Коли більшість людей чують слово " хвиля ", вони уявляють собі океан - хвилі, що накочуються, шум прибою, можливо, навіть серфера, який ефектно розбивається об берег. Але у світі музики та звуку хвилі працюють трохи інакше.

Це не означає, що океанські хвилі та звукові хвилі не мають багато спільного. Обидві вони рухаються в просторі, переносять енергію і можуть бути виміряні за розміром і швидкістю.

Звичайно, велика різниця полягає в тому, що океанські хвилі рухаються крізь воду, тоді як звукові хвилі рухаються крізь повітря (або будь-який інший матеріал, крізь який вони проходять). І якщо океанські хвилі роблять свій рух легко помітним, то звукові хвилі трохи складніші, оскільки працюють у мікроскопічній сфері.

Знання того, як поводяться ці хвилі, може бути неймовірно корисним для всіх, хто працює зі звуком, незалежно від того, чи є ви аудіоінженером, будівельником студії або розробником акустичної обробки. Тож давайте розберемо все це в найпростіший спосіб!

Що таке звукова хвиля?

За своєю суттю, звукова хвиля - це просто вібрація, що рухається в повітрі (або воді, або твердому тілі. Звук не вибагливий). Це причина, чому ми чуємо все - від музики до голосів і предметів, що наштовхуються на перешкоди вночі!

Ми описуємо звукові хвилі на основі кількох ключових характеристик, зокрема, як швидко вони рухаються (частота), наскільки вони великі (амплітуда) і як вони змінюються з часом. Але перш ніж ми заглибимося у все це, важливо зрозуміти, що звукові хвилі - це особливий вид хвиль, які називаються поздовжніми хвилями.

На відміну від океанських хвиль, які рухаються вгору і вниз, рухаючись вперед, поздовжня хвиля штовхає і тягне повітря в тому ж напрямку, в якому вона рухається.

Щоб уявити, як працює поздовжня хвиля, уявіть собі довгу чергу людей, які стоять пліч-о-пліч. Якщо перша людина нахиляється вперед і наштовхується на наступну, а та робить те саме з наступною, виникає ланцюгова реакція, подібно до того, як молекули повітря реагують на звук. Цей рух вперед-назад є причиною того, що звук часто називають хвилею тиску.

Коли ми говоримо про звукові хвилі в музиці та повсякденному житті, ми насправді говоримо про хвилі звукового тиску. Ці звукові хвилі знаходяться в діапазоні людського слуху, який становить приблизно від 20 Гц до 20 000 Гц. Нижче звуків, що сприймаються людським вухом, знаходиться діапазон інфразвуку, який є занадто низьким для нас, але корисний для виявлення землетрусів і відстеження слонів (так, ви правильно прочитали). Вище діапазону людського вуха знаходиться ультразвук, який ми використовуємо для всього - від медичної візуалізації до чищення ювелірних виробів. Ми повернемося до цього трохи пізніше.

Окрім музики, є ще кілька галузей, в яких звукові хвилі відіграють важливу роль. Вони роблять все: від допомоги лікарям зазирнути всередину людського тіла до навігації підводних човнів під водою. Але для нас, музикантів і продюсерів, ці хвилі є основою всього, з чим ми працюємо, і чим краще ми їх розуміємо, тим більше контролюємо наш звук.

З яких компонентів складається звукова хвиля?

Звукові хвилі можуть здаватися темною магією, але, як і будь-що інше у фізиці, вони підпорядковуються певним правилам. Кожен звук, який ми чуємо, має специфічні риси, що визначають його поведінку, і є кілька ключових компонентів, які формують звукові хвилі.

Частота

Частота - один з найважливіших факторів, що формують те, як ми чуємо звук. Простіше кажучи, це швидкість коливань звукової хвилі. Ми вимірюємо її в герцах (Гц), які показують, скільки разів хвиля робить цикл за одну секунду.

Чим швидше вібрація, тим вища частота. А частота - це те, що визначає висоту звуку. Наприклад, середній до на фортепіано має частоту близько 261,6 Гц, тобто повітря вібрує з такою швидкістю в секунду, щоб створити цю ноту. Тим часом, низька басова нота може звучати на частоті близько 60 Гц, а пронизливий собачий свист може злітати вище 20 000 Гц (це, до речі, саме там, де людський слух припиняє сприймати звуки).

