Kiedy większość ludzi słyszy słowo fala, wyobraża sobie ocean - falujące fale, rozbijające się fale, a może nawet surfera, który w spektakularny sposób traci przytomność. Ale w świecie muzyki i dźwięku fale działają nieco inaczej.

Nie oznacza to, że fale oceaniczne i fale dźwiękowe nie mają ze sobą wiele wspólnego. Oba poruszają się w przestrzeni, przenoszą energię i mogą być mierzone pod względem wielkości i prędkości.

Oczywiście duża różnica polega na tym, że fale oceaniczne przemieszczają się przez wodę, podczas gdy fale dźwiękowe przemieszczają się przez powietrze (lub jakikolwiek inny materiał, przez który przechodzą). I podczas gdy fale oceaniczne sprawiają, że ich ruch jest łatwy do zauważenia, fale dźwiękowe są nieco bardziej złożone, działając w sferze mikroskopowej.

Wiedza o tym, jak zachowują się te fale, może być niezwykle korzystna dla każdego, kto pracuje z dźwiękiem, niezależnie od tego, czy jesteś inżynierem dźwięku, konstruktorem studyjnym czy twórcą rozwiązań akustycznych. Przeanalizujmy to wszystko w najprostszy możliwy sposób!

Czym jest fala dźwiękowa?

W swej istocie fala dźwiękowa jest po prostu wibracją poruszającą się w powietrzu (lub wodzie, lub ciele stałym. Dźwięk nie jest wybredny). To dzięki niemu słyszymy wszystko - od muzyki, przez głosy, aż po nocne odgłosy!

Fale dźwiękowe opisujemy na podstawie kilku kluczowych cech, w tym tego, jak szybko się poruszają (częstotliwość), jak duże są (amplituda) i jak zmieniają się w czasie. Ale zanim przejdziemy do tego wszystkiego, ważne jest, aby zrozumieć, że fale dźwiękowe są specjalnym rodzajem fal zwanych falami podłużnymi.

W przeciwieństwie do fal oceanicznych, które poruszają się w górę i w dół podczas podróży do przodu, fala podłużna popycha i ciągnie powietrze w tym samym kierunku, w którym się porusza.

Aby wyobrazić sobie sposób działania fali podłużnej, pomyśl o długiej linii ludzi stojących ramię w ramię. Jeśli pierwsza osoba pochyli się do przodu i wpadnie na kolejną, a ta zrobi to samo z następną, otrzymamy reakcję łańcuchową, podobnie jak cząsteczki powietrza reagujące na dźwięk. Ten ruch tam i z powrotem jest powodem, dla którego dźwięk jest często nazywany falą ciśnieniową.

Kiedy mówimy o falach dźwiękowych w muzyce i życiu codziennym, tak naprawdę mówimy o falach ciśnienia akustycznego. Te fale dźwiękowe mieszczą się w zakresie ludzkiego słuchu, który wynosi w przybliżeniu od 20 Hz do 20 000 Hz. Poniżej dźwięków odbieranych przez ludzkie ucho znajduje się zakres infradźwięków, który jest zbyt niski, abyśmy mogli go usłyszeć, ale jest przydatny do takich rzeczy, jak wykrywanie trzęsień ziemi i śledzenie słoni (tak, dobrze przeczytałeś). Powyżej zakresu ludzkiego ucha znajdują się ultradźwięki, których używamy do wszystkiego, od obrazowania medycznego po czyszczenie biżuterii. Wrócimy do nich za chwilę.

Poza muzyką istnieje kilka branż, w których fale dźwiękowe odgrywają ważną rolę. Pomagają one lekarzom zobaczyć wnętrze ludzkiego ciała, a także umożliwiają łodziom podwodnym nawigację pod wodą. Ale dla nas, muzyków i producentów, fale te są podstawą wszystkiego, z czym pracujemy, a im lepiej je rozumiemy, tym większą kontrolę mamy nad naszym dźwiękiem.

Jakie są składniki fali dźwiękowej?

Fale dźwiękowe mogą wydawać się czarną magią, ale podobnie jak wszystko inne w fizyce, podlegają one zestawowi reguł. Każdy dźwięk, który słyszymy, ma określone cechy, które definiują jego zachowanie, a istnieje kilka kluczowych elementów, które kształtują fale dźwiękowe.

