Când majoritatea oamenilor aud cuvântul " val ", își imaginează oceanul - valuri care se rostogolesc, valuri care se sparg, poate chiar un surfer care se prăbușește în mod spectaculos. Dar în lumea muzicii și a sunetului, valurile funcționează puțin diferit.

Asta nu înseamnă că undele oceanice și undele sonore nu au multe în comun. Ambele se deplasează prin spațiu, transportă energie și pot fi măsurate în funcție de mărimea și viteza lor.

Bineînțeles, marea diferență este că undele oceanice se deplasează prin apă, în timp ce undele sonore se deplasează prin aer (sau prin orice material se întâmplă să treacă). Și în timp ce undele oceanice își fac mișcarea ușor de văzut, undele sonore sunt puțin mai complexe, acționând în domeniul microscopic.

Cunoașterea comportamentului acestor unde poate fi incredibil de benefică pentru oricine lucrează cu sunetul, fie că sunteți inginer audio, constructor de studiouri sau dezvoltator de tratamente acustice. Așa că haideți să analizăm totul în cel mai simplu mod posibil!

Ce este o undă sonoră?

În esența sa, unda sonoră este doar o vibrație care se deplasează prin aer (sau apă, sau un solid. Sunetul nu este pretențios). Acesta este motivul pentru care auzim totul, de la muzică și voci până la lucruri care se întâmplă în noapte!

Descriem undele sonore pe baza câtorva caracteristici cheie, inclusiv cât de repede se mișcă (frecvența), cât de mari sunt (amplitudinea) și cum se schimbă în timp. Dar înainte de a intra în toate acestea, este important să înțelegem că undele sonore sunt un tip special de unde numite unde longitudinale.

Spre deosebire de valurile oceanice, care se mișcă în sus și în jos în timp ce se deplasează înainte, un val longitudinal împinge și trage aerul în aceeași direcție în care se deplasează.

Pentru a vă imagina modul în care funcționează o undă longitudinală, gândiți-vă la un șir lung de oameni care stau umăr la umăr. Dacă prima persoană se apleacă în față și se ciocnește de următoarea, iar aceasta face același lucru cu următoarea, se obține o reacție în lanț, la fel ca moleculele de aer care reacționează la un sunet. Această mișcare înainte și înapoi este motivul pentru care sunetul este adesea numit undă de presiune.

Acum, când vorbim despre undele sonore în muzică și în viața de zi cu zi, vorbim de fapt despre unde de presiune sonoră. Aceste unde sonore se încadrează în gama auzului uman, care este de aproximativ 20 Hz până la 20.000 Hz. Sub sunetele percepute de urechea umană se află gama infrasunetelor, care este prea joasă pentru a fi auzită de noi, dar este utilă pentru lucruri precum detectarea cutremurelor și urmărirea elefanților (da, ați citit bine). Dincolo de raza de acțiune a urechii umane se află ultrasunetele, pe care le folosim pentru orice, de la imagistica medicală la curățarea bijuteriilor. Vom reveni la acestea în scurt timp.

Dincolo de muzică, există mai multe industrii în care undele sonore joacă un rol important. Ele fac orice, de la a ajuta medicii să vadă în interiorul corpului uman până la a permite submarinelor să navigheze sub apă. Dar pentru noi, ca muzicieni și producători, aceste unde sunt baza a tot ceea ce lucrăm și, cu cât le înțelegem mai bine, cu atât avem mai mult control asupra sunetului nostru.

Care sunt componentele unei unde sonore?

Undele sonore pot părea magie neagră, dar, la fel ca orice altceva în fizică, ele urmează un set de reguli. Fiecare sunet pe care îl auzim are trăsături specifice care definesc modul în care se comportă și există o mână de componente cheie care modelează undele sonore.

Frecvența

Frecvența este unul dintre cei mai importanți factori care influențează modul în care auzim sunetul. În termeni simpli, este cât de repede vibrează unda sonoră. O măsurăm în hertzi (Hz), care ne spune de câte ori unda face un ciclu într-o secundă.

Cu cât vibrația este mai rapidă, cu atât frecvența este mai mare. Iar frecvența este cea care determină înălțimea. De exemplu, un Do de mijloc la pian are o frecvență de aproximativ 261,6 Hz, ceea ce înseamnă că aerul vibrează cu acea viteză pe secundă pentru a produce nota. Între timp, o notă joasă de bas se poate situa în jurul valorii de 60 Hz, iar un fluier de câine pătrunzător poate depăși 20 000 Hz (care, în mod convenabil, este nivelul la care auzul uman se oprește).

Lungimea de undă

Lungimea de undă (λ) este dimensiunea unei unde sonore - mai exact, distanța parcursă de aceasta într-un ciclu complet. Dacă ați îngheța o undă sonoră și ați întinde-o în fața dumneavoastră, lungimea de undă ar fi distanța de la un vârf la următorul.

