یک سیم گیتار می لرزد و یک مخروط بلندگو به عقب و جلو می رود. مولکول های هوا فشرده و پخش می شوند و یک ممبران کوچک در گوش شروع به حرکت می کند.
جایی بین این حرکت فیزیکی و آگاهی ما لرزش تبدیل به صدا می شود. اما یکی از مهمترین حقایق درباره شنیدن بسیار ساده است هرچقدر که یک ارتعاش با سرعت بیشتری تکرار شود آن صدا برای ما بلند تر به نظر می رسد.
یک ارتعاش آرام ممکن است که نت بم ایجاد کند و یک ارتعاش سریعتر می تواند سوت تیز درست کند. با افزایش سرعت ارتعاش در نهایت حرکت به طور فیزیکی سریعتر می شود و اما دیگر گوش انسان قادر به شنیدن آن صدا نیست.
این رابطه فیزیک، وسیله موسیقی، آکوستیک، مهندسی صدا و بیولوژی شنیدن را به هم مرتبط می کند. فهمیدنش به ما یک پایه از چیزی که موزیسین ها به آن Pitch و فیزیکدان ها فرکانس می گوید می دهد.
صدا با تکرار شروع می شود
صدا وقتی شروع می شود که چیزی ارتعاش کند. یک مخروط بلند گو را تصور کنید که به سمت جلو می رود با جلو رفتن آن هوای نزدیک را فشرده می کند و موقع عقب آمدن فشار هوا به میزانی کم می شود. مخروط این حرکت را تکرار می کند، جلو، عقب، جلو، عقب.
این تغییر فشار تکراری به عنوان موج صدا وارد هوا می شود. سوال اصلی دانستن اینکه چیزی ارتعاش میکند یا نه نیست. بلکه سرعت ارتعاش برای ما مهم است.
اگر بلندگو صد سیکل ارتعاشی را در هر ثانیه تمام کند فراکانس ارتعاش برابر است با 100 هرتز. هر هرتز معادل یک دور در هر ثانیست. از این روز 10 هزار هرتز معادل ده هزار دور در ثانیست.
تعداد دوره هایی که در هر ثانیه اتفاق می افتد فرکانس نام دارد و فرکانس یکی از ویژگی های اصلی فیزیکیست که pitch یا زیر و بمی صدا را مشخص می کند.
برای مطالعه: تاریخ ضبط صدا، وقتی صدای انسان از زمان فرار کرد
فرکانس فیزیکیست اما زیر و بمی (Pitch) ادراکیست
فرکانس و زیر و بمی یا Pitch به طور نزدیکی به هم متصلند اما یک چیز نیستند. فرکانس ویژگی قابل اندازه گیری ارتعاش را بیان می کند. اما زیرو بمی نشان می دهد که یک سیستم شنوایی چگونه موج صدا را از پایین تا بالا تجربه می کند.
یک میکروفون، اسیلیسکوپ یا آنالیزور فرکانس می تواد فراکانس ار مستقیما اندازه گیری کند اما Pitch وقتی وجود دارد که یک سیستم شنوایی این ارتعاشات را تفسیر کند.
این تمایز مهم است چرا که صدا فقط چیزی که درون هوا اتفاق می افتد نیست. شنیدن نتیجه کنش بین محرک فیزیکی و سیستم ادراکی بیولوژیک است.
در تن های ساده این رابطه مستقیم است، فرکانس کمتر به معنای درک زیر و بمی کمتر و فرکاسن بیشتر به معنای درک زیر و بمی بالاتر.
یک تون 100 هرتز می تواند خیلی عمیق تر از تون هزار هرتز شنیده شود چرا که فشار دومی ده برابر سریعتر ارتعاش می کند.
مطالعات اساطیری: آشنایی با اساطیر رومی
چرا ارتعاش سریعتر نت های بالاتر ایجاد می کند
دو دیاپازون را در نظر بگیرید که اولی 200 ارتعاش در ثانیه ایجاد می کند و دومی 800 تا.
هر ارتعاش یک دوره فشار دیگر به هوا می فرستد و دیاپازون دومی چهار برابر سریعتر از اولی اینکار را می کند.
وقتی این موج ها به گوش می رسند آن ها دو الگوی مختلف داخل حلزونی گوش ایجاد می کنند. سیستم شنوایی بسیار به این تفاوت ارتعاش ها حساس هست و به جای اینکه فقط فکر کند صدا وجود دارد گوش درونی نواحی مختلف فرکانسی را جدا می کند.
