كيف تنتج الآلات الموسيقية الأصوات وتشكل نغمتها

الاهتزاز هو حيث يبدأ كل صوت

وفقاً لمجموعة Music Acoustics بجامعة نيو ساوث ويلز، بقيادة الفيزيائي Joe Wolfe، تعتمد معظم الآلات على الرنين — القدرة على أن يخزن النظام الفيزيائي الطاقة في الاهتزاز عند تردد معين. كل من الوتر المنقوس، والقصبة التي تصدر دويًا في تيار الهواء، أو جلد الطبل الذي يضربه عصا، تبدأ جميعها بجسم مهتز يدفع جزيئات الهواء ذهابًا وإيابًا، مما ينشئ موجات الضغط التي تنتقل إلى أذن المستمع باعتبارها صوتًا.

الموجات الواقفة تحدد النغمة

داخل الوتر أو أنبوب آلة موسيقية هوائية، تشرح مجموعة UNSW، الموجات التي تسير في اتجاهات معاكسة تلتقي وتتحد إلى نمط موجة واقفة، مع نقاط ثابتة تسمى العقد التي تتحرك بالكاد ونقاط أخرى تسمى العقد المضادة تتأرجح بشكل واسع. لأن الوتر أو عمود الهواء يمكن أن يهتز بهذه الطريقة فقط عند ترددات ثابتة معينة — محددة بطوله أو التوتر أو الشكل — تستقر الآلة على نغمات محددة وقابلة للتكرار بدلاً من الضوضاء العشوائية.

النغمات المتضافرة تعطي كل آلة لونها

نادراً ما ينتج الوتر المهتز أو عمود الهواء تردداً واحداً فقط. تلاحظ مواد UNSW's Music Acoustics أنها تولد تردداً أساسياً بالإضافة إلى سلسلة من التوافقيات — مضاعفات الأعداد الصحيحة لذلك الأساسي. على سبيل المثال، يشير الموقع إلى أنه على وتر C للفيولا، تقع التوافقيات السابعة والحادية عشرة تقريباً في المنتصف بين نغمات المقياس المتساوي الطبع القياسي، موضحة أن السلاسل التوافقية الحقيقية لا تتطابق تماماً مع المقياس الموسيقي الذي يستخدمه الموسيقيون بالفعل.

المزيج المحدد من هذه النغمات المتضافرة — أيها صاخب وأيها خافت — هو ما يسميه الأكوستيكيون timbre أو لون صوتي. كما تصف مواد UNSW's Music Acoustics، هذا المزيج من قوى النغمات المتضافرة هو جزء رئيسي من ما يجعل الفلوت والأوبو يعزفان النغمة المكتوبة بنفس الطريقة يبدو واضحاً مختلفاً للأذن، على الرغم من أن timbre يعتمد أيضاً على كيفية تغير الصوت بمرور الوقت، كما نوقش أدناه.

ما الذي يبدأ الاهتزاز فعلاً

الاهتزاز الثابت والذي يبدو موسيقياً لا يبدأ من تلقاء نفسه — يحتاج إلى ما يسميه باحثو الصوتيات آلية القيادة غير الخطية. في محاضرة ملخصة من قبل الجمعية الأكوستية في أمريكا، وصف الفيزيائي Thomas Rossing كيف يحول احتكاك القوس على وتر الكمان، وتدفق الهواء عبر قصبة الكلارينيت، وشفاه الترومبيت التي تصدر دويًا للاعب الترومبيت، مدخلاً ثابتاً — حركة القوس أو التنفس — إلى التذبذب الخلفي والأمامي الذي ينتج الصوت، بدلاً من ببساطة تكبيره في خط مستقيم.

تنسب الجمعية الأكوستية في أمريكا أيضاً إلى الملاحظة القديمة، والتي يعود أصلها إلى Pythagoras، أن النغمات تبدو لطيفة معاً عندما تصطف طول أوتارها — وبالتالي ترددياتها — في نسب الأعداد الصحيحة. تنحرف الأوتار والأنابيب الحقيقية قليلاً عن هذا المثالي، لكن نفس آلية غير الخطية التي تبدأ الاهتزاز تميل أيضاً إلى سحب الترددات الطبيعية التي لا تتطابق تماماً لآلة ما إلى صوت متناسق تقريباً بالضبط.

لماذا الجرس لا يبدو مثل الكمان

لا تنتج كل آلة موسيقية نغمات متضافرة منتظمة. تلاحظ الجمعية الأكوستية في أمريكا أن الأجراس تتصرف بطريقة خطية تقريباً بسبب سمك المعدن المصبوبة منها، لذا فإن النغمات المتضافرة الخاصة بها ليست مضاعفات الأعداد الصحيحة البسيطة للأساسي — وهو بالضبط ما يعطي الجرس نوعيته المميزة الطقطقة بدلاً من نبرة موسيقية نقية. الرموس، بنفس الحساب، تهتز بفوضى بسبب عدم الخطية القوية، مما ينتج خشخشتهم الخاطفة الشبيهة بالضوضاء، في حين أن الأجراس الكبيرة تعتمد على الضرب غير الخطي للترددات لتوليد صوتها الكثيف والمعقد.

كيف يختلف نطاق النغمة عبر عائلات الآلات الموسيقية

يحدد تصميم الآلة أيضاً نطاق النغمات الأساسية التي يمكن للآلة أن تصل إليها، وإلى أي مدى تمتد النغمات المتضافرة الخاصة بها صعوداً. يجمع مصنع الميكروفون DPA Microphones بيانات مرجعية لمهندسي التسجيل يسرد نطاقات النغمات الأساسية التالية والحد الأقصى التقريبي لمحتوى التوافقيات لعدة آلات شائعة.

يوضح الجدول السبب في أن البيانو والكمان يمكن أن يحتلان نطاقات نغمات متداخلة ومع ذلك لا يزالان يبدوان مختلفين: بعد النغمة المكتوبة نفسها، تضيف كل آلة انتشار مميز للطاقة التوافقية ذات التردد الأعلى فوقها.

أجسام الرنين تجعل الصوت عالياً بما يكفي للسماع

وتر أو قصبة مهتزة وحدها تتحرك القليل جداً من الهواء ولا تكاد تكون مسموعة بحد ذاتها. تشرح مواد UNSW's Music Acoustics أن جسم الآلة — لوحة ظهر الكمان، أو لوح الصوت للجيتار، أو عمود الهواء داخل أنابيب آلة موسيقية هوائية — لها ترددات رنين خاصة بها تضخم وتشكل الاهتزاز، مشعة به في الغرفة كصوت مسموع. تلاحظ نفس المصدر أنه في الصوت البشري، تهتز الحبال الصوتية لإنتاج النغمة الخام، بينما رنين المسار الصوتي، الذي يُسمى formants، يعزز انتقائياً نطاقات التردد معينة لتشكيل أصوات حروف العلة والنغمة الصوتية.

Timbre ليست مجرد قائمة من الترددات

تضيف مجموعة UNSW's Music Acoustics أن timbre يعتمد بشدة على كيفية تغير النغمة بمرور الوقت، وليس فقط على طيفها الترددي في لحظة واحدة. مغلف الصوت — مدى سرعة وصول الصوت إلى أقصى علو بعد نتف الوتر أو الضغط على المفتاح، وكيف يستمر، وكيف يتلاشى — هو جزء من ما يسمح للمستمع بالتعرف على آلة، حتى عندما يكون المحتوى الترددي المعزول وحده قد يبدو متشابهاً على الورق.