Als de meeste mensen het woord golf horen, denken ze aan de oceaan - rollende deining, beukende branding, misschien zelfs een surfer die op spectaculaire wijze onderuit gaat. Maar in de wereld van muziek en geluid werken golven een beetje anders.

Dat wil niet zeggen dat oceaangolven en geluidsgolven niet veel gemeen hebben. Ze bewegen allebei door de ruimte, vervoeren energie en kunnen worden gemeten aan hun grootte en snelheid.

Het grote verschil is natuurlijk dat oceaangolven zich voortbewegen door water, terwijl geluidsgolven zich voortbewegen door de lucht (of door welk materiaal dan ook). En terwijl de beweging van oceaangolven eenvoudig te zien is, zijn geluidsgolven iets complexer en werken ze op microscopisch niveau.

Weten hoe deze golven zich gedragen kan ongelooflijk nuttig zijn voor iedereen die met geluid werkt, of je nu geluidstechnicus, studiobouwer of ontwikkelaar van akoestische behandelingen bent. Laten we het dus zo eenvoudig mogelijk houden!

Wat is een geluidsgolf?

In wezen is een geluidsgolf gewoon een trilling die door de lucht beweegt (of water, of een vaste stof. Geluid is niet kieskeurig). Het is de reden waarom we alles horen, van muziek tot stemmen tot dingen die 's nachts gebeuren!

We beschrijven geluidsgolven aan de hand van een paar belangrijke kenmerken, zoals hoe snel ze bewegen (frequentie), hoe groot ze zijn (amplitude) en hoe ze in de loop van de tijd veranderen. Maar voordat we daar dieper op ingaan, is het belangrijk om te begrijpen dat geluidsgolven een speciaal soort golf zijn dat longitudinale golven wordt genoemd.

In tegenstelling tot oceaangolven, die op en neer bewegen terwijl ze voorwaarts bewegen, duwt en trekt een longitudinale golf de lucht in dezelfde richting als waarin de golf beweegt.

Om je voor te stellen hoe een longitudinale golf werkt, moet je denken aan een lange rij mensen die allemaal schouder aan schouder staan. Als de eerste persoon voorover leunt en tegen de volgende botst, en die persoon doet hetzelfde bij de volgende, dan krijg je een kettingreactie, net zoals luchtmoleculen reageren op geluid. Deze heen-en-weerbeweging is de reden waarom geluid vaak een drukgolf wordt genoemd.

Als we het hebben over geluidsgolven in muziek en het dagelijks leven, hebben we het over geluidsdrukgolven. Deze geluidsgolven vallen binnen het bereik van het menselijk gehoor, dat ruwweg 20 Hz tot 20.000 Hz bedraagt. Onder de geluiden die worden waargenomen door het menselijk oor bevindt zich het infrageluid, dat te laag is voor ons om te horen, maar nuttig is voor dingen als het detecteren van aardbevingen en het opsporen van olifanten (ja, dat lees je goed). Boven het bereik van het menselijk oor bevindt zich ultrageluid, dat we voor van alles gebruiken, van medische beeldvorming tot het reinigen van sieraden. Daar komen we zo op terug.

Naast muziek zijn er verschillende industrieën waarin geluidsgolven een grote rol spelen. Ze doen van alles, van artsen helpen om in het menselijk lichaam te kijken tot onderzeeërs onder water laten navigeren. Maar voor ons als muzikanten en producers vormen deze golven de basis van alles waar we mee werken en hoe beter we ze begrijpen, hoe meer controle we hebben over ons geluid.

Wat zijn de componenten van een geluidsgolf?

Geluidsgolven lijken misschien duistere magie, maar net als alles in de natuurkunde volgen ze een aantal regels. Elk geluid dat we horen heeft specifieke eigenschappen die bepalen hoe het zich gedraagt, en er zijn een handvol belangrijke componenten die de geluidsgolven vormgeven.

Frequentie

Frequentie is een van de belangrijkste factoren die bepalen hoe we geluid horen. Eenvoudig gezegd is het hoe snel een geluidsgolf trilt. We meten het in hertz (Hz), wat ons vertelt hoeveel keer de golf in één seconde ronddraait.

Hoe sneller de trilling, hoe hoger de frequentie. En frequentie bepaalt de toonhoogte. Een middelste C op een piano heeft bijvoorbeeld een frequentie van ongeveer 261,6 Hz, wat betekent dat de lucht met die snelheid per seconde trilt om de toon te produceren. Ondertussen kan een lage bastoon rond de 60 Hz zitten en een doordringend hondenfluitje kan boven de 20.000 Hz komen (wat, heel handig, het punt is waar het menselijk gehoor stopt).

Golflengte

Golflengte (λ) is de grootte van een geluidsgolf - meer specifiek, hoe ver hij aflegt in één volledige cyclus. Als je een geluidsgolf bevriest en voor je uitrekt, is de golflengte de afstand van de ene piek tot de volgende.

