ฟิสิกส์ของดนตรี: คลื่น จังหวะ และความถี่

ความพยายามอย่างสร้างสรรค์และวิทยาศาสตร์ที่หนักแน่นมักจะไปด้วยกัน การทำความเข้าใจฟิสิกส์ของเสียงสามารถนำไปสู่ความเข้าใจในฟิสิกส์ของดนตรีและวิธีสร้างเสียงและการเรียบเรียงที่น่าพึงพอใจ

คลื่นเสียงคือ การสั่นสะเทือน ในสื่อที่หูของมนุษย์สามารถรับรู้ได้ ความถี่ของคลื่นเสียงคือจำนวนการสั่นสะเทือนต่อวินาที วัดเป็นเฮิรตซ์

ความถี่พื้นฐานของวัตถุที่สร้างเสียงคือความถี่ธรรมชาติต่ำสุดที่วัตถุนั้นจะสั่นสะเทือน ค่าของความถี่นี้ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางกายภาพของวัตถุ

ความถี่ในอนุกรมฮาร์มอนิกเป็นจำนวนเต็มทวีคูณของความถี่พื้นฐาน อย่างไรก็ตาม มันเป็นไปได้ที่จะมีเสียงหวือหวา (รูปแบบคลื่นยืน) ที่ความถี่ซึ่งไม่ใช่ทวีคูณของพื้นฐาน มาตราส่วนดนตรีคือชุดโน้ตดนตรีที่เรียงตามความถี่พื้นฐาน

ในวัตถุใดๆ โดยเฉพาะ ไม่ว่าจะเป็นสายเสียงหรือเครื่องดนตรี คลื่นนิ่งจะสร้างเสียงที่เฉพาะเจาะจง การรับรู้ของคุณเกี่ยวกับเสียงนั้นขึ้นอยู่กับความถี่ของการสั่นสะเทือน ซึ่งรวมถึงเสียงหวือหวาของแอมพลิจูดที่ต่ำกว่าซึ่งส่งผลต่อเสียงต่ำ หรือคุณภาพเสียงที่รับรู้

มนุษย์สร้างเสียงดนตรีโดยสั่นคอลัมน์อากาศในลำคอ โดยการเปลี่ยนรูปร่าง/ความตึงของเส้นเสียง พวกมันสามารถสร้างความแตกต่างได้

เมื่อผู้คนพูดถึงโน้ตดนตรีโดยเฉพาะ พวกเขาจะอ้างถึงความถี่เสียงที่เฉพาะเจาะจง ความถี่สูงจะสร้างโน้ตที่สูงขึ้น และความถี่ต่ำจะสร้างโน้ตที่ต่ำลง

เสียงดนตรีสามารถสร้างขึ้นได้ด้วยเครื่องดนตรี ไปป์ออร์แกน เป่าลมไม้ แซกโซโฟน แดมิน และเครื่องดนตรีอิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ ล้วนเป็นตัวอย่าง และแต่ละอย่างสร้างเสียงดนตรีในรูปแบบต่างๆ

ลมไม้และเครื่องดนตรีอื่นที่คล้ายคลึงกันสร้างเสียงโดย เสาสั่นสะเทือนของอากาศ. โดยการปรับความยาวของเครื่องมือ หรือการเปิดและปิดรูที่ด้านข้าง ความถี่การสั่นสะเทือนตามธรรมชาติของคอลัมน์จะเปลี่ยนไป ทำให้เกิดบันทึกที่แตกต่างกัน

เครื่องสายสร้างเสียงโดยการสร้างคลื่นนิ่งบนสายตึงซึ่งถูกขยายเสียงในร่างกายของเครื่องดนตรี ความถี่ที่เชือกจะสั่นขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของมวล ความยาว และความตึงเครียด

นั่นคือเหตุผลที่ปรับแต่งเครื่องดนตรีเหล่านี้ได้โดยการปรับความตึงของสาย และทำไมสายบางเส้นถึงหนากว่าสายอื่นๆ นอกจากนี้ยังเป็นสาเหตุที่ทำให้เครื่องดนตรีอย่างกีตาร์สร้างโน้ตที่แตกต่างกันได้โดยการกดสายลงไปที่เฟรต – ในการทำเช่นนั้น คุณจะต้องเปลี่ยนความยาวของสาย

เครื่องมืออื่นๆ ทำงานบนหลักการของเมมเบรนแบบสั่น กลองเป็นตัวอย่างที่สำคัญของเรื่องนี้ หัวกลองถือได้ว่าเป็นเครื่องสั่นแบบสองมิติ ความถี่ที่จะสั่นเมื่อกระทบนั้นขึ้นอยู่กับความหนาแน่นและความตึงเครียดของมวล แต่เนื่องจากเป็นเมมเบรนแบบสองมิติ โหมดการสั่นสะเทือนที่เป็นไปได้จึงมีอยู่มากมาย

จังหวะเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดจากการรบกวนของคลื่นเสียงและมีแอพพลิเคชั่นมากมายรวมถึงในเครื่องดนตรี หากคลื่นเสียงสองคลื่นที่มีความถี่ต่างกันรบกวน แอมพลิจูดที่ต่างกันจะเป็นผลมาจากการสลับระหว่างการรบกวนเชิงสร้างสรรค์และการรบกวนแบบทำลายล้างระหว่างคลื่นทั้งสอง ความแปรปรวนของความดังของเสียงนี้เรียกว่าบีต

ตีความถี่ ถูกกำหนดให้เป็นความแตกต่างของความถี่ระหว่างคลื่นดั้งเดิมทั้งสอง ซึ่งหมายความว่ายิ่งความถี่ทั้งสองอยู่ใกล้กันมากเท่าใด ความถี่ในการตีก็จะยิ่งน้อยลงเท่านั้น (หมายถึงการเต้นต่อวินาทีน้อยลง) ซึ่งทำให้แยกแยะได้ง่ายขึ้นกับหูของมนุษย์

ความถี่ของจังหวะบางอย่างถูกรับรู้โดยหูของมนุษย์ว่าเป็น "ความถี่ส่วนตัว" หรือ "ความถี่ที่แตกต่าง"