Когда большинство людей слышат слово "волна", они представляют себе океан - накатывающие волны, грохочущий прибой, а может быть, и серфингиста, который эффектно уносит ноги. Но в мире музыки и звука волны работают немного по-другому.

Это не значит, что у океанских и звуковых волн нет ничего общего. И те, и другие перемещаются в пространстве, несут энергию и могут быть измерены по размеру и скорости.

Конечно, большая разница в том, что океанские волны движутся по воде, а звуковые - по воздуху (или любому другому материалу, через который они проходят). И если океанские волны легко увидеть, то звуковые волны немного сложнее, они работают в микроскопической области.

Знание того, как ведут себя эти волны, может быть невероятно полезным для всех, кто работает со звуком, будь то звукорежиссер, создатель студии или разработчик акустической обработки. Так что давайте разложим все по полочкам самым простым способом!

Что такое звуковая волна?

По своей сути звуковая волна - это просто вибрация, проходящая через воздух (или воду, или твердое тело. Звук не привередлив). Именно благодаря ему мы слышим все: и музыку, и голоса, и ночные звуки!

Мы описываем звуковые волны по нескольким ключевым признакам, включая скорость их движения (частота), размер (амплитуда) и их изменение с течением времени. Но прежде чем перейти ко всему этому, важно понять, что звуковые волны - это особый вид волн, называемых продольными.

В отличие от океанских волн, которые движутся вверх и вниз при движении вперед, продольная волна толкает и тянет воздух в том же направлении, в котором он движется.

Чтобы представить себе, как работает продольная волна, подумайте о длинной шеренге людей, стоящих плечом к плечу. Если первый человек наклонится вперед и столкнется со следующим, а тот сделает то же самое со следующим, то возникнет цепная реакция, подобно тому как молекулы воздуха реагируют на звук. Именно поэтому звук часто называют волной давления.

Когда мы говорим о звуковых волнах в музыке и повседневной жизни, мы имеем в виду волны звукового давления. Эти звуковые волны находятся в диапазоне человеческого слуха, который составляет примерно от 20 до 20 000 Гц. Ниже звуков, воспринимаемых человеческим ухом, находится инфразвуковой диапазон, который слишком низок для нашего слуха, но полезен для таких вещей, как обнаружение землетрясений и слежение за слонами (да, вы прочитали это правильно). Выше диапазона человеческого уха находится ультразвук, который мы используем для всего - от медицинской визуализации до чистки ювелирных изделий. К ним мы вернемся чуть позже.

Помимо музыки, есть несколько отраслей, в которых звуковые волны играют большую роль. Они помогают врачам видеть внутренности человеческого тела и позволяют подводным лодкам ориентироваться под водой. Но для нас, музыкантов и продюсеров, эти волны - основа всего, с чем мы работаем, и чем лучше мы их понимаем, тем больше контроля над нашим звучанием.

Каковы составляющие звуковой волны?

Звуковые волны могут показаться темной магией, но, как и все остальное в физике, они подчиняются ряду правил. Каждый звук, который мы слышим, имеет специфические черты, определяющие его поведение, и есть несколько ключевых компонентов, которые формируют звуковые волны.

Частота

Частота - один из важнейших факторов, определяющих то, как мы слышим звук. Проще говоря, это скорость колебаний звуковой волны. Мы измеряем ее в герцах (Гц), что говорит нам о том, сколько раз волна совершает цикл за одну секунду.

Чем быстрее вибрация, тем выше частота. А частота - это то, что определяет высоту то на. Например, средняя нота "си" на фортепиано имеет частоту около 261,6 Гц, то есть воздух вибрирует с такой скоростью в секунду, чтобы произвести эту ноту. Между тем, низкая басовая нота может звучать на частоте около 60 Гц, а пронзительный собачий свист может взлететь выше 20 000 Гц (что удобно, именно там, где человеческий слух отключается).

Длина волны

Длина волны (λ) - это размер звуковой волны, то есть расстояние, которое она проходит за один полный цикл. Если заморозить звуковую волну и растянуть ее перед собой, то длина волны будет равна расстоянию от одного пика до другого.

