Išgirdę žodį " banga ", dauguma žmonių įsivaizduoja vandenyną - banguojančias bangas, griaudžiančią banglentę, galbūt net įspūdingai nuskendusį banglentininką. Tačiau muzikos ir garso pasaulyje bangos veikia kiek kitaip.

Tai nereiškia, kad vandenyno bangos ir garso bangos neturi daug bendro. Jos abi juda erdvėje, perneša energiją ir gali būti matuojamos pagal jų dydį ir greitį.

Žinoma, didžiulis skirtumas yra tas, kad vandenyno bangos sklinda vandeniu, o garso bangos - oru (ar bet kokia kita medžiaga, kuria jos sklinda). Vandenyno bangų judėjimą lengva pastebėti, o garso bangos yra šiek tiek sudėtingesnės ir veikia mikroskopinėje srityje.

Žinios apie šių bangų elgesį gali būti nepaprastai naudingos visiems, dirbantiems su garsu, nesvarbu, ar esate garso inžinierius, studijos konstruktorius, ar akustinių priemonių kūrėjas. Taigi, išskaidykime viską kuo paprasčiau!

Kas yra garso banga?

Iš esmės garso banga - tai tiesiog vibracija, sklindanti oru (arba vandeniu, arba kietuoju kūnu. Garsas nėra išrankus). Dėl šios priežasties girdime viską - nuo muzikos iki balsų ir naktį girdimų garsų!

Garso bangas apibūdiname pagal kelis pagrindinius požymius: kaip greitai jos sklinda (dažnis), kokio dydžio yra (amplitudė) ir kaip jos kinta laikui bėgant. Tačiau prieš pradedant visa tai nagrinėti, svarbu suprasti, kad garso bangos yra ypatingos rūšies bangos, vadinamos išilginėmis bangomis.

Kitaip nei vandenyno bangos, kurios keliaudamos į priekį kyla ir leidžiasi, išilginė banga stumia ir traukia orą ta pačia kryptimi, kuria keliauja.

Norėdami įsivaizduoti, kaip veikia išilginė banga, įsivaizduokite ilgą eilę žmonių, stovinčių petys į petį. Jei pirmas žmogus pasilenkia į priekį ir atsitrenkia į kitą, o šis - į kitą, gaunama grandininė reakcija, panašiai kaip oro molekulės reaguoja į garsą. Dėl šio judėjimo pirmyn ir atgal garsas dažnai vadinamas slėgio banga.

Dabar, kai kalbame apie garso bangas muzikoje ir kasdieniame gyvenime, iš tikrųjų kalbame apie garso slėgio bangas. Šios garso bangos patenka į žmogaus klausos diapazoną, kuris yra maždaug nuo 20 Hz iki 20 000 Hz. Žemiau žmogaus ausies suvokiamų garsų yra infragarsas, kuris yra per žemas, kad jį girdėtume, bet naudingas tokiems dalykams kaip žemės drebėjimų aptikimas ir dramblių sekimas (taip, perskaitėte teisingai). Virš žmogaus ausies girdimo diapazono yra ultragarsas, kurį naudojame viskam - nuo medicininių vaizdų iki juvelyrinių dirbinių valymo. Prie jų dar grįšime.

Be muzikos, yra keletas pramonės šakų, kuriose garso bangos vaidina svarbų vaidmenį. Jos padeda gydytojams matyti žmogaus kūno vidų, o povandeniniams laivams - plaukioti po vandeniu. Tačiau mums, muzikantams ir prodiuseriams, šios bangos yra visa ko, su kuo dirbame, pagrindas, ir kuo geriau jas suprasime, tuo geriau galėsime kontroliuoti savo garsą.

Kokios yra garso bangos sudedamosios dalys?

Garso bangos gali atrodyti kaip tamsioji magija, tačiau, kaip ir visa kita fizikoje, jos veikia pagal tam tikras taisykles. Kiekvienam girdimam garsui būdingi tam tikri bruožai, lemiantys jo elgseną, ir yra keletas pagrindinių komponentų, kurie formuoja garso bangas.

