Amikor a legtöbb ember meghallja a hullám szót, az óceánt képzeli el - hullámzó hullámok, összecsapó szörfösök, talán még egy szörfös is látványosan eltűnik. De a zene és a hangok világában a hullámok kicsit másképp működnek.

Ez nem jelenti azt, hogy az óceán hullámaiban és a hanghullámokban ne lenne sok közös vonás. Mindkettő a térben mozog, energiát hordoz, és mérhető a méretük és sebességük alapján.

Természetesen a nagy különbség az, hogy az óceán hullámai a vízben, míg a hanghullámok a levegőben (vagy bármilyen anyagban, amelyen éppen áthaladnak) mozognak. És míg az óceáni hullámok mozgása könnyen látható, a hanghullámok kicsit bonyolultabbak, mikroszkopikus tartományban működnek.

Ezeknek a hullámoknak a viselkedésének ismerete hihetetlenül hasznos lehet bárki számára, aki hanggal dolgozik, legyen szó hangmérnökről, stúdióépítőről vagy akusztikai kezelések fejlesztőjéről. Szóval bontsuk le az egészet a lehető legegyszerűbben!

Mi az a hanghullám?

Alapjában véve a hanghullám nem más, mint a levegőben (vagy vízben, vagy szilárd anyagban. A hang nem válogat) mozgó rezgés. Ez az oka annak, hogy mindent hallunk a zenétől kezdve a hangokon át az éjszakai zörejekig!

A hanghullámokat néhány kulcsfontosságú tulajdonság alapján írjuk le, például hogy milyen gyorsan mozognak (frekvencia), mekkorák (amplitúdó), és hogyan változnak az idő múlásával. Mielőtt azonban belemennénk mindezekbe, fontos megérteni, hogy a hanghullámok a hullámok egy speciális fajtája, az úgynevezett longitudinális hullámok.

Az óceáni hullámokkal ellentétben, amelyek felfelé és lefelé mozognak, miközben előre haladnak, a hosszanti hullámok a levegőt ugyanabban az irányban nyomják és húzzák, amerre haladnak.

Ha el akarod képzelni, hogyan működik egy hosszanti hullám, gondolj egy hosszú sorban álló emberre, akik mind egymás mellett állnak. Ha az első ember előrehajol, és nekimegy a következőnek, majd az is ugyanezt teszi a következővel, akkor láncreakció alakul ki, mintha a levegő molekulái reagálnának a hangra. Ez az oda-vissza mozgás az oka annak, hogy a hangot gyakran nyomáshullámnak nevezik.

Amikor a zenében és a mindennapi életben hanghullámokról beszélünk, akkor valójában hangnyomáshullámokról beszélünk. Ezek a hanghullámok az emberi hallás tartományában landolnak, ami nagyjából 20 Hz és 20 000 Hz között van. Az emberi fül által érzékelt hangok alatt van az infravörös tartomány, amely túl mély ahhoz, hogy mi halljuk, de hasznos például a földrengések észlelésére és az elefántok követésére (igen, jól olvasta). Az emberi fül által érzékelt tartomány felett van az ultrahang, amelyet az orvosi képalkotástól kezdve az ékszerek tisztításáig mindenre használunk. Ezekre mindjárt visszatérünk.

A zenén túl számos olyan iparág van, amelyben a hanghullámok nagy szerepet játszanak. A hanghullámok mindent megtesznek, kezdve attól, hogy segítenek az orvosoknak látni az emberi test belsejében, egészen a tengeralattjárók víz alatti navigációjáig. Számunkra, zenészek és producerek számára azonban ezek a hullámok jelentik mindannak az alapját, amivel dolgozunk, és minél jobban megértjük őket, annál jobban tudjuk irányítani a hangzásunkat.

Melyek a hanghullám összetevői?

A hanghullámok sötét varázslatnak tűnhetnek, de mint minden más a fizikában, ezek is szabályok szerint működnek. Minden hangnak, amit hallunk, megvannak a sajátos tulajdonságai, amelyek meghatározzák, hogyan viselkedik, és van egy maroknyi kulcsfontosságú összetevő, amely a hanghullámokat alakítja.

