A hang
A hang a levegő nyomásváltozásainak vagy a levegőt alkotó gázok sűrűségváltozásainak a terjedése. A nyomásváltozás a levegő természetéből adódóan alapesetben minden irányban, azaz gömbszerűen terjed. Ezt a terjedést időben egy hullámnak foghatjuk fel. A terjedés során nem a levegő halad, hanem a nyomásváltozás. A nyomásváltozás minden esetben a terjedés irányában zajlik, tehát ne úgy képzeljük el, mintha egy kötelet rángatnánk, hanem mintha egy rugó végét lökdösnénk a rugó hosszanti irányával megegyezően.
Ha a nyomásváltozás periodikusan ismétlődik, akkor az ismétlődő hullámokat hanghullámoknak nevezzük.
Ha a nyomásváltozás egyszeri, mint amikor egy lufi kipukkan vagy egy autó kipufogója durran egyet mellettünk, akkor is fog nyomásváltozás terjedni, de az egyszer hatás lesz, viszonylag rövid ideig tart és nem periodikus. A fülünk azt is érzékeli és hangnak tekinti, de az nem lesz zenei hang semmilyen módon, hanem inkább zajnak hívjuk.
Azt a tárgyat vagy jelenséget, ami a periodikus nyomásváltozásokat, azaz hullámokat kelti hangforrásnak hívjuk. A hangforrás lehet egy gitárhúr, egy emberi hangszalag, vagy bármilyen más tárgy...
A hangforrás és az energia
A hangforrás a hang keletkezésekor energiát is ad át a levegőnek. Ez az energia fog aztán terjedni a hanghullámok terjedésével együtt. Mivel semmi sem tökéletes, ezért a keletkezett hang a mozgás során csökken több okból is.
Egyrészt az átadott energia a korábban említett gömbfelületen eloszlik és a hangforrástól távolodva a felület nagysága r2*PI, vagyis 2x akkora sugarú gömb adott felületére 1/ nagyságú energia esik. Ezt a hangra lefordítva a hang sokkal halkabb lesz.
Másrészt a hanghullámok megrezgetik a levegő molekuláit, amelyek egymással ütközve kicsit felmelegszenek és ezáltal is veszít az energiájából a hang.
A hanghullámok fizikai paraméterei
A hanghullámok terjedési sebessége levegőben a levegő sűrűségétől, nyomásától, páratartalomtól és sok egyébtől függően v = 330 m/s.
Megjegyzendő, hogy a vízben, a fémekben a terjedési sebesség sokkal nagyobb, akár több ezer méter / másodpercenként.
Ha ismétlődik a rezgés, akkor az ismétlődés időbeli ismétlődésének gyakoriságát nevezzük rezgésszámnak vagy frekvenciának. Ezt f-fel szokás jelölni, a mértékegysége Hz (Herz) és annak többszörösei (1000 Hz = 1 kiloHerz = 1 kHz).
Fázis: A hullám pillanatnyi kitérése a nyugalmi helyzetétől és a kitérés változását együttesen fázisnak hívjuk.
Két hullám akkor van azonos fázisban, ha a pillanatnyi kitérése és a kitérés változásának iránya is ugyanolyan.
Ellentétes fázisban van, ha a kitérés iránya ellentétes és a változásuk iránya is ellentétes.
Hullámhossznak nevezzük azt a legkisebb távolságot amikor a hullám ugyanolyan állapotba kerül, mint korábban, azaz a kitérése iránya és a változás iránya is azonos vagyis azonos fázisú. A hullámhossz jele a λ (görög lambda), esetleg l-lel.
A fenti három mennyiség között az összefüggés: v = f * λ
Mivel a sebesség állandó, ezért a nagyobb frekvenciához kisebb hullámhossz tartozik és fordítva.
Az emberi fül által hallható hangok tartománya: A legalacsonyabb frekvencia 20 Hz, a legmagasabb 20 000 Hz, azaz 20 kHz.
