Kui enamik inimesi kuuleb sõna " laine ", siis kujutavad nad ette ookeani - lainete veeremist, lainete purunemist, võib-olla isegi surfi suurejoonelist minestamist. Kuid muusika- ja helimaailmas toimivad lained veidi teisiti.

See ei tähenda, et ookeanilainetel ja helilainetel poleks palju ühist. Mõlemad liiguvad läbi ruumi, kannavad energiat ning neid saab mõõta nende suuruse ja kiiruse järgi.

Muidugi on suur erinevus selles, et ookeanilained liiguvad läbi vee, samas kui helilained liiguvad läbi õhu (või mis tahes materjali, mida nad juhtuvad läbima). Ja kui ookeanilainete liikumist on lihtne näha, siis helilained on pisut keerulisemad, nad töötavad mikroskoopilises ruumis.

Nende lainete käitumise tundmine võib olla uskumatult kasulik kõigile, kes töötavad heliga, olgu te siis heliinsener, stuudioehitaja või akustilise töötluse arendaja. Nii et murdkem see kõik võimalikult lihtsalt lahti!

Mis on helilaine?

Põhimõtteliselt on helilaine lihtsalt vibratsioon, mis liigub läbi õhu (või vee või tahke aine. Heli ei ole valiv). See on põhjus, miks me kuuleme kõike, alates muusikast ja häältest kuni öösel toimuvate mürinateni!

Me kirjeldame helilaineid mõne põhilise tunnuse alusel, sealhulgas selle alusel, kui kiiresti nad liiguvad (sagedus), kui suured nad on (amplituud) ja kuidas nad aja jooksul muutuvad. Kuid enne, kui me selle kõigega tutvume, on oluline mõista, et helilained on eriline laine liik, mida nimetatakse pikilaineteks.

Erinevalt ookeanilainetest, mis liiguvad üles ja alla, kui nad liiguvad edasi, lükkab ja tõmbab pikilainetus õhku samas suunas, milles see liigub.

Et kujutleda pikilainetuse toimimist, mõelge pika rea inimeste peale, kes kõik seisavad õlg õla kõrval. Kui esimene inimene kummardub ettepoole ja põrkab järgmisele, ja see inimene teeb sama järgmisele, tekib ahelreaktsioon, nagu õhumolekulid reageerivad helile. See edasi-tagasi liikumine on põhjus, miks heli nimetatakse sageli rõhulaineks.

Kui me räägime helilainetest muusikas ja igapäevaelus, siis räägime tegelikult helirõhulainetest. Need helilained jäävad inimese kuulmispiirkonda, mis on umbes 20 Hz kuni 20 000 Hz. Inimkõrva poolt tajutavatest helidest allpool on infraheli, mis on meie jaoks liiga madal, et seda kuulda, kuid mis on kasulik näiteks maavärinate avastamiseks ja elevantide jälgimiseks (jah, lugesite õigesti). Inimkõrva poolt tajutavast kõrgemal on ultraheli, mida me kasutame kõigeks alates meditsiinilisest pildistamisest kuni ehete puhastamiseni. Nende juurde tuleme kohe tagasi.

Lisaks muusikale on mitmeid tööstusharusid, kus helilained mängivad suurt rolli. Need aitavad arstidel näha inimkeha sisemust ja võimaldavad allveelaevadel vee all navigeerida. Meie kui muusikute ja produtsentide jaoks on need lained aga kõige aluseks, millega me töötame, ning mida paremini me neid mõistame, seda rohkem on meil oma heli üle kontrolli.

Millised on helilaine komponendid?

Helilained võivad tunduda tumeda maagiana, kuid nagu kõik muu füüsika, järgivad ka need teatud reegleid. Igal kuuldud helil on konkreetsed omadused, mis määravad selle käitumise, ja on olemas käputäis põhikomponente, mis kujundavad helilained.

Sagedus

Sagedus on üks suurimaid tegureid, mis kujundab seda, kuidas me heli kuuleme. Lihtsustatult öeldes on see see, kui kiiresti helilaine vibreerib. Me mõõdame seda hertsides (Hz), mis näitab, mitu korda laine ühe sekundi jooksul ringleb.

Mida kiirem on vibratsioon, seda kõrgem on sagedus. Ja sagedus on see, mis määrab helikõrguse. Näiteks klaveri keskmise C-tooni sagedus on umbes 261,6 Hz, mis tähendab, et õhk vibreerib selle noodi tekitamiseks selle kiirusega sekundis. Vahepeal võib madal bassinoot olla umbes 60 Hz ja läbilöögiv koerapill võib tõusta üle 20 000 Hz (mis on mugavalt see, kus inimese kuulmine lõpeb).

