När de flesta hör ordet våg tänker de på havet - rullande dyningar, vågor som slår in, kanske till och med en surfare som gör en spektakulär sorti. Men i musik- och ljudvärlden fungerar vågor lite annorlunda.

Därmed inte sagt att havsvågor och ljudvågor inte har en hel del gemensamt. Båda rör sig genom rymden, bär på energi och kan mätas i form av storlek och hastighet.

Den stora skillnaden är förstås att havsvågor färdas genom vatten, medan ljudvågor rör sig genom luften (eller vilket material de än råkar passera genom). Och medan havsvågor gör sin rörelse lätt att se, är ljudvågor lite mer komplexa och arbetar i den mikroskopiska sfären.

Att veta hur dessa vågor beter sig kan vara till stor nytta för alla som arbetar med ljud, oavsett om du är ljudtekniker, studiobyggare eller utvecklare av akustiska behandlingar. Så låt oss bryta ner det hela på enklast möjliga sätt!

Vad är en ljudvåg?

I grund och botten är en ljudvåg bara en vibration som rör sig genom luften (eller vatten, eller ett fast ämne. Ljud är inte kräsna). Det är anledningen till att vi hör allt från musik och röster till saker som låter om natten!

Vi beskriver ljudvågor utifrån några viktiga egenskaper, bland annat hur snabbt de rör sig (frekvens), hur stora de är (amplitud) och hur de förändras över tid. Men innan vi går in på allt detta är det viktigt att förstå att ljudvågor är en speciell typ av vågor som kallas longitudinella vågor .

Till skillnad från havsvågor, som rör sig upp och ner medan de färdas framåt, trycker och drar en longitudinell våg luften i samma riktning som den färdas.

För att föreställa dig hur en longitudinell våg fungerar kan du tänka dig en lång rad människor som alla står axel mot axel. Om den första personen lutar sig framåt och stöter till nästa, och den personen gör samma sak med nästa, uppstår en kedjereaktion, precis som när luftmolekyler reagerar på ett ljud. Denna fram- och återgående rörelse är anledningen till att ljud ofta kallas för en tryckvåg.

När vi talar om ljudvågor i musik och vardagsliv talar vi egentligen om ljudtrycksvågor. Dessa ljudvågor hamnar inom det mänskliga hörselområdet, som är ungefär 20 Hz till 20.000 Hz. Under de ljud som uppfattas av det mänskliga örat ligger infraljudsområdet, som är för lågt för att vi ska kunna höra det, men som är användbart för saker som att upptäcka jordbävningar och spåra elefanter (japp, du läste rätt). Ovanför det mänskliga örats område finns ultraljud, som vi använder för allt från medicinsk avbildning till rengöring av smycken. Vi återkommer till dessa om en stund.

Utöver musik finns det flera branscher där ljudvågor spelar en stor roll. De gör allt från att hjälpa läkare att se in i människokroppen till att låta ubåtar navigera under vattnet. Men för oss som musiker och producenter är dessa vågor grunden för allt vi arbetar med, och ju bättre vi förstår dem, desto mer kontroll har vi över vårt ljud.

Vilka är komponenterna i en ljudvåg?

Ljudvågor kan verka som mörk magi, men precis som allt annat inom fysiken följer de en uppsättning regler. Varje ljud vi hör har specifika egenskaper som definierar hur det beter sig, och det finns en handfull nyckelkomponenter som formar ljudvågorna.

Frekvens

Frekvensen är en av de största faktorerna som påverkar hur vi hör ljud. Enkelt uttryckt är det hur snabbt en ljudvåg vibrerar. Vi mäter det i hertz (Hz), som anger hur många gånger vågen cyklar under en sekund.

Ju snabbare vibrationen är, desto högre är frekvensen. Och frekvensen är det som bestämmer tonhöjden. Till exempel har ett mitt-C på ett piano en frekvens på cirka 261,6 Hz, vilket innebär att luften vibrerar med den hastigheten per sekund för att producera tonen. Samtidigt kan en låg baston ligga runt 60 Hz, och en genomträngande hundvissla kan stiga över 20 000 Hz (vilket lämpligt nog är där den mänskliga hörseln slutar fungera).