Dažnis

Dažnis yra vienas svarbiausių veiksnių, lemiančių, kaip girdime garsą. Paprasčiau tariant, tai, kaip greitai vibruoja garso banga. Jį matuojame hercais (Hz), kurie parodo, kiek kartų banga sudrebės per vieną sekundę.

Kuo greitesnė vibracija, tuo aukštesnis dažnis. Dažnis lemia garso aukštį. Pavyzdžiui, fortepijono viduriniosios C dažnis yra apie 261,6 Hz, t. y. oras vibruoja tokiu greičiu per sekundę, kad išgautų šią natą. Tuo tarpu žema žemo boso nata gali skambėti apie 60 Hz dažniu, o skardus šunų švilpimas gali būti aukštesnis nei 20 000 Hz (tai yra ta vieta, kur žmogaus klausa yra silpnesnė).

Bangos ilgis

Bangos ilgis (λ) - tai garso bangos dydis, t. y. kiek ji nueina per vieną ciklą. Jei garso bangą užšaldytumėte ir ištemptumėte priešais save, bangos ilgis būtų atstumas nuo vienos viršūnės iki kitos.

Tam nustatyti yra paprasta formulė:

λ=c/f

Štai ką tai reiškia:

• λ (bangos ilgis): Vieno pilno bangos ciklo ilgis
• c (garso greitis): Kaip greitai garsas sklinda oru (maždaug 343 metrai per sekundę kambario temperatūroje).
• f (dažnis): Kokiu greičiu vibruoja banga, matuojama hercais.

Taigi, jei turite 100 Hz garsą, galite jį prijungti:

λ = 343/100 = 3,43 m

Tai reiškia, kad bangos ilgis viršija 3 metrus!

Palyginkime tai su 1 000 Hz garsu:

λ = 343/1000 = 0,343 m

Kaip matote, aukštesni dažniai turi trumpesnes bangas, todėl žemieji dažniai yra dideli ir platūs, o aukštieji dažniai yra labiau koncentruoti ir kryptingi.

Todėl žemo dažnio garsai gali sklisti per sienas, o aukštesnio dažnio garsai lengviau sugeriami arba atspindimi.

Amplitudė

Amplitudė rodo garso stiprumą arba garsumą. Tai garso bangos dalis, dėl kurios garsas tampa garsus arba tylus. Techniniu požiūriu ji parodo, kaip toli oro dalelės išstumiamos iš ramybės padėties, kai pro jas praeina garso banga. Kuo didesnis judesys, tuo stipresnė banga ir tuo garsesnis garsas.

Pagalvokite apie tai taip: jei švelniai stuksenate į būgną, oras beveik nejuda, todėl skamba tylus garsas. Tačiau jei stipriai daužysite būgną, oras susispaus ir išsiplės daug stipriau, todėl garsas bus garsesnis.

Tai amplitudės veikimas.

Amplitudė yra bangos aukštis. Aukštesnės bangos reiškia didesnę amplitudę, kurią suvokiame kaip didesnį tūrį. Mažesnės bangos reiškia mažesnę amplitudę, kurią girdime kaip tylesnį garsą.

Tačiau amplitudė turi įtakos ne tik garsumui, bet ir tam, kaip garsas sąveikauja su erdve, kaip jis jaučiamas fiziškai ir net kaip jis emociškai suvokiamas muzikoje.

Greitis

Kai kalbame apie garso greitį (o ne apie vieną iš geriausių "Coldplay" dainų), tai reiškia, kaip greitai garso bangos sklinda per terpę. Skirtingai nei šviesai, kuri erdvėje sklinda sunkiai suvokiamu greičiu, garsui reikia kažko, per ką jis galėtų sklisti. Tai gali būti oras, vanduo, metalas ir dar daug kas. Priklausomai nuo to, kas tai yra, keičiasi garso greitis.

Ore (kambario temperatūroje) garsas sklinda maždaug 343 metrų per sekundę greičiu. Tačiau jei šaukiate po vandeniu, garsas sklinda keturis kartus greičiau nei ore. O jei bakstelėsite į metalinį vamzdį, vibracija per metalą sklis dar greičiau.

