Kun useimmat ihmiset kuulevat sanan aalto, he kuvittelevat valtameren - rullaavat aallot, ryöppyävät aallot, ehkä jopa surffaajan, joka pyyhkäisee ulos näyttävästi. Musiikin ja äänen maailmassa aallot toimivat kuitenkin hieman eri tavalla.

Tämä ei tarkoita sitä, etteikö valtameren aalloilla ja ääniaalloilla olisi paljon yhteistä. Molemmat liikkuvat avaruudessa, kuljettavat energiaa ja niitä voidaan mitata niiden koon ja nopeuden perusteella.

Suuri ero on tietysti siinä, että valtameren aallot kulkevat veden läpi, kun taas ääniaallot kulkevat ilmassa (tai missä tahansa materiaalissa, jonka läpi ne sattuvat kulkemaan). Ja kun valtameren aaltojen liike on helppo havaita, ääniaallot ovat hieman monimutkaisempia ja toimivat mikroskooppisen pienessä mittakaavassa.

Näiden aaltojen käyttäytymisen tunteminen voi olla uskomattoman hyödyllistä kaikille, jotka työskentelevät äänen parissa, olitpa sitten ääni-insinööri, studiorakentaja tai akustisen käsittelyn kehittäjä. Kerrataanpa siis kaikki yksinkertaisimmalla mahdollisella tavalla!

Mikä on ääniaalto?

Pohjimmiltaan ääniaalto on vain värähtelyä, joka liikkuu ilmassa (tai vedessä tai kiinteässä aineessa. Ääni ei ole nirso). Sen vuoksi kuulemme kaiken musiikista, äänistä ja yöllä tapahtuvista äänistä!

Kuvaamme ääniaaltoja muutamien keskeisten ominaisuuksien perusteella, kuten kuinka nopeasti ne liikkuvat (taajuus), kuinka suuria ne ovat (amplitudi) ja kuinka ne muuttuvat ajan myötä. Mutta ennen kuin pääsemme tähän kaikkeen, on tärkeää ymmärtää, että ääniaallot ovat erityyppisiä aaltoja, joita kutsutaan pitkittäisaalloiksi.

Toisin kuin valtameren aallot, jotka liikkuvat ylös ja alas eteenpäin, pitkittäisaalto työntää ja vetää ilmaa samaan suuntaan kuin se kulkee.

Voit kuvitella, miten pitkittäisaalto toimii, kun ajattelet pitkää riviä ihmisiä, jotka seisovat kaikki olkapää vastakkain. Jos ensimmäinen henkilö nojaa eteenpäin ja törmää seuraavaan, ja tämä tekee saman seuraavalle, syntyy ketjureaktio, aivan kuten ilmamolekyylit reagoivat ääneen. Tämän edestakaisen liikkeen vuoksi ääntä kutsutaan usein paineaalloksi.

Kun puhumme ääniaalloista musiikissa ja jokapäiväisessä elämässä, puhumme oikeastaan äänenpaineaalloista. Nämä ääniaallot laskeutuvat ihmisen kuuloalueelle, joka on noin 20 Hz - 20 000 Hz. Ihmiskorvan havaitsemien äänien alapuolella on infraäänialue, joka on liian matala meidän kuultavaksemme, mutta josta on hyötyä esimerkiksi maanjäristysten havaitsemisessa ja norsujen jäljittämisessä (kyllä, luit oikein). Ihmiskorvan kuuloalueen yläpuolella on ultraääni, jota käytämme kaikkeen lääketieteellisestä kuvantamisesta korujen puhdistamiseen. Palaamme niihin hetken kuluttua.

Musiikin lisäksi on useita teollisuudenaloja, joilla ääniaalloilla on suuri merkitys. Ne auttavat lääkäreitä näkemään ihmiskehon sisälle ja mahdollistavat sukellusveneiden navigoinnin veden alla. Meille muusikoille ja tuottajille nämä aallot ovat kuitenkin kaiken työskentelymme perusta, ja mitä paremmin ymmärrämme niitä, sitä paremmin voimme hallita ääntä.

Mitkä ovat ääniaallon osatekijät?

Ääniaallot saattavat vaikuttaa pimeältä taikuudelta, mutta aivan kuten mikä tahansa fysiikan osa-alue, ne noudattavat tiettyjä sääntöjä. Jokaisella kuulemallamme äänellä on tiettyjä piirteitä, jotka määrittävät sen käyttäytymisen, ja ääniaaltoja muokkaavat kourallinen keskeisiä komponentteja.