Lainepikkus

Lainepikkus (λ) on helilaine suurus - täpsemalt, kui kaugele see ühe täieliku tsükli jooksul jõuab. Kui te külmutaksite helilaine ja venitaksite selle enda ette, oleks lainepikkus vahemaa ühest tipust teise.

Selle väljaselgitamiseks on lihtne valem:

λ=c/f

See tähendab järgmist:

• λ (lainepikkus): Laine ühe täieliku tsükli pikkus
• c (helikiirus): Kui kiiresti liigub heli läbi õhu (toatemperatuuril ligikaudu 343 meetrit sekundis).
• f (sagedus): Kui kiiresti laine vibreerib, mõõdetuna hertsides.

Nii et kui teil on 100 Hz heli, võite selle ühendada:

λ = 343/100 = 3,43 meetrit

See tähendab, et laine on üle 3 meetri pikk!

Kui me nüüd võrdleme seda 1000 Hz heliga:

λ = 343/1000 = 0,343 meetrit.

Nagu näete, on kõrgematel sagedustel lühemad lainepikkused, mistõttu bass (madalad sagedused) tundub suur ja lai, samas kui kõrgsagedused (kõrged sagedused) on fokuseeritumad ja suunatumad.

See on ka põhjus, miks madalad helid võivad läbida seinu, samas kui kõrgemad helid neelduvad või peegelduvad kergemini.

Amplituud

Amplituud tähistab heli võimsust või helitugevust. See on helilaine osa, mis muudab selle valjuks või vaikseks. Tehnilisemalt öeldes näitab see, kui kaugele õhuosakesed oma puhkeasendist tõukuvad, kui helilaine läbib neid. Mida suurem on liikumine, seda tugevam on laine ja seda valjem on heli.

Mõelge sellest nii: kui koputate ettevaatlikult trummi, siis õhk vaevu liigub ja te saate vaikse heli. Kui aga trummi tugevalt lüüa, siis surub ja paisub õhk palju tugevamalt kokku, tekitades valjema heli.

See ongi amplituud tegevuses.

Lainekuju puhul on amplituud laine kõrgus. Kõrgemad lained tähendavad suuremat amplituudi, mida me tajume suurema mahuna. Väiksemad lained tähendavad väiksemat amplituudi, mida me tajume kui vaiksemat heli.

Lisaks helitugevusele mängib aga amplituud rolli ka selles, kuidas heli interaktsioonis ruumiga on, kuidas see füüsiliselt tundub ja isegi kuidas seda muusikas emotsionaalselt tajutakse.

Kiirus

Kui me räägime heli kiirusest (ja mitte vaieldamatult ühest Coldplay parimast loost), siis see on see, kui kiiresti helilained läbi keskkonna liiguvad. Erinevalt valgusest, mis kihutab läbi ruumi raskesti mõistetava kiirusega, vajab heli midagi, mille kaudu liikuda. See võib olla õhk, vesi, metall, mida iganes. Ja sõltuvalt sellest, mis see miski on, muutub ka heli kiirus.

Õhus (toatemperatuuril) liigub heli umbes 343 meetrit sekundis (1,125 jalga sekundis). Kui aga karjuda vee all, liigub heli neli korda kiiremini kui õhus. Ja kui te koputate metalltorule, siis vibratsioon lendab läbi metalli veelgi kiiremini.

Miks see siis juhtub?

See sõltub sellest, kui tihedalt on molekulid erinevates materjalides kokku pandud. Gaasides, näiteks õhus, on molekulid üsna laiali, mistõttu laine läbimine võtab kauem aega. Vedelikes on molekulid tihedamalt koos, mistõttu heli liigub kiiremini. Tahketes ainetes, kus molekulid on tihedalt paigutatud, liigub heli kõige kiiremini.

Sellepärast, kui te panete oma kõrva vastu rongi rööbasteed (ma ei soovita seda teha), kuulete te lähenevat rongi ammu enne, kui heli jõuab teieni läbi õhu. See on ka põhjus, miks heli käitub erinevates keskkondades erinevalt (näiteks kõlab teie hääl paksus udus kummaliselt summutatult, sest õhus olev lisaniiskus muudab helilainete kiirust ja neeldumist).

Abi osatähtsus

Kui amplituud ütleb meile, kui suur on helilaine, siis intensiivsus ütleb meile, kui tugev see on. Täpsemalt öeldes on intensiivsus helilaine võimsus pindalaühiku kohta ja me mõõdame seda vattides ruutmeetri kohta (W/m² ).

Mõelge sellest nagu taskulambist. Hämaram taskulamp levitab väikese energiakoguse üle ala, samas kui suure võimsusega taskulamp paiskab samasse ruumi tonnide kaupa valgust. Heli toimib samamoodi. Mida rohkem energiat on laine sisse pakitud, seda intensiivsem on see.