Częstotliwość

Częstotliwość jest jednym z najważniejszych czynników wpływających na to, jak słyszymy dźwięk. Mówiąc prościej, jest to szybkość, z jaką fala dźwiękowa wibruje. Mierzymy ją w hercach (Hz), co mówi nam, ile razy fala cykli w ciągu jednej sekundy.

Im szybsze wibracje, tym wyższa częstotliwość. A częstotliwość jest tym, co określa wysokość dźwięku. Na przykład środkowe C na pianinie ma częstotliwość około 261,6 Hz, co oznacza, że powietrze wibruje z taką prędkością na sekundę, aby wytworzyć tę nutę. W międzyczasie niski bas może mieć częstotliwość około 60 Hz, a przeszywający gwizd psa może wznieść się powyżej 20 000 Hz (co, wygodnie, jest miejscem, w którym ludzki słuch się kończy).

Długość fali

Długość fali (λ) to rozmiar fali dźwiękowej - a konkretnie odległość, jaką pokonuje ona w jednym pełnym cyklu. Gdyby zamrozić falę dźwiękową i rozciągnąć ją przed sobą, długość fali byłaby odległością od jednego szczytu do następnego.

Jest na to prosta formuła:

λ=c/f

Oto, co to oznacza:

• λ (długość fali): Długość jednego pełnego cyklu fali
• c (prędkość dźwięku): Jak szybko dźwięk przemieszcza się w powietrzu (około 343 metrów na sekundę w temperaturze pokojowej).
• f (częstotliwość): Szybkość drgań fali, mierzona w hercach.

Jeśli więc masz dźwięk o częstotliwości 100 Hz, możesz go podłączyć:

λ = 343/100 = 3,43 metra

Oznacza to, że fala ma ponad 3 metry długości!

Jeśli porównamy to z dźwiękiem o częstotliwości 1000 Hz:

λ = 343/1000 = 0,343 metra

Jak widać, wyższe częstotliwości mają krótsze fale, dlatego basy (niskie częstotliwości) są duże i szerokie, podczas gdy wysokie tony (wysokie częstotliwości) są bardziej skupione i kierunkowe.

Dlatego też dźwięki o niskim natężeniu mogą przenikać przez ściany, podczas gdy dźwięki o wyższym natężeniu są łatwiej pochłaniane lub odbijane.

Amplituda

Amplituda reprezentuje moc lub głośność dźwięku. Jest to część fali dźwiękowej, która sprawia, że jest ona głośna lub cicha. Mówiąc bardziej technicznie, określa ona, jak daleko cząsteczki powietrza są wypychane z pozycji spoczynkowej, gdy przechodzi przez nie fala dźwiękowa. Im większy ruch, tym silniejsza fala i głośniejszy dźwięk.

Pomyśl o tym w ten sposób: jeśli delikatnie uderzysz w bęben, powietrze ledwo się poruszy i uzyskasz cichy dźwięk. Ale jeśli uderzysz w bęben z dużą siłą, powietrze spręża się i rozszerza znacznie bardziej dramatycznie, tworząc głośniejsze dźwięki.

Oto amplituda w akcji.

Amplituda fali to jej wysokość. Wyższe fale oznaczają wyższą amplitudę, co odbieramy jako większą głośność. Mniejsze fale oznaczają niższą amplitudę, co słyszymy jako cichszy dźwięk.

Jednak poza głośnością, amplituda odgrywa również rolę w tym, jak dźwięk oddziałuje z przestrzenią, jak jest odczuwany fizycznie, a nawet jak jest postrzegany emocjonalnie w muzyce.

Prędkość

Kiedy mówimy o prędkości dźwięku (a nie o prawdopodobnie jednej z najlepszych piosenek Coldplay), chodzi o to, jak szybko fale dźwiękowe przemieszczają się przez medium. W przeciwieństwie do światła, które mknie przez przestrzeń z prędkością trudną do wyobrażenia, dźwięk potrzebuje czegoś, przez co może się przemieszczać. Może to być powietrze, woda, metal, jak kto woli. W zależności od tego, co to jest, zmienia się prędkość dźwięku.