Taajuus

Taajuus on yksi suurimmista tekijöistä, jotka vaikuttavat siihen, miten kuulemme äänen. Yksinkertaisesti sanottuna se on se, kuinka nopeasti ääniaalto värähtelee. Mittaamme sen hertseinä (Hz), jotka kertovat, kuinka monta kertaa aalto kiertää sekunnissa.

Mitä nopeampi värähtely, sitä korkeampi taajuus. Ja taajuus määrittää sävelkorkeuden. Esimerkiksi pianon keskimmäisen C:n taajuus on noin 261,6 Hz, mikä tarkoittaa, että ilma värähtelee kyseisellä nopeudella sekunnissa sävelen tuottamiseksi. Matalan bassotoinnin taajuus voi olla noin 60 Hz, ja läpitunkeva koirapilli voi nousta yli 20 000 Hz:n taajuuteen (mikä on sopivasti se, missä ihmisen kuulo loppuu).

Aallonpituus

Aallonpituus (λ) on ääniaallon koko - tarkemmin sanottuna se, kuinka pitkän matkan se kulkee yhdessä täydessä syklissä. Jos jäädytät ääniaallon ja venytät sen eteesi, aallonpituus on etäisyys yhdestä huipusta seuraavaan.

Tämän selvittämiseen on yksinkertainen kaava:

λ=c/f

Tämä tarkoittaa seuraavaa:

• λ (aallonpituus): Aallon yhden täyden jakson pituus
• c (äänen nopeus): (noin 343 metriä sekunnissa huoneenlämpötilassa).
• f (taajuus): Kuinka nopeasti aalto värähtelee, mitattuna hertseinä.

Jos sinulla on siis 100 Hz:n ääni, voit liittää sen:

λ = 343/100 = 3,43 metriä

Se tarkoittaa, että aalto on yli 3 metriä pitkä!

Jos verrataan tätä 1000 Hz:n ääneen, -

λ = 343/1000 = 0,343 metriä.

Kuten näet, korkeammilla taajuuksilla on lyhyemmät aallonpituudet, minkä vuoksi basso (matalat taajuudet) tuntuu isolta ja laajalta, kun taas diskantti (korkeat taajuudet) on keskitetympi ja suuntautuneempi.

Tästä syystä matalat äänet voivat kulkea seinien läpi, kun taas korkeammat äänet vaimentuvat tai heijastuvat helpommin.

Amplitudi

Amplitudi edustaa äänen voimakkuutta tai äänenvoimakkuutta. Se on se osa ääniaaltoa, joka tekee siitä voimakkaan tai hiljaisen. Teknisesti ottaen se kuvaa sitä, kuinka kauas ilmahiukkaset työntyvät lepoasennostaan, kun ääniaalto kulkee niiden läpi. Mitä suurempi liike, sitä voimakkaampi aalto ja sitä kovempi ääni.

Ajattele asiaa näin: jos napautat varovasti rumpua, ilma tuskin liikkuu, ja saat aikaan hiljaisen äänen. Mutta jos rumpua lyödään voimalla, ilma tiivistyy ja laajenee paljon voimakkaammin, jolloin ääni on kovempi.

Se on amplitudi toiminnassa.

Aaltomuodossa amplitudi on aallon korkeus. Korkeammat aallot merkitsevät suurempaa amplitudia, jonka koemme suuremmaksi tilavuudeksi. Pienemmät aallot merkitsevät matalampaa amplitudia, jonka kuulemme hiljaisempana äänenä.

Äänenvoimakkuuden lisäksi amplitudi vaikuttaa kuitenkin myös siihen, miten ääni on vuorovaikutuksessa tilan kanssa, miltä se tuntuu fyysisesti ja jopa siihen, miten se koetaan musiikissa emotionaalisesti.

Nopeus

Kun puhumme äänen nopeudesta (eikä se ole kiistatta yksi Coldplayn parhaista kappaleista), se tarkoittaa sitä, kuinka nopeasti ääniaallot kulkevat väliaineen läpi. Toisin kuin valo, joka kulkee avaruuden läpi vaikeasti hahmotettavilla nopeuksilla, ääni tarvitsee jotakin, jonka läpi se voi kulkea. Se voi olla ilmaa, vettä, metallia tai mitä tahansa. Äänen nopeus muuttuu sen mukaan, mitä se on.