Există o formulă simplă pentru a afla acest lucru:

λ=c/f

Iată ce înseamnă asta:

• λ (Lungimea de undă): Lungimea unui ciclu complet al undei
• c (viteza sunetului): Viteza cu care sunetul se deplasează prin aer (aproximativ 343 de metri pe secundă la temperatura camerei)
• f (frecvență): Cât de repede vibrează unda, măsurată în hertzi

Deci, dacă aveți un sunet de 100 Hz, îl puteți conecta:

λ = 343/100 = 3,43 metri

Asta înseamnă că valul are o lungime de peste 3 metri!

Acum, dacă comparăm asta cu un sunet de 1.000 Hz:

λ = 343/1000 = 0,343 metri

După cum puteți vedea, frecvențele înalte au lungimi de undă mai scurte, motiv pentru care basul (frecvențele joase) se simte mare și larg, în timp ce treble-ul (frecvențele înalte) este mai concentrat și direcțional.

Acesta este și motivul pentru care sunetele joase pot trece prin pereți, în timp ce sunetele înalte tind să fie absorbite sau reflectate mai ușor.

Amplitudine

Amplitudinea reprezintă puterea sau volumul unui sunet. Este partea din unda sonoră care îl face puternic sau slab. Mai tehnic, reprezintă cât de departe sunt împinse particulele de aer de la poziția lor de repaus atunci când unda sonoră trece prin ele. Cu cât mișcarea este mai mare, cu atât unda este mai puternică, iar sunetul mai puternic.

Gândiți-vă astfel: dacă bateți ușor o tobă, aerul abia se mișcă și veți obține un sunet liniștit. Dar dacă loviți toba cu putere, aerul se comprimă și se dilată mult mai dramatic, creând sunete mai puternice.

Aceasta este amplitudinea în acțiune.

Într-o formă de undă, amplitudinea este înălțimea undei. Undele mai înalte înseamnă o amplitudine mai mare, pe care o percepem ca un volum mai mare. Undele mai mici înseamnă o amplitudine mai mică, pe care o percepem ca un sunet mai liniștit.

Cu toate acestea, dincolo de volum, amplitudinea joacă un rol în modul în care sunetul interacționează cu spațiul, cum se simte fizic și chiar cum este perceput emoțional în muzică.

Viteza

Când vorbim despre viteza sunetului (și nu despre unul dintre cele mai bune cântece ale trupei Coldplay), ne referim la viteza cu care undele sonore traversează un mediu. Spre deosebire de lumină, care traversează spațiul cu viteze greu de înțeles, sunetul are nevoie de ceva prin care să călătorească. Ar putea fi aer, apă, metal, orice. În funcție de ce este acel ceva, viteza sunetului se schimbă.

În aer (la temperatura camerei), sunetul se deplasează cu aproximativ 343 de metri pe secundă (1.125 picioare pe secundă). Dar dacă strigați sub apă, sunetul călătorește de patru ori mai repede decât în aer. Iar dacă apăsați pe o țeavă de metal, vibrația traversează metalul și mai repede.

Deci, de ce se întâmplă acest lucru?

Depinde de cât de strânse sunt moleculele în diferite materiale. În gaze precum aerul, moleculele sunt destul de împrăștiate, astfel încât unda are nevoie de mai mult timp pentru a trece prin ele. În lichide, moleculele sunt mai apropiate, astfel încât sunetul se deplasează mai repede. În solide, unde moleculele sunt strânse, sunetul se deplasează cel mai rapid.

Acesta este motivul pentru care, dacă vă lipiți urechea de o șină de tren (nu vă recomand acest lucru), veți auzi un tren care se apropie cu mult înainte ca sunetul să ajungă la dumneavoastră prin aer. Acesta este, de asemenea, motivul pentru care sunetul se comportă diferit în medii diferite, cum ar fi modul în care vocea ta sună ciudat de înăbușit într-o ceață densă, deoarece umiditatea suplimentară din aer modifică viteza și absorbția undelor sonore).

Intensitate

Dacă amplitudinea ne spune cât de mare este unda sonoră, intensitatea ne spune cât de puternică este. Mai exact, intensitatea este cantitatea de putere pe care o poartă unda sonoră pe unitatea de suprafață și o măsurăm în wați pe metru pătrat (W/m²).

Gândiți-vă la asta ca la o lanternă. O lanternă slabă împrăștie o cantitate mică de energie pe o suprafață, în timp ce o lanternă puternică emite o tonă de lumină în același spațiu. Sunetul funcționează în același mod. Cu cât o undă conține mai multă energie, cu atât este mai intensă.

