Kreatives Bemühen und harte Wissenschaften gehen oft Hand in Hand. Das Verständnis der Physik von Klang kann zu einem Verständnis der Physik von Musik führen und wie ästhetisch ansprechende Klänge und Arrangements hergestellt werden können.
Schallwellen und Frequenzen
Schallwellen sind Vibrationen in einem für das menschliche Ohr wahrnehmbaren Medium. Die Frequenz einer Schallwelle ist die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde, gemessen in Hertz.
Die Grundfrequenz eines schallerzeugenden Objekts ist die niedrigste Eigenfrequenz, bei der dieses Objekt schwingt. Der Wert dieser Frequenz hängt von den physikalischen Eigenschaften des Objekts ab.
Die Frequenzen in einer harmonischen Reihe sind ganzzahlige Vielfache der Grundfrequenz; es ist jedoch möglich, Obertöne (Stehwellenmuster) bei Frequenzen zu haben, die kein Vielfaches der Grundwelle sind. Eine Tonleiter ist ein Satz von Musiknoten, die nach Grundfrequenz geordnet sind.
Menschliche Stimme und Gesang
In jedem bestimmten Objekt – sei es Ihre Stimmbänder oder ein Musikinstrument – erzeugen stehende Wellen spezifische Klänge. Ihre Wahrnehmung dieses Klangs hängt von der Schwingungsfrequenz ab, einschließlich aller Obertöne mit geringerer Amplitude, die zum Timbre oder der wahrgenommenen Klangqualität beitragen.
Der Mensch erzeugt Musik, indem er die Luftsäule in seinem Hals vibriert. Indem sie die Form/Spannung ihrer Stimmbänder verändern, können sie unterschiedliche Schwingungsmodi und Töne. Geübte Sänger haben dies sehr gut gelernt und können ihre Stimmbänder so formen, dass sie reine Note für lange Zeit, sowie mehrere exakte Töne auf einer Tonleiter treffen, ohne ins Stocken zu geraten Tonhöhe.
Wenn Menschen über bestimmte Musiknoten sprechen, beziehen sie sich auf bestimmte bestimmte Tonfrequenzen. Höhere Frequenzen erzeugen höhere Töne und niedrigere Frequenzen erzeugen tiefere Töne.
Musikinstrumente
Musikalischer Klang kann auch durch Musikinstrumente erzeugt werden. Pfeifenorgeln, Holzbläser, Saxophone, Theremins und andere elektronische Instrumente sind alles Beispiele, und jedes erzeugt musikalischen Klang auf unterschiedliche Weise.
Holzbläser und andere ähnliche Instrumente erzeugen Klang durch vibrierende Luftsäulen. Durch die Längenanpassung der Instrumente oder das Öffnen und Schließen von Löchern in den Seitenwänden wird die Eigenschwingungsfrequenz der Säule verändert, wodurch unterschiedliche Töne erzeugt werden.
Saiteninstrumente erzeugen Klang, indem sie stehende Wellen auf gespannten Saiten erzeugen, die im Korpus des Instruments verstärkt werden. Die Frequenz, mit der eine Saite schwingt, hängt von ihrer Massedichte, Länge und Spannung ab.
Deshalb können diese Instrumente durch Einstellen der Saitenspannung gestimmt werden und einige der Saiten sind dicker als andere. Deshalb werden bei einem Instrument wie einer Gitarre auch unterschiedliche Töne erzeugt, indem man die Saiten an den Bünden nach unten drückt – man variiert dabei im Wesentlichen die Länge der Saiten.
Andere Instrumente arbeiten nach dem Prinzip einer schwingenden Membran. Schlagzeug ist ein Paradebeispiel dafür. Ein Trommelfell kann man sich als die zweidimensionale Version der vibrierenden Saite vorstellen. Die Frequenzen, mit denen es beim Anschlagen vibriert, hängen von seiner Massendichte und Spannung ab, aber da es sich um eine zweidimensionale Membran handelt, existieren viele weitere mögliche Schwingungsmoden.
Beats und Beat-Frequenzen
Beats sind ein Phänomen, das aus Schallwelleninterferenzen resultiert und viele Anwendungen hat, einschließlich in Musikinstrumenten. Interferieren zwei Schallwellen unterschiedlicher Frequenz, so entsteht durch einen Wechsel zwischen konstruktiver und destruktiver Interferenz zwischen den beiden Wellen eine variierende Amplitude. Diese Variation in der Lautstärke des Tons wird als Beats bezeichnet.
Das Schlagfrequenz ist definiert als der Frequenzunterschied zwischen den beiden ursprünglichen Wellen. Das heißt, je näher die beiden Frequenzen beieinander liegen, desto kleiner ist die Schwebungsfrequenz (d. h. weniger Schläge pro Sekunde), wodurch sie für das menschliche Ohr leichter zu unterscheiden sind.
Bestimmte Schwebungsfrequenzen werden vom menschlichen Ohr als "subjektive Frequenz" oder "Differenzfrequenz" wahrgenommen.