Ilmassa (huoneenlämmössä) ääni liikkuu noin 343 metriä sekunnissa (1 125 jalkaa sekunnissa). Mutta jos huudat veden alla, ääni kulkee neljä kertaa nopeammin kuin ilmassa. Ja jos napautat metalliputkea, värähtely kulkee metallin läpi vielä nopeammin.

Miksi näin tapahtuu?

Kyse on siitä, kuinka tiiviisti molekyylit ovat pakkautuneet eri materiaaleissa. Kaasuissa, kuten ilmassa, molekyylit ovat melko hajallaan, joten aallon läpimeno kestää kauemmin. Nesteissä molekyylit ovat lähempänä toisiaan, joten ääni liikkuu nopeammin. Kiinteissä aineissa, joissa molekyylit ovat tiiviisti pakkautuneet, ääni liikkuu nopeimmin.

Siksi jos laitat korvasi junaraiteita vasten (en suosittele tätä), kuulet vastaantulevan junan kauan ennen kuin ääni saavuttaa sinut ilman kautta. Sen vuoksi ääni käyttäytyy eri tavoin eri ympäristöissä, esimerkiksi äänesi kuulostaa oudon vaimealta sakeassa sumussa, koska ilmassa oleva ylimääräinen kosteus muuttaa ääniaaltojen nopeutta ja absorptiota).

Tuen intensiteetti

Jos amplitudi kertoo, kuinka suuri ääniaalto on, intensiteetti kertoo, kuinka voimakas se on. Tarkemmin sanottuna intensiteetti on ääniaallon kuljettama teho pinta-alayksikköä kohti, ja se mitataan watteina neliömetriä kohti (W/m²).

Ajattele sitä kuin taskulamppua. Himmeä taskulamppu levittää pienen määrän energiaa alueelle, kun taas tehokas taskulamppu levittää valoa tonneittain samaan tilaan. Ääni toimii samalla tavalla. Mitä enemmän energiaa aaltoon on pakattu, sitä voimakkaampi se on.

Intensiteetillä on merkitystä, koska sillä on suuri merkitys siihen, miten havaitsemme äänekkyyden. Amplitudi kertoo aallon korkeuden, mutta intensiteetti kertoo, kuinka paljon kokonaisenergiaa ääni tuottaa. Pieni kaiutin ja stadionin äänentoistojärjestelmä saattavat molemmat tuottaa saman amplitudin yhdessä pisteessä, mutta stadionin järjestelmä jakaa tuon tehon paljon laajemmalle alueelle, mikä tekee siitä paljon voimakkaamman.

Tämän vuoksi etäisyys vaikuttaa myös siihen, kuinka kovalta jokin ääni kuulostaa. Kun ääniaalto leviää, sen voimakkuus vähenee, koska energia jakautuu laajemmalle alueelle. Siksi konsertti kuulostaa kuurouttavalta lähellä kaiuttimia, mutta vaimenee, mitä kauemmas etäännyt.

Vaihe

Phase tarkastelee aallon ajoitusta. Se kertoo, missä vaiheessa ääniaalto on syklissään tiettynä hetkenä. Jos aaltomuoto voidaan pysäyttää ja osoittaa tiettyyn kohtaan siinä, tunnistetaan sen vaihe.

Mittaamme vaiheen asteina, jolloin yksi täydellinen aaltojakso on 360°. Aalto 0°:ssa tai 360°: ssa on alkupisteessään, kun taas 180° tarkoittaa, että aalto on puolivälissä ja on kääntynyt ylösalaisin.

Kun useat ääniaallot ovat vuorovaikutuksessa keskenään, niiden vaiheet määräävät, toimivatko ne yhdessä vai toisiaan vastaan.

Jos kaksi identtistä aaltoa on samassa vaiheessa (samoissa kohdissa), ne vahvistavat toisiaan, jolloin ääni voimistuu. Jos ne ovat kuitenkin erivaiheisia, eli yhden aallon huippu on samassa linjassa toisen aallon laskun kanssa, ne kumoavat toisen aallon osittain tai kokonaan, mikä voi heikentää ääntä tai jopa poistaa sen.

Vaiheen kumoaminen on kaikkien ääniteknikkojen kirous. Jos olet esimerkiksi joskus nauhoittanut rumpukomppaniaa ja huomannut, että snare-ääni kuulostaa oudon ohuelta, syyllinen voi olla mikrofonien välinen vaiheen kumoaminen. Siksi myös vaiheen kääntäminen mikserissä tai DAW:ssä voi joskus herättää äänen henkiin.