Våglängd

Våglängd (λ) är storleken på en ljudvåg, dvs. hur långt den färdas under en hel cykel. Om du frös en ljudvåg och sträckte ut den framför dig skulle våglängden vara avståndet från en topp till nästa.

Det finns en enkel formel för att räkna ut detta:

λ=c/f

Här är vad det innebär:

• λ (våglängd): Längden på en hel vågcykel
• c (ljudets hastighet): Hur snabbt ljudet rör sig genom luften (ungefär 343 meter per sekund vid rumstemperatur)
• f (frekvens): Hur snabbt vågen vibrerar, mätt i hertz

Så om du har ett 100 Hz-ljud kan du koppla in det:

λ = 343/100 = 3,43 meter

Det betyder att vågen är över 3 meter lång!

Om vi nu jämför det med ett ljud på 1 000 Hz:

λ = 343/1000 = 0,343 meter

Som du kan se har högre frekvenser kortare våglängder, vilket är anledningen till att bas (låga frekvenser) känns stor och bred, medan diskant (höga frekvenser) är mer fokuserad och riktad.

Det är också därför som låga ljud kan färdas genom väggar, medan högre ljud tenderar att absorberas eller reflekteras lättare.

Amplitud

Amplituden representerar kraften eller volymen i ett ljud. Det är den del av en ljudvåg som gör den hög eller låg. Mer tekniskt sett representerar den hur långt luftpartiklar skjuts från sin viloposition när en ljudvåg passerar. Ju större rörelse, desto starkare är vågen och desto högre blir ljudet.

Tänk så här: Om du försiktigt slår på en trumma rör sig luften knappt och du får ett tyst ljud. Men om du slår på trumman med kraft komprimeras och expanderar luften mycket mer dramatiskt, vilket skapar högre ljud.

Det är amplitud i handling.

I en vågform är amplituden vågens höjd. Högre vågor innebär högre amplitud, vilket vi uppfattar som mer volym. Mindre vågor innebär lägre amplitud, vilket vi hör som ett tystare ljud.

Utöver volymen spelar dock amplituden också en roll för hur ljudet interagerar med rummet, hur det känns fysiskt och till och med hur det uppfattas känslomässigt i musik.

Hastighet

När vi talar om ljudets hastighet (och inte om en av Coldplays bästa låtar) handlar det om hur snabbt ljudvågor färdas genom ett medium. Till skillnad från ljus, som färdas genom rymden i hastigheter som är svåra att förstå, behöver ljud något att färdas genom. Det kan vara luft, vatten, metall eller vad som helst. Och beroende på vad det är för något ändras ljudets hastighet.

I luft (vid rumstemperatur) rör sig ljudet med cirka 343 meter per sekund (1.125 fot per sekund). Men om du skriker under vattnet färdas ljudet fyra gånger snabbare än i luften. Och om du knackar på ett metallrör skjuter vibrationerna genom metallen ännu snabbare.

Så varför händer det här?

Det handlar om hur tätt packade molekylerna är i olika material. I gaser som luft är molekylerna ganska utspridda, så det tar längre tid för vågen att passera igenom. I vätskor är molekylerna närmare varandra, så ljudet rör sig snabbare. I fasta material, där molekylerna är tätt packade, rör sig ljudet snabbast.

Det är därför som du hör ett mötande tåg långt innan ljudet når dig genom luften om du lägger örat mot ett tågspår (vilket jag inte rekommenderar). Det är också därför som ljud beter sig olika i olika miljöer, som att din röst låter konstigt dämpad i en tjock dimma, eftersom den extra fukten i luften förändrar ljudvågornas hastighet och absorption).

Intensitet

Om amplituden talar om för oss hur stor en ljudvåg är, talar intensiteten om för oss hur stark den är. Mer specifikt är intensitet den mängd kraft som en ljudvåg bär med sig per ytenhet, och vi mäter den i watt per kvadratmeter (W/m²).

Tänk på det som en ficklampa. En svag ficklampa sprider en liten mängd energi över ett område, medan en stark ficklampa ger massor av ljus i samma utrymme. Ljud fungerar på samma sätt. Ju mer energi som finns i en våg, desto mer intensiv är den.