فرکانس های مختلف قوی ترین تاثیر خود را در در موقعیت های متفاوت در غشای بازیلار در داخل حلزون گوش ایجاد می کنند.فرکانس های قوی ترنواحی نزدیک به حلزونی را تحریک می کنند در حالی که فرکانس های پایینتر به نواحی چرخشی آن نزدیک تر می شود. در این روند، حلزونی یک تحلیل فرکانسی بیولوژیک انجام می دهد.
مغز این اطلاعات ساختار یافته را دریافت و آن ها را به عنوان زیر و بمی (Pitch) تفسیر می کند.
چیزی که به عنوان ماده مرتعش شروع شد تبدیل به یک تمایز ادراکی بین صدای بالا و پایین می شود.
بیشتر بخوانید: سکوت چیست؟ بررسی فضای آکوستیک بین صداها
پیانو شنیدن این رابطه را راحت می کند
داخل پیانو را ببینید و این رابطه پیدا می شود. سیم هایی که نت پایین ایجاد می کند بلندتر، سنگینتر و ضخیم ترند وبه آرامی ارتعاش می کنند.
رشته هایی که نوت های بالا را ایجاد می کند کوتاه تر و سبک تر هستند که اجازه میده سریعتر بلرزند.
از این رو پیانو تفاوت های مکانیکی رشته ها را به فرکانس های مختلف تبدیل می کند که سیستم شنواییمون آن ها را در تمایز در Pitch متوجه می شود.
گیتار نیز همین اصل را نیز نشان می دهد و گیتاریست با انگشتان خود سرعت ارتعاش سیم ها را کنترل می کند.
Pitch یا زیر و بمی به معنای بلندی نیست
یکی از سو فهم های رایج درباره مفهوم Pitch، اشتباه گرفتن آن با بلندیست. زیرو بمی و بلندی دو جنبه متفاوت از صدا هستند. آمپلیتیود یا ارتفاع موج نشان دهنده بلندی آن است. یک تون 440 هرتز را تصور کنید اگر شما دامنه را افزایش بدید تغییرات فشار قوی تر می شود و آن تون صدای بلند تری تولید می کند اما فرکانس ثابتش همان 440 هرتز می ماند. بخاطر همین زیر و بمی صدا ثابت باقی می ماند.
حالا فرکانس را از 440 هرتز به 880 هرتز تغییر بدید بدون اینکه تغییری در بلندیش ایجاد کنید.
حالا صدا به طرز دراماتیکی زیر و بم متفاوتی دارد پس یک صدا می تواند عمیق و بلند باشد و عمیق و آرام، زیر باشد و بلند، یا زیر باشد و آرام.
فرکانس زیاد به معنای صدای زیاد نیست.
برای آشنایی با الگوی قطبی میکروفون ها به این نوشته مراجعه کنید
دو برابر کردن فرکانس یک رابطه خاص موسیقی می سازد
ادراک زیر و بمی انسان یک الگوی خاصی از خود نشان می دهد. فرض کنید ما یک تون 200 هرتز داریم و سپس آن را دو برابر میکنیم و به 440 میرسانیم و سپس به 880.
این صداها فرکانس بیشتری از قبل دارد با اینحال به طور نزدیکی وابسته اند. از نظر موسیقی هر دو برابر کردن معادل یک اکتاو است. این به این معناست که زیر و بم موسیقی مثل یک خط کش ساده خطی درک نمی شود. از این رو تفاوت 100 هرتز و 200 هرتز یک رابطه اکتاوی به اندازه 1000 تا 2000 هرتز ایجاد می کند حتی وقتی تفاوت عدیی اینقدر متفاوت است.
سیستم شنوایی ما به نسبت های فرکانسی جواب می دهد و به تفاوت مطلق زیاد کار ندارد. این کیفیت لگاریتمی برای موسیقی حیاتیست.
فرکانس، طول موج را نیز تغییر می دهد
فرکانس به صورت مستقل از بقیه موج وجود ندارد. برای صدایی که در یک محیط در حال سفر است فرکانس و طول موج به هم وابسته اند.
فرکانس بیشتر طول موج کوتاهتر و فرکانس پایین تر طول موج های بلند تر درست می کند که این نتایج عملی بزرگ دارد.
فرکانس های بم می تواند طول موج های چند متری داشته باشد و در موانع به راحتی خم شود و عبور کند.
فرکانس های خیلی بالا طول موج های خیلی کمتری دارد و خیلی مستقیم تر رفتار می کند. بخاطر همین است که در کنسرت ها صدای بم از دیوار ها عبور و به محیط بیرون نیز می رود در حالی که فرکانس های بالا خیلی راحت محو می شود.
همین رابطه ساده درباره طراحی بلند گو، آکوستیک ساختمان، قرار دادن میکروفون، ضبط استودیو، سینما و دیوار های کنسرت تاثیر میذارد.
