چگونه ساز‌های موسیقی صدا تولید می‌کنند و نغمه آنها را شکل می‌دهند

ارتعاش جایی است که هر صدا شروع می‌شود

بر اساس گروه Music Acoustics از دانشگاه نیو ساوث ویلز، تحت رهبری فیزیکدان Joe Wolfe، اکثر سازها به تشدید وابسته هستند — توانایی سیستم فیزیکی برای ذخیره انرژی در ارتعاش در فرکانس خاصی. سیم کشیده‌شده، نی که در جریان هوا زمزمه می‌کند، یا پرده طبلی که با چوب کوبیده می‌شود، همگی با یک جسم ارتعاشی شروع می‌شوند که مولکول‌های هوا را جلو و عقب فشار می‌دهند، امواج فشار ایجاد می‌کنند که به گوش شنونده به عنوان صدا سفر می‌کنند.

امواج ایستا نغمه را تعیین می‌کنند

داخل سیم یا لوله ساز بادی، گروه UNSW توضیح می‌دهد، امواجی که در جهات مخالف حرکت می‌کنند با هم ملاقات کنند و در یک الگوی موج ایستا ترکیب شوند، با نقاط ثابتی به نام گره‌هایی که تقریباً تکان نمی‌خورند و نقاط دیگری به نام پادگره‌هایی که به طور گسترده می‌توانند. چون سیم یا ستون هوا فقط می‌تواند به این روش در فرکانس‌های ثابت خاص ارتعاش کند — توسط طول، کشش یا شکل آن تعیین شده — ساز روی نغمات خاص و قابل تکرار تعیین می‌شود بجای سر و صدای تصادفی.

نغمات هارمونیک رنگ هر ساز را می‌دهند

سیم ارتعاشی یا ستون هوا به ندرت تنها یک فرکانس تولید می‌کند. مواد Music Acoustics UNSW یادآوری می‌کند که فرکانس اساسی به علاوه یک سری از هارمونیک‌ها تولید می‌کند — مضاعف‌های اعداد صحیح آن اساسی. به عنوان مثال، سایت اشاره می‌کند که بر روی سیم C ویولن، هارمونیک‌های 7 و 11 تقریباً در نیمه‌روز بین نت‌های مقیاس برابر طبع استاندارد قرار می‌گیرند، نشان می‌دهد که سری‌های هارمونیکی واقعی کاملاً با مقیاس موسیقی که موسیقاران استفاده می‌کنند منطبق نیست.

ترکیب خاص این نغمات هارمونیک — کدام یکی تند و کدام یکی ضعیف — آنچه آکوستیشن‌ها timbre یا رنگ تن می‌نامند است. همانطور که مواد Music Acoustics UNSW توصیف می‌کند، این ترکیب از قویت‌های نغمات هارمونیک بخش بزرگی از آنچه باعث می‌شود فلوت و اوبو نت نوشتاری یکسانی را بنوازند به طور واضح برای گوش متفاوت به نظر برسند، اگرچه timbre همچنین بستگی به نحوه تغییر صدا در طول زمان دارد، همانطور که در زیر بحث شده است.

آنچه واقعاً ارتعاش را شروع می‌کند

ارتعاش ثابت و موسیقی‌دار خودبه‌خود شروع نمی‌شود — به آنچه محققان آکوستیک مکانیزم ران غیرخطی می‌نامند نیاز دارد. در سخنرانی‌ای که توسط انجمن آکوستیکال آمریکا خلاصه شد، فیزیکدان Thomas Rossing توضیح داد که چگونه اصطکاک کمان بر روی سیم ویولن، جریان هوا از طریق نی کلارینت، و لب‌های لرزان نوازنده ترومپت، یک ورودی ثابت — حرکت کمان یا نفس‌کشی — را در تذبذب جلو و عقب تبدیل می‌کند که صدا تولید می‌کند، نه اینکه به سادگی آن را به صورت خطی بزرگ کند.