Er is een eenvoudige formule om dit uit te zoeken:

λ=c/f

Dit betekent het volgende:

• λ (golflengte): De lengte van één volledige golfcyclus
• c (geluidssnelheid): Hoe snel geluid door de lucht beweegt (ongeveer 343 meter per seconde bij kamertemperatuur)
• f (Frequentie): Hoe snel de golf trilt, gemeten in hertz

Dus als je een geluid van 100 Hz hebt, kun je dat aansluiten:

λ = 343/100 = 3,43 meter

Dat betekent dat de golf meer dan 3 meter lang is!

Als we dat nu vergelijken met een geluid van 1000 Hz:

λ = 343/1000 = 0,343 meter

Zoals je kunt zien, hebben hogere frequenties kortere golflengtes, waardoor lage tonen (lage frequenties) groot en breed aanvoelen, terwijl hoge tonen (hoge frequenties) meer gefocust en gericht zijn.

Dit is ook de reden waarom geluiden met lage tonen door muren kunnen reizen, terwijl geluiden met hogere tonen gemakkelijker geabsorbeerd of gereflecteerd worden.

Amplitude

Amplitude vertegenwoordigt de kracht of het volume van een geluid. Het is het deel van een geluidsgolf dat het geluid luid of zacht maakt. Technisch gezien geeft het aan hoe ver luchtdeeltjes uit hun rustpositie worden geduwd wanneer een geluidsgolf passeert. Hoe groter de beweging, hoe sterker de golf en hoe harder het geluid.

Zie het als volgt: als je zachtjes op een trommel tikt, beweegt de lucht nauwelijks en krijg je een zacht geluid. Maar als je met kracht op die trommel slaat, wordt de lucht veel sterker samengeperst en zet uit, waardoor een luider geluid ontstaat.

Dat is amplitude in actie.

In een golfvorm is amplitude de hoogte van de golf. Hogere golven betekenen een hogere amplitude, die we waarnemen als meer volume. Kleinere golven betekenen een lagere amplitude, wat we horen als een rustiger geluid.

Naast volume speelt amplitude echter ook een rol in hoe geluid interageert met de ruimte, hoe het fysiek aanvoelt en zelfs hoe het emotioneel wordt waargenomen in muziek.

Snelheid

Als we het hebben over de snelheid van geluid (en niet over een van Coldplay's beste nummers), dan is dat hoe snel geluidsgolven door een medium reizen. In tegenstelling tot licht, dat door de ruimte zipt met een snelheid die moeilijk te bevatten is, heeft geluid iets nodig om doorheen te reizen. Dat kan lucht zijn, water, metaal, noem maar op. En afhankelijk van wat dat iets is, verandert de snelheid van het geluid.

In lucht (bij kamertemperatuur) verplaatst geluid zich met ongeveer 343 meter per seconde. Maar als je onder water schreeuwt, verplaatst het geluid zich vier keer sneller dan in lucht. En als je op een metalen pijp tikt, gaat de trilling nog sneller door het metaal heen.

Waarom gebeurt dit dan?

Het ligt eraan hoe dicht de moleculen op elkaar zitten in verschillende materialen. In gassen zoals lucht zijn de moleculen behoorlijk verspreid, dus duurt het langer voordat de golf erdoorheen is. In vloeistoffen zitten de moleculen dichter op elkaar, dus beweegt het geluid sneller. In vaste stoffen, waar moleculen dicht op elkaar zitten, beweegt geluid het snelst.

Daarom, als je je oor tegen een treinspoor legt (ik raad dit niet aan), hoor je een aankomende trein lang voordat het geluid je via de lucht bereikt. Het is ook de reden waarom geluid zich anders gedraagt in verschillende omgevingen, zoals hoe je stem vreemd gedempt klinkt in een dichte mist, omdat het extra vocht in de lucht de snelheid en absorptie van geluidsgolven verandert).

Intensiteit

Als de amplitude ons vertelt hoe groot een geluidsgolf is, dan vertelt de intensiteit ons hoe sterk hij is. Meer specifiek is intensiteit de hoeveelheid kracht die een geluidsgolf per oppervlakte-eenheid met zich meedraagt en we meten dit in watt per vierkante meter (W/m²).

Zie het als een zaklamp. Een zwakke zaklamp verspreidt een kleine hoeveelheid energie over een gebied, terwijl een zaklamp met een hoog vermogen een ton aan licht in dezelfde ruimte verspreidt. Geluid werkt op dezelfde manier. Hoe meer energie een golf bevat, hoe intenser deze is.