Довжина хвилі

Довжина хвилі (λ) - це розмір звукової хвилі, тобто відстань, яку вона проходить за один повний цикл. Якщо ви заморозите звукову хвилю і розтягнете її перед собою, довжина хвилі буде відстанню від одного піку до іншого.

Існує проста формула, щоб зрозуміти це:

λ=c/f

Ось що це означає:

• λ (Довжина хвилі): Довжина одного повного циклу хвилі
• c (швидкість звуку): Як швидко звук рухається у повітрі (приблизно 343 метри за секунду при кімнатній температурі)
• f (Частота): Швидкість коливань хвилі, вимірюється в герцах

Отже, якщо у вас є звук 100 Гц, ви можете підключити його:

λ = 343/100 = 3,43 метра

Це означає, що довжина хвилі перевищує 3 метри!

Тепер, якщо ми порівняємо це зі звуком 1,000 Гц:

λ = 343/1000 = 0,343 метра

Як бачите, вищі частоти мають коротшу довжину хвилі, тому баси (низькі частоти) здаються великими і широкими, а високі частоти - більш сфокусованими і цілеспрямованими.

Це також пояснює, чому низькочастотні звуки можуть проходити крізь стіни, в той час як більш високі звуки легше поглинаються або відбиваються.

Амплітуда

Амплітуда - це сила або гучність звуку. Це частина звукової хвилі, яка робить її гучною або тихою. Більш технічно, вона показує, наскільки далеко частинки повітря виштовхуються зі свого положення спокою, коли звукова хвиля проходить крізь них. Чим більший рух, тим сильніша хвиля і тим гучніший звук.

Подумайте про це так: якщо ви легенько постукаєте по барабану, повітря ледь рухається, і ви отримаєте тихий звук. Але якщо вдарити по барабану з силою, повітря стискається і розширюється набагато сильніше, створюючи гучніші звуки.

Це амплітуда в дії.

У формі хвилі амплітуда - це висота хвилі. Вищі хвилі означають вищу амплітуду, яку ми сприймаємо як більшу гучність. Менші хвилі означають меншу амплітуду, яку ми чуємо як тихіший звук.

Однак, окрім гучності, амплітуда також відіграє роль у тому, як звук взаємодіє з простором, як він відчувається фізично і навіть як він сприймається емоційно в музиці.

Швидкість

Коли ми говоримо про швидкість звуку (а це, безперечно, не одна з найкращих пісень Coldplay), ми маємо на увазі швидкість, з якою звукові хвилі рухаються через середовище. На відміну від світла, яке пролітає крізь простір зі швидкістю, яку важко збагнути, звуку потрібно щось, через що він може пройти. Це може бути повітря, вода, метал, що завгодно. І залежно від того, що це за щось, змінюється швидкість звуку.

У повітрі (при кімнатній температурі) звук рухається зі швидкістю близько 343 метрів на секунду (1125 футів на секунду ). Але якщо ви кричите під водою, звук поширюється в чотири рази швидше, ніж у повітрі. А якщо ви постукаєте по металевій трубі, вібрація ще швидше пройде крізь метал.

Чому ж так відбувається?

Це залежить від того, наскільки щільно упаковані молекули в різних матеріалах. У газах, таких як повітря, молекули досить розкидані, тому хвилі потрібно більше часу, щоб пройти крізь них. У рідинах молекули розташовані ближче одна до одної, тому звук рухається швидше. У твердих тілах, де молекули щільно упаковані, звук рухається найшвидше.

Ось чому, якщо ви притулите вухо до залізничної колії (я не рекомендую цього робити), ви почуєте зустрічний потяг задовго до того, як звук дійде до вас по повітрю. Це також пояснює, чому звук поводиться по-різному в різних середовищах (наприклад, ваш голос звучить дивно приглушено в густому тумані, оскільки додаткова волога в повітрі змінює швидкість і поглинання звукових хвиль).

Інтенсивність

Якщо амплітуда показує, наскільки велика звукова хвиля, то інтенсивність - наскільки вона сильна. Точніше кажучи, інтенсивність - це кількість енергії, яку звукова хвиля переносить на одиницю площі, і ми вимірюємо її у ватах на квадратний метр (Вт/м²).

Уявіть собі ліхтарик. Тьмяний ліхтарик поширює невелику кількість енергії на площі, тоді як потужний випромінює тонну світла в тому ж просторі. Звук працює так само. Чим більше енергії упаковано у хвилю, тим вона інтенсивніша.