Frekvencia

A frekvencia az egyik legnagyobb tényező, amely meghatározza, hogyan halljuk a hangot. Egyszerűbben fogalmazva, ez az, hogy milyen gyorsan rezeg a hanghullám. Ezt hertzben (Hz) mérjük, ami azt mutatja meg, hogy a hullám hányszor cikázik egy másodperc alatt.

Minél gyorsabb a rezgés, annál magasabb a frekvencia. A frekvencia pedig meghatározza a hangmagasságot. Például a zongorán a középső C hang frekvenciája körülbelül 261,6 Hz, ami azt jelenti, hogy a levegő másodpercenként ekkora sebességgel rezeg a hang előállításához. Eközben egy mély basszus hang 60 Hz körül lehet, egy átható kutyafütty pedig 20 000 Hz fölé emelkedhet (ami, kényelmes módon, az emberi hallás kimerülése).

Hullámhossz

A hullámhossz (λ) a hanghullám mérete - pontosabban az, hogy milyen messzire jut egy teljes ciklus alatt. Ha egy hanghullámot befagyasztanánk és kinyújtanánk magunk előtt, a hullámhossz az egyik csúcstól a másikig terjedő távolság lenne.

Van egy egyszerű képlet ennek kiszámítására:

λ=c/f

Ez a következőt jelenti:

• λ (hullámhossz): A hullám egy teljes ciklusának hossza
• c (hangsebesség): (szobahőmérsékleten nagyjából 343 méter/másodperc)
• f (frekvencia): frekvencia: Milyen gyorsan rezeg a hullám, hertzben mérve.

Tehát, ha van egy 100 Hz-es hangja, akkor csatlakoztathatja:

λ = 343/100 = 3,43 méter

Ez azt jelenti, hogy a hullám több mint 3 méter hosszú!

Ha ezt összehasonlítjuk egy 1000 Hz-es hanggal:

λ = 343/1000 = 0,343 méter

Mint látható, a magasabb frekvenciák rövidebb hullámhosszúak, ezért a basszus (alacsony frekvenciák) nagynak és szélesnek tűnik, míg a magas frekvenciák (magas frekvenciák) fókuszáltabbak és irányítottak.

Ez az oka annak is, hogy a mély hangok átjutnak a falakon, míg a magasabb hangok könnyebben elnyelődnek vagy visszaverődnek.

Amplitúdó

Az amplitúdó a hang erejét vagy hangerejét jelenti. A hanghullámnak az a része, amely hangossá vagy halkabbá teszi azt. Technikailag azt jelenti, hogy a hanghullám áthaladásakor a levegő részecskéi mennyire távolodnak el nyugalmi helyzetükből. Minél nagyobb a mozgás, annál erősebb a hullám, és annál hangosabb a hang.

Gondolj erre: ha óvatosan megkocogtatsz egy dobot, a levegő alig mozog, és halk hangot kapsz. Ha azonban erősen rácsapsz a dobra, a levegő sokkal drámaibb mértékben tömörül és tágul, és hangosabb hangot ad.

Ez az amplitúdó akcióban.

Egy hullámformában az amplitúdó a hullám magassága. A magasabb hullámok nagyobb amplitúdót jelentenek, amit nagyobb hangerőnek érzékelünk. A kisebb hullámok kisebb amplitúdót jelentenek, amit halkabb hangként érzékelünk.

A hangerőn túl azonban az amplitúdó is szerepet játszik abban, hogy a hang hogyan lép kölcsönhatásba a térrel, milyen fizikai érzetet kelt, és még abban is, hogy a zenében hogyan érzékeljük érzelmileg.

Sebesség

Amikor a hangsebességről beszélünk (és nem vitathatatlanul a Coldplay egyik legjobb daláról), akkor az azt jelenti, hogy milyen gyorsan terjednek a hanghullámok egy közegben. A fénytől eltérően, amely nehezen felfogható sebességgel száguld a térben, a hangnak szüksége van valamire, amin keresztül haladhat. Ez lehet levegő, víz, fém, amit csak akarsz. És attól függően, hogy mi ez a valami, a hang sebessége is változik.