Intensiteit is belangrijk omdat het een grote rol speelt in hoe we luidheid waarnemen. Terwijl de amplitude ons de hoogte van de golf geeft, vertelt de intensiteit ons hoeveel energie er in totaal wordt afgegeven. Een kleine luidspreker en een geluidssysteem in een stadion produceren misschien allebei dezelfde amplitude op één punt, maar het systeem in het stadion verspreidt dat vermogen over een veel groter gebied, waardoor het veel intenser is.

Dit is ook de reden waarom afstand invloed heeft op hoe hard iets klinkt. Als een geluidsgolf zich verspreidt, neemt de intensiteit af omdat de energie over een grotere ruimte wordt verdeeld. Daarom klinkt een concert oorverdovend dichtbij de luidsprekers, maar verzwakt het naarmate je verder weg gaat.

Fase

Fase kijkt naar de timing van een golf. Het is waar een geluidsgolf zich op een bepaald moment in zijn cyclus bevindt. Als je een golfvorm kunt bevriezen en naar een specifieke plek erop kunt wijzen, identificeer je de fase.

We meten fase in graden, waarbij één complete golfcyclus 360° is. Een golf op 0° of 360° staat aan het beginpunt, terwijl 180° betekent dat hij halverwege is en op zijn kop staat.

Wanneer meerdere geluidsgolven op elkaar inwerken, bepaalt hun fase of ze samenwerken of elkaar tegenwerken.

Als twee identieke golven in fase zijn (zich op dezelfde punten bevinden), versterken ze elkaar, waardoor het geluid sterker wordt. Als ze echter uit fase zijn, wat betekent dat de piek van de ene golf samenvalt met de dip van de andere, heffen ze elkaar geheel of gedeeltelijk op, wat het geluid kan verminderen of zelfs elimineren.

Fase-annulering is de vloek van elke geluidstechnicus. Als je bijvoorbeeld ooit een drumstel hebt opgenomen en merkt dat de snare vreemd dun klinkt, kan fase-afbreking tussen microfoons de boosdoener zijn. Dit is ook de reden waarom het omdraaien van de fase op een mixer of DAW een geluid soms weer tot leven kan brengen.

We hebben een hele blog gewijd aan waarom fasen belangrijk zijn in muziek. Ik raad je aan deze blog te lezen als je er meer over wilt weten.

Verschillende soorten geluidsgolven gebaseerd op voortplanting

Het is belangrijk om te weten dat niet alle geluidsgolven op dezelfde manier bewegen. Hoewel ze allemaal energie door een medium transporteren, kan de manier waarop ze zich voortplanten (een mooie term voor hoe geluidsgolven zich verplaatsen) verschillen, afhankelijk van de situatie.

Voortplanting is gewoon de manier waarop een golf door de ruimte beweegt. Sommige golven duwen en trekken in dezelfde richting als ze reizen, terwijl andere op en neer bewegen of zich verspreiden in complexe patronen.

Laten we de belangrijkste soorten geluidsgolven uitsplitsen op basis van hoe ze bewegen en waarom dat van belang is.

Longitudinale golven

Longitudinale golven zijn de meest gebruikte vorm voor geluidsgolven in het dagelijks leven. Ze worden gedefinieerd door hoe ze bewegen. Luchtdeeltjes trillen heen en weer in dezelfde richting als de golf beweegt.

Ik stel me graag voor dat ik een uiteinde van een slinky naar voren duw terwijl ik het naar achteren trek, en dat ik zie hoe de spoelen zich bundelen en verspreiden in bepaalde delen. In wezen bewegen longitudinale golven door gebieden van compressie (waar deeltjes samengedrukt worden) en rarefactie (waar deeltjes uit elkaar gaan). Deze constante cyclus van duwen en trekken is hoe geluid door de lucht beweegt en onze oren bereikt.

We horen longitudinale golven in lucht en water omdat deze materialen niet de structuur hebben om andere soorten golfbewegingen te ondersteunen. Maar ze bewegen ook door vaste stoffen.

Aangezien deze golven verantwoordelijk zijn voor bijna al het geluid dat we horen, vormen ze de kern van alles in de muziek, van de trilling van een gitaarsnaar tot het knisperende getik van een hi-hat.

Dwarsgolven

Transversale golven bewegen een beetje anders dan hun longitudinale neven. In plaats van deeltjes die heen en weer trillen in dezelfde richting als de golf, hebben transversale golven een beweging die loodrecht staat op het reispad van de golf, wat betekent dat de energie vooruit beweegt, maar dat de deeltjes op en neer bewegen.

Een goede manier om je dit voor te stellen is door met een touw te schudden. Als je het ene uiteinde vasthoudt en het op en neer beweegt, zie je golven langs het touw bewegen, maar het materiaal van het touw beweegt heen en weer in plaats van langs de lengte van de golf. Zo gedragen transversale golven zich.