Для этого существует простая формула:

λ=c/f

Вот что это значит:

• λ (длина волны): Длина одного полного цикла волны
• c (скорость звука): Скорость распространения звука в воздухе (примерно 343 метра в секунду при комнатной температуре).
• f (Frequency): Скорость колебаний волны, измеряется в герцах

Так, если у вас есть звук с частотой 100 Гц, вы можете подключить его:

λ = 343/100 = 3,43 метра

Это означает, что длина волны составляет более 3 метров!

Теперь, если мы сравним это со звуком в 1 000 Гц:

λ = 343/1000 = 0,343 метра

Как видите, высокие частоты имеют более короткую длину волны, поэтому бас (низкие частоты) кажется большим и широким, а высокие частоты - более сфокусированными и направленными.

Именно поэтому низкие звуки могут проходить сквозь стены, в то время как более высокие, как правило, легче поглощаются или отражаются.

Амплитуда

Амплитуда представляет собой силу или громкость звука. Это та часть звуковой волны, которая делает ее громкой или тихой. Более технически, она представляет собой то, насколько далеко частицы воздуха отталкиваются от своего положения покоя, когда через них проходит звуковая волна. Чем больше движение, тем сильнее волна и тем громче звук.

Подумайте вот о чем: если легонько постучать по барабану, воздух почти не движется, и вы получаете тихий звук. Но если ударить по барабану с силой, воздух сжимается и расширяется гораздо сильнее, создавая более громкие звуки.

Это амплитуда в действии.

В форме волны амплитуда - это высота волны. Более высокие волны означают большую амплитуду, которую мы воспринимаем как большую громкость. Меньшие волны означают меньшую амплитуду, которую мы слышим как более тихий звук.

Однако помимо громкости, амплитуда также играет роль в том, как звук взаимодействует с пространством, как он ощущается физически и даже как эмоционально воспринимается в музыке.

Скорость

Когда мы говорим о скорости звука (а не об одной из лучших песен группы Coldplay), мы имеем в виду, как быстро звуковые волны проходят через среду. В отличие от света, который проносится сквозь пространство со скоростью, которую трудно постичь, звуку нужно что-то, через что он может проходить. Это может быть воздух, вода, металл, да что угодно. И в зависимости от того, что это за нечто, скорость звука меняется.

В воздухе (при комнатной температуре) звук движется со скоростью около 343 метров в секунду (1125 футов в секунду). Но если вы кричите под водой, звук распространяется в четыре раза быстрее, чем в воздухе. А если вы постучите по металлической трубе, вибрация пронесется сквозь металл еще быстрее.

Почему же так происходит?

Все зависит от того, насколько плотно упакованы молекулы в разных материалах. В газах, таких как воздух, молекулы довольно сильно разбросаны, поэтому волне требуется больше времени, чтобы пройти через них. В жидкостях молекулы расположены ближе друг к другу, поэтому звук движется быстрее. В твердых телах, где молекулы плотно упакованы, звук движется быстрее всего.

Вот почему, если вы приложите ухо к железнодорожному полотну (я не рекомендую этого делать), вы услышите встречный поезд задолго до того, как звук дойдет до вас по воздуху. Именно поэтому звук ведет себя по-разному в разных средах, например, ваш голос звучит странно приглушенно в густом тумане, поскольку дополнительная влага в воздухе изменяет скорость и поглощение звуковых волн).

Интенсивность

Если амплитуда говорит нам о том, насколько велика звуковая волна, то интенсивность - о том, насколько она сильна. Более конкретно, интенсивность - это количество энергии, которую несет звуковая волна на единицу площади, и мы измеряем ее в ваттах на квадратный метр (Вт/м²).

Подумайте об этом, как о фонарике. Тусклый фонарик распределяет небольшое количество энергии по площади, а мощный фонарик излучает тонну света в том же пространстве. Звук работает так же. Чем больше энергии в волне, тем она интенсивнее.