برای مطالعه: تاریخ اپتیک
محدوده فرکانسی شنوایی انسان
سیستم شنوایی انسان نمی تواند همه ارتعاش های موجود را بشنود و معمولا یک گوش سالم می تواند بین 20 هرتز تا 20000 هرتز را بشنود. صدای زیر 20 هرتز فروصداست و بالای 20 هزار هرتز التراساند می باشد.
این مرز ها مطلق نیستند، توانایی شنیدن بین آدم ها تفاوت دارد و حساسیت به فرکانس های بالا با سن و تحت صدای بلند بودن کاهش می یابد.
این چیزی مهم درباره خود صدا به ما می گوید، ارتعاش فیزیکی می تواند بدون اینکه برای ما تجربه شنیداری ایجاد کند وجود داشته باشد.
یک موج 30 هزار هرتز می تواند داخل هوا وجود داشته باشد با اجسام کنش کند و با ابزار مناسب کشف شود در حالی که انسان اصلا نتواند بشنود.
فیزیک ورای محدودیت های ادراک نیز به کار خود ادامه می دهد.
اگر علاوه بر سیستم شنوایی به بینایی نیز علاقه مندید می تونید به دو نوشته درک نور در مغز، و رسیدن نور به شبکیه نیز مراجعه کنید.
صداهای واقعی بیش از یک فرکانس دارند
تا اینجا تون های خالص رابطه بین فرکانس و زیر و بمی یا Pitch را قابل فهم کرده است اما بیشتر صداهای زندگی رومزه به مراتب پیچیده تر است.
وقتی ویالون یک نتی را می نوازد آن رشته فقط یک فرکانس درست نمی کند بلکه فرکانس های پایه را با فرکانس های اضافی که اورتون یا هارمونیک نامیده می شود نیز تولید می کند. صدای انسان نیز این چنین است.
این مجموعه فرکانس ها به طنین صدا کمک می کند که همان کیفیتیست که به ما اجازه می دهد بین ویالون و فلوت حتی وقتی یک نت اجرا می کنند تمایز بذاریم.
این فرکانس پایه معمولا زیر و بمی اصلی را ایجاد می کند در حالی که هارمونیک اطراف به شخصیت و هویت صدا کمک می کند.
سیستم شنوایی انسان یک عمل استثنایی ایجاد می کند یک مخلوط پیچیده فرکانس را دریافت و آن ها را به اجسام شنوایی قابل شناخت ساختار دهی می کند.
ما یک معادله از فرکانس ها را نمی شنویم بلکه گیتار، صدا، زنگ و اتوموبیل را می شنویم.
معرفی کتاب : فرانکنشتاین نوشته ماری شلی
از ارتعاش به ادراک
این جمله که ارتعاش سریعتر زیر تر است زیادی ساده به نظر می رسد اما یک زنجیره از وقایع درون این جمله مخفیست.
یک شیئ ارتعاش می کند و این ارتعاش درون هوا یا محیط دیگر ایجاد تغییر در فشار می کند. این تغییرات به صورت موج حرکت می کند و این نرخ تکرار فرکانس موج را مشخص، و آن موج به گوش وارد می وشد.
حلزونی اطلاعات فرکانسی را جدا می کند و سلول های حسگر این تغییرات مکانیکی را به سیگنال عصبی تبدیل می کند. مغز این سیگنال ها را بررسی و این را به صورت زیر و بمی درک می کنیم.. از این رو یک نت زیر هم فیزیکیست هم ادراکی. ریشه اش را می توان در دور در ثانیه اندازه گرفت اما وجود نهایی اش بخشی از تجربه خودآگاهانست.
نتیجه گیری
فهم فرکانس یک بنیاد برای مطالعه صدا درست می کند. اکولایزر صدا را به نواحی مختلف فرکانس تقسیم می کند و خود میکروفون ها نیز جواب های مختلف فرکانسی دارند و بلندگو ها نیز محدوده فرکانسی خاصی را بازتولید می کنند. رزونانس های اتاق بعضی فرکانس ها را تقویت می کند و نت های موسیقی از طریق روابط فرکانسی چیده می شود.
شنوایی انسان درون طیف تغییر حساسیت می دهد و حتی تغییرات در گرمی، روشنی، حضور و هوا در تولید صدا در آخر وابسته به این است که انرژی چگونه در فرکانس های مختلف توزیع شده است.
اما زیر همه این ها پیچیدگی در یک اصل ساده قرار دارد، هرچقدر که منبع تولید صدا سریعتر ارتعاش کند موج فشار سریعتر تکرار می شود و زیری بیشتری سیستم شنوایی ما درک می کند.