Intensitatea este importantă deoarece joacă un rol enorm în modul în care percepem intensitatea. În timp ce amplitudinea ne dă înălțimea undei, intensitatea ne spune câtă energie totală este furnizată. Un difuzor mic și un sistem de sunet de stadion pot produce aceeași amplitudine într-un singur punct, dar sistemul de pe stadion răspândește acea putere pe o suprafață mult mai mare, ceea ce o face mult mai intensă.

Acesta este și motivul pentru care distanța influențează intensitatea sunetului. Pe măsură ce unda sonoră se răspândește, intensitatea acesteia scade deoarece energia este distribuită pe un spațiu mai mare. Acesta este motivul pentru care un concert sună asurzitor în apropierea difuzoarelor, dar se estompează cu cât vă îndepărtați mai mult.

Faza

Faza analizează sincronizarea unei unde. Este locul în care unda sonoră se află în ciclul său la un moment dat. Dacă ați putea să înghețați o formă de undă și să indicați un anumit punct pe ea, ați identifica faza acesteia.

Măsurăm faza în grade, un ciclu complet de undă fiind de 360°. Un val la 0° sau 360° se află la punctul de plecare, în timp ce 180° înseamnă că este la jumătatea lui și s-a întors cu susul în jos.

Atunci când mai multe unde sonore interacționează, fazele lor determină dacă acestea lucrează împreună sau împotriva celorlalte.

Dacă două unde identice sunt în fază (aliniate în aceleași puncte), ele se întăresc reciproc, făcând sunetul mai puternic. Cu toate acestea, dacă sunt defazate, ceea ce înseamnă că vârful unei unde se aliniază cu picajul alteia, ele se anulează parțial sau complet, ceea ce poate reduce sau chiar elimina sunetul.

Anularea de fază este blestemul oricărui inginer audio. De exemplu, dacă ați înregistrat vreodată o baterie și ați observat că snare sună ciudat de subțire, anularea de fază între microfoane ar putea fi vinovată. Acesta este, de asemenea, motivul pentru care inversarea fazei pe un mixer sau DAW poate aduce uneori un sunet înapoi la viață.

Avem un blog întreg despre motivul pentru care faza este importantă în muzică, pe care vă recomand să îl consultați dacă doriți să aflați mai multe.

Diferite tipuri de unde sonore bazate pe propagare

Este important să rețineți că nu toate undele sonore se deplasează în același mod. Deși toate transportă energie printr-un mediu, modul în care se propagă (termen fantezist pentru modul în care se deplasează undele sonore) poate fi diferit în funcție de situație.

Propagarea este doar modul în care o undă se deplasează prin spațiu. Unele unde împing și trag în aceeași direcție în care se deplasează, în timp ce altele se deplasează în sus și în jos sau se răspândesc în modele complexe.

Să defalcăm principalele tipuri de unde sonore în funcție de modul în care se mișcă și de ce este important acest lucru.

Undele longitudinale

Undele longitudinale sunt formatul de bază pentru undele sonore în viața de zi cu zi. Ele sunt definite prin modul în care se mișcă. Particulele de aer vibrează înainte și înapoi în aceeași direcție în care se deplasează unda.

Îmi place să îmi imaginez că împing un capăt al unui slinky înainte, în timp ce îl trag înapoi, și văd cum bobinele se adună și se împrăștie în anumite secțiuni. În esență, undele longitudinale se deplasează prin zone de compresie (unde particulele sunt împinse împreună) și rarefacție (unde particulele se îndepărtează). Acest ciclu constant de împingere și tragere este modul în care sunetul se deplasează prin aer și ajunge la urechile noastre.

Undele longitudinale se aud în aer și în apă, deoarece aceste materiale nu au structura necesară pentru a susține alte tipuri de mișcare a undelor. Dar ele se deplasează și prin solide.

Deoarece aceste unde sunt responsabile pentru aproape toate sunetele pe care le auzim, ele se află la baza a tot ceea ce se întâmplă în muzică, de la vibrația unei corzi de chitară până la bătaia crocantă a unui hi-hat.

Undele transversale

Undele transversale se mișcă puțin diferit față de verii lor longitudinali. În loc ca particulele să vibreze înainte și înapoi în aceeași direcție cu unda, undele transversale prezintă o mișcare perpendiculară pe calea de deplasare a undei, ceea ce înseamnă că energia se mișcă înainte, dar particulele se mișcă în sus și în jos.

O modalitate bună de a vă imagina acest lucru este scuturarea unei frânghii. Dacă țineți un capăt și îl mișcați în sus și în jos, veți vedea undele deplasându-se de-a lungul frânghiei, dar materialul real al frânghiei se deplasează de la o parte la alta, mai degrabă decât de-a lungul lungimii undei. Acesta este modul în care se comportă undele transversale.

Diferența esențială este că undele transversale apar numai în solide. Acest lucru se datorează faptului că solidele au structura rigidă necesară pentru a susține mișcarea în sus și în jos. Lichidele și gazele nu au acest tip de rezistență internă.