W powietrzu (w temperaturze pokojowej) dźwięk przemieszcza się z prędkością około 343 metrów na sekundę. Jeśli jednak krzykniesz pod wodą, dźwięk rozchodzi się cztery razy szybciej niż w powietrzu. A jeśli stukniesz w metalową rurę, wibracje przenikają przez metal jeszcze szybciej.

Dlaczego więc tak się dzieje?

Sprowadza się to do tego, jak ciasno upakowane są cząsteczki w różnych materiałach. W gazach, takich jak powietrze, cząsteczki są dość rozproszone, więc przejście fali trwa dłużej. W cieczach cząsteczki są bliżej siebie, więc dźwięk porusza się szybciej. W ciałach stałych, gdzie cząsteczki są ciasno upakowane, dźwięk porusza się najszybciej.

To dlatego, jeśli przyłożysz ucho do torów kolejowych (nie polecam tego), usłyszysz nadjeżdżający pociąg na długo przed tym, jak dźwięk dotrze do ciebie przez powietrze. To również dlatego dźwięk zachowuje się inaczej w różnych środowiskach, na przykład twój głos brzmi dziwnie stłumiony w gęstej mgle, ponieważ dodatkowa wilgoć w powietrzu zmienia prędkość i pochłanianie fal dźwiękowych).

Intensywność

Jeśli amplituda mówi nam, jak duża jest fala dźwiękowa, to natężenie mówi nam, jak silna ona jest. Mówiąc dokładniej, natężenie to ilość mocy przenoszonej przez falę dźwiękową na jednostkę powierzchni, którą mierzymy w watach na metr kwadratowy (W/m²).

Pomyśl o tym jak o latarce. Słaba latarka rozprowadza niewielką ilość energii na danym obszarze, podczas gdy latarka o dużej mocy emituje tonę światła w tej samej przestrzeni. Dźwięk działa w ten sam sposób. Im więcej energii w fali, tym bardziej jest ona intensywna.

Intensywność ma znaczenie, ponieważ odgrywa ogromną rolę w tym, jak postrzegamy głośność. Podczas gdy amplituda daje nam wysokość fali, intensywność mówi nam, ile całkowitej energii jest dostarczane. Mały głośnik i stadionowy system dźwiękowy mogą wytwarzać taką samą amplitudę w jednym punkcie, ale system stadionowy rozprowadza tę moc na znacznie większym obszarze, co czyni ją znacznie bardziej intensywną.

Dlatego też odległość wpływa na głośność dźwięku. Gdy fala dźwiękowa rozprzestrzenia się, jej intensywność spada, ponieważ energia jest rozprowadzana na większej przestrzeni. To dlatego koncert brzmi ogłuszająco w pobliżu głośników, ale słabnie, im dalej się cofniesz.

Faza

Faza analizuje czas trwania fali. Jest to miejsce, w którym fala dźwiękowa znajduje się w swoim cyklu w danym momencie. Gdybyś mógł zamrozić kształt fali i wskazać na nim określone miejsce, zidentyfikowałbyś jego fazę.

Fazę mierzymy w stopniach, przy czym jeden pełny cykl fali wynosi 360°. Fala przy 0° lub 360° znajduje się w punkcie początkowym, podczas gdy 180° oznacza, że jest w połowie i odwróciła się do góry nogami.

Gdy wiele fal dźwiękowych oddziałuje na siebie, ich fazy określają, czy działają razem, czy przeciwko sobie.

Jeśli dwie identyczne fale są w fazie (ustawione w tych samych punktach), wzmacniają się wzajemnie, czyniąc dźwięk silniejszym. Jeśli jednak nie są w fazie, co oznacza, że szczyt jednej fali pokrywa się z dołkiem drugiej, częściowo lub całkowicie się znoszą, co może zmniejszyć lub nawet wyeliminować dźwięk.

Zniekształcenia fazowe są zmorą każdego inżyniera dźwięku. Na przykład, jeśli kiedykolwiek nagrywałeś zestaw perkusyjny i zauważyłeś, że werbel brzmi dziwnie cienko, winowajcą może być anulowanie fazy między mikrofonami. Jest to również powód, dla którego odwrócenie fazy w mikserze lub DAW może czasami przywrócić dźwięk do życia.