A levegőben (szobahőmérsékleten) a hang másodpercenként körülbelül 343 méteres sebességgel mozog. Ha azonban a víz alatt kiabálsz, a hang négyszer gyorsabban terjed, mint a levegőben. Ha pedig egy fémcsőre kopogtatsz, a rezgés még gyorsabban lövell át a fémen.

Miért történik ez?

Ez attól függ, hogy a különböző anyagokban milyen szorosan vannak a molekulák egymáshoz csomagolva. Az olyan gázokban, mint a levegő, a molekulák eléggé szétszóródnak, így a hullámnak hosszabb időbe telik áthaladni rajta. A folyadékokban a molekulák szorosabban vannak egymás mellett, így a hang gyorsabban halad. A szilárd anyagokban, ahol a molekulák szorosan vannak egymáshoz csomagolva, a hang a leggyorsabban mozog.

Ezért van az, hogy ha a füledet a vasúti sínekhez szorítod (ezt nem ajánlom), már jóval azelőtt meghallod a közeledő vonatot, hogy a hang a levegőben eljutna hozzád. Ez az oka annak is, hogy a hang különböző környezetben másképp viselkedik, például a hangod furcsán tompának hangzik a sűrű ködben, mivel a levegőben lévő extra nedvesség megváltoztatja a hanghullámok sebességét és elnyelését).

Támogatás intenzitása

Ha az amplitúdó azt mutatja meg, hogy mekkora egy hanghullám, akkor az intenzitás azt, hogy milyen erős. Pontosabban, az intenzitás a hanghullám által egységnyi területre szállított teljesítmény, amelyet négyzetméterenként wattban (W/m² ) mérünk.

Gondolj rá úgy, mint egy zseblámpára. Egy gyenge zseblámpa kis mennyiségű energiát szór szét egy területen, míg egy nagy teljesítményű egy tonna fényt szór ugyanarra a területre. A hang ugyanígy működik. Minél több energia van egy hullámba csomagolva, annál intenzívebb.

Az intenzitás azért fontos, mert nagy szerepet játszik abban, hogy hogyan érzékeljük a hangerőt. Míg az amplitúdó a hullám magasságát adja meg, addig az intenzitás azt, hogy mennyi teljes energiát ad le. Egy apró hangszóró és egy stadion hangrendszere egy ponton ugyanazt az amplitúdót produkálja, de a stadion hangrendszere sokkal nagyobb területen oszlatja el ezt az energiát, így sokkal intenzívebb.

Ez az oka annak is, hogy a távolság befolyásolja, hogy valami milyen hangosan szól. Ahogy egy hanghullám terjed, úgy csökken az intenzitása, mert az energia nagyobb térben oszlik el. Ezért hangzik fülsiketítően egy koncert a hangszórók közelében, de minél távolabb megyünk, annál jobban elhalkul.

Fázis

A fázis a hullám időzítését vizsgálja. Azt, hogy a hanghullám egy adott pillanatban hol van a ciklusában. Ha meg tudsz fagyasztani egy hullámformát, és rá tudsz mutatni egy adott pontra rajta, akkor a fázisát azonosítod.

A fázist fokban mérjük, egy teljes hullámciklus 360°. A 0° vagy 360°-os hullám a kiindulási pontján van, míg a 180° azt jelenti, hogy a hullám a felénél jár, és a feje tetejére állt.

Amikor több hanghullám kölcsönhatásba lép, a fázisuk határozza meg, hogy együtt vagy egymás ellen hatnak-e.

Ha két azonos hullám fázisban van (azonos pontokon sorakoznak), akkor egymást erősítik, így a hang erősebb lesz. Ha azonban fázison kívül vannak, azaz az egyik hullám csúcsa egybeesik a másik hullám mélypontjával, akkor részben vagy teljesen kioltják egymást, ami csökkentheti vagy akár meg is szüntetheti a hangot.

A fáziskioltás minden hangmérnök átka. Ha például valaha is rögzítettél már dobfelszerelést, és észrevetted, hogy a snare furcsán vékonyan szól, akkor a mikrofonok közötti fáziseltolódás lehet a bűnös. Ez az oka annak is, hogy a fázis megfordítása a keverőpulton vagy a DAW-n néha visszahozza a hangot az életbe.

