Źródłem każdego dźwięku jest drgający obiekt. W przypadku instrumentów strunowych (chordofonów) jest to drgająca struna, w przypadku instrumentów dętych (aerofonów) - słup powietrza, perkusyjnych (idiofonów) - membrany, płyty, sztabki.

Czym jednak jest owo dźwiękotwórcze drganie? Prędzej czy później trzeba odnieść się bezpośrednio do fizyki. Młodsi pamiętają lepiej, starsi trochę może gorzej, że był na fizyce tzw. ruch drgający. Jego typowym przykładem jest ciało zawieszone na sprężynie. Raz przemieszczone z położenia równowagi przez jakiś czas wychyla się to w jedną, to w drugą stronę. Ruch drgający jest w sposób jasny przedstawiony w brytyjskim filmie edukacyjnym o dźwięku z 1933 roku. Mimo, że jest w języku angielskim, nie powinno być problemów z jego zrozumieniem. W 2'57'' możemy obserwować drgania membrany, której wychylenie w czasie jest rysowane na wykresie. Maksymalne wychylenie w prawą stronę odpowiada „najwyższym” punktom wykresu, maksymalne wychylenie w lewą stronę - „najniższym”, przecięcia osi natomiast oznaczają położenie równowagi. 

Przykładowo struna pobudzona do drgania przez szarpnięcie, uderzenie młoteczkiem lub pocieranie smyczkiem zaczyna drgać niczym wspomniane ciało na sprężynie.

Czas, jaki drgający obiekt, "potrzebuje" na jeden pojedynczy cykl drgania to okres. Liczba okresów przypadających na sekundę to częstotliwość.

Takie drganie jest drganiem modelowym, rzadko występującym w życiu i muzyce. Nazywane jest drganiem prostym, a dźwięk - tonem prostym. Przykładem źródła tonu prostego mogą być uderzone widełki kamertonu. Znacznie częściej występują drgania złożone. Polegają one na tym, że drgające ciało wykonuje wiele ruchów drgających jednocześnie. Na przykładzie struny jest to świetnie zilustrowane w 6' filmu. Pierwsze drganie odpowiada właściwiej wysokości i nazywane jest tonem podstawowym (pierwsza składowa harmoniczna). Struna może drgać jednak na wiele sposobów, dzieląc się na wielokrotności swojej całkowitej długości. W filmie są to kolejno druga i trzecia składowa harmoniczna. Związane są z tym bardzo proste zależności matematyczne.

Częstotliwość n-tej składowej harmonicznej opiszemy poniższym równaniem:

fn = n f0

gdzie n jest numerem składowej, a f0 częstotliwością tonu podstawowego.

Przykład:

ton podstawowy: A (wielkie) f0 = f1 = 110 Hz (110 drgań na sekundę)

f2 = 2*110 = 220 Hz, co odpowiada a (małemu), czyli dźwiękowi oktawę wyższemu.

f3 = 3*110 = 330 Hz

f0 110 A  
f2 220 a oktawa
f3 330 e' kwinta
f4 440 a' oktawa
f5 550 cis'' tercja wielka
f6 660 e'' kwinta
f7 770 g'' septyma mała
f8 880 a'' oktawa
f9 990 h'' sekunda wielka
f10 1100 cis'' tercja wielka

Interwały w tabeli nie są oczywiście odległościami poszczególnych harmonicznych od tonu podstawowego, ale są zredukowane do interwałów prostych (nie przekraczających oktawy).

Rys. 1.Każdy ze składników (tu akurat 5 pierwszych), potraktowany „osobno” (jako pojedynczy ton prosty) przedstawia się jak na rysunku nr. 1.

Należy tu dodać, że amplitudy (parametr odpowiadający „wielkości” sinusoid) są różne, gdyż udział poszczególnych składowych harmonicznych zmienia się dla poszczególnych źródeł dźwięku (najczęściej amplitudy kolejnych składowych są coraz mniejsze i nigdy nie przekraczają amplitudy tonu podstawowego).

Po algebraicznym dodaniu drgań prostych, którym odpowiadają sinusoidy z powyższego wykresu, otrzymujemy drganie złożone (Rys. 2.)