Інтенсивність має значення, тому що вона відіграє величезну роль у тому, як ми сприймаємо гучність. У той час як амплітуда показує нам висоту хвилі, інтенсивність говорить нам про те, скільки загальної енергії передається. Крихітний динамік і стадіонна звукова система можуть видавати однакову амплітуду в одній точці, але стадіонна система поширює цю енергію на набагато більшу площу, що робить її набагато інтенсивнішою.

Ось чому відстань також впливає на гучність звуку. Коли звукова хвиля поширюється, її інтенсивність падає, оскільки енергія розподіляється у більшому просторі. Ось чому концерт звучить оглушливо біля динаміків, але слабшає, коли ви віддаляєтесь від них.

Фаза

Фаза розглядає часовий проміжок хвилі. Це те, де звукова хвиля перебуває у своєму циклі в будь-який момент часу. Якби ви могли зупинити форму хвилі і вказати на певну точку на ній, ви б визначили її фазу.

Ми вимірюємо фазу в градусах, один повний цикл хвилі становить 360°. Хвиля на 0° або 360° знаходиться в початковій точці, тоді як 180° означає, що вона пройшла половину шляху і перевернулася догори дном.

Коли кілька звукових хвиль взаємодіють, їхні фази визначають, чи будуть вони працювати разом, чи протистояти одна одній.

Якщо дві однакові хвилі знаходяться у фазі (вишикувалися в однакових точках), вони підсилюють одна одну, роблячи звук сильнішим. Однак, якщо вони не у фазі, тобто пік однієї хвилі збігається зі спадом іншої, вони частково або повністю компенсують один одного, що може зменшити або навіть усунути звук.

Фазовий зсув - прокляття будь-якого звукорежисера. Наприклад, якщо ви коли-небудь записували барабанну установку і помітили, що малий барабан звучить дивно тонко, винуватцем може бути фазове зведення між мікрофонами. Це також є причиною того, чому перевертання фази на мікшері або DAW іноді може повернути звук до життя.

У нас є цілий блог про те, чому фаза важлива в музиці, який я рекомендую прочитати, якщо ви хочете дізнатися більше.

Різні типи звукових хвиль на основі поширення

Важливо зазначити, що не всі звукові хвилі рухаються однаково. Хоча всі вони переносять енергію через середовище, спосіб їхнього поширення (вигадливий термін для позначення того, як звукові хвилі рухаються) може бути різним залежно від ситуації.

Поширення - це те, як хвиля рухається у просторі. Деякі хвилі штовхаються і тягнуться в одному напрямку, тоді як інші рухаються вгору і вниз або поширюються складними візерунками.

Давайте розберемо основні типи звукових хвиль на основі того, як вони рухаються і чому це важливо.

Поздовжні хвилі

Поздовжні хвилі - це основний формат звукових хвиль у повсякденному житті. Вони визначаються тим, як вони рухаються. Частинки повітря вібрують туди-сюди в тому ж напрямку, в якому рухається хвиля.

Мені подобається уявляти, як я штовхаю один кінець слінкі вперед, а інший тягну назад, і бачу, як витки збираються докупи і розтікаються в певних ділянках. По суті, поздовжні хвилі рухаються через зони стиснення (де частинки стискаються) і розрідження (де частинки розлітаються). Цей постійний цикл зштовхування і розштовхування і є тим, як звук рухається в повітрі і досягає наших вух.

Ми чуємо поздовжні хвилі в повітрі та воді, оскільки ці матеріали не мають структури, яка б підтримувала інші типи хвильового руху. Але вони також проникають крізь тверді тіла.

Оскільки ці хвилі відповідають майже за весь звук, який ми чуємо, вони лежать в основі всього, що відбувається в музиці, від вібрації гітарної струни до хрусткого постукування хай-хета.

Поперечні хвилі

Поперечні хвилі рухаються трохи інакше, ніж їхні поздовжні родичі. Замість того, щоб частинки вібрували вперед-назад у тому ж напрямку, що й хвиля, поперечні хвилі рухаються перпендикулярно до шляху поширення хвилі, тобто енергія рухається вперед, а частинки рухаються вгору-вниз.

Найкраще це можна уявити, якщо потрясти мотузкою. Якщо ви візьмете мотузку за один кінець і погойдуватимете її вгору-вниз, то побачите хвилі, що рухаються вздовж мотузки, але насправді матеріал мотузки рухається з боку в бік, а не вздовж довжини хвилі. Так поводяться поперечні хвилі.

