วิทยาศาสตร์ของเสียง: การสั่น ระดับเสียง และสีสันของเสียง
การดีดสาย การตีกลอง และการร้องเพลง ล้วนมาจากสิ่งเดียวกัน คือมีอะไรบางอย่างกำลังสั่น บทนี้ใช้วิทยาศาสตร์นิดหน่อยอธิบายว่าทำไมโน้ตถึงสูงหรือต่ำ ทำไมออกเทฟฟังเหมือนโน้ตตัวเดียวกัน ทำไมโน้ตเดียวกันบนเปียโนกับกีตาร์ฟังไม่เหมือนกัน และเสียง “วาว-วาว” ตอนตั้งเสียงคืออะไร
ในบทเรียนนี้
เสียงคือสิ่งที่กำลังสั่น
ทุกเสียงเริ่มจากบางสิ่งที่สั่น คือขยับไปมาเร็วมาก ๆ เช่น สายกีตาร์ หนังกลอง อากาศในขลุ่ย หรือเส้นเสียงในลำคอของคุณ การสั่นไปดันอากาศที่อยู่ติดกัน อากาศนั้นก็ดันอากาศส่วนถัดไป แล้วคลื่นของการบีบอัดและยืดออกเล็ก ๆ ก็แผ่ออกไป เหมือนระลอกคลื่นบนผิวน้ำในบ่อ
เมื่อคลื่นมาถึงหู มันทำให้แก้วหูสั่นเป็นรูปแบบเดียวกัน แล้วสมองก็ได้ยินเสียง ในอากาศที่ 20 °C คลื่นเดินทางประมาณ 343 เมตรทุกวินาที ในน้ำเร็วกว่านั้นมากกว่าสี่เท่า ในอวกาศไม่มีอากาศคอยพาเสียงไป เสียงจึงเดินทางไม่ได้เลย
ลองดู: วางนิ้วเบา ๆ ที่ด้านหน้าลำคอ แล้วฮัมเพลง ความสั่นที่คุณรู้สึกคือการสั่นที่ทำให้เกิดเสียงของคุณ
ระดับเสียง: สั่นกี่ครั้งต่อวินาที
สิ่งของสั่นเร็วแค่ไหน เป็นตัวกำหนดว่าเสียงสูงหรือต่ำ จำนวนครั้งที่สั่นต่อวินาทีเรียกว่าความถี่ วัดเป็นเฮิรตซ์ (Hz) หน่วยที่ตั้งชื่อตามนักวิทยาศาสตร์ไฮน์ริช เฮิรตซ์ สั่น 440 ครั้งต่อวินาทีคือ A4 ที่คุณเจอในบทเรื่องชื่อโน้ต สั่น 110 ครั้งต่อวินาทีคือ A2 ซึ่งต่ำลงไปสองออกเทฟ
เร็วกว่าแปลว่าสูงกว่า ช้ากว่าแปลว่าต่ำกว่า ลิ่มต่ำสุดของเปียโน A0 คือ 27.5 Hz และลิ่มสูงสุด C8 ประมาณ 4,186 Hz หูของคนอายุน้อยได้ยินประมาณ 20 ถึง 20,000 Hz ขีดบนมักลดลงตามอายุ และผู้ใหญ่หลายคนได้ยินถึงประมาณ 16,000 Hz
- โน้ต A สี่ตัวที่สั่น 110, 220, 440 และ 880 ครั้งต่อวินาที เป็นคลื่นไซน์บริสุทธิ์
ออกเทฟคือสองเท่า
ฟังโน้ต A ทั้งสี่ตัวอีกครั้ง แต่ละตัวสั่นเร็วกว่าตัวก่อนหน้าสองเท่าพอดี นี่คือความลับของออกเทฟจากบทเรื่องชื่อโน้ต: โน้ตสองตัวที่ห่างกันหนึ่งออกเทฟมีความถี่ในอัตราส่วน 2 ต่อ 1 จึงกลมกลืนกันมากจนฟังเหมือนโน้ตตัวเดียวกัน ตัวหนึ่งสูง อีกตัวต่ำ
อัตราส่วนง่าย ๆ แบบอื่นก็ฟังกลมกลืนเหมือนกัน เมื่อความถี่สองตัวมีอัตราส่วน 3 ต่อ 2 เช่น 220 Hz กับ 330 Hz คุณจะได้ยินคู่ 5 เพอร์เฟกต์ พูดอย่างคร่าว ๆ ยิ่งอัตราส่วนง่าย คลื่นทั้งสองยิ่งตรงกันบ่อย และฟังสงบเมื่อดังพร้อมกัน