Het belangrijkste verschil is dat transversale golven alleen voorkomen in vaste stoffen. Dat komt omdat vaste stoffen de noodzakelijke stijve structuur hebben om de op-en-neergaande beweging te ondersteunen. Vloeistoffen en gassen hebben die interne weerstand niet.

Hoewel ze geen deel uitmaken van de manier waarop we geluid horen, spelen transversale golven een enorme rol bij het begrijpen van de mechanische eigenschappen van materialen in de wereld om ons heen. Ze zijn te zien in seismische activiteit, trillingen in vaste structuren en zelfs hoe instrumenten resoneren. Als je ooit de body van een akoestische gitaar hebt voelen trillen als je een noot speelt, dan heb je transversale golven in actie gezien.

Oppervlaktegolven

Oppervlaktegolven zijn het beste van twee werelden en combineren de elementen van zowel longitudinale als transversale golven. In plaats van puur heen-en-weer of op-en-neer te bewegen, creëren oppervlaktegolven een meer cirkelvormige of rollende beweging wanneer ze langs de grens tussen twee verschillende materialen bewegen.

Om terug te komen op oceaangolven : wanneer een golf naar de kust rolt, beweegt het water in een luspatroon. Deeltjes dichtbij het oppervlak bewegen in grotere cirkels, terwijl de deeltjes dieper naar beneden minder bewegen. Hetzelfde principe is van toepassing op oppervlaktegolven in andere materialen, waaronder sommige gevallen waarin geluid in wisselwerking staat met vaste oppervlakken.

Het belangrijkste bij oppervlaktegolven is dat hun energie afneemt met de diepte. Hoe verder je van het oppervlak komt, hoe kleiner de golfbeweging wordt. Dit is de reden waarom diepzeeduikers niet dezelfde beweging voelen die boten bovenin rondgooit.

Verschillende soorten geluidsgolven op basis van frequentie

Sommige geluidsgolven kunnen we horen, terwijl andere volledig buiten ons bereik liggen. Op basis van frequentie kunnen geluidsgolven in drie hoofdcategorieën worden ingedeeld:

• Hoorbare geluidsgolven: Dit zijn de frequenties die mensen echt kunnen horen. Alles van 20 Hz tot 20 kHz valt in dit bereik. Naarmate we ouder worden, daalt de bovengrens. Daarom worden sommige hoogfrequente geluiden alleen gehoord door jongere oren (je herinnert je vast nog wel dat je klasgenoten die irritante muggenapps speelden in de klas omdat de leraar ze niet kon horen).
• Infrageluid: Dit zijn ultralage frequenties onder de 20 Hz die te diep zijn voor het menselijk gehoor, maar ze zijn nog steeds heel echt en krachtig. Infrageluid wordt gebruikt om aardbevingen op te sporen, vulkanische activiteit te monitoren en zelfs om met dieren te communiceren. Olifanten gebruiken infrageluid bijvoorbeeld om over lange afstanden te "praten". Sommige onderzoekers leggen zelfs een verband tussen infrageluid en gevoelens van onbehagen, wat die "ik zweer dat ik net een geest zag" momenten zou kunnen verklaren.
• Ultrageluid: Deze geluidsgolven met een hoge frequentie van meer dan 20 kHz gaan verder dan wat mensen kunnen horen, maar ze hebben enorm veel praktische toepassingen. Medische beeldvorming (ultrasone scans), sonartechnologie en zelfs sommige ongediertebestrijdingsmiddelen vertrouwen op ultrageluid. Sommige dieren, zoals vleermuizen en dolfijnen, gebruiken het voor echolocatie om te "zien" op manieren die onze waarneming te boven gaan.

Laatste gedachten over geluidsgolven

Wat kun je nu doen met al deze nieuwe informatie over geluidsgolven?

Om te beginnen geeft inzicht in geluidsgolven je meer controle over je muziekproductie, mixen, opnemen en zelfs live geluidsopstellingen. Of je nu een EQ instelt en de frequentie van de golven die je hoort probeert te achterhalen of microfoons plaatst en fase probeert te vermijden, weten hoe geluid beweegt helpt je betere keuzes te maken.

Wil je een leuk experiment met geluidsgolven?

Probeer dit eens: pak een luidspreker, speel een sinusgolf met een lage frequentie af (rond 50-100 Hz) en leg je hand in de buurt van de luidspreker. Voel je die trilling? Speel nu een hoogfrequente sinusgolf af (5.000 Hz of meer). Zie je hoe de trillingen vervagen? Dat is de golflengte en frequentie in actie. Hoe lager de frequentie, hoe langer de golflengte en hoe meer het door de lucht beweegt op een manier die je fysiek kunt voelen.

Uiteindelijk maken geluidsgolven niet alleen deel uit van een abstracte wetenschap. Ze vormen alles wat we horen en voelen in muziek. En hoe beter je ze begrijpt, hoe meer je ze naar je hand kunt zetten.