Khoa học về âm thanh: dao động, cao độ và âm sắc
Gảy một sợi dây, đánh một chiếc trống hay hát một nốt đều quy về một điều: có thứ gì đó đang dao động. Bài này dùng một chút khoa học để giải thích vì sao nốt cao hay thấp, vì sao quãng tám nghe như cùng một nốt, vì sao cùng một nốt trên piano và guitar nghe khác nhau, và tiếng “ù-oa ù-oa” khi bạn lên dây là gì.
Trong bài này
Âm thanh là thứ gì đó đang rung
Mọi âm thanh đều bắt đầu từ một thứ đang dao động, chuyển động qua lại rất nhanh: một sợi dây đàn guitar, mặt da trống, luồng không khí bên trong ống sáo, hay dây thanh âm trong cổ họng bạn. Dao động đẩy vào lớp không khí bên cạnh, lớp không khí đó đẩy vào lớp tiếp theo, và một làn sóng gồm những lần nén và giãn nhỏ xíu lan ra, như gợn sóng trên mặt ao.
Khi làn sóng đến tai bạn, nó làm màng nhĩ rung theo đúng kiểu đó, và não bạn nghe thấy âm thanh. Trong không khí ở 20 °C, sóng đi được khoảng 343 mét mỗi giây; trong nước nó nhanh hơn hơn bốn lần. Ngoài vũ trụ không có không khí để truyền sóng, nên âm thanh hoàn toàn không đi được.
Thử xem: đặt nhẹ các ngón tay lên phía trước cổ họng và ngân nga. Cảm giác rung rung đó chính là dao động tạo ra giọng nói của bạn.
Cao độ: bao nhiêu lần mỗi giây
Một vật dao động nhanh hay chậm quyết định nó nghe cao hay thấp. Số lần dao động mỗi giây gọi là tần số, đo bằng hertz (Hz), đơn vị đặt theo tên nhà khoa học Heinrich Hertz. 440 lần dao động mỗi giây là nốt A4 bạn đã gặp trong bài Tên nốt; 110 lần mỗi giây là A2, thấp hơn hai quãng tám.
Nhanh hơn là cao hơn, chậm hơn là thấp hơn. Phím thấp nhất của đàn piano, A0, là 27,5 Hz, và phím cao nhất, C8, khoảng 4.186 Hz. Tai người trẻ nghe được khoảng từ 20 đến 20.000 Hz; giới hạn trên thường giảm dần theo tuổi, và nhiều người lớn nghe được đến khoảng 16.000 Hz.
- Bốn nốt A ở 110, 220, 440 và 880 lần dao động mỗi giây, bằng âm sin thuần.
Quãng tám là gấp đôi
Hãy nghe lại bốn nốt A. Mỗi nốt dao động nhanh gấp đúng hai lần nốt trước. Đó là bí mật của quãng tám trong bài Tên nốt: hai nốt cách nhau một quãng tám có tần số theo tỉ lệ 2 trên 1, nên chúng hòa vào nhau khéo đến mức nghe như cùng một nốt, một cao một thấp.
Những tỉ lệ đơn giản khác cũng nghe êm tai. Khi hai tần số có tỉ lệ 3 trên 2, như 220 Hz và 330 Hz, bạn nghe được một quãng 5 đúng. Nói đại khái, tỉ lệ càng đơn giản thì hai sóng càng thường xuyên khớp nhau, và nghe cùng nhau càng êm.
- 220 Hz và 440 Hz, lần lượt từng nốt, rồi cùng lúc.
- 220 Hz và 330 Hz, lần lượt từng nốt, rồi cùng lúc.
Vì sao A = 440
Để chơi cùng nhau, các nhạc công phải thống nhất một nốt cao bao nhiêu. Ngày nay hầu hết thế giới lên dây nốt A phía trên Đô giữa ở 440 Hz. Không phải lúc nào cũng vậy: trong nhiều thế kỷ, cao độ thay đổi theo từng nơi, thường theo cây đàn organ ở địa phương. Năm 1859, Pháp ban hành luật đặt A ở 435 Hz.
Năm 1939, một hội nghị quốc tế ở London khuyến nghị 440 Hz. Tổ chức Tiêu chuẩn hóa Quốc tế (ISO) chọn nó làm tiêu chuẩn năm 1955 và xác nhận lại năm 1975 với tên ISO 16. Dù vậy, không phải ai cũng dùng đúng 440: nhiều dàn nhạc lên dây cao hơn một chút, đâu đó trong khoảng 440 đến 444 Hz.