Mamy cały blog na temat tego , dlaczego faza jest ważna w muzyce, który polecam sprawdzić, jeśli chcesz dowiedzieć się więcej.

Różne rodzaje fal dźwiękowych na podstawie propagacji

Należy pamiętać, że nie wszystkie fale dźwiękowe poruszają się w ten sam sposób. Chociaż wszystkie przenoszą energię przez medium, sposób ich propagacji (fantazyjny termin określający sposób przemieszczania się fal dźwiękowych) może być różny w zależności od sytuacji.

Propagacja to po prostu sposób, w jaki fala przemieszcza się w przestrzeni. Niektóre fale pchają i ciągną w tym samym kierunku, podczas gdy inne poruszają się w górę i w dół lub rozprzestrzeniają się w złożonych wzorach.

Przeanalizujmy główne rodzaje fal dźwiękowych w oparciu o sposób, w jaki się poruszają i dlaczego ma to znaczenie.

Fale podłużne

Fale podłużne to podstawowy format fal dźwiękowych w życiu codziennym. Są one definiowane przez sposób, w jaki się poruszają. Cząsteczki powietrza wibrują tam i z powrotem w tym samym kierunku, w którym przemieszcza się fala.

Lubię wyobrażać sobie popychanie jednego końca slinky do przodu i ciągnięcie go do tyłu oraz obserwowanie, jak cewki zwijają się i rozchodzą w niektórych sekcjach. Zasadniczo fale podłużne przemieszczają się przez obszary kompresji (gdzie cząsteczki są ściskane razem) i rozrzedzenia (gdzie cząsteczki się rozchodzą). Ten ciągły cykl wypychania i przyciągania to sposób, w jaki dźwięk przemieszcza się w powietrzu i dociera do naszych uszu.

Słyszymy fale podłużne w powietrzu i wodzie, ponieważ materiały te nie mają struktury, która wspierałaby inne rodzaje ruchu fal. Fale podłużne przemieszczają się również w ciałach stałych.

Ponieważ fale te są odpowiedzialne za prawie wszystkie dźwięki, które słyszymy, są one sercem wszystkiego w muzyce, od wibracji struny gitary po chrupiące stukanie hi-hatu.

Fale poprzeczne

Fale poprzeczne poruszają się nieco inaczej niż ich podłużni kuzyni. Zamiast cząstek wibrujących tam i z powrotem w tym samym kierunku co fala, fale poprzeczne charakteryzują się ruchem prostopadłym do ścieżki ruchu fali, co oznacza, że energia porusza się do przodu, ale cząstki poruszają się w górę i w dół.

Dobrym sposobem na zobrazowanie tego jest potrząsanie liną. Jeśli trzymasz jeden koniec liny i poruszasz nią w górę i w dół, zobaczysz fale przemieszczające się wzdłuż liny, ale rzeczywisty materiał liny porusza się na boki, a nie wzdłuż długości fali. Tak właśnie zachowują się fale poprzeczne.

Kluczowa różnica polega na tym, że fale poprzeczne występują tylko w ciałach stałych. Dzieje się tak dlatego, że ciała stałe mają niezbędną sztywną strukturę, aby wspierać ruch w górę i w dół. Ciecze i gazy nie mają takiego oporu wewnętrznego.

Chociaż nie są one częścią tego, jak słyszymy dźwięk, fale poprzeczne odgrywają ogromną rolę w zrozumieniu mechanicznych właściwości materiałów w otaczającym nas świecie. Pojawiają się w aktywności sejsmicznej, wibracjach w stałych strukturach, a nawet w rezonansie instrumentów. Jeśli kiedykolwiek czułeś wibracje korpusu gitary akustycznej podczas grania nut, doświadczasz fal poprzecznych w akcji.

Fale powierzchniowe

Fale powierzchniowe są jak najlepsze z obu światów, łącząc w sobie elementy zarówno fal podłużnych, jak i poprzecznych. Zamiast poruszać się wyłącznie w przód i w tył lub w górę i w dół, fale powierzchniowe tworzą bardziej kolisty lub toczący się ruch, gdy przemieszczają się wzdłuż granicy między dwoma różnymi materiałami.

