaszcza w morzach, oceanach i jeziorach. Bada np. naturalne i sztuczne szumy podwodne. Wykorzystuje badania toni wodnej za pomocą sygnałów dźwiękowych i ultradźwiękowych dla celów komunikacji, rybołówstwa i hydrolokacji akustycznej (np. echosonda).

Duże znaczenie mają także badania nad zjawiskami dźwiękowymi, które zachodzą w atmosferze Ziemi. Należą do nich np. fale dźwiękowe, które powstają w związku z wyładowaniami atmosferycznymi lub molekularna absorpcja dźwięku przez składniki atmosfery. Zjawiska akustyczne związane z powstawaniem i propagacją dźwięku na skutek zjawisk aerodynamicznych bada aeroakustyka. Zajmuje się ona np. problematyką lotów z prędkością ponaddźwiękową, w których powstający hałas jest jednym z głównych czynników decydujących o eksploatacji samolotów. Zjawiska akustyczne zachodzące w atmosferze są przy tym złożone, obejmując np.  efekty refrakcji dźwięku, wpływ ruchów atmosfery na spójność sygnałów akustycznych (także w obszarze przyziemnym, przy czym uwzględniona jest impedancja akustyczna gruntu oraz występowanie stałych i zmiennych przegród takich jak wiatr i gradient temperatury). Zob. też aerologia.

Akustyka przemysłowa

Akustyka przemysłowa zajmuje się problematyką rozchodzenia się dźwięku i wibracji na terenie zakładów pracy. Dział akustyki, z którym wiąże się ochrona przed hałasem i wibracjami to wibroakustyka (akustyka drgań) – zajmuje się ona zjawiskami sprężenia drgań mechanicznych i akustycznych o małych częstościach. Akustyka przemysłowa pozwala na praktyczne zabezpieczenie miejsca pracy przed hałasem, np. poprzez zastosowanie filtrów akustycznych. Inne pola akustyki przemysłowej to np. badanie materiałów wykorzystywanych w przemyśle za pomocą ultradźwięków.


Tagi
Encyklopedia muzykiEncyklopedia psychologiiEncyklopedia sztuk pięknychEncyklopedia teatruHumanistyczna encyklopedia nauki

Dodaj komentarz