Jak instrumenty muzyczne wytwarzają dźwięk i kształtują swój ton

Drżenie jest tym, od czego zaczyna się każdy dźwięk

Według grupy Music Acoustics Uniwersytetu Nowej Południowej Walii, kierowanej przez fizyka Joe Wolfe'a, większość instrumentów zależy od rezonansu — zdolności systemu fizycznego do akumulacji energii w drganiach na określonej częstotliwości. Szarpana struna, trzcinę wibrującą w strumieniu powietrza lub bębenną membranę uderzoną pałeczką — wszystkie zaczynają się od drżącego obiektu, który popycha cząsteczki powietrza do przodu i do tyłu, tworząc fale ciśnienia, które rozchodzą się do ucha słuchacza jako dźwięk.

Fale stojące ustalają wysokość dźwięku

Wewnątrz struny lub tuby instrumentu dętego, jak wyjaśnia grupa UNSW, fale poruszające się w przeciwnych kierunkach spotykają się i łączą w wzór fali stojącej, z ustalonymi punktami zwanymi węzłami, które prawie się nie poruszają, i innymi punktami zwanymi strzępiskami, które drgają szeroko. Ponieważ struna lub kolumna powietrza mogą drgać w ten sposób tylko na określonych ustalonych częstotliwościach — określonych przez jego długość, napięcie lub kształt — instrument ustawia się na określone, powtarzalne wysokości zamiast losowego szumu.

Harmoniczne nadają każdemu instrumentowi jego barwę

Drżąca struna lub kolumna powietrza rzadko wytwarzają tylko jedną częstotliwość. Materiały Music Acoustics UNSW odnotowują, że generuje ona częstotliwość podstawową plus serię harmonicznych — całkowite wielokrotności tej częstotliwości podstawowej. Na przykład, strona wskazuje, że na strunie C altówki 7-ma i 11-ma harmonica przypadają mniej więcej w połowie drogi między nutami standardowej skali równomiernie temperowanej, co ilustruje, że rzeczywiste szeregi harmoniczne nie są idealnie dopasowane do skali muzycznej, którą faktycznie używają muzycy.

Specyficzna mieszanka tych harmonicznych — które są głośne, które są słabe — to właśnie to, co akustycy nazywają barwą lub kolorem tonowym. Jak opisują to materiały Music Acoustics UNSW, ta mieszanka siły harmonicznych jest główną częścią tego, co sprawia, że flet i obój grające na tej samej napisanej nucie brzmią wyraźnie inaczej dla ucha, chociaż barwa zależy również od tego, jak zmienia się dźwięk w czasie, jak omówiono poniżej.

Co naprawdę uruchamia drżenie

Stałe, melodyjne drżenie nie uruchamia się samoczynnie — wymaga tego, co badacze akustyki nazywają nieliniowym mechanizmem napędu. W referacie podsumowanym przez Americańskie Towarzystwo Akustyczne fizyk Thomas Rossing opisał, jak tarcie łuku na strunie skrzypiec, przepływ powietrza przez trzcinę klarnetu i buczące wargi trębacza zamieniają stały wkład — ruch łuku lub oddech — na oscylacje tam i z powrotem, które wytwarzają dźwięk, a nie po prostu skalują go w linii prostej.

Americańskie Towarzystwo Akustyczne przypisuje również starożytną obserwację, datowaną na Pitagorasa, że nuty brzmią przyjemnie razem, gdy ich długości strun — a więc ich częstotliwości — wyrównują się w całkowitych stosunkach liczbowych. Prawdziwe struny i rury nieznacznie odbiegają od tego ideału, ale ten sam nieliniowy mechanizm, który uruchamia drżenie, również ma tendencję do przyciągania nieznacznie niedopasowanych naturalnych częstotliwości instrumentu do niemal dokładnie harmonicznego dźwięku.

Dlaczego dzwon nie brzmi jak skrzypce

Nie każdy instrument wytwarzała schludne harmoniczne. Americańskie Towarzystwo Akustyczne odnotowuje, że dzwony zachowują się w prawie liniowy sposób ze względu na grubość metalu, z którego są odlewane, więc ich harmoniczne nie są prostymi całkowitymi wielokrotnościami fundamentu — dokładnie to, co daje dzwonowi jego charakterystyczną jakość 'dzwoniącą' zamiast czystego tonu muzycznego. Talerze, tym samym sposobem, drgają chaotycznie ze względu na silną nieliniowość, wytwarzając swoje mienące się, hałasowate szmery, podczas gdy duże gong'i polegają na nieliniowym mnożeniu częstotliwości, aby wygenerować swój gęsty, złożony dźwięk.

Jak zakres wysokości różni się w rodzinach instrumentów

Projektowanie instrumentu ustala również zakres podstawowych wysokości, które instrument może osiągnąć, i jak daleko w górę rozciągają się jego harmoniczne. Dane referencyjne zebrane przez producenta mikrofonów DPA Microphones dla inżynierów nagrań zawierają następujące zakresy podstawowych wysokości i przybliżoną górną granicę zawartości harmonicznej dla kilku popularnych instrumentów.

Tabela pokazuje, dlaczego fortepian i skrzypce mogą zajmować nakładające się zakresy wysokości, ale nadal brzmieć inaczej: poza samą zapisaną nutą, każdy instrument dodaje swoją charakterystyczną rozprzestrzenienie wyższej częstotliwości energii harmonicznej na wierzchu.

Resonujące ciała sprawiają, że dźwięk jest wystarczająco głośny, aby go słyszeć

Drżąca sama w sobie struna lub trzcinę poruszają bardzo mało powietrza i ledwie były by słyszalne same w sobie. Materiały Music Acoustics UNSW wyjaśniają, że korpus instrumentu — tylna płyta skrzypiec, deka gitary lub kolumna powietrza wewnątrz otworu instrumentu dętego — ma swoje własne rezonansowe częstotliwości, które wzmacniają i kształtują drżenia, promieniując je do pokoju jako słyszalny dźwięk. To samo źródło odnotowuje, że w ludzkim głosie struny głosowe drżą, aby wytworzyć surowy ton, podczas gdy rezonanse traktu głosowego, zwane formantami, selektywnie wzmacniają określone pasma częstotliwości, aby kształtować dźwięki samogłosek i timbre wokalne.

Barwa nie jest tylko listą częstotliwości

Grupa Music Acoustics UNSW dodaje, że barwa w dużym stopniu zależy od tego, jak nuta zmienia się w czasie, a nie tylko od jej widma częstotliwości w jednej chwili. Obwiednia dźwięku — jak szybko osiąga pełną głośność po szarpnięciu struny lub naciśnięciu klawisza, jak się utrzymuje i jak zanika — to właśnie to, co pozwala słuchaczowi rozpoznać instrument, nawet gdy sama zawartość częstotliwości może wyglądać podobnie na papierze.