Kodėl taip atsitinka?

Tai priklauso nuo to, kaip glaudžiai įvairiose medžiagose yra suspaustos molekulės. Dujose, pavyzdžiui, ore, molekulės yra gana plačiai išsidėsčiusios, todėl bangai praeiti pro jas reikia daugiau laiko. Skysčiuose molekulės yra arčiau viena kitos, todėl garsas sklinda greičiau. Kietosiose medžiagose, kuriose molekulės yra glaudžiai suspaustos, garsas sklinda greičiausiai.

Štai kodėl, jei priglausite ausį prie traukinio bėgių (nerekomenduoju to daryti), išgirsite atvažiuojantį traukinį gerokai anksčiau, nei garsas pasieks jus per orą. Todėl garsas skirtingose aplinkose sklinda skirtingai, pavyzdžiui, jūsų balsas tirštame rūke skamba keistai prislopintai, nes papildoma oro drėgmė keičia garso bangų greitį ir absorbciją.)

Intensyvumas

Jei amplitudė parodo, kokio dydžio yra garso banga, tai intensyvumas parodo, kokio stiprumo ji yra. Tiksliau tariant, intensyvumas - tai garso bangos galia, tenkanti ploto vienetui, ir matuojamas vatais kvadratiniam metrui (W/m² ).

Galvokite apie jį kaip apie žibintuvėlį. Silpnas žibintuvėlis skleidžia nedidelį energijos kiekį, o galingas žibintuvėlis toje pačioje erdvėje skleidžia toną šviesos. Panašiai veikia ir garsas. Kuo daugiau energijos sutelkta į bangą, tuo ji intensyvesnė.

Intensyvumas yra svarbus, nes nuo jo labai priklauso, kaip mes suvokiame garsumą. Amplitudė parodo bangos aukštį, o intensyvumas pasako, kiek iš viso yra perduodama energijos. Mažytis garsiakalbis ir stadiono garso sistema viename taške gali skleisti tokią pačią amplitudę, tačiau stadiono sistema tą energiją paskleidžia daug didesniame plote, todėl ji yra daug intensyvesnė.

Todėl atstumas taip pat turi įtakos tam, kaip garsiai kažkas skamba. Kai garso banga sklinda tolyn, jos intensyvumas mažėja, nes energija pasiskirsto didesnėje erdvėje. Štai kodėl koncertas skamba kurtinančiai netoli garsiakalbių, bet kuo toliau, tuo labiau silpnėja.

Fazė

Fazėje nagrinėjamas bangos laikas. Tai garso bangos ciklo vieta bet kuriuo metu. Jei galėtumėte sustabdyti bangos formą ir nurodyti konkrečią jos vietą, nustatytumėte jos fazę.

Fazę matuojame laipsniais, o vienas pilnas bangos ciklas sudaro 360°. Bangos, esančios 0° arba 360°, yra pradiniame taške, o 180° reiškia, kad banga yra įpusėjusi ir apsivertusi aukštyn kojomis.

Kai sąveikauja kelios garso bangos, jų fazės lemia, ar jos veikia kartu, ar viena prieš kitą.

Jei dvi vienodos bangos yra fazinės (išsidėsčiusios tose pačiose vietose), jos sustiprina viena kitą ir garsas tampa stipresnis. Tačiau jei jų fazė nesutampa, t. y. vienos bangos viršūnė sutampa su kitos bangos kritimo tašku, jos iš dalies arba visiškai išsiskiria, todėl garsas gali susilpnėti arba net išnykti.

Fazės panaikinimas yra bet kurio garso inžinieriaus prakeiksmas. Pavyzdžiui, jei kada nors įrašinėjote būgnų komplektą ir pastebėjote, kad mušamieji skamba keistai plonai, dėl to gali būti kaltas fazės panaikinimas tarp mikrofonų. Dėl šios priežasties fazės apvertimas maišytuve arba DAW kartais gali atgaivinti garsą.

