Когато повечето хора чуят думата вълна, те си представят океана - вълни, разбиващи се сърфове, а може би и сърфист, който се изтървава по впечатляващ начин. Но в света на музиката и звука вълните действат по малко по-различен начин.

Това не означава, че океанските и звуковите вълни нямат много общо помежду си. И двата вида вълни се движат в пространството, пренасят енергия и могат да бъдат измерени по отношение на техния размер и скорост.

Разбира се, голямата разлика е, че океанските вълни се движат във вода, докато звуковите вълни се движат във въздуха (или в друг материал, през който преминават). И докато при океанските вълни движението им е лесно забележимо, звуковите вълни са малко по-сложни и работят в микроскопичната област.

Познаването на поведението на тези вълни може да бъде изключително полезно за всеки, който работи със звук, независимо дали е аудиоинженер, строител на студио или разработчик на акустични процедури. Така че нека да разбием всичко това по възможно най-простия начин!

Какво представлява звуковата вълна?

В своята същност звуковата вълна е просто вибрация, която се движи във въздуха (или във водата, или в твърдо тяло. Звукът не е придирчив). Това е причината да чуваме всичко - от музика и гласове до неща, които се чуват през нощта!

Описваме звуковите вълни въз основа на няколко основни характеристики, включително колко бързо се движат (честота), колко са големи (амплитуда) и как се променят с течение на времето. Но преди да се заемем с всичко това, е важно да разберем, че звуковите вълни са специален вид вълни, наречени надлъжни вълни.

За разлика от океанските вълни, които се движат нагоре и надолу, докато се движат напред, надлъжната вълна изтласква и издърпва въздуха в същата посока, в която се движи.

За да си представите начина, по който работи надлъжната вълна, си представете дълга редица от хора, застанали рамо до рамо. Ако първият човек се наведе напред и се блъсне в следващия, а той направи същото със следващия, се получава верижна реакция, точно както молекулите на въздуха реагират на звук. Това движение напред-назад е причината звукът често да се нарича вълна на налягането.

Когато говорим за звукови вълни в музиката и в ежедневието, всъщност става дума за вълни на звуково налягане. Тези звукови вълни попадат в обхвата на човешкия слух, който е приблизително от 20 Hz до 20 000 Hz. Под звуците, възприемани от човешкото ухо, се намира инфразвуковият диапазон, който е твърде нисък, за да го чуем, но е полезен за неща като откриване на земетресения и проследяване на слонове (да, правилно прочетохте). Над обхвата на човешкото ухо е ултразвукът, който използваме за всичко - от медицински изображения до почистване на бижута. Ще се върнем към тях след малко.

Освен в музиката, има няколко индустрии, в които звуковите вълни играят голяма роля. Те помагат на лекарите да виждат вътрешността на човешкото тяло и позволяват на подводниците да се движат под вода. Но за нас, музикантите и продуцентите, тези вълни са в основата на всичко, с което работим, и колкото по-добре ги разбираме, толкова по-голям контрол имаме върху звука си.

Какви са компонентите на звуковата вълна?

Звуковите вълни може да изглеждат като тъмна магия, но както всичко останало във физиката, те се подчиняват на определен набор от правила. Всеки звук, който чуваме, има специфични черти, които определят поведението му, и има няколко ключови компонента, които оформят звуковите вълни.

Честота

Честотата е един от най-важните фактори, които определят начина, по който чуваме звука. Казано по-просто, това е колко бързо вибрира звуковата вълна. Измерваме я в херцове (Hz), които ни казват колко пъти вълната циклира за една секунда.

Колкото по-бърза е вибрацията, толкова по-висока е честотата. А честотата определя височината на звука. Например средното до на пиано има честота около 261,6 Hz, което означава, че въздухът вибрира с тази скорост в секунда, за да произведе нотата. В същото време ниската басова нота може да е с честота около 60 Hz, а пронизителната кучешка свирка може да се извиси над 20 000 Hz (което удобно е мястото, където човешкият слух се изчерпва).

Дължина на вълната

Дължината на вълната (λ) е размерът на звуковата вълна - по-точно колко разстояние изминава тя за един пълен цикъл. Ако замразите звукова вълна и я разтегнете пред себе си, дължината на вълната ще бъде разстоянието от единия до другия връх.