Intensiteten är viktig eftersom den spelar en stor roll för hur vi uppfattar ljudstyrkan. Medan amplituden ger oss vågens höjd, berättar intensiteten hur mycket total energi som levereras. En liten högtalare och ett ljudsystem på en stadion kan båda producera samma amplitud vid en enda punkt, men systemet på stadion sprider kraften över ett mycket större område, vilket gör det mycket mer intensivt.

Det är också därför som avståndet påverkar hur högt något låter. När en ljudvåg sprids ut minskar dess intensitet eftersom energin fördelas över ett större utrymme. Det är därför en konsert låter öronbedövande nära högtalarna men avtar ju längre bort du kommer.

Fas

Fas handlar om tidpunkten för en våg. Det är var en ljudvåg befinner sig i sin cykel vid ett givet tillfälle. Om du kunde frysa en vågform och peka på en specifik punkt på den skulle du identifiera dess fas.

Vi mäter fas i grader, och en komplett vågcykel är 360°. En våg på 0° eller 360° är vid sin startpunkt, medan 180° betyder att den är halvvägs och har vänt upp och ner.

När flera ljudvågor interagerar avgör deras faser om de arbetar tillsammans eller mot varandra.

Om två identiska vågor är i fas (uppradade på samma punkter) förstärker de varandra, vilket gör ljudet starkare. Men om de är ur fas, vilket innebär att den ena vågens topp ligger i linje med den andras dipp, upphävs de helt eller delvis, vilket kan minska eller till och med eliminera ljudet.

Fasannullering är ett gissel för alla ljudtekniker. Om du till exempel någonsin har spelat in ett trumset och märkt att snaren låter konstigt tunn kan fasavbrott mellan mikrofonerna vara boven i dramat. Det är också därför som man ibland kan få ett ljud att vakna till liv igen genom att vända på fasen på en mixer eller DAW.

Vi har en hel blogg om varför fas är viktigt i musik som jag rekommenderar att du kollar in om du vill lära dig mer.

Olika typer av ljudvågor baserat på utbredning

Det är viktigt att notera att alla ljudvågor inte rör sig på samma sätt. Även om de alla transporterar energi genom ett medium, kan sättet de sprider sig på (en finare term för hur ljudvågor färdas) vara olika beroende på situationen.

Propagering är bara det sätt på vilket en våg rör sig genom rymden. Vissa vågor trycker och drar i samma riktning som de färdas, medan andra rör sig upp och ner eller sprids ut i komplexa mönster.

Låt oss dela upp de viktigaste typerna av ljudvågor baserat på hur de rör sig och varför det är viktigt.

Longitudinella vågor

Longitudinella vågor är det vanligaste formatet för ljudvågor i vardagslivet. De definieras av hur de rör sig. Luftpartiklar vibrerar fram och tillbaka i samma riktning som vågen färdas.

Jag brukar tänka mig att man trycker ena änden av en slinky framåt och drar den bakåt och ser hur spolarna samlas och sprids ut i vissa delar. I grund och botten rör sig longitudinella vågor genom områden med kompression (där partiklar pressas samman) och rarefaction (där partiklar sprids isär). Denna ständiga cykel av tryck och drag är hur ljud rör sig genom luften och når våra öron.

Vi hör longitudinella vågor i luft och vatten eftersom dessa material inte har en struktur som stöder andra typer av vågrörelser. Men de färdas också genom fasta material.

Eftersom dessa vågor är ansvariga för nästan allt ljud vi hör är de kärnan i allt inom musiken, från vibrationen i en gitarrsträng till det krispiga knacket från en hi-hat.

Transversala vågor

Transversala vågor rör sig på ett lite annorlunda sätt än sina longitudinella kusiner. Istället för att partiklarna vibrerar fram och tillbaka i samma riktning som vågen, har transversella vågor en rörelse som är vinkelrät mot vågens färdväg, vilket innebär att energin rör sig framåt, men partiklarna rör sig upp och ner.

Ett bra sätt att föreställa sig detta är att skaka ett rep. Om du håller i ena änden och skakar det upp och ner ser du vågor som färdas längs repet, men själva materialet i repet rör sig från sida till sida i stället för längs vågens längd. Det är så transversella vågor beter sig.

Den stora skillnaden är att transversella vågor bara förekommer i fasta kroppar. Det beror på att fasta kroppar har den styva struktur som krävs för att stödja rörelsen upp och ner. Vätskor och gaser har inte den typen av inre motstånd.