Chiar dacă nu fac parte din modul în care auzim sunetele, undele transversale joacă un rol imens în înțelegerea proprietăților mecanice ale materialelor din lumea din jurul nostru. Ele apar în activitatea seismică, în vibrațiile structurilor solide și chiar în modul în care rezonează instrumentele. Dacă ați simțit vreodată corpul unei chitare acustice vibrând atunci când cântați o notă, înseamnă că simțiți undele transversale în acțiune.

Undele de suprafață

Undele de suprafață sunt ca cele mai bune din ambele lumi, combinând elemente ale undelor longitudinale și transversale. În loc să se miște pur și simplu înainte și înapoi sau în sus și în jos, undele de suprafață creează o mișcare mai circulară sau de rostogolire pe măsură ce se deplasează de-a lungul graniței dintre două materiale diferite.

Revenind la valurile oceanice , atunci când un val se rostogolește spre țărm, apa se mișcă în cerc. Particulele aflate în apropierea suprafeței se deplasează în cercuri mai mari, în timp ce cele aflate mai jos se deplasează mai puțin. Același principiu se aplică undelor de suprafață în alte materiale, inclusiv în unele cazuri în care sunetul interacționează cu suprafețele solide.

Principalul lucru despre valurile de suprafață este că energia lor scade odată cu adâncimea. Cu cât vă îndepărtați mai mult de suprafață, cu atât mai mică devine mișcarea valului. Acesta este motivul pentru care scafandrii de la mare adâncime nu simt aceeași mișcare care zguduie bărcile la suprafață.

Diferite tipuri de unde sonore în funcție de frecvență

Unele unde sonore le putem auzi, în timp ce altele sunt complet în afara razei noastre de acțiune. Pe baza frecvenței, undele sonore se împart în trei categorii principale:

• Undele sonore audibile: Acestea sunt frecvențele pe care oamenii le pot auzi efectiv. Toate frecvențele cuprinse între 20 Hz și 20 kHz intră în acest interval. Pe măsură ce îmbătrânim, limita superioară tinde să scadă, motiv pentru care unele sunete de înaltă frecvență sunt auzite doar de urechile tinere (probabil vă amintiți cum colegii dvs. puneau în clasă acele aplicații enervante pentru țânțari pentru că profesorul nu le putea auzi)
• Infrasunete: Acestea sunt frecvențe foarte joase, sub 20 Hz, care sunt prea adânci pentru auzul uman, dar sunt totuși foarte reale și puternice. Infrasunetele sunt utilizate în detectarea cutremurelor, în monitorizarea activității vulcanice și chiar în comunicarea cu animalele. Elefanții, de exemplu, folosesc infrasunetele pentru a "vorbi" pe distanțe mari. Unii cercetători leagă chiar infrasunetele de sentimentele de neliniște, ceea ce ar putea explica momentele de genul "jur că tocmai am văzut o fantomă".
• Ultrasunete: Aceste unde sonore de înaltă frecvență de peste 20kHz sunt dincolo de ceea ce oamenii pot auzi, dar au o mulțime de aplicații practice. Imagistica medicală (scanări cu ultrasunete), tehnologia sonar și chiar unele metode de descurajare a dăunătorilor se bazează pe ultrasunete. Unele animale, cum ar fi liliecii și delfinii, le folosesc pentru ecolocație pentru a "vedea" în moduri care sunt dincolo de percepția noastră.

Gânduri finale privind undele sonore

Deci, ce puteți face cu toate aceste informații noi despre undele sonore?

Ei bine, pentru început, înțelegerea undelor sonore vă oferă mai mult control asupra producției muzicale, mixării, înregistrării și chiar asupra setărilor de sunet live. Fie că ajustați un egalizator și încercați să vă dați seama de frecvența undelor pe care le auziți, fie că plasați microfoane și încercați să evitați faza, cunoașterea modului în care se mișcă sunetul vă ajută să faceți alegeri mai bune.

Doriți un experiment distractiv cu unde sonore?

Încearcă asta: ia o boxă, redă o undă sinusoidală de joasă frecvență (în jur de 50-100 Hz) și apropie-ți mâna de ea. Simțiți vibrația? Acum, redă o undă sinusoidală de înaltă frecvență (5.000 Hz sau mai mult). Observați cum se estompează vibrațiile? Aceasta este lungimea de undă și frecvența în acțiune. Cu cât frecvența este mai mică, cu atât lungimea de undă este mai mare și se mișcă mai mult prin aer într-un mod pe care îl puteți simți fizic.

În cele din urmă, undele sonore nu sunt doar parte a unei științe abstracte. Ele modelează tot ceea ce auzim și simțim în muzică. Și cu cât le înțelegeți mai bine, cu atât mai mult le puteți supune voinței dumneavoastră.