Hoe muziekinstrumenten geluid produceren en hun klank vormen

Trillingen zijn waar elk geluid begint

Volgens de Music Acoustics group van de University of New South Wales, geleid door natuurkundige Joe Wolfe, steunen de meeste instrumenten op resonantie — het vermogen van een fysiek systeem om energie op te slaan in trilling bij een bepaalde frequentie. Een aangetokkelde snaar, een riet dat in een luchtstroom zoemt, of een trommelvel dat door een stok wordt geslagen, beginnen allemaal als een trillerend object dat luchtmoleculen heen en weer duwt, wat drukgolven creëert die naar het oor van een luisteraar als geluid reizen.

Staande golven bepalen de toonhoogte

Binnen een snaar of de buis van een blaasinstrument ontmoeten, zoals de UNSW-groep uitlegt, golven die in tegengestelde richtingen reizen elkaar en combineren zich in een staand golfpatroon, met vaste punten genaamd knopen die nauwelijks bewegen en andere punten genaamd buiken die wijd zwaaien. Omdat een snaar of luchtkolom alleen op deze manier kan trillen bij bepaalde vaste frequenties — bepaald door zijn lengte, spanning of vorm — stelt het instrument zich in op specifieke, herhaalbare toonhoogten in plaats van willekeurig lawaai.

Boventonen geven elk instrument zijn kleur

Een trilende snaar of luchtkolom produceert zelden slechts één frequentie. UNSW's Music Acoustics materialen stellen vast dat het een grondfrequentie plus een reeks harmonischen — hele getalveelvouden van die grondfrequentie — genereert. Als voorbeeld wijst de site erop dat op de C-snaar van een altviool de 7de en 11de harmonischen ongeveer halverwege de noten van de standaard gelijkzwevende stemming vallen, wat illustreert dat echte harmonische reeksen niet perfect overeenkomen met de muziekschaal die muzici daadwerkelijk gebruiken.

De specifieke mengeling van deze boventonen — welke zijn luid, welke zijn zwak — is wat akoestici timbre of toonkleur noemen. Zoals UNSW's Music Acoustics materialen beschrijven, is deze mengeling van boventoonsterkte een belangrijk onderdeel van wat maakt dat een fluit en een hobo die dezelfde geschreven noot spelen duidelijk verschillend voor het oor klinken, hoewel timbre ook afhangt van hoe het geluid in de loop van de tijd verandert, zoals hieronder besproken.

Wat veroorzaakt daadwerkelijk de trilling

Gestage, muzikaal klinkende trilling begint niet vanzelf — het heeft wat akoestische onderzoekers een niet-lineair aandrijfmechanisme noemen. In een voordracht samengevat door de Acoustical Society of America beschreef natuurkundige Thomas Rossing hoe de wrijving van een strijkstok op een violinsnaar, de luchtstroom door een klarinetriet, en de zoemmende lippen van een trombettist een constante input — strijkstok beweging of adem — omzetten in de heen-en-weer-trillingen die geluid produceren, in plaats van het gewoon in een rechte lijn te versterken.

De Acoustical Society of America schrijft ook de oude waarneming toe, teruggevoerd tot Pythagoras, dat noten aangenaam samen klinken als hun snaarlengte — en dus hun frequenties — in hele-getalverhoudingen passen. Echte snaren en buizen wijken licht van dit ideaal af, maar hetzelfde niet-lineaire mechanisme dat de trilling initieert, heeft ook de neiging om de licht misafgestemde natuurlijke frequenties van een instrument naar een bijna exact harmonisch geluid te trekken.

Waarom een klok niet zoals een viool klinkt

Niet elk instrument produceert netjes harmonische boventonen. De Acoustical Society of America merkt op dat klokken zich bijna lineair gedragen vanwege de dikte van het metaal waaruit ze worden gegoten, dus hun boventonen zijn geen eenvoudige hele getalveelvouden van de grondtoon — wat precies geeft aan een klok zijn karakteristieke 'rinkelde' kwaliteit in plaats van een schone muziekale toon. Cymbalen, naar dezelfde verslag, trillen chaotisch vanwege sterke niet-lineariteit, wat hun shimmerende, ruisachtige zising produceert, terwijl grote gongs zich op niet-lineaire frequentievermenigvuldiging verlaten om hun dichte, complexe geluid te genereren.

Hoe het tonenbereik tussen instrumentenfamilies verschilt

Het instrumentontwerp bepaalt ook het bereik van fundamentele toonhoogten dat een instrument kan bereiken, en hoe ver zijn boventonen naar boven reiken. Referentiegegevens verzameld door microfoonvervaardiger DPA Microphones voor opname-engineers geven de volgende fundamentele toonhoogtegebieden en de ongeveer bovengrens van harmonische inhoud voor verscheidene veel voorkomende instrumenten.

De tabel laat zien waarom een piano en een viool overlappende toongebieden kunnen innemen maar toch anders klinken: naast de geschreven noot zelf voegt elk instrument zijn eigen karakteristieke spreiding van hogere-frequentie harmonische energie erbovenop.

Resonantielichamen maken het geluid luid genoeg om te horen

Een trilende snaar of riet alleen verplaatst zeer weinig lucht en zou van zichzelf nauwelijks hoorbaar zijn. UNSW's Music Acoustics materialen leggen uit dat het lichaam van een instrument — de achterkant van een viool, de klankbord van een gitaar, of de luchtkolom in de buis van een blaasinstrument — zijn eigen resonantiefrequenties heeft die de trilling versterken en vormen, wat het de kamer in straalt als hoorbaar geluid. Dezelfde bron merkt op dat bij de menselijke stem de stembanden trillen om de ruwe toon te produceren, terwijl de resonanties van het spraakkanaal, formanten genaamd, bepaalde frequentiebanden selectief versterken om klinkergeluiden en stemtimbre vorm te geven.

Timbre is niet zomaar een lijst met frequenties

UNSW's Music Acoustics groep voegt toe dat timbre sterk afhangt van hoe een noot in de loop van de tijd verandert, niet alleen van zijn frequentiespectrum op een enkel moment. De envelop van een geluid — hoe snel het volledige luidheid bereikt na het aanplukken van de snaar of het inslaan van de toets, hoe het blijft, en hoe het vervalt — is onderdeel van wat luisteraars een instrument kunnen herkennen, zelfs als de geïsoleerde frequentie-inhoud alleen op papier misschien vergelijkbaar zou zien.