Meillä on kokonainen blogi siitä, miksi vaiheet ovat tärkeitä musiikissa, ja suosittelen tutustumaan siihen, jos haluat lisätietoja.

Ääniaaltojen eri tyypit leviämisen perusteella

On tärkeää huomata, että kaikki ääniaallot eivät liiku samalla tavalla. Vaikka ne kaikki kuljettavat energiaa väliaineen läpi, niiden etenemistapa (hieno termi sille, miten ääniaallot etenevät) voi olla erilainen tilanteesta riippuen.

Leviäminen on vain tapa, jolla aalto liikkuu avaruudessa. Jotkin aallot työntävät ja vetävät samaan suuntaan, kun taas toiset aallot liikkuvat ylös ja alas tai leviävät monimutkaisiin kuvioihin.

Jaottelemme ääniaaltojen päätyypit sen mukaan, miten ne liikkuvat, ja miksi sillä on merkitystä.

Pituussuuntaiset aallot

Pitkittäisaallot ovat ääniaaltojen yleisin muoto jokapäiväisessä elämässä. Ne määritellään sen mukaan, miten ne liikkuvat. Ilmahiukkaset värähtelevät edestakaisin samaan suuntaan kuin aalto kulkee.

Kuvittelen mielelläni, että työnnän slinkyn toista päätä eteenpäin ja vedän sitä taaksepäin, ja näen, kuinka käämit kasaantuvat ja leviävät tietyissä kohdissa. Pitkittäisaallot liikkuvat periaatteessa alueilla, joilla tapahtuu puristusta (hiukkaset työntyvät yhteen) ja harvennusta (hiukkaset levittäytyvät toisistaan). Tämä jatkuva työntö- ja vetokierto on se, miten ääni liikkuu ilmassa ja saavuttaa korvamme.

Kuulemme pitkittäisaaltoja ilmassa ja vedessä, koska näiden materiaalien rakenne ei kestä muunlaista aaltoliikettä. Mutta ne kulkevat myös kiinteissä aineissa.

Koska nämä aallot ovat vastuussa lähes kaikesta kuulemastamme äänestä, ne ovat kaiken musiikin ytimessä kitarajousen värähtelystä hi-hatin raikkaaseen naputukseen.

Poikittaisaallot

Poikittaisaallot liikkuvat hieman eri tavalla kuin niiden pitkittäisaallot. Sen sijaan, että hiukkaset värähtelisivät edestakaisin samaan suuntaan kuin aalto, poikittaisaallot liikkuvat kohtisuoraan aallon kulkureittiä vastaan, eli energia liikkuu eteenpäin, mutta hiukkaset liikkuvat ylös ja alas.

Hyvä tapa kuvitella tämä on ravistaa köyttä. Jos pidät kiinni toisesta päästä ja heilautat sitä ylös ja alas, näet aaltojen kulkevan köyttä pitkin, mutta köyden varsinainen materiaali liikkuu puolelta toiselle eikä aallon pituutta pitkin. Näin transversaaliaallot käyttäytyvät.

Tärkein ero on se, että poikittaisaaltoja esiintyy vain kiinteissä aineissa. Tämä johtuu siitä, että kiinteissä aineissa on tarvittava jäykkä rakenne, joka tukee ylös- ja alaspäin suuntautuvaa liikettä. Nesteillä ja kaasuilla ei ole tällaista sisäistä vastusta.

Vaikka poikittaisaallot eivät ole osa sitä, miten kuulemme äänen, niillä on suuri merkitys ymmärtäessämme ympäröivän maailman materiaalien mekaanisia ominaisuuksia. Ne näkyvät seismisessä toiminnassa, kiinteiden rakenteiden värähtelyssä ja jopa soittimien resonoinnissa. Jos olet koskaan tuntenut akustisen kitaran rungon värähtelevän soittaessasi nuotin, koet poikittaisaaltojen olevan toiminnassa.

Pinta-aallot

Pinta-aallot ovat ikään kuin molempien maailmojen parhaat puolet, sillä niissä yhdistyvät sekä pitkittäis- että poikittaisaaltojen elementit. Sen sijaan, että pinta-aallot liikkuisivat puhtaasti edestakaisin tai ylös-alas, ne luovat pyöreämmän tai rullaavan liikkeen kulkiessaan pitkin kahden eri materiaalin välistä rajaa.

