楽器がどのように音を生み出し、音色を形成するか

振動はすべての音が始まる場所です

ニューサウスウェールズ大学の音響学グループ（物理学者ジョー・ウルフが率いる）によると、ほとんどの楽器は共鳴に依存しています。これは、物理システムが特定の周波数で振動にエネルギーを蓄える能力です。弾かれた弦、空気流の中で振動するリード、または棒で叩かれたドラムスキンはすべて、空気分子を前後に押す振動する物体として始まり、リスナーの耳に音として移動する圧力波を生成します。

定常波が音の高さを決定します

弦またはウインド楽器のチューブ内では、UNSWグループによれば、反対方向に移動する波が出会い、定常波パターンに組み合わさります。このパターンには、ほぼ動かない固定点（ノード）と広くスイングする他の点（アンチノード）があります。弦または空気柱は、特定の固定周波数でのみこのように振動することができます。これはその長さ、張力、または形状によって決定されるため、楽器はランダムなノイズではなく、特定の反復可能な音の高さに落ち着きます。

倍音は各楽器に色を与えます

振動する弦または空気柱はめったに1つの周波数だけを生成しません。UNSWの音響学資料によれば、それは基本周波数とその基本の一連の高調波（整数倍）を生成します。例として、サイトは、ビオラのC弦では、7番目と11番目の高調波が標準的な同等の気質スケールの音符のほぼ中点に落ちることを指摘しており、実際の高調波級数は音楽家が実際に使用する音楽スケールに完全には一致していないことを示しています。

これらの倍音の特定のブレンド（どれが大きく、どれが弱いか）は、アコースティシャンが音色または音の色と呼ぶものです。UNSWの音響学資料で説明されているように、この倍音強度の混合は、フルートとオーボエが同じ書かれた音符を再生しても、耳には明らかに異なって聞こえる理由の大きな部分です。ただし、音色は以下で説明されているように、音がどのように時間とともに変わるかにも依存します。

実際に振動を開始させるもの

定常で音楽的に聞こえる振動は自分自身では開始されません。それはアコースティック研究者が非線形駆動メカニズムと呼ぶものが必要です。アメリカ音響学会によって要約された講演で、物理学者トーマス・ロッシングは、バイオリン弦上の弓の摩擦、クラリネットリードを通る気流、およびトランペットプレイヤーの振動する唇がすべて、定常入力（弓の動きまたは呼吸）を直線的にスケールするのではなく、前後の振動に変換する方法を説明しました。これは音を生成します。

アメリカ音響学会はまた、ピタゴラスに遡る古い観察を認識しており、弦の長さ、つまりそれらの周波数が整数比で並ぶ場合、音符は一緒に心地よく聞こえます。実際の弦とパイプはこの理想から少し逸脱していますが、振動を開始する同じ非線形メカニズムも、楽器のわずかに不一致な自然周波数をほぼ正確に調和音に引き込む傾向があります。

ベルがバイオリンのように聞こえない理由

すべての楽器がきちんとした調和倍音を生成するわけではありません。アメリカ音響学会は、ベルが鋳造されている金属の厚さのために、ほぼ線形の方法で振動することに注意しており、それらの倍音は基本の単純な整数倍ではなく、これはベルに清潔な音楽的な音ではなく、特有の「カン」の品質を与えるものです。シンバルは同じ理由で、強い非線形性のために混沌として振動し、その光沢のある、ノイズのような「シュー」を生成します。大きなゴングは、非線形周波数乗算に依存して、それらの密で複雑な音を生成します。

楽器族間でピッチ範囲がどのように異なるか

楽器の設計はまた、楽器が到達できる基本周波数の範囲、および倍音がどれだけ上向きに広がるかも確定します。マイクロフォンメーカーのDPA Microphonesが記録エンジニアのために編集したリファレンスデータは、いくつかの一般的な楽器に対して以下の基本周波数範囲と高調波含有量の概算上限を示しています。

表は、ピアノとバイオリンが重なるピッチ範囲を占めることができるのに、なぜそれでも区別して聞こえるのかを示しています。書かれた音符そのものを超えて、各楽器はその上に独自の特性のより高い周波数の高調波エネルギーの広がりを追加します。

共鳴する本体が音を聞こえるほど大きくします

単独で振動する弦またはリードは空気をほとんど動かさず、それ自体では聞こえないほどです。UNSWの音響学資料によれば、楽器の本体（バイオリンの背板、ギターのサウンドボード、またはウインド楽器のボアの内部の空気柱）には独自の共鳴周波数があり、これが振動を増幅して形作り、部屋に聞こえる音として放射します。同じソースは、人間の声では、声帯が振動して生の音色を生成し、音声管の共鳴（フォルマント）は特定の周波数帯を選択的に増強して、母音音とボーカル音色を形成することに注意しています。

音色は周波数のリストだけではありません

UNSWの音響学グループは、音色が、単一の瞬間での周波数スペクトルだけでなく、音がどのように時間とともに変わるかに大きく依存することを追加しています。音の包絡線（弦が弾かれた後またはキーが押された後、フルボリュームにどれだけ速く到達するか、それがどのように持続し、どのように消え去るか）は、リスナーが楽器を認識できるようにすることの一部です。紙の上の周波数含有量だけが似ているように見えるかもしれませんが、隔離された場合でさえです。