Интенсивность имеет значение, потому что она играет огромную роль в том, как мы воспринимаем громкость. В то время как амплитуда дает нам высоту волны, интенсивность говорит нам о том, сколько общей энергии передается. Крошечный динамик и звуковая система стадиона могут создавать одинаковую амплитуду в одной точке, но система стадиона распространяет эту энергию на гораздо большую площадь, что делает ее гораздо более интенсивной.

Именно поэтому расстояние влияет на громкость звука. Когда звуковая волна распространяется, ее интенсивность падает, потому что энергия распределяется по большему пространству. Вот почему концерт звучит оглушительно вблизи колонок, но чем дальше вы отходите, тем звук становится слабее.

Фаза

Фаза - это время прохождения волны. Это место, где звуковая волна находится в своем цикле в любой момент времени. Если бы вы могли заморозить форму волны и указать на определенную точку на ней, вы бы определили ее фазу.

Мы измеряем фазу в градусах, при этом один полный цикл волны составляет 360°. Волна на 0° или 360° находится в начальной точке, а 180° означает, что она прошла половину пути и перевернулась вверх ногами.

Когда несколько звуковых волн взаимодействуют, их фазы определяют, работают ли они вместе или друг против друга.

Если две одинаковые волны находятся в фазе (выстраиваются в одинаковых точках), они усиливают друг друга, делая звук сильнее. Однако если они находятся не в фазе, то есть пик одной волны совпадает с провалом другой, они частично или полностью аннулируют друг друга, что может уменьшить или даже устранить звук.

Фазовое сглаживание - бич любого звукорежиссера. Например, если вы когда-либо записывали ударную установку и заметили, что трели звучат странно тонко, виной тому может быть фазовое рассогласование между микрофонами. Именно поэтому переключение фазы на микшере или в DAW иногда может вернуть звук к жизни.

У нас есть целый блог о том , почему фаза важна в музыке, который я рекомендую посетить, если вы хотите узнать больше.

Различные типы звуковых волн , основанные на распространении

Важно отметить, что не все звуковые волны движутся одинаково. Хотя все они переносят энергию через среду, способ их распространения (модный термин, обозначающий движение звуковых волн) может быть разным в зависимости от ситуации.

Распространение - это то, как волна перемещается в пространстве. Некоторые волны движутся в одном и том же направлении, другие - вверх и вниз или распространяются в сложных формах.

Давайте разберем основные типы звуковых волн в зависимости от того, как они движутся, и почему это имеет значение.

Продольные волны

Продольные волны - это формат звуковых волн в повседневной жизни. Они определяются тем, как они движутся. Частицы воздуха вибрируют взад-вперед в том же направлении, в котором движется волна.

Мне нравится представлять себе, как я толкаю один конец леденца вперед, а другой тяну назад, и видеть, как витки сбиваются в кучу и расходятся в определенных участках. По сути, продольные волны движутся через области сжатия (когда частицы сжимаются) и разрежения (когда частицы расходятся). Именно благодаря этому постоянному циклу сжатия и разрежения звук движется по воздуху и достигает наших ушей.

Мы слышим продольные волны в воздухе и воде, поскольку эти материалы не имеют структуры, способной поддерживать другие типы волнового движения. Но они проходят и через твердые тела.

Поскольку эти волны отвечают почти за все звуки, которые мы слышим, они лежат в основе всего в музыке - от вибрации гитарной струны до хрустящего стука хай-хэта.

Поперечные волны

Поперечные волны движутся немного иначе, чем их продольные собратья. Вместо того чтобы частицы вибрировали взад-вперед в том же направлении, что и волна, поперечные волны имеют движение, перпендикулярное пути движения волны, то есть энергия движется вперед, а частицы - вверх и вниз.

Хороший способ представить это - встряхнуть веревку. Если взять один конец веревки и покачать ее вверх-вниз, вы увидите волны, распространяющиеся по веревке, но фактический материал веревки движется из стороны в сторону, а не вдоль длины волны. Именно так ведут себя поперечные волны.

Ключевое отличие заключается в том, что поперечные волны возникают только в твердых телах. Это происходит потому, что твердые тела обладают необходимой жесткой структурой для поддержания движения вверх-вниз. Жидкости и газы не обладают таким внутренним сопротивлением.