Palatakseni takaisin valtameren aaltoihin , kun aalto vierii kohti rantaa, vesi liikkuu silmukkamaisesti. Lähellä pintaa olevat hiukkaset liikkuvat suurempia ympyröitä, kun taas syvemmällä olevat hiukkaset liikkuvat vähemmän. Sama periaate pätee pinta-aaltoihin muissa materiaaleissa, myös joissakin tapauksissa, joissa ääni on vuorovaikutuksessa kiinteiden pintojen kanssa.

Pinta-aaltojen tärkein ominaisuus on se, että niiden energia vähenee syvyyden myötä. Mitä kauemmas pinnasta mennään, sitä pienemmäksi aallon liike muuttuu. Tämän vuoksi syvänmeren sukeltajat eivät tunne samaa liikettä, joka heittelee veneitä ylhäällä.

Erilaiset ääniaaltotyypit taajuuden perusteella

Jotkin ääniaallot voimme kuulla, kun taas toiset ovat täysin kuuloalueemme ulkopuolella. Taajuuden perusteella ääniaallot jakautuvat kolmeen pääluokkaan:

• Kuultavat ääniaallot: Nämä ovat taajuuksia, jotka ihmiset voivat todella kuulla. Kaikki 20 Hz:n ja 20 kHz:n välillä kuuluu tälle alueelle. Iän myötä yläraja laskee, minkä vuoksi jotkut korkeataajuiset äänet kuuluvat vain nuoremmille korville (muistat varmaan luokkatoverisi soittaneen ärsyttäviä hyttyssovelluksia tunnilla, koska opettaja ei kuullut niitä).
• Infraääni: Ne ovat alle 20 Hz:n erittäin matalia taajuuksia, jotka ovat liian syviä ihmisen kuulolle, mutta ne ovat silti hyvin todellisia ja voimakkaita. Infraääntä käytetään maanjäristysten havaitsemiseen, tulivuoritoiminnan seurantaan ja jopa eläinten viestintään. Esimerkiksi norsut käyttävät infraääntä "puhuakseen" pitkiä matkoja. Jotkut tutkijat yhdistävät infraäänet jopa levottomuuden tunteisiin, mikä voisi selittää ne "vannon, että näin juuri aaveen" -hetket.
• Ultraääni: Nämä yli 20 kHz:n korkeataajuiset ääniaallot ovat yli sen, mitä ihminen voi kuulla, mutta niillä on paljon käytännön sovelluksia. Lääketieteellinen kuvantaminen (ultraäänitutkimukset), kaikuluotaintekniikka ja jopa jotkin tuholaistorjunta-aineet perustuvat ultraääniin. Jotkin eläimet, kuten lepakot ja delfiinit, käyttävät sitä kaikuluotainten avulla "nähdäkseen" tavoilla, jotka ovat havaintokykymme ulkopuolella.

Loppuajatuksia ääniaalloista

Mitä voit tehdä kaikella tällä uudella ääniaaltoja koskevalla tiedolla?

Ensinnäkin ääniaaltojen ymmärtäminen antaa sinulle paremmat mahdollisuudet hallita musiikin tuotantoa, miksausta, äänittämistä ja jopa live-ääniasetuksia. Kun säädät taajuuskorjainta ja yrität selvittää kuulemiesi aaltojen taajuuden tai sijoitat mikrofoneja ja yrität välttää vaihetta, äänen liikkeiden tunteminen auttaa sinua tekemään parempia valintoja.

Haluatko hauskan ääniaaltokokeen?

Kokeile tätä: ota kaiutin, soita matalataajuinen siniaalto (noin 50-100 Hz) ja laita kätesi sen lähelle. Tunnetko värähtelyn? Soita nyt korkeataajuinen siniaalto (5 000 Hz tai enemmän). Huomaatko, miten värähtelyt vaimenevat? Se on aallonpituus ja taajuus toiminnassa. Mitä matalampi taajuus, sitä pidempi aallonpituus ja sitä enemmän se liikkuu ilmassa tavalla, jonka voit tuntea fyysisesti.

Loppujen lopuksi ääniaallot eivät ole vain osa jotain abstraktia tiedettä. Ne muokkaavat kaikkea, mitä kuulemme ja tunnemme musiikissa. Ja mitä enemmän niitä ymmärrät, sitä enemmän voit taivuttaa niitä tahtosi mukaan.