Ezt a két értéket a stúdiózás területén sokszor emlegetjük, mivel ezek azok a határok, amin belül egyáltalán hangról beszélhetünk. Valójában a 30 Hz alatti hangokat inkább nyomásváltozásnak érezzük és a legtöbb ember számára a 16 000 Hz feletti hangok inkább érzeteket keltenek, mint hallják őket.
Infrahangnak hívjuk a hallható hangok frekvenciája alatti tartomány (0...20 Hz) és ultrahangnak a 20 000 Hz feletti tartományt.
A kutyák, a denevérek és a delfinek viszonyt vidáman használják a 20 000 Hz feletti hangokat is. A kutyákat ezért lehet ultrahang síppal irányítani, a denevérek és a delfinek tájékozódnak az ultrahang segítségével.
Az infrahangnak van egy meglehetősen rossz tulajdonsága. Embere válogatja, de körülbelül 5-6 Hz frekvenciájú infrahang megegyezik az emberi test rezonancia frekvenciájával és ilyen hangokkal meg lehet betegíteni embereket.
Amikor zenéről beszélünk, akkor a 20-20000 Hz közötti hangokról beszélünk.
Korábban jeleztem, hogy a hullámok egyúttal energiát is képviselnek. Minél nagyobb egy hullám maximális kitérése a nyugalmi helyzethez képest, annál nagyobb mennyiségű energiát hordoz. A maximális kitérést amplitúdónak hívjuk. A hang által szállított energia egységnyi idő alatt = teljesítmény. Mivel nem akarlak matematikával untatni benneteket, ezért csak a végeredményt írom le: A hang teljesítménye az amplitúdó és a frekvencia négyzetével arányos. Ez azt jelenti, hogy kétszer akkora frekvencia négyszer akkora teljesítményt, háromszor akkor amplitúdó 9x akkora teljesítményt nyújt. Képletben:
Teljesítmény ~ A2*(2*pi*f)2
A hullámok ábrázolása
A természetben tiszta hang sohasem keletkezik, sőt a hangszerek hangjában is sokféle hang összetevője hallatszik. A hangokat és minden periodikus változást matematikai okokból (Fourier bácsit keressétek meg) lehet modellezni tetszőleges közelítéssel un. színusz hullámokkal. (A természet nem matematika, de a matematika elég jó eszköz arra, hogy modellezzük a természetet.) Ebből adódóan a hangok viselkedését is szinusz hullámokkal szokták ábrázolni megjegyezve azt, hogy természetesen ez csak egy elég jó közelítés. Tökéletes sohasem lesz, de az emberi fül és észlelés sem az.
A hangok viselkedését egy pontban az időbeli változásukkal szokás ábrázolni. Az alábbi képen egy basszusgitár hangjának egy részlete látható ábrázolva. A hang egy sztereo felvétel egy része. A hangokat leíró grafikon vízszintes vonala az idő tengely, a függőleges vonal pedig az amplitúdó. Látható, hogy a zenei hang időben periodikusan változik és szabályosságok figyelhetők meg benne.
Az alábbi példában egy lábcin hangjának képét mutatom meg. Látható rajta, hogy nem épül fel szabályos színuszhullámokból, mivel a lábcint a dobos megüti egy verővel. A felső cintányér hozzáütődik az alsóhoz és egymást csillapítva véletlenszerűen rezegnek viszonylag magas frekvenciával, majd a hang csillapodik.
Látunk tehát olyan ábrázolást, amely zenei hangokat ábrázolt. Egy fuvola hangja még tisztább lenne, szinte egy-két színuszhullámmal leírható.
Zaj
A zaj olyan hang, amely a zenei hangokat valamilyen módon elfedi, torzítja, nem teszi a fülünk részére értelmezhetővé a zenét. Esetleg csak nehezen értelmezhetővé. A zajok gyakran, de nem mindig véletlenszerűen keletkeznek. A zajoknak gyakran nincsen jól meghatározható frekvenciájuk és egyéb matematikailag jól kezelhető paramétereik. Ilyen lehet egy leeső tárgynak a hangja, a szél susogása, a kulcs zörgése, a villámlás csattanása és még sok egyéb. Ilyen az is, amikor a szél fúj, vagy beindítják egy sugárhajtású repülőgép motorját és azt halljuk. Ez utóbbi azonban már tartalmazhat jól meghatározható frekvenciájú összetevőket is, hiszen a sugárhajtómű rotorja forgás során hozzáad a véletlenszerű hangokhoz bizonyos meghatározható frekvenciákat is.