Intensiivsus on oluline, sest see mängib suurt rolli selles, kuidas me helitugevust tajume. Kui amplituud annab meile laine kõrguse, siis intensiivsus ütleb meile, kui palju kogu energiat edastatakse. Väike kõlar ja staadioni helisüsteem võivad mõlemad toota ühes punktis sama amplituudi, kuid staadionisüsteem jaotab selle energia palju suuremale alale, mistõttu on see palju intensiivsem.

See on ka põhjus, miks kaugus mõjutab seda, kui valjusti midagi kõlab. Kui helilaine levib, väheneb selle intensiivsus, sest energia jaotub suuremale ruumile. Seepärast kõlab kontsert kõlarite lähedal kõrvulukustavalt, kuid kaugemale minnes hääbub.

Faas

Phase vaatab laine ajastust. See näitab, kus helilaine on oma tsüklis igal ajahetkel. Kui te saaksite lainekuju külmutada ja näidata selle konkreetset punkti, siis tuvastaksite selle faasi.

Me mõõdame faasi kraadides, kusjuures üks täielik lainetsükkel on 360°. Laine 0° või 360° juures on oma alguspunktis, samas kui 180° tähendab, et see on poolel teel ja on tagurpidi pööratud.

Kui mitu helilainet suhtlevad, määravad nende faasid, kas nad töötavad koos või üksteise vastu.

Kui kaks identset lainet on faasis (samades punktides), siis tugevdavad nad teineteist, muutes heli tugevamaks. Kui nad aga ei ole faasis, st ühe laine tipp langeb teise laine langusega, siis tühistuvad nad osaliselt või täielikult, mis võib heli vähendada või isegi kõrvaldada.

Faasi tühistamine on iga helitehniku häda. Näiteks kui olete kunagi salvestanud trummikomplekti ja märganud, et snare kõlab kummaliselt hõredalt, võib süüdi olla mikrofonide vaheline faasi tühistamine. See on ka põhjus, miks faasi ümberpööramine mikseril või DAW-s võib mõnikord heli tagasi tuua.

Meil on terve blogi selle kohta, miks faas on muusikas oluline, mida soovitan vaadata, kui soovite rohkem teada saada.

Erinevad helilainete tüübid, mis põhinevad levimisel

Oluline on märkida, et kõik helilained ei liigu ühtemoodi. Kuigi nad kõik kannavad energiat läbi keskkonna, võib nende leviku viis (väljamõeldud termin helilainete liikumise kohta) olla sõltuvalt olukorrast erinev.

Levik on lihtsalt viis, kuidas laine liigub läbi ruumi. Mõned lained lükkavad ja tõmbavad end ühes suunas, samas kui teised liiguvad üles ja alla või levivad keerukates mustrites.

Jaotame helilainete põhitüübid selle põhjal, kuidas nad liiguvad, ja miks see on oluline.

Pikisuunalised lained

Pikilained on igapäevaelus levinud helilainete vorming. Neid määratletakse selle järgi, kuidas nad liiguvad. Õhuosakesed vibreerivad edasi-tagasi samas suunas, milles laine liigub.

Mulle meeldib ette kujutada, kuidas ma surun slinky ühte otsa ettepoole, tõmmates seda tagasi, ja näen, kuidas mähised teatud lõikudes kokku tõmbuvad ja laiali valguvad. Põhimõtteliselt liiguvad pikilained läbi kokkusurumise (kus osakesed surutakse kokku) ja hõrenemise (kus osakesed hajuvad laiali) piirkondade. See pidev tõuke- ja tõmbetsükkel on see, kuidas heli liigub läbi õhu ja jõuab meie kõrvadeni.

Õhus ja vees kuuleme pikilainet, sest neil materjalidel ei ole struktuuri, mis toetaks muud tüüpi lainete liikumist. Kuid need levivad ka läbi tahkete ainete.

Kuna need lained vastutavad peaaegu kogu kuuldud heli eest, on nad kõige keskmes muusikas, alates kitarrikeele vibratsioonist kuni hi-hati krõbeda koputuseni.

Transversaalsed lained

Transversaalsed lained liiguvad veidi teisiti kui nende pikisuunalised sugulased. Selle asemel, et osakesed vibreerivad edasi-tagasi samas suunas kui laine, on transversaalsete lainete liikumine risti laine liikumisteega, mis tähendab, et energia liigub edasi, kuid osakesed liiguvad üles ja alla.

Hea viis seda ette kujutada on köie raputamine. Kui te hoiate ühte otsa ja raputate seda üles ja alla, näete, et lained liiguvad mööda köit, kuid köie tegelik materjal liigub pigem küljelt küljele kui mööda lainepikkust. Nii käituvadki transversaalsed lained.

Peamine erinevus seisneb selles, et põikisuunalised lained esinevad ainult tahketes kehades. See on tingitud sellest, et tahkistel kehadel on vajalik jäik struktuur, mis toetab üles-alla liikumist. Vedelikel ja gaasidel ei ole sellist sisemist takistust.