Има проста формула за определяне на това:

λ=c/f

Ето какво означава това:

• λ (дължина на вълната): Дължината на един пълен цикъл на вълната
• c (скорост на звука): Колко бързо се движи звукът във въздуха (приблизително 343 метра в секунда при стайна температура).
• f (честота): Колко бързо вибрира вълната, измерва се в херцове.

Така че, ако имате звук с честота 100 Hz, можете да го включите:

λ = 343/100 = 3,43 метра

Това означава, че вълната е дълга над 3 метра!

Ако сравним това със звук с честота 1000 Hz:

λ = 343/1000 = 0,343 метра

Както можете да видите, по-високите честоти имат по-къса дължина на вълната, поради което басът (ниските честоти) се усеща голям и широк, докато високите честоти (високите честоти) са по-фокусирани и насочени.

Това е и причината, поради която нискочестотните звуци могат да преминават през стените, докато по-високочестотните звуци са склонни да се поглъщат или отразяват по-лесно.

Амплитуда

Амплитудата представлява силата или силата на звука. Това е частта от звуковата вълна, която я прави силна или слаба. По-технически, тя представлява колко далеч се изтласкват въздушните частици от позицията им на покой, когато звуковата вълна преминава през тях. Колкото по-голямо е движението, толкова по-силна е вълната и толкова по-силен е звукът.

Помислете за това така: ако леко почукате по барабан, въздухът почти не се движи и се получава тих звук. Но ако ударите барабана със сила, въздухът се компресира и разширява много по-силно, създавайки по-силни звуци.

Това е амплитуда в действие.

В една форма на вълна амплитудата е височината на вълната. По-високите вълни означават по-висока амплитуда, която възприемаме като по-голям обем. По-малките вълни означават по-ниска амплитуда, която възприемаме като по-тих звук.

Освен за силата на звука обаче амплитудата играе роля и за начина, по който звукът взаимодейства с пространството, за физическото усещане и дори за емоционалното възприемане на музиката.

Скорост

Когато говорим за скоростта на звука (а не за една от най-добрите песни на Coldplay), това е скоростта, с която звуковите вълни преминават през дадена среда. За разлика от светлината, която преминава през пространството със скорост, трудна за разбиране, звукът се нуждае от нещо, през което да премине. Това може да бъде въздух, вода, метал, каквото се сетите. И в зависимост от това какво е това нещо, скоростта на звука се променя.

Във въздуха (при стайна температура) звукът се движи със скорост около 343 метра в секунда (1 125 фута в секунда ). Но ако викате под вода, звукът се разпространява четири пъти по-бързо, отколкото във въздуха. А ако почукате по метална тръба, вибрациите преминават през метала още по-бързо.

И така, защо се случва това?

Това зависи от това колко плътно са разположени молекулите в различните материали. В газове като въздуха молекулите са доста разпръснати, така че преминаването на вълната отнема повече време. В течностите молекулите са по-близо една до друга, така че звукът се движи по-бързо. В твърдите тела, където молекулите са плътно подредени, звукът се движи най-бързо.

Ето защо, ако допрете ухото си до влакова релса (не ви препоръчвам това), ще чуете идващия влак много преди звукът да достигне до вас през въздуха. Това е и причината звукът да се държи по различен начин в различни среди, като например как гласът ви звучи странно заглушен в гъста мъгла, тъй като допълнителната влага във въздуха променя скоростта и поглъщането на звуковите вълни).

Интензивност

Ако амплитудата ни показва колко голяма е звуковата вълна, интензивността ни показва колко силна е тя. По-конкретно, интензивността е количеството енергия, което звуковата вълна носи на единица площ, и се измерва във ватове на квадратен метър (W/m²).

Мислете за него като за фенерче. Слабото фенерче разпръсква малко количество енергия върху дадена площ, докато мощното фенерче излъчва тонове светлина в същото пространство. Звукът работи по същия начин. Колкото повече енергия е събрана в една вълна, толкова по-интензивна е тя.