Zajnak tekintjük például egy transzformátorház búgását, amiről lehet tudni, hogy 100 Hz magas hang, mert ha egy felvételen szólal meg, az bizony baj.
A zajoknak több fajtájuk van.
Impulzusok
A zajok egy része impulzusszerű, vagyis hirtelen, véletlenszerűen megjelenik. Ilyen egy villámcsapás hangja, leeső tárgy hangja, avagy a gitár recsegő kapcsolójának a hangja, amikor átkapcsoljuk másik állásba. Az ilyen zajok gyakran elnyomják az értékes zenei hangokat és a felvételen egy reccsenésként hallatszanak. Matematikailag a jelben ilyenkor megjelenik egy vagy több magas tüskeszerű jel, maximális vagy maximálishoz közeli amplitúdóval. Tele van magas frekvenciájú összetevőkkel. Az ilyen hang elnyomja a zenei hangot és a zenében lévő információ itt elveszik.
Széles sávú, hosszabb ideig tartó zajok
Amikor egy felvétel alatt a háttérben például szél fúj, vagy autók zaja hallatszik be, akkor az folytonos zajként jelenik meg a felvételen. Sajnos ezt nem lehet kiszűrni, hiszen a felvételhez hozzáadódik és a rögzített anyag része. Két dolgot lehet vele tenni.
Az egyik az, hogy a felvétel szüneteiben - például amikor az énekes nem énekel verzét hanem a következő belépésre vár - a track hangerejét nullára vesszük. Ilyenkor az énekes lélegzetvételének hangja is eltűnik, de a zaj is eltűnik. Természetesen a nullára vétellel együtt a beúsztatás (Fade In) és kiúsztatás (Fade Out) funkciót is használjuk. Levegősebb dalokban, ahol a hangszerek is hagynak teret, az énekesek hangja ilyenkor a semmiből jön elő, ami nem igazán jó, de mást nem tehetünk. Ilyenkor az énekes hangjára tett zengetés (Reverb) valamelyest pótolja a hiányosságot.
A másik lehetőség az, hogyha a hangszerek hangja és a zaj között van frekvencia eltérés, (például cinek hangja + autó motorja, gitár + elektromos hálózat 50 - 100 Hz) akkor hangszínszabályozókkal (equalizer) levágjuk a zaj tartományát vagy erősítjük a hangszer hasznos frekvenciáját. Ezzel nem lehet végleges és tökéletes eredményt elérni, de a zaj zavarását lehet csökkenteni.
A következő három fajta zaj mindegyike folyamatosan keletkezik, de nem mindegyik lesz egyformán rossz a felvételeken, sőt van, amelyik hasznos is.
Sörétzaj
Az elektronikus berendezések működés közben törvényszerűen termelnek zajokat, amit sörétzajnak hívnak. A sörétzaj az elektronok véletlenszerű mozgásából és az így keletkező mikroáramok miatt keletkezik. Ha egy ilyen zajos hangforrást felerősítek nagyon, akkor törvényszerűen a zaj is hangosabbá válik. Ilyen módon a felvétel zajos lesz. mivel a sörétzajnak nincsen tipikus frekvenciája, ezért ezt a felvétel után már nem lehet korrigálni. Törekedni kel rá, hogy a hangszerek hangját minél nagyobb jelszinttel vegyük fel és a felvevő rendszer egyes részeinek zaja legyen sokkal kisebb, mint a hasznos jel. A jel további feldolgozásánál pedig használhatunk zajzárat, hogy a halkabb részeken vágja le a zajokat az elektronika.