Ключова відмінність полягає в тому, що поперечні хвилі виникають лише в твердих тілах. Це тому, що тверді тіла мають необхідну жорстку структуру, щоб підтримувати рух вгору-вниз. Рідини та гази не мають такого внутрішнього опору.

Попри те, що вони не є частиною того, як ми чуємо звук, поперечні хвилі відіграють величезну роль у розумінні механічних властивостей матеріалів у навколишньому світі. Вони проявляються у сейсмічній активності, вібраціях у твердих структурах і навіть у тому, як резонують інструменти. Якщо ви коли-небудь відчували, як вібрує корпус акустичної гітари, коли ви берете ноту, ви відчуваєте поперечні хвилі в дії.

Поверхневі хвилі

Поверхневі хвилі - це найкраще з обох світів, що поєднує в собі елементи як поздовжніх, так і поперечних хвиль. Замість того, щоб рухатися суто вперед-назад або вгору-вниз, поверхневі хвилі створюють більш круговий або колючий рух, коли вони рухаються вздовж межі між двома різними матеріалами.

Повертаючись до океанських хвиль , коли хвиля котиться до берега, вода рухається по колу. Частинки біля поверхні рухаються по більших колах, тоді як ті, що знаходяться глибше, рухаються менше. Той самий принцип застосовується до поверхневих хвиль в інших матеріалах, включаючи деякі випадки, коли звук взаємодіє з твердими поверхнями.

Ключова особливість поверхневих хвиль полягає в тому, що їхня енергія зникає з глибиною. Чим далі ви відходите від поверхні, тим меншим стає рух хвилі. Ось чому глибоководні дайвери не відчувають того ж руху, який підкидає човни нагорі.

Різні типи звукових хвиль залежно від частоти

Деякі звукові хвилі ми можемо чути, тоді як інші повністю виходять за межі нашого діапазону. Залежно від частоти, звукові хвилі поділяються на три основні категорії:

• Чути звукові хвилі: Це частоти, які людина дійсно може чути. Усе від 20 Гц до 20 кГц потрапляє в цей діапазон. З віком верхня межа має тенденцію до зниження, тому деякі високочастотні звуки чують лише молоді вуха (ви, напевно, пам'ятаєте, як ваші однокласники грали в класі в набридливі додатки про комарів, тому що вчитель не міг їх почути).
• Інфразвук: Це наднизькі частоти нижче 20 Гц, занадто глибокі для людського слуху, але все ж дуже реальні та потужні. Інфразвук використовується для виявлення землетрусів, моніторингу вулканічної активності і навіть для спілкування тварин. Слони, наприклад, використовують інфразвук для "спілкування" на великих відстанях. Деякі дослідники навіть пов'язують інфразвук з відчуттям тривоги, що може пояснити ті моменти, коли "присягаюся, я щойно бачив привида".
• Ультразвук: Ці високочастотні звукові хвилі понад 20 кГц виходять за межі чутності людини, але мають безліч практичних застосувань. Медична візуалізація (ультразвукове сканування), гідролокаційні технології і навіть деякі засоби відлякування шкідників покладаються на ультразвук. Деякі тварини, такі як кажани і дельфіни, використовують його для ехолокації, щоб "бачити" у способах, які знаходяться за межами нашого сприйняття.

Останні думки про звукові хвилі

Отже, що ви можете зробити з усією цією новою інформацією про звукові хвилі?

Почнемо з того, що розуміння звукових хвиль дає вам більше контролю над музичним продакшеном, зведенням, записом і навіть налаштуванням живого звуку. Незалежно від того, чи ви налаштовуєте еквалайзер і намагаєтеся визначити частоту хвиль, які ви чуєте, чи розміщуєте мікрофони і намагаєтеся уникнути фази, знання того, як рухається звук, допоможе вам зробити кращий вибір.

Хочете провести цікавий експеримент зі звуковими хвилями?

Спробуйте так: візьміть динамік, увімкніть низькочастотну синусоїду (близько 50-100 Гц) і піднесіть до нього руку. Відчуваєте вібрацію? Тепер увімкніть високочастотну синусоїду (5 000 Гц або більше). Помічаєте, як вібрація зникає? Це довжина хвилі і частота в дії. Чим нижча частота, тим довша довжина хвилі, і тим більше вона рухається в повітрі так, що ви можете її фізично відчути.

Зрештою, звукові хвилі - це не просто частина абстрактної науки. Вони формують все, що ми чуємо і відчуваємо в музиці. І чим більше ви їх розумієте, тим більше ви можете підкорити їх своїй волі.