Интензивността е от значение, тъй като играе огромна роля за начина, по който възприемаме силата на звука. Докато амплитудата ни дава информация за височината на вълната, интензивността ни показва колко обща енергия се доставя. Малък високоговорител и озвучителна система на стадион могат да създават една и съща амплитуда в една точка, но системата на стадиона разпределя тази енергия на много по-голяма площ, което я прави много по-интензивна.

Затова и разстоянието влияе на силата на звука. Когато звуковата вълна се разпространява, нейният интензитет намалява, тъй като енергията се разпределя в по-голямо пространство. Ето защо концертът звучи оглушително близо до високоговорителите, но колкото по-назад се отдалечавате, толкова по-слабо.

Фаза

Фазата разглежда времето на дадена вълна. Това е мястото, където звуковата вълна се намира в своя цикъл във всеки един момент. Ако можете да замразите формата на вълната и да посочите определено място върху нея, ще определите нейната фаза.

Фазата се измерва в градуси, като един пълен вълнови цикъл е 360°. Вълна на 0° или 360° е в началната си точка, докато 180° означава, че е на половината път и се е обърнала с главата надолу.

Когато няколко звукови вълни си взаимодействат, техните фази определят дали работят заедно или една срещу друга.

Ако две еднакви вълни са във фаза (подредени в едни и същи точки), те се усилват взаимно, което прави звука по-силен. Ако обаче не са във фаза, т.е. върхът на едната вълна се намира в една линия с падането на другата, те частично или напълно се изключват, което може да намали или дори да премахне звука.

Фазовото отменяне е проклятието на всеки аудиоинженер. Например, ако някога сте записвали комплект барабани и сте забелязали, че барабанът звучи странно тънко, виновник за това може да е фазовото отместване между микрофоните. Това е и причината, поради която обръщането на фазата на миксера или DAW понякога може да върне живота на звука.

Имаме цял блог за това защо фазите са важни в музиката, който препоръчвам да разгледате, ако искате да научите повече.

Различни видове звукови вълни в зависимост от разпространението

Важно е да се отбележи, че не всички звукови вълни се движат по един и същи начин. Въпреки че всички те пренасят енергия през дадена среда, начинът им на разпространение (модерен термин за начина, по който звуковите вълни се движат) може да бъде различен в зависимост от ситуацията.

Разпространението е просто начинът, по който вълната се движи в пространството. Някои вълни се изтласкват и дърпат в същата посока, в която се движат, докато други се движат нагоре-надолу или се разпространяват в сложни модели.

Нека да разделим основните видове звукови вълни според начина им на движение и защо това е важно.

Надлъжни вълни

Надлъжните вълни са основният формат на звуковите вълни в ежедневието. Те се определят от начина, по който се движат. Въздушните частици вибрират напред и назад в същата посока, в която се движи вълната.

Обичам да си представям как избутвам единия край на слинки напред, а другия го дърпам назад и виждам как намотките се навиват и разстилат в определени участъци. По същество надлъжните вълни се движат през зони на компресия (където частиците се притискат една към друга) и разреждане (където частиците се раздалечават). Този постоянен цикъл на изтласкване и изтегляне е начинът, по който звукът се движи във въздуха и достига до ушите ни.

Във въздуха и водата чуваме надлъжни вълни, тъй като тези материали нямат структура, която да поддържа други видове вълнови движения. Но те преминават и през твърди тела.

Тъй като тези вълни са отговорни за почти всички звуци, които чуваме, те са в основата на всичко в музиката - от вибрациите на струната на китарата до хрупкавото почукване на хай-хета.

Напречни вълни

Трансверзалните вълни се движат по малко по-различен начин от надлъжните си братовчеди. Вместо частиците да вибрират напред-назад в същата посока като вълната, напречните вълни се характеризират с движение, което е перпендикулярно на пътя на вълната, което означава, че енергията се движи напред, но частиците се движат нагоре-надолу.

Добър начин да си представите това е като разклатите въже. Ако държите единия му край и го разклащате нагоре-надолу, ще видите вълни, които се движат по въжето, но действителният материал на въжето се движи настрани, а не по дължината на вълната. Ето как се държат напречните вълни.

Основната разлика е, че напречните вълни се появяват само в твърди тела. Това е така, защото твърдите тела имат необходимата твърда структура, за да поддържат движението нагоре-надолу. Течностите и газовете нямат такова вътрешно съпротивление.