Wracając do fal oceanicznych , gdy fala toczy się w kierunku brzegu, woda porusza się w pętli. Cząsteczki znajdujące się blisko powierzchni zataczają większe kręgi, podczas gdy te znajdujące się głębiej poruszają się wolniej. Ta sama zasada dotyczy fal powierzchniowych w innych materiałach, w tym w niektórych przypadkach, w których dźwięk oddziałuje z powierzchniami stałymi.

Kluczową cechą fal powierzchniowych jest to, że ich energia zanika wraz z głębokością. Im dalej od powierzchni, tym ruch fali staje się mniejszy. To dlatego nurkowie głębinowi nie czują tego samego ruchu, który podrzuca łodzie na górze.

Różne rodzaje fal dźwiękowych w zależności od częstotliwości

Niektóre fale dźwiękowe możemy usłyszeć, podczas gdy inne są całkowicie poza naszym zasięgiem. W oparciu o częstotliwość, fale dźwiękowe dzielą się na trzy główne kategorie:

• Słyszalne fale dźwiękowe: Są to częstotliwości, które ludzie mogą usłyszeć. Wszystko od 20 Hz do 20 kHz mieści się w tym zakresie. Wraz z wiekiem górna granica ma tendencję do obniżania się, dlatego niektóre dźwięki o wysokiej częstotliwości są słyszalne tylko dla młodszych uszu (prawdopodobnie pamiętasz swoich kolegów z klasy odtwarzających te irytujące aplikacje komarów w klasie, ponieważ nauczyciel nie mógł ich usłyszeć)
• Infradźwięki: Są to ultra-niskie częstotliwości poniżej 20 Hz, które są zbyt głębokie dla ludzkiego słuchu, ale nadal są bardzo realne i potężne. Infradźwięki są wykorzystywane do wykrywania trzęsień ziemi, monitorowania aktywności wulkanicznej, a nawet komunikacji między zwierzętami. Na przykład słonie wykorzystują infradźwięki do "rozmowy" na duże odległości. Niektórzy badacze łączą nawet infradźwięki z uczuciem niepokoju, co może wyjaśniać momenty, w których "przysięgam, że właśnie zobaczyłem ducha".
• Ultradźwięki: Fale dźwiękowe o wysokiej częstotliwości powyżej 20 kHz są poza zasięgiem ludzkiego słuchu, ale mają mnóstwo praktycznych zastosowań. Obrazowanie medyczne (skany ultradźwiękowe), technologia sonarowa, a nawet niektóre środki odstraszające szkodniki opierają się na ultradźwiękach. Niektóre zwierzęta, takie jak nietoperze i delfiny, wykorzystują je do echolokacji, aby "widzieć" w sposób, który jest poza naszą percepcją.

Końcowe przemyślenia na temat fal dźwiękowych

Co więc można zrobić z tymi wszystkimi nowo odkrytymi informacjami na temat fal dźwiękowych?

Cóż, po pierwsze, zrozumienie fal dźwiękowych daje większą kontrolę nad produkcją muzyczną, miksowaniem, nagrywaniem, a nawet konfiguracją dźwięku na żywo. Niezależnie od tego, czy dostosowujesz korektor i próbujesz określić częstotliwość fal, które słyszysz, czy też umieszczasz mikrofony i próbujesz uniknąć fazy, wiedza o tym, jak porusza się dźwięk, pomaga dokonywać lepszych wyborów.

Chcesz przeprowadzić zabawny eksperyment z falami dźwiękowymi?

Spróbuj tego: chwyć głośnik, odtwórz falę sinusoidalną o niskiej częstotliwości (około 50-100 Hz) i zbliż do niego dłoń. Czujesz te wibracje? Teraz odtwórz falę sinusoidalną o wysokiej częstotliwości (5000 Hz lub więcej). Zauważ, jak wibracje zanikają? To długość fali i częstotliwość w akcji. Im niższa częstotliwość, tym dłuższa fala i tym bardziej porusza się ona w powietrzu w sposób, który można fizycznie poczuć.

Ostatecznie fale dźwiękowe nie są tylko częścią jakiejś abstrakcyjnej nauki. Kształtują one wszystko, co słyszymy i czujemy w muzyce. A im lepiej je rozumiesz, tym bardziej możesz je naginać do swojej woli.