Fehér zaj
Fehér zajnak hívják azt a fajta zajt, amikor mindenféle frekvenciájú véletlenszerű zaj megjelenik egy bemeneten a hallható tartományban. Ezt zenei rendszerek átvitelének vizsgálatára használják olyan módon, hogy a bemenetre beküldik a folyamatosan szóló fehér zajt, a rendszer kimenetén pedig mérő mikrofont használva vizsgálják, hogy a hangrendszer és esetleg a környezet milyen frekvenciákon erősíti vagy gyengíti a megszólaló jelet. Ilyen eszközöket használnak koncerteken, amikor beállítják a hangrendszer alapvető tulajdonságait, mert így a környezet elnyelési és erősítési tulajdonságait nagyon pontos equalizerek segítségével lehet kompenzálni. Amelyik frekvencián a környezet elnyel, ott erősíteni kell, ha erősebb, mint az átlag, akkor csökkenteni az erősítést. Így lehet lineárissá tenni az átviteli rendszert és ehhez képest lehet megfogalmazni egy koncert hangzását a későbbiekben.
Ez az eljárás technikai megközelítésű és valóban lineárissá teszi a hangrendszert, de az emberi fül nem lineáris szerkezet, ezért használják a rózsaszín zajt.
Rózsaszín zaj
A rózsaszín zajban is mindenféle frekvenciájú összetevő megtalálható, de a fűl érzékenységével és jelleggörbéjével korrigálva. Az emberi fül a hangosság fogalmát úgy érzékeli, hogy az azonos teljesítményű különböző frekvenciájú hangok közül az 1-3 kHz magasságú hangokat halljuk a leghangosabbnak és ettől lefelé és felfelé egyre halkabbnak halljuk a jeleket. A rózsaszín zaj ezért az alsó tartományokban jóval hangosabb és a 3 KHz feletti tartományokban fokozatosan hangosodik.
A hangrendszerek beállításakor a rózsaszín zajgenerátorral azt lehet letesztelni, hogy hangosság érzése szempontjából hogyan viselkedik a hangrendszer.
Felharmonikusok, hangszín
Amikor zenéről beszélünk és azt mondjuk, hogy van egy hangszer, aminek a hangja mondjuk 300 Hz-en szól, akkor nem mondunk igazat, mert minden esetben a hangszeren megszólaltatott hang felhangjai is megszólalnak, tehát a példában lesz 600 Hz, 900 Hz, 1200 Hz-es stb. összetevő hang is. Ezeket a megszólaló hangokat felharmonikusoknak nevezzük. Zeneileg ezek az oktáv, kvint, kvart, terc, stb, frekvenciában pedig az alapfrekvencia egész számszoros frekvenciái. Egyes hangszerek akár 10-20 felharmonikust is tartalmaznak hallhatóan.
Az akusztikus hangszereken megszólaló hangok tulajdonságait a hang keletkezésének körülményei (hegedűn a vonó, gitáron a pengető viselkedése, stb.), illetve a hangszer testének akusztikai tulajdonságai is befolyásolják a hangszer hangját.
Az, hogy egy hangszer az alaphangnak melyik felharmonikusát erősíti és melyeket gyengíti meghatározza a hangszer hangszínét.
Ezt a tulajdonságot a hangszer készítők évszázadok alatt kísérletezték ki és lettek ezek a hangzások etalonok. A hangszer alakja, a felhasznált anyagok, az összeépítés módja, a hangszerben lévő üregek mind azt a célt szolgálják, hogy a hangzás a lehető leghangosabb legyen és a hangszer a céljának megfelelő hangokat adjon ki.
Azoknak a hangszereknek lágyabb, mollosabb a hangja, amelyek az páros (2,4,6,8) felharmonikusokat erősítik és azoknak karcosabbak, amelyek a páratlan (3,5,7,9) felharmonikusokat.
Lágyabb hangúak például a fuvola és általában a fafúvós hangszerek, míg a rézfúvós hangszerek keményebben szólnak.
Elektromos hangszerek esetén az elektronika mindig közbeszól, ezért például egy torzított gitár hangzás kemény, de egy orgona mindig lágy.