انجمن آکوستیکال آمریکا همچنین مشاهده قدیمی را نسبت می‌دهد، که ریشه آن به Pythagoras برمی‌گردد، که نت‌ها زمانی خوشایند به نظر می‌رسند که طول سیم‌های آن‌ها — و بنابراین فرکانس‌های آن‌ها — در نسبت‌های اعداد صحیح تراز باشند. سیم‌ها و لوله‌های واقعی کمی از این ایده‌آل منحرف می‌شوند، اما همان مکانیزم غیرخطی که ارتعاش را شروع می‌کند نیز تمایل دارد فرکانس‌های طبیعی کمی بی‌تطابق ساز را به صدایی تقریباً دقیق هارمونیکی بکشد.

چرا زنگ مانند ویولن نمی‌شنود

هر ساز نغمات هارمونیک منظم تولید نمی‌کند. انجمن آکوستیکال آمریکا یادآوری می‌کند که زنگ‌ها به دلیل ضخامت فلز ریخته‌شده‌شان تقریباً خطی رفتار می‌کنند، بنابراین نغمات هارمونیک آن‌ها مضاعف‌های ساده اعداد صحیح اساسی نیست — که دقیقاً آنچه زنگ را کیفیت «طقطق» مخصوص می‌دهد بجای نت موسیقی پاک است. سِنج‌ها، به همین حساب، به دلیل غیرخطی قوی، بی‌نظمی‌گانه ارتعاش می‌کنند، صدای خش‌خش‌های براقشان را تولید می‌کنند، در حالی که زنگ‌های بزرگ بر ضرب غیرخطی فرکانس تکیه دارند تا صدای متراکم و پیچیده‌ای تولید کنند.

نحوه تفاوت محدوده نغمه در خانواده‌های ساز

طراحی ساز همچنین محدوده نغمات اساسی را که ساز می‌تواند به دست آورد، و اینکه نغمات هارمونیک آن تا چه حد بالا رفته‌اند را تعیین می‌کند. داده‌های مرجع جمع‌آوری شده توسط سازنده میکروفون DPA Microphones برای مهندسان ضبط محدوده‌های نغمات اساسی زیر را و حد تقریبی محتوای هارمونیک برای چندین ساز معمول فهرست می‌کنند.

جدول نشان می‌دهد که چرا پیانو و ویولن می‌توانند محدوده‌های نغمات منطبق را اشغال کنند و باز هم متفاوت به نظر برسند: فراتر از خود نت نوشتاری، هر ساز انتشار مخصوص انرژی هارمونیک‌های فرکانس بالاتر را بر بالای آن اضافه می‌کند.

اجسام تشدید صدا را به اندازه‌ای بلند می‌کنند که قابل شنیدن باشد

سیم یا نی ارتعاشی تنهایی بسیار کم هوا را حرکت می‌دهند و به خودی خود تقریباً ناشنیدی خواهند بود. مواد Music Acoustics UNSW توضیح می‌دهد که بدن ساز — صفحه پشتی ویولن، صفحه صدای گیتار، یا ستون هوا داخل لوله ساز بادی — فرکانس‌های تشدید خاص خود را دارد که ارتعاش را تقویت و شکل می‌دهند، آن را به اتاق تابش می‌کنند به عنوان صدای شنیدار. منبع یکسان یادآوری می‌کند که در صدای انسان، تارهای صوتی برای تولید تن خام ارتعاش می‌کنند، در حالی که تشدید‌های مسیر صوتی، فرمانت نام دارند، انتخاب‌پذیری نطاق‌های فرکانس خاص را تقویت می‌کنند تا صدای حروف صائت و timbre صوتی را شکل دهند.

Timbre تنها فهرست فرکانس‌ها نیست

گروه Music Acoustics UNSW اضافه می‌کند که timbre به شدت بستگی به نحوه تغییر نغمه در طول زمان دارد، نه تنها طیف فرکانس آن در یک لحظه معین. پوش صدا — سرعت رسیدن صدا به تمام بلندی پس از کشیدن سیم یا فشردن کلید، نحوه پایداری و نحوه محو شدن — بخشی است از آنچه به شنونده اجازه می‌دهد ساز را تشخیص دهد، حتی زمانی که محتوای فرکانس منزوی تنهایی ممکن است روی کاغذ مشابه به نظر برسد.