- 220 Hz กับ 440 Hz ทีละตัวก่อน แล้วพร้อมกัน
- 220 Hz กับ 330 Hz ทีละตัวก่อน แล้วพร้อมกัน
ทำไมต้อง A = 440
จะเล่นด้วยกันได้ นักดนตรีต้องตกลงกันว่าโน้ตตัวหนึ่งสูงแค่ไหน ทุกวันนี้ส่วนใหญ่ของโลกตั้งเสียง A ที่อยู่เหนือโดกลางไว้ที่ 440 Hz แต่ไม่ได้เป็นแบบนี้มาตลอด หลายร้อยปีที่ระดับเสียงต่างกันไปในแต่ละที่ และมักยึดตามออร์แกนประจำท้องถิ่น ในปี 1859 ฝรั่งเศสออกกฎหมายกำหนดให้ A เป็น 435 Hz
ในปี 1939 การประชุมนานาชาติที่ลอนดอนแนะนำให้ใช้ 440 Hz องค์การระหว่างประเทศว่าด้วยการมาตรฐาน (ISO) รับเป็นมาตรฐานในปี 1955 และยืนยันอีกครั้งในปี 1975 เป็น ISO 16 ถึงอย่างนั้น ก็ไม่ใช่ทุกคนที่ใช้ 440 พอดี วงออร์เคสตราหลายวงตั้งเสียงสูงขึ้นเล็กน้อย อยู่ระหว่างประมาณ 440 ถึง 444 Hz
- A ของวันนี้ แล้ว A ของฝรั่งเศสปี 1859 แล้วทั้งสองพร้อมกัน
โอเวอร์โทน: ทำไมเปียโนกับกีตาร์เสียงไม่เหมือนกัน
เครื่องดนตรีจริงไม่ได้สั่นด้วยความเร็วเดียว สายสั่นทั้งเส้น และในเวลาเดียวกันก็สั่นเป็นครึ่ง เป็นสามส่วน เป็นสี่ส่วน และต่อ ๆ ไป ดังนั้นโน้ตที่ 110 Hz จึงมีเสียงที่เบากว่าอยู่ที่ 220, 330, 440, 550 Hz ขึ้นไปด้วย ซึ่งเป็นจำนวนเท่าเต็มของความถี่ต่ำสุด ครอบครัวนี้เรียกว่าอนุกรมฮาร์มอนิก (harmonic series) และสมาชิกที่สูงขึ้นไปเรียกว่าโอเวอร์โทน (overtone) เราได้ยินตัวที่ต่ำที่สุด คือความถี่มูลฐาน เป็นระดับเสียงของโน้ต
เครื่องดนตรีแต่ละชนิดมีส่วนผสมของโอเวอร์โทนดังและเบาเป็นของตัวเอง และมีวิธีเริ่มเสียงกับจางหายเป็นของตัวเอง ส่วนผสมนั้นคือสีสันของเสียง หรือทิมเบอร์ (timbre) นี่คือเหตุผลที่เปียโนกับกีตาร์ที่เล่น A ตัวเดียวกันด้วยความดังเท่ากันยังฟังต่างกัน คลื่นไซน์ไม่มีโอเวอร์โทนเลย จึงฟังเรียบ ๆ และนุ่มเนียน
บันไดโอเวอร์โทนด้านล่างเล่นสมาชิกแปดตัวแรกของอนุกรมฮาร์มอนิกของ 110 Hz มีบางตัวที่คลาดจากลิ่มเปียโนไปนิดหน่อย ตัวที่ 7 ต่ำกว่า G บนคีย์บอร์ดประมาณหนึ่งในสามของครึ่งเสียง
- ฮาร์มอนิกแปดตัวแรกของ 110 Hz ทีละตัว
- เริ่มจาก 220 Hz แล้วเติม 440, 660 และ 880 Hz: เสียงอิ่มขึ้น
- A4 เป็นคลื่นไซน์บริสุทธิ์ ไม่มีโอเวอร์โทน
- A4 ตัวเดียวกันบนเปียโน
ระบบเสียงแบบเท่ากัน: สิบสองขั้นเท่า ๆ กัน