Несмотря на то что поперечные волны не являются частью того, как мы слышим звук, они играют огромную роль в понимании механических свойств материалов в окружающем нас мире. Они проявляются в сейсмической активности, колебаниях твердых структур и даже в резонансе инструментов. Если вы когда-нибудь чувствовали, как вибрирует корпус акустической гитары, когда вы играете ноту, то вы наблюдаете поперечные волны в действии.

Поверхностные волны

Поверхностные волны - это лучшее из двух миров, сочетающее в себе элементы как продольных, так и поперечных волн. Вместо того чтобы двигаться исключительно взад-вперед или вверх-вниз, поверхностные волны создают более круговое или катящееся движение, когда они движутся вдоль границы между двумя различными материалами.

Возвращаясь к океанским волнам , можно сказать, что когда волна накатывает на берег, вода движется по закольцованной схеме. Частицы у поверхности движутся по большим кругам, а те, что глубже, движутся меньше. Тот же принцип применим к поверхностным волнам в других материалах, включая некоторые случаи, когда звук взаимодействует с твердыми поверхностями.

Главное в поверхностных волнах то, что их энергия уменьшается с глубиной. Чем дальше вы удаляетесь от поверхности, тем меньше становится движение волны. Вот почему глубоководные дайверы не чувствуют того же движения, которое подбрасывает лодки наверху.

Различные типы звуковых волн в зависимости от частоты

Некоторые звуковые волны мы можем слышать, в то время как другие совершенно недоступны для нашего восприятия. В зависимости от частоты звуковые волны делятся на три основные категории:

• Слышимые звуковые волны: Это те частоты, которые человек действительно может слышать. В этот диапазон попадает все от 20 Гц до 20 кГц. С возрастом верхний предел снижается, поэтому некоторые высокочастотные звуки слышны только молодым ушам (вы, наверное, помните, как ваши одноклассники играли на уроках в эти раздражающие комаров приложения, потому что учитель не мог их услышать).
• Инфразвук: Это сверхнизкие частоты ниже 20 Гц, которые слишком глубоки для человеческого слуха, но все же очень реальны и мощны. Инфразвук используется для обнаружения землетрясений, мониторинга вулканической активности и даже для общения с животными. Слоны, например, используют инфразвук, чтобы "разговаривать" на больших расстояниях. Некоторые исследователи даже связывают инфразвук с чувством тревоги, что может объяснить те моменты, когда "клянусь, я только что видел призрака".
• Ультразвук: Эти высокочастотные звуковые волны свыше 20 кГц недоступны для слуха человека, но они имеют множество практических применений. На ультразвук опираются медицинская визуализация (ультразвуковое сканирование), сонарные технологии и даже некоторые средства для отпугивания вредителей. Некоторые животные, например летучие мыши и дельфины, используют его для эхолокации, чтобы "видеть" способами, недоступными нашему восприятию.

Заключительные мысли о звуковых волнах

Итак, что же вы можете сделать со всей этой новообретенной информацией о звуковых волнах?

Ну, для начала, понимание звуковых волн дает вам больше контроля над созданием музыки, микшированием, записью и даже настройкой живого звука. Неважно, настраиваете ли вы эквалайзер и пытаетесь определить частоту слышимых волн или расставляете микрофоны, стараясь избежать фазы, - знание того, как движется звук, поможет вам сделать лучший выбор.

Хотите провести забавный эксперимент со звуковыми волнами?

Попробуйте сделать следующее: возьмите динамик, включите низкочастотную синусоиду (около 50-100 Гц) и поднесите к нему руку. Чувствуете вибрацию? Теперь включите высокочастотную синусоиду (5 000 Гц и более). Заметили, как затухают вибрации? Это длина волны и частота в действии. Чем ниже частота, тем больше длина волны, и тем сильнее она перемещается по воздуху так, что ее можно физически ощутить.

В конце концов, звуковые волны - это не просто часть какой-то абстрактной науки. Они формируют все, что мы слышим и чувствуем в музыке. И чем больше вы их понимаете, тем больше вы можете подчинить их своей воле.