Rys. 2.W skomplikowaniu i bogactwie składowych harmonicznych tkwi sekret barwy instrumentu, głosu, itp. Dźwięk o tej samej wysokości zagrany na skrzypcach i puzonie ma tę samą częstotliwość podstawową, ale różne składowe harmoniczne i o innych proporcjach ilościowych. Nie jest to co prawda jedyny czynnik determinujący barwę, aczkolwiek jego udział jest dominujący.

Sam fakt drgającego obiektu jeszcze nie gwarantuje zjawiska dźwięku. Aby go usłyszeć, musi istnieć ośrodek, który to drganie przeniesie. W życiu codziennym jest to powietrze, ale mogą być również inne substancje (ciało stałe np. szyna kolejowa, ściana; ciecz np. woda). Fala dźwiękowa, jaka powstaje w ośrodku pod wpływem kontaktu z drgającym ciałem, jest falą podłużną, co oznacza, że kierunek jej rozchodzenia jest zgodny z kierunkiem drgania źródła dźwięku. Istota rozchodzenia się fali dźwiękowej jest zilustrowana w filmie w 1'28'' i potem w 1'58''.

Rozchodzenie się dźwięku polega na rytmicznie (zgodnie z drganiem) tworzących się rozrzedzeń i zagęszczeń cząstek powietrza (a więc lokalnych zmian ciśnienia powietrza). Docierają one do ucha - błony bębenkowej, która jest pobudzona do drgań zgodnych z drganiami źródła. Ta z kolei uruchamia cały mechanizm ucha środkowego i wewnętrznego, pozwalający nam na rozróżnianie wysokości, barwy, głośności całej palety dźwięków. Mechanizm ten jest niesamowicie skomplikowany, a wiele jego elementów cały czas nie jest całkowicie znanych.

Aby całą tę wiedzę uporządkować zwrócę jeszcze uwagę na najistotniejsze cechy dźwięku i ich fizyczne źródła.

WYSOKOŚĆ zależy od częstotliwości z jaką drga źródło dźwięku. Człowiek w młodym wieku, ze zdrowym słuchem może słyszeć dźwięki z przedziału 20 Hz - 20 kHz. Przykładowo dźwięk a razkreślne współcześnie strojony jest na częstotliwość 440 Hz (wcześniej różnie bywało...). Jak można było zauważyć, gdy była mowa o harmonicznych, oktawie odpowiada podwojenie częstotliwości (stąd a małe – 220 Hz, a dwukreślne 880 Hz).

GŁOŚNOŚĆ jest przede wszystkim związana z amplitudą drgania, czyli wielkością opisującą jak bardzo drgające ciało wychyla się z położenia równowagi. Współczesne badania psychoakustyczne dowodzą, że nie jest to jednak jedyny czynnik wpływający na, subiektywne przecież, odczucie głośności dźwięku.

CZAS TRWANIA, co nikogo nie zaskoczy, zależy od czasu trwania drgania. Warto jednak pamiętać, że czas ten może zostać pozornie wydłużony, gdy źródło znajduje się w pomieszczeniu o zauważalnie długim czasie pogłosu. Pogłos to zjawisko związane z występowaniem fal odbitych od różnych przeszkód (ściany, sufit, itp.).

BARWA jak już wcześniej wspomniałem zależy od bogactwa składowych harmonicznych występujących w dźwięku. Warto dodać, że widmo dźwięku (gdyż tak określa się właśnie jego "budowę") zależy od konstrukcji instrumentu (np. w instrumentach strunowych m.in. od budowy pudła rezonansowego).

Wracając do początku artykułu chciałem jeszcze nawiązać do motywu drgania jako źródła dźwięku. Drganie jest czymś cyklicznym, czyli zjawiskiem regularnie się powtarzającym. Człowiek jest w stanie usłyszeć dźwięki, których źródłem są drgania powtarzające się co najmniej 20 razy na sekundę, ale nie więcej niż 20 tysięcy. W całym Wszechświecie istnieje jednak mnóstwo zjawisk odbywających się cyklicznie, choć może dużo rzadziej: ruch ciał niebieskich, zmiany pór roku (makroskala) lub dużo częściej: fale elektromagnetyczne, zjawiska kwantowe (mikroskala). Czyżby Bóg był wirtuozem grającym na tych wszystkich instrumentach?

Początek strony