ถ้าตั้งทุกขั้นคู่ให้ตรงตามอัตราส่วนที่ง่ายที่สุด บางคีย์จะฟังไพเราะ แต่บางคีย์จะเพี้ยนมาก คำตอบที่ใช้กันทั่วไปในปัจจุบันคือระบบเสียงแบบเท่ากันสิบสองเสียง (twelve-tone equal temperament) ซึ่งแบ่งออกเทฟเป็นครึ่งเสียงสิบสองขั้นที่เท่ากันพอดี ขึ้นไปหนึ่งครึ่งเสียง ความถี่จะถูกคูณด้วยรากที่สิบสองของ 2 ประมาณ 1.0595 ทำแบบนี้สิบสองครั้งจะได้สองเท่าพอดี: ออกเทฟ
ข้อดีคือทุกคีย์ใช้ได้ดีเท่ากัน ดนตรีจึงย้ายไปคีย์ไหนก็ได้ ข้อเสียคือขั้นคู่ส่วนใหญ่คลาดจากอัตราส่วนง่าย ๆ ไปเล็กน้อย นักดนตรีวัดช่องว่างเล็ก ๆ นี้เป็นเซนต์ (cent) หนึ่งครึ่งเสียงเท่ากับ 100 เซนต์ คู่ 5 แบบเท่ากันแคบกว่าคู่ 5 บริสุทธิ์ 3:2 แค่ประมาณ 2 เซนต์ แต่คู่ 3 เมเจอร์แบบเท่ากันกว้างกว่าคู่ 3 บริสุทธิ์ 5:4 ประมาณ 14 เซนต์ นักร้องและนักเครื่องสายที่ปรับได้ทุกโน้ต มักเอนไปทางแบบบริสุทธิ์ คุณจะได้ยินความต่างชัดแค่ไหนขึ้นอยู่กับแต่ละคน
ระบบเสียงแบบเท่ากันเป็นการตั้งเสียงหลักของดนตรีตะวันตกมาตั้งแต่ศตวรรษที่ 20 ก่อนหน้านั้นมีการตั้งเสียงแบบอื่นใช้อยู่หลายแบบ และนักเล่นเครื่องดนตรีคีย์บอร์ดค่อย ๆ หันมาใช้ระบบเสียงแบบเท่ากันทีละน้อย
- C กับ E แบบเปียโนสมัยใหม่: ฟังเสียงสั่นระริกเล็กน้อย
- คู่ 3 เดิมที่ลด E ลง 14 เซนต์: นุ่มเนียนและสงบกว่า
บีตส์: เสียง “วาว-วาว” ตอนตั้งเสียง
เมื่อโน้ตสองตัวใกล้กันมากแต่ไม่เท่ากัน คลื่นของมันจะเหลื่อมเข้าและออกจากกัน ตอนที่ตรงกันเสียงจะดังขึ้น ตอนที่หักล้างกันเสียงจะเบาลง คุณจึงได้ยินเสียง “วาว-วาว-วาว” อย่างสม่ำเสมอ เสียงเป็นระลอกนี้เรียกว่าบีตส์ (beats) และจำนวนบีตส์ต่อวินาทีเท่ากับผลต่างของความถี่ทั้งสอง: 440 Hz กับ 442 Hz ให้ 2 บีตส์ต่อวินาที
บีตส์คือเพื่อนที่ดีที่สุดของคนตั้งเสียง เมื่อคุณปรับสายให้ใกล้โน้ตที่ถูกต้อง บีตส์จะช้าลง และเมื่อบีตส์หายไป โน้ตสองตัวก็ตรงกันแล้ว ช่างตั้งเสียงเปียโนถึงกับนับบีตส์เพื่อตั้งขั้นคู่ ถ้าโน้ตห่างกันมาก บีตส์จะเร็วเกินกว่าจะนับได้ แล้วกลายเป็นเสียงหยาบ ๆ อื้ออึง
- สองบีตส์ทุกวินาที
- ห้าบีตส์ทุกวินาที: “วาว-วาว” ที่เร็วขึ้น
- โน้ตตัวที่สองเลื่อนเข้าใกล้ 440 Hz จนบีตส์หยุด
ลองดู: เล่นโน้ตเดียวกันบนเครื่องดนตรีสองชิ้น หรือร้องตามโน้ตที่ลากยาว แล้วฟังหาบีตส์ ค่อย ๆ ปรับจนบีตส์ช้าลงและหายไป
เสียงเปียโน: Salamander Grand Piano โดย Alexander Holm (สัญญาอนุญาต CC BY 3.0)