Turime visą tinklaraštį apie tai, kodėl fazė yra svarbi muzikoje, kurį rekomenduoju peržiūrėti, jei norite sužinoti daugiau.

Skirtingi garso bangų tipai pagal sklidimą

Svarbu atkreipti dėmesį, kad ne visos garso bangos juda vienodai. Nors visos jos perneša energiją per terpę, jų sklidimo būdas (išgalvotas terminas, apibūdinantis garso bangų sklidimą) gali skirtis priklausomai nuo situacijos.

Sklidimas - tai tiesiog bangos judėjimo erdvėje būdas. Vienos bangos stumia ir traukia ta pačia kryptimi, o kitos juda aukštyn ir žemyn arba sklinda sudėtingais modeliais.

Suskirstykime pagrindinius garso bangų tipus pagal tai, kaip jos juda, ir kodėl tai svarbu.

Išilginės bangos

Išilginės bangos - tai kasdieniniame gyvenime naudojamas garso bangų formatas. Jos apibūdinamos pagal tai, kaip jos juda. Oro dalelės vibruoja pirmyn ir atgal ta pačia kryptimi, kuria keliauja banga.

Man patinka įsivaizduoti, kaip stumiu vieną "slinky" galą į priekį, o kitą traukiu atgal ir matau, kaip tam tikrose atkarpose ritinėliai susipina ir išsiskleidžia. Iš esmės išilginės bangos sklinda per suspaudimo (kai dalelės stumiamos viena prie kitos) ir retinimo (kai dalelės sklinda viena nuo kitos) sritis. Šis nuolatinis stūmimo ir traukimo ciklas ir yra būdas, kuriuo garsas sklinda oru ir pasiekia mūsų ausis.

Išilginės bangos girdimos ore ir vandenyje, nes šios medžiagos neturi tokios struktūros, kad galėtų palaikyti kitų tipų bangų judėjimą. Tačiau bangos sklinda ir per kietąsias medžiagas.

Kadangi šios bangos sukuria beveik visus girdimus garsus, jos yra muzikos pagrindas - nuo gitaros stygų virpesių iki traškaus hi-hat stuksenimo.

Skersinės bangos

Skersinės bangos juda šiek tiek kitaip nei išilginės. Vietoj to, kad dalelės vibruotų pirmyn ir atgal ta pačia kryptimi kaip ir banga, skersinės bangos yra statmenos bangos judėjimo trajektorijai, t. y. energija juda pirmyn, o dalelės juda aukštyn ir žemyn.

Geras būdas tai įsivaizduoti yra virvės kratymas. Jei laikysite vieną virvės galą ir purtysite ją aukštyn ir žemyn, matysite, kaip išilgai virvės sklinda bangos, tačiau tikroji virvės medžiaga juda į šonus, o ne išilgai bangos. Taip elgiasi skersinės bangos.

Esminis skirtumas yra tas, kad skersinės bangos atsiranda tik kietuosiuose kūnuose. Taip yra todėl, kad kietieji kūnai turi reikiamą standžią struktūrą, kuri palaiko judėjimą aukštyn ir žemyn. Skysčiai ir dujos neturi tokio vidinio pasipriešinimo.

Nors skersinės bangos nėra garso girdėjimo dalis, jos atlieka didžiulį vaidmenį siekiant suprasti mus supančio pasaulio medžiagų mechanines savybes. Jos pasireiškia seisminėje veikloje, kietų konstrukcijų virpesiuose ir net instrumentų rezonavime. Jei kada nors pajutote, kaip grojant natą vibruoja akustinės gitaros korpusas, tai reiškia, kad veikė skersinės bangos.

Paviršiaus bangos

Paviršinės bangos yra tarsi geriausia iš abiejų pasaulių, nes jungia ir išilginių, ir skersinių bangų elementus. Vietoj to, kad judėtų tik pirmyn ir atgal arba aukštyn ir žemyn, paviršinės bangos, keliaudamos išilgai dviejų skirtingų medžiagų ribos, sukuria apskritiminį arba ritininį judėjimą.