A hangok erősítése, kioltása
Feljebb szó volt a fázisról, amely a hullám esetén a nyugalmi helyzettől való eltérés és a változás iránya összességében. Ha van két hanghullám, amelynek a tér egy pontjában ellentétes a fázisa, akkor a kétféle hatás egymást lerontja. Ha a két hullám nagysága - amplitúdója - ugyanakkor, akkor az eredőjük nulla lesz. Világos, hogyha a levegőmolekulákat egy helyen sűríteni akarjuk és ugyanott egy másik hullám ritkítani akarja, akkor egyik sem lesz nyerő.
Ha a két hullám ugyanazon a helyen azonos fázisban van, akkor az egymást erősítik és az eredmény nagyobb amplitúdó lesz.
Visszaverődés
Amikor egy helyiségben hallgatunk zenét és a helyiség falai simák,egyenletesek és szilárdak - beton, márvány, téglafal - akkor a hangszer által kibocsátott hang visszaverődik a falról és a fülünkbe közvetlenül érkező hang + a visszaverődött hang eredője hozza létre a hangérzetet. Ha olyan helyen van a fül, ahol azonos fázisban érkeznek a hangok, ott hangosabbnak halljuk és ha olyan helyen van a fül, ahol ellentétes a fázis ott halkabbnak halljuk a hangot. Csakhogy a különböző frekvenciák más hullámhosszakat jelentenek, ezért az eredeti és a visszaverődött hang egyes frekvenciákon erősíti, más frekvenciákon kioltja egymást. Vagyis a hangszer hangzása nem mindenhol lesz ugyanaz. Ha egy mérőrendszerrel feltérképezed a helyiséget, akkor azt veszed észre, hogy a különböző frekvenciák a teremben szabályos minta szerint erősítik és gyengítik egymást.
Elhajlás
Ha egy helyiségben szól a zene és egy nyitott ajtón kívül hallgatózunk, de nem szemben állunk az ajtóval, akkor is halljuk a zenét, mert a hullámoknak az a természete, hogy az előttük álló akadályokon elhajlanak, azaz a terjedési irányuk megváltozik. Az elhajlás mértéke függ a frekvenciától is. Magasabb frekvenciákon kisebb az elhajlás, mély frekvenciákon nagyobb.
Az elhajlás a hanghullámokkal összemérhető nagyságú tárgyakon jelentkezik. A 100 Hz-es jel hullámhossza kb. 3,3 méter, vagyis a ez a frekvencia az 1-10 méteres tartományba eső réseken áthaladva elhajlik, mindenfelé hallható lesz, de a 10 cm-es lyukakon már csak kevéssé hajlik el. Az 5000 Hz-es jel elhajlásához 6 cm-es rés szükséges.
Interferencia
Amikor az előbb olvastad, hogy a kioltás, erősítés szabályos minták szerint helyezkedik el, akkor arról volt szó, ha általában egy hullámforrás különböző irányokban indul el, majd útkülönbséggel találkozik, akkor a fázisok miatt lesznek erősítési pontok és gyengítési pontok is. A hangok interferálnak egymással.
Amikor egy gitáros behangolja a hangszerét gyakran a húrokon olyan üveghangokat (felharmonikusokat) szólalta meg egyszerre, amelyek azonos hangmagasságot jelentenek. Ha a megszólaló eredmény "lebeg", akkor a két hangmagasság nem azonos, csak közelít egymáshoz. Ha a lebegés nagyon lassú vagy nincsen, akkor a két hang azonos frekvenciájú.
Doppler hatás
Ha egy hangforrás közeledik felénk, akkor magasabbnak halljuk a hangot, mint ha távolodik tőlünk. Például a szirénázó mentőautó hangja. A fizikai magyarázatot most hagyjuk, hogy miért.
Például, amikor egy mély sugárzó egyszerre szólaltat meg egy 60Hz-es és egy 1000 Hz-es hangot, akkor a magas hang "zsizsikes" lehet nagy hangerőn, mivel ekkor a hangszóró a mély hang kisugárzásakor előre és hátra mozog, és a hangszóró mozgása hol hozzáadódik a magas hang hangjához, hol elvesszük belőle. A magas hang frekvenciája a mély hang frekvenciájával változik.