Van egy egész blogunk arról, hogy miért fontos a fázis a zenében, amit ajánlom, hogy nézze meg, ha többet szeretne megtudni.

A hanghullámok különböző típusai a terjedés alapján

Fontos megjegyezni, hogy nem minden hanghullám mozog ugyanúgy. Bár mindannyian energiát szállítanak egy közegen keresztül, a terjedésük módja (a hanghullámok terjedésére használt divatos kifejezés) a helyzettől függően eltérő lehet.

A terjedés nem más, mint a hullámok térben való mozgása. Egyes hullámok ugyanabba az irányba tolódnak és húzódnak, amerre haladnak, míg mások fel-le mozognak, vagy bonyolult mintázatokban terjednek.

A hanghullámok főbb típusait a mozgásuk alapján bontjuk le, és hogy ez miért fontos.

Longitudinális hullámok

A mindennapi életben a hanghullámok esetében a longitudinális hullámok a legmegfelelőbb formátum. Az határozza meg őket, hogy hogyan mozognak. A légrészecskék a hullám terjedési irányával megegyező irányban rezegnek előre-hátra.

Szeretem elképzelni, ahogy a slinky egyik végét előre nyomjuk, miközben visszahúzzuk, és látom, ahogy a tekercsek összecsomósodnak és szétterülnek bizonyos szakaszokon. Lényegében a longitudinális hullámok a kompressziós (ahol a részecskék összenyomódnak) és a ritkulási (ahol a részecskék szétterülnek) területeken mozognak. Ez az állandó toló és húzó ciklus az, ahogyan a hang a levegőben mozog, és eljut a fülünkbe.

A longitudinális hullámokat a levegőben és a vízben halljuk, mivel ezek az anyagok nem rendelkeznek olyan szerkezettel, amely más típusú hullámmozgásokat támogatna. De szilárd anyagokban is terjednek.

Mivel ezek a hullámok felelősek szinte minden hangért, amit hallunk, a zenében is ezek a hullámok állnak a középpontban, a gitárhúr rezgésétől a hi-hat ropogós kopogásáig.

Transzverzális hullámok

A transzverzális hullámok kicsit másképp mozognak, mint a longitudinális hullámok. Ahelyett, hogy a részecskék a hullámmal azonos irányban rezegnének előre-hátra, a transzverzális hullámok a hullám terjedési útvonalára merőleges mozgást mutatnak, ami azt jelenti, hogy az energia előre halad, de a részecskék fel-le mozognak.

Ezt egy kötél rázásával lehet elképzelni. Ha megfogod az egyik végét, és fel-le mozgatod, akkor hullámokat látsz a kötél mentén, de a kötél tényleges anyaga inkább oldalirányban mozog, mint a hullám hosszában. Így viselkednek a transzverzális hullámok.

A legfontosabb különbség az, hogy a transzverzális hullámok csak szilárd testekben fordulnak elő. Ez azért van így, mert a szilárd testek rendelkeznek a szükséges merev szerkezettel a fel-le mozgáshoz. A folyadékok és gázok nem rendelkeznek ilyen belső ellenállással.

Bár a transzverzális hullámok nem részei annak, ahogyan a hangot halljuk, mégis óriási szerepet játszanak a minket körülvevő világ anyagainak mechanikai tulajdonságainak megértésében. Megjelennek a szeizmikus tevékenységben, a szilárd szerkezetek rezgéseiben, sőt még a hangszerek rezonanciájában is. Ha valaha is érezted, hogy egy akusztikus gitár teste rezeg, amikor megszólaltatsz egy hangot, akkor a transzverzális hullámokat épp működés közben tapasztaltad.

Felszíni hullámok

A felszíni hullámok a két világ legjobbjait ötvözik, a longitudinális és a transzverzális hullámok elemeit. Ahelyett, hogy tisztán előre-hátra vagy fel-le mozognának, a felületi hullámok inkább körkörös vagy gördülő mozgást hoznak létre, ahogy két különböző anyag határán haladnak.