Även om de inte är en del av hur vi hör ljud spelar transversella vågor en stor roll när det gäller att förstå de mekaniska egenskaperna hos material i vår omvärld. De syns i seismisk aktivitet, vibrationer i fasta strukturer och till och med i hur instrument resonerar. Om du någonsin har känt hur kroppen på en akustisk gitarr vibrerar när du spelar en ton, så upplever du transversella vågor i aktion.

Ytvågor

Ytvågor är som det bästa av två världar, eftersom de kombinerar elementen från både longitudinella och transversella vågor. I stället för att röra sig enbart fram och tillbaka eller upp och ner skapar ytvågor en mer cirkulär eller rullande rörelse när de rör sig längs gränsen mellan två olika material.

För att återknyta till havsvågorna : när en våg rullar mot stranden rör sig vattnet i ett slingrande mönster. Partiklar nära ytan rör sig i större cirklar, medan de djupare ner rör sig mindre. Samma princip gäller för ytvågor i andra material, inklusive vissa fall där ljud interagerar med fasta ytor.

Det viktigaste med ytvågor är att deras energi avtar med djupet. Ju längre bort du kommer från ytan, desto mindre blir vågrörelsen. Det är därför som djuphavsdykare inte känner av samma rörelse som kastar runt båtar ovanför ytan.

Olika typer av ljudvågor baserat på frekvens

Vissa ljudvågor kan vi höra, medan andra är helt utom räckhåll för oss. Baserat på frekvens delas ljudvågor in i tre huvudkategorier:

• Hörbara ljudvågor: Det här är de frekvenser som människor faktiskt kan höra. Allt från 20 Hz till 20 kHz faller inom detta intervall. När vi åldras tenderar den övre gränsen att sjunka, vilket är anledningen till att vissa högfrekventa ljud bara hörs av yngre öron (du minns säkert dina klasskamrater som spelade upp de där irriterande myggapparna på lektionen eftersom läraren inte kunde höra dem)
• Infraljud: Detta är ultralåga frekvenser under 20 Hz som är för djupa för mänsklig hörsel, men de är fortfarande mycket verkliga och kraftfulla. Infraljud används för att upptäcka jordbävningar, övervaka vulkanisk aktivitet och till och med för djurkommunikation. Elefanter använder t.ex. infraljud för att "prata" över långa avstånd. Vissa forskare kopplar till och med infraljud till känslor av obehag, vilket skulle kunna förklara de där "jag svär, jag såg just ett spöke"-ögonblicken.
• Ultraljud: Dessa högfrekventa ljudvågor över 20 kHz är bortom vad människor kan höra, men de har massor av praktiska tillämpningar. Medicinsk avbildning (ultraljudsundersökningar), sonarteknik och till och med vissa skadedjursavskräckande medel förlitar sig på ultraljud. Vissa djur, t.ex. fladdermöss och delfiner, använder ekolokalisering för att "se" på ett sätt som vi inte kan uppfatta.

Slutliga tankar om ljudvågor

Så vad kan du göra med all denna nyfunna information om ljudvågor?

Till att börja med ger förståelsen för ljudvågor dig mer kontroll över din musikproduktion, mixning, inspelning och till och med live-ljud. Oavsett om du justerar en EQ och försöker ta reda på frekvensen på de vågor du hör eller placerar ut mikrofoner och försöker undvika fas, hjälper kunskapen om hur ljud rör sig dig att göra bättre val.

Vill du ha ett roligt experiment med ljudvågor?

Prova det här: ta en högtalare, spela en lågfrekvent sinusvåg (cirka 50-100 Hz) och lägg handen nära den. Känner du vibrationen? Spela nu upp en högfrekvent sinusvåg (5 000 Hz eller mer). Märker du hur vibrationerna försvinner? Det är våglängd och frekvens i aktion. Ju lägre frekvens, desto längre våglängd och desto mer rör den sig genom luften på ett sätt som du fysiskt kan känna.

När allt kommer omkring är ljudvågor inte bara en del av en abstrakt vetenskap. De formar allt vi hör och känner i musiken. Och ju mer du förstår dem, desto mer kan du böja dem efter din vilja.