Grįžtant prie vandenyno bangų, kai banga ritasi link kranto, vanduo juda kilpomis . Prie paviršiaus esančios dalelės juda didesniais ratais, o giliau esančios - mažesniais. Tas pats principas galioja ir kitų medžiagų paviršiaus bangoms, įskaitant kai kuriuos atvejus, kai garsas sąveikauja su kietaisiais paviršiais.

Svarbiausia paviršinių bangų savybė yra ta, kad jų energija mažėja su gyliu. Kuo toliau nuo paviršiaus, tuo bangos judėjimas tampa mažesnis. Todėl giluminiai narai nejaučia to paties judesio, kuris blaško laivus viršuje.

Skirtingi garso bangų tipai pagal dažnį

Kai kurias garso bangas galime girdėti, o kitų visiškai negalime girdėti. Pagal dažnį garso bangos skirstomos į tris pagrindines kategorijas:

• Garsinės garso bangos: Tai dažniai, kuriuos žmonės gali girdėti. Į šį diapazoną patenka viskas nuo 20 Hz iki 20 kHz. Su amžiumi viršutinė riba paprastai mažėja, todėl kai kuriuos aukšto dažnio garsus girdi tik jaunesnės ausys (tikriausiai prisimenate, kaip klasiokai per pamokas paleisdavo tas erzinančias uodų programas, nes mokytojas jų negirdėjo).
• Infragarsas: Tai itin žemi, žemesni nei 20 Hz dažniai, kurie yra per gilūs žmogaus klausai, tačiau jie vis tiek yra labai realūs ir galingi. Infragarsas naudojamas žemės drebėjimams aptikti, ugnikalnių aktyvumui stebėti ir net gyvūnų bendravimui. Pavyzdžiui, drambliai naudoja infragarsą, kad "susikalbėtų" dideliais atstumais. Kai kurie mokslininkai infragarsą netgi sieja su nerimo pojūčiais, o tai galėtų paaiškinti tuos momentus, kai "prisiekiu, ką tik mačiau vaiduoklį".
• Ultragarsas: Aukšto dažnio garso bangos, kurių dažnis viršija 20 kHz, yra už žmogaus girdimumo ribų, tačiau jos turi daug praktinio pritaikymo galimybių. Ultragarsas naudojamas medicininiams vaizdams gauti (ultragarsinis skenavimas), sonaro technologijoms ir net kai kurioms kenkėjų atbaidymo priemonėms. Kai kurie gyvūnai, pavyzdžiui, šikšnosparniai ir delfinai, naudoja jį echolokacijai, kad "matytų" taip, kaip mes nesuvokiame.

Galutinės mintys apie garso bangas

Taigi, ką galite daryti naudodamiesi šia naujausia informacija apie garso bangas?

Pirmiausia, supratę garso bangas, galėsite geriau kontroliuoti muzikos kūrimą, maišymą, įrašymą ir net gyvo garso nustatymus. Nesvarbu, ar reguliuojate ekvalaizerį ir bandote išsiaiškinti girdimų bangų dažnį, ar išdėstote mikrofonus ir stengiatės išvengti fazės, žinojimas, kaip juda garsas, padeda priimti geresnius sprendimus.

Norite smagaus garso bangų eksperimento?

Pabandykite tai: paimkite garsiakalbį, paleiskite žemo dažnio sinusinę bangą (apie 50-100 Hz) ir pridėkite prie jo ranką. Ar jaučiate vibraciją? Dabar paleiskite aukšto dažnio sinusoidę (5 000 Hz ar daugiau). Pastebėjote, kaip vibracija silpnėja? Tai bangos ilgis ir dažnis. Kuo žemesnis dažnis, tuo ilgesnė banga ir tuo labiau ji juda ore taip, kad galite fiziškai pajusti.

Galiausiai garso bangos nėra tik abstraktaus mokslo dalis. Jos lemia viską, ką girdime ir jaučiame muzikoje. Kuo geriau jas suprasite, tuo labiau jas galėsite palenkti savo valiai.