Въпреки че не са част от начина, по който чуваме звука, напречните вълни играят огромна роля в разбирането на механичните свойства на материалите в заобикалящия ни свят. Те се проявяват в сеизмичната активност, вибрациите в твърдите структури и дори в резонирането на инструментите. Ако някога сте усещали как корпусът на акустична китара вибрира, когато свирите нота, значи сте се сблъскали с напречните вълни в действие.

Повърхностни вълни

Повърхностните вълни са най-доброто от двата свята, като съчетават елементите на надлъжните и напречните вълни. Вместо да се движат само напред-назад или нагоре-надолу, повърхностните вълни създават по-скоро кръгово или търкалящо се движение, докато се движат по границата между два различни материала.

Ако се върнем към океанските вълни , когато вълната се търкаля към брега, водата се движи в кръг. Частиците в близост до повърхността се движат в по-големи кръгове, докато тези по-надолу се движат по-малко. Същият принцип се прилага за повърхностните вълни в други материали, включително в някои случаи, когато звукът взаимодейства с твърди повърхности.

Основното при повърхностните вълни е, че енергията им намалява с дълбочината. Колкото по-далеч се отдалечавате от повърхността, толкова по-малка става силата на движение на вълната. Ето защо дълбоководните гмуркачи не усещат същото движение, което подхвърля лодките нагоре.

Различни видове звукови вълни в зависимост от честотата

Някои звукови вълни можем да чуем, докато други са напълно извън нашия обхват. В зависимост от честотата звуковите вълни се разделят на три основни категории:

• Чуваеми звукови вълни: Това са честотите, които хората действително могат да чуят. Всичко от 20 Hz до 20 kHz попада в този диапазон. С напредването на възрастта горната граница има тенденция да спада, поради което някои високочестотни звуци се чуват само от по-младите уши (сигурно си спомняте как съучениците ви пускаха онези досадни приложения за комари в клас, защото учителят не можеше да ги чуе)
• Инфразвук: Това са свръхниски честоти под 20 Hz, които са твърде дълбоки за човешкия слух, но все пак са много реални и мощни. Инфразвукът се използва за откриване на земетресения, наблюдение на вулканичната дейност и дори за комуникация с животни. Слоновете например използват инфразвук, за да "разговарят" на големи разстояния. Някои изследователи дори свързват инфразвука с чувството на безпокойство, което би могло да обясни моментите от типа "Кълна се, че току-що видях призрак".
• Ултразвук: Тези високочестотни звукови вълни с честота над 20 kHz са отвъд това, което хората могат да чуят, но имат множество практически приложения. Медицинските изображения (ултразвуково сканиране), сонарните технологии и дори някои средства за борба с вредители разчитат на ултразвук. Някои животни, като прилепите и делфините, го използват за ехолокация, за да "виждат" по начини, които са отвъд нашето възприятие.

Заключителни мисли за звуковите вълни

И така, какво можете да направите с цялата тази новооткрита информация за звуковите вълни?

Като начало, разбирането на звуковите вълни ви дава повече контрол върху музикалното производство, смесването, записването и дори върху настройките за звук на живо. Независимо дали настройвате еквалайзера и се опитвате да разберете честотата на вълните, които чувате, или поставяте микрофони и се опитвате да избегнете фазата, познаването на движението на звука ви помага да правите по-добри избори.

Искате да направите забавен експеримент със звукови вълни?

Опитайте следното: вземете високоговорител, пуснете синусоидална вълна с ниска честота (около 50-100 Hz) и поставете ръката си близо до него. Чувствате ли тази вибрация? Сега пуснете високочестотна синусоидална вълна (5000 Hz или повече). Забележете как вибрациите отслабват? Това са дължината на вълната и честотата в действие. Колкото по-ниска е честотата, толкова по-голяма е дължината на вълната и толкова повече тя се движи във въздуха по начин, който можете да усетите физически .

В края на краищата звуковите вълни не са просто част от някаква абстрактна наука. Те формират всичко, което чуваме и усещаме в музиката. И колкото повече ги разбирате, толкова повече можете да ги подчините на волята си.