Kuigi need ei ole osa sellest, kuidas me heli kuuleme, mängivad põiklained suurt rolli meid ümbritsevate materjalide mehaaniliste omaduste mõistmisel. Need ilmnevad seismilises aktiivsuses, tahkete struktuuride vibratsioonis ja isegi instrumentide resonantsis. Kui olete kunagi tundnud, et akustilise kitarri korpus vibreerib, kui mängite nooti, siis tunnete transversaalseid laineid.

Pinnalained

Pinnalained on justkui parimad mõlemast maailmast, ühendades endas nii piki- kui ka põiklainete elemendid. Selle asemel, et liikuda puhtalt edasi-tagasi või üles-alla, tekitavad pinnalained piki kahe erineva materjali vahelist piiri liikudes pigem ringikujulist või veerevat liikumist.

Tulles tagasi ookeanilainete juurde , siis kui laine kalda poole veereb, liigub vesi ringikujuliselt. Pinnalähedased osakesed liiguvad suuremaid ringe, samas kui sügavamal liikuvad osakesed liiguvad vähem. Sama põhimõte kehtib ka muude materjalide pinnalainete puhul, sealhulgas mõnel juhul, kui heli interakteerub tahkete pindadega.

Pinnalainete puhul on oluline see, et nende energia väheneb sügavusega. Mida kaugemale pinnast minnakse, seda väiksemaks muutub laine liikumine. Seetõttu ei tunne süvameresukeldujad sama liikumist, mis viskab paate ülespoole.

Erinevad helilainete tüübid sageduse alusel

Mõned helilained on meile kuuldavad, teised on aga täiesti väljaspool meie leviala. Sageduse alusel jagunevad helilained kolme põhikategooriasse:

• Kuuldavad helilained: Need on sagedused, mida inimesed tegelikult kuulevad. Kõik 20 Hz kuni 20 kHz kuulub sellesse vahemikku. Vanuse kasvades kipub ülemine piir langema, mistõttu mõned kõrgsageduslikud helid on kuuldavad ainult noorematele kõrvadele (ilmselt mäletate oma klassikaaslasi, kes mängivad klassis neid tüütuid sääskede rakendusi, sest õpetaja ei kuulnud neid).
• Infraheli: Need on ülimadalad sagedused alla 20 Hz, mis on inimese kuulmise jaoks liiga sügavad, kuid on siiski väga reaalsed ja võimsad. Infrahelisid kasutatakse maavärinate avastamiseks, vulkaanilise aktiivsuse jälgimiseks ja isegi loomade suhtlemiseks. Näiteks elevandid kasutavad infraheli, et "rääkida" üle pikkade vahemaade. Mõned teadlased seostavad infraheli isegi rahutustundega, mis võib seletada neid "ma vannun, et nägin just kummitust" hetki.
• Ultraheli: Need kõrgsageduslikud helilained üle 20kHz ületavad inimeste kuulmisvõime, kuid neil on hulgaliselt praktilisi rakendusi. Meditsiiniline pildistamine (ultraheliuuringud), sonaritehnoloogia ja isegi mõned kahjurite tõrjevahendid tuginevad ultrahelile. Mõned loomad, näiteks nahkhiired ja delfiinid, kasutavad seda kajaotsinguks, et "näha" viisil, mis on väljaspool meie taju.

Lõplikud mõtted helilainete kohta

Mida saab siis kogu selle uue helilainete kohta saadud teabega teha?

Noh, alustuseks annab helilainete mõistmine teile rohkem kontrolli muusika tootmise, miksimise, salvestamise ja isegi live-heli seadistuste üle. Olenemata sellest, kas te reguleerite ekvalaiserit ja püüate välja selgitada kuuldud lainete sagedust või paigutate mikrofone ja püüate vältida faasi, aitab heli liikumise tundmine teil teha paremaid valikuid.

Tahad lõbusat helilainete eksperimenti?

Proovige järgmist: võtke kõlar, mängige madala sagedusega siinuslaine (umbes 50-100 Hz) ja pange käsi selle lähedale. Tunnete seda vibratsiooni? Nüüd mängige kõrgsageduslikku siinuslainet (5000 Hz või rohkem). Märkate, kuidas vibratsioon hääbub? See ongi lainepikkus ja sagedus. Mida madalam on sagedus, seda pikem on lainepikkus ja seda rohkem liigub see läbi õhu nii, et te seda füüsiliselt tunnete.

Lõppude lõpuks ei ole helilained lihtsalt osa mingist abstraktsest teadusest. Need kujundavad kõike, mida me muusikas kuuleme ja tunneme. Ja mida rohkem sa neid mõistad, seda rohkem saad neid oma tahtmise järgi painutada.