Visszatérve az óceáni hullámokra , amikor egy hullám a part felé gördül, a víz hurokszerűen mozog. A felszínhez közeli részecskék nagyobb köröket tesznek meg, míg a mélyebben fekvő részecskék kevésbé mozognak. Ugyanez az elv érvényes más anyagok felületi hullámaira is, beleértve néhány olyan esetet, amikor a hang kölcsönhatásba lép a szilárd felületekkel.

A felszíni hullámok legfontosabb tulajdonsága, hogy energiájuk a mélységgel csökken. Minél távolabb megyünk a felszíntől, annál kisebb lesz a hullám mozgása. Ez az oka annak, hogy a mélytengeri búvárok nem érzik ugyanazt a mozgást, ami a hajókat a felszínen feldobja.

A hanghullámok különböző típusai a frekvencia alapján

Egyes hanghullámokat hallunk, míg mások teljesen kívül esnek a hatósugarunkon. A frekvencia alapján a hanghullámok három fő kategóriába sorolhatók:

• Hallható hanghullámok: Ezek azok a frekvenciák, amelyeket az emberek ténylegesen hallanak. Minden, ami 20 Hz és 20 kHz között van, ebbe a tartományba tartozik. Ahogy öregszünk, a felső határ hajlamos csökkenni, ezért egyes magas frekvenciájú hangokat csak a fiatalabbak hallanak (valószínűleg emlékszel az osztálytársaidra, akik azokat az idegesítő szúnyogos alkalmazásokat játszották az órán, mert a tanár nem hallotta őket).
• Infrahang: Ezek a 20 Hz alatti ultra-mély frekvenciák túl mélyek az emberi halláshoz, de még mindig nagyon valóságosak és erőteljesek. Az infrahangot a földrengések észlelésére, a vulkáni tevékenység megfigyelésére, sőt még az állatok kommunikációjára is használják . Az elefántok például infrahangot használnak arra, hogy nagy távolságokon keresztül "beszélgessenek". Egyes kutatók még a nyugtalanság érzésével is kapcsolatba hozzák az infrahangot, ami magyarázatot adhat a "esküszöm, hogy szellemet láttam" pillanatokra.
• Ultrahang: Ezek a 20 kHz feletti nagyfrekvenciás hanghullámok meghaladják az emberi hallás képességét, de rengeteg gyakorlati alkalmazásuk van. Az orvosi képalkotás (ultrahangos vizsgálatok), a szonártechnológia, sőt, még egyes kártevők elriasztása is az ultrahangra támaszkodik. Egyes állatok, például a denevérek és a delfinek echolokációra használják, hogy olyan módon "lássanak", amely meghaladja a mi érzékelésünket.

Végső gondolatok a hanghullámokról

Mit tudsz kezdeni a hanghullámokkal kapcsolatos újonnan szerzett információkkal?

Nos, először is, a hanghullámok megértése nagyobb kontrollt biztosít a zenei produkció, a keverés, a felvétel és még az élő hangfelvételek felett is. Akár egy EQ-t állítasz be, és próbálod kitalálni a hallott hullámok frekvenciáját, akár mikrofonokat helyezel el, és próbálod elkerülni a fázist, a hang mozgásának ismerete segít jobb döntéseket hozni.

Szeretnél egy szórakoztató hanghullám-kísérletet?

Próbálja ki a következőt: fogjon egy hangszórót, játsszon le egy alacsony frekvenciájú szinuszhullámot (kb. 50-100 Hz), és tegye a kezét a hangszóró közelébe. Érzi a rezgést? Most játsszon le egy nagyfrekvenciás szinuszhullámot (5000 Hz vagy annál több). Észreveszed, hogy a rezgések elhalványulnak? Ez a hullámhossz és a frekvencia működés közben. Minél alacsonyabb a frekvencia, annál hosszabb a hullámhossz, és annál jobban mozog a levegőben, fizikailag is érezhető módon.

A nap végén a hanghullámok nem csak egy elvont tudomány részei. Ezek alakítják mindazt, amit a zenében hallunk és érzünk. És minél jobban megérted őket, annál jobban tudod őket az akaratod szerint alakítani.