כיצד כלים מוסיקליים יוצרים קול ועיצוב טון שלהם

רטט הוא המקום בו כל קול מתחיל

לפי קבוצת Music Acoustics של אוניברסיטת ניו סאות' וויילס, בראשות הפיזיקאי Joe Wolfe, רוב הכלים תלויים בתהודה — היכולת של מערכת פיזית לאחסן אנרגיה בתנודה בתדר מסוים. מיתר שנתלש, קנה שזמזם בזרם אוויר, או עור תוף שמוכה ברצועה, כולם מתחילים כאובייקט רוטט שדוחף מולקולות אוויר קדימה ואחורה, ויוצר גלי לחץ שנוסעים לאוזן של מאזין כקול.

גלים עומדים קובעים את הטון

בתוך מיתר או צינור של כלי רוח, קבוצת UNSW מסבירה, גלים הנוסעים בכיוונים הפוכים נפגשים ומתחברים לדפוס גל עומד, עם נקודות קבועות הנקראות צמתים שבקושי זז וגם נקודות אחרות הנקראות אנטי-צמתים שנדים בו רעיון. מכיוון שמיתר או עמוד אוויר יכול רק להתנודד בדרך זו בתדרים קבועים מסוימים — כפי שקובע אורכו, מתח או צורה — הכלי מתייצב על טונים ספציפיים וחוזרים בתבנית, במקום רעש אקראי.

הרמוניות נותנות לכל כלי את הצבע שלו

מיתר רוטט או עמוד אוויר לעתים רחוקות מייצרים רק תדר אחד. חומרי Music Acoustics של UNSW מציינים שהוא יוצר תדר בסיסי בתוספת סדרה של הרמוניות — כפולות מספר שלם של זה הבסיסי. לדוגמה, האתר מצביע כי על מיתר C של ויולה, ההרמוניות ה-7 וה-11 נופלות בערך באמצע הדרך בין התווים של הסקלה ברמה שווה סטנדרטית, המדגימה שסדרות הרמוניות אמיתיות אינן תואמות לחלוטין לסקלה המוסיקלית שמוסיקאים משתמשים בה בפועל.

הטיק שקיים של הרמוניות אלה — אילו צורות חזקות, אילו חלשות — זה מה שאקוסטיקאים קוראים לו timbre, או צבע טון. כפי שחומרי Music Acoustics של UNSW מתארים זאת, תערובת זו של חוזקי הרמוניות היא חלק עיקרי של מה שגורם לחליל ולאובו משתתפים באותה תו כתוב נראה בבירור שונה לאוזן, אם כי timbre תלוי גם כיצד הקול משתנה לאורך זמן, כפי שנדון להלן.

מה בעצם מתחיל את הרטט

רטט קבוע וקול מוסיקלי לא מתחיל בעצמו — זה צריך מה שחוקרי אקוסטיקה קוראים לזה מנגנון נסיעה לא ליניארי. בנאום המסוכם על ידי American Acoustical Society, הפיזיקאי Thomas Rossing תיאר כיצד החיכוך של קשת על מיתר כמנה, זרימת האוויר דרך קנה קלרינט, וחיקוי שפתי נוגני טרומפט, המרה קלט קבוע — תנועת קשת או נשימה — לתנודה קדימה ואחורה המייצרת קול, בזמן שפשוט הגדלתו בקו ישר.

American Acoustical Society גם מכנה את התצפית העתיקה, שיחס אל Pythagoras, שתווים נשמעים נחמדים יחד כאשר אורכי המיתרים שלהם — ובכך תדרים — קו בקו ביחסי מספר שלם. מיתרים וצינורות אמיתיים חוסרים מעט מהאידיאל הזה, אבל אותו מנגנון לא ליניארי שמתחיל את הרטט גם נוטה למשוך התדרים הטבעיים החופפים במקצת של כלי לרטט בצורה כמעט בדיוק הרמוני.

למה פעמון לא נשמע כמו כמנה

לא כל כלי יוצר הרמוניות מסודרות בנקיבות. American Acoustical Society מציין שפעמונים מתנהגים בצורה כמעט ליניארית בגלל עובי המתכת שהם יוצקו, ולכן ההרמוניות שלהם אינן כפולות פשוטות של מספר שלם של הבסיסי — זה בדיוק מה שנותן לפעמון את הנכס הייחודי שלו בקול צלצול במקום טון מוסיקלי נקי. צלילים, לפי אותו חשבון, מתנודדים בהפרעה בגלל אי-ליניאריות חזקה, מייצרת קול תחנונים מנצנץ דומה לרעש, בעוד שגונים גדולים מסתמכים על הכפלת תדר לא ליניארית כדי ליצור את הקול שלהם הצפוף והמורכב.

כיצד טווח הטון שונה בקבוצות כלים

עיצוב כלי גם קובע את טווח התדרים הבסיסיים שכלי יכול להגיע אליו, וכמה רחוק ההרמוניות שלו משתרעות כלפי מעלה. נתונים ייחוסיים שנאספו על ידי יצרן מיקרופון DPA Microphones למהנדסי הקלטה מפרטים את טווחי התדרים הבסיסיים וגבול תוכן הרמוני משוער עבור מספר כלים נפוצים.

הטבלה מראה למה פסנתר וכמנה יכולים להתפוס טווחי טון חופפים אך עדיין נשמעים מובחנים: מעבר לתו הכתוב עצמו, כל כלי מוסיף התפשטות מיוחדת של אנרגיה הרמונית בתדר גבוה יותר מעליו.

גופי תהודה גורמים לקול להיות חזק מספיק להישמע

מיתר או קנה רוטט לבדם הם קצת מאוד אוויר וכמעט לא יישמעו בעצמם. חומרי Music Acoustics של UNSW מסבירים שגוף הכלי — לוח הגב של כמנה, לוח הקול של גיטרה, או עמוד האוויר בתוך צינור כלי רוח — יש תדרי תהודה משלו המגברים ומעצבים את הרטט, ומקרינים אותו לחדר כקול שניתן לשמוע. המקור היחיד מציין כי בקול אנושי, ההיתרים הקוליים רוטטים כדי לייצר את הטון הגולמי, בעוד שתהודות של עקבות קוליות, המכונות formants, בחירתית מחזקות נתחי תדר מסוימים ליצירת צלילי תנועות וtimbre קול.

Timbre אינה רק רשימה של תדרים

קבוצת Music Acoustics של UNSW מוסיפה כי timbre תלוי מאוד כיצד התו משתנה לאורך זמן, לא רק בספקטרום התדר שלו בנקודה אחת. המעטפה של קול — כמה מהר הקול מגיע לעוצמה מלאה לאחר נתיפת המיתר או לחיצת המקש, כיצד הוא נמשך, וכיצד הוא דוהה — הוא חלק ממה שמאפשר למאזין להכיר בכלי, גם כאשר תוכן תדר מבודד לבדו עלול להיראות דומה על נייר.