- Nốt A ngày nay, rồi nốt A của Pháp năm 1859, rồi cả hai cùng lúc.
Bồi âm: vì sao piano và guitar nghe khác nhau
Một nhạc cụ thật không chỉ dao động với một tốc độ. Một sợi dây dao động cả sợi, đồng thời cũng dao động theo từng nửa, từng phần ba, từng phần tư, v.v. Vì vậy một nốt 110 Hz còn chứa những âm nhỏ hơn ở 220, 330, 440, 550 Hz trở lên: các bội số nguyên của âm thấp nhất. Họ âm này gọi là chuỗi bồi âm (chuỗi hài âm), và các thành viên cao hơn là bồi âm. Ta nghe âm thấp nhất, gọi là âm cơ bản, như cao độ của nốt.
Mỗi nhạc cụ có cách pha trộn bồi âm to nhỏ riêng, và cách bắt đầu rồi tắt dần riêng. Sự pha trộn đó là màu âm, hay âm sắc của nó. Đó là lý do piano và guitar cùng chơi một nốt A với cùng độ to vẫn nghe khác nhau. Sóng sin hoàn toàn không có bồi âm, vì vậy nó nghe đơn giản và trơn tru đến thế.
Chiếc thang bồi âm bên dưới phát tám thành viên đầu tiên của chuỗi bồi âm của 110 Hz. Vài âm trong số đó hơi lệch khỏi các phím piano: âm thứ 7 thấp hơn nốt G trên bàn phím khoảng một phần ba nửa cung.
- Tám bồi âm đầu tiên của 110 Hz, lần lượt từng âm.
- Bắt đầu với 220 Hz, rồi thêm 440, 660 và 880 Hz: âm thanh dày dần lên.
- A4 dưới dạng sóng sin thuần, không có bồi âm.
- Cũng nốt A4 đó trên đàn piano.
Bình quân luật: mười hai bậc đều nhau
Nếu bạn lên dây mọi quãng theo những tỉ lệ đơn giản nhất, có giọng nghe rất hay nhưng có giọng lại lạc điệu nặng. Cách giải quyết thông dụng ngày nay là hệ bình quân luật 12 âm: quãng tám được chia thành mười hai nửa cung bằng nhau tuyệt đối. Đi lên một nửa cung là nhân tần số với căn bậc mười hai của 2, khoảng 1,0595. Làm mười hai lần, bạn đáp đúng vào gấp đôi: quãng tám.
Cái được là mọi giọng đều dùng tốt như nhau, nên âm nhạc có thể chuyển sang bất kỳ giọng nào. Cái mất là hầu hết các quãng lệch một chút xíu khỏi những tỉ lệ đơn giản. Nhạc sĩ đo những khoảng lệch nhỏ này bằng cent: một nửa cung là 100 cent. Quãng 5 bình quân chỉ hẹp hơn quãng 5 thuần 3:2 khoảng 2 cent, nhưng quãng 3 trưởng bình quân rộng hơn quãng 3 thuần 5:4 khoảng 14 cent. Người hát và người chơi đàn dây, những người có thể điều chỉnh từng nốt, thường nghiêng về các quãng thuần. Bạn nghe rõ sự khác biệt đến đâu thì mỗi người một khác.
Bình quân luật là hệ thống lên dây chính của âm nhạc phương Tây từ thế kỷ 20. Trước đó, có nhiều hệ thống lên dây khác được dùng, và người chơi đàn phím chỉ chuyển dần sang bình quân luật.
- C và E như trên piano hiện đại: hãy nghe một chút rung rinh.
- Cũng quãng 3 đó với E hạ thấp 14 cent: êm và yên hơn.
Phách: tiếng ù-oa khi lên dây
Khi hai nốt rất gần nhau nhưng không trùng nhau, sóng của chúng lúc khớp lúc lệch. Khi khớp nhau âm thanh to lên, khi triệt tiêu nhau thì nhỏ đi, nên bạn nghe một tiếng ù-oa ù-oa đều đặn. Những nhịp to nhỏ này gọi là phách (hiện tượng phách trong vật lý, khác với phách của nhịp nhạc), và số phách mỗi giây bằng hiệu của hai tần số: 440 Hz và 442 Hz cho 2 phách mỗi giây.
Phách là người bạn thân của việc lên dây. Khi bạn đưa một sợi dây lại gần nốt đúng, phách chậm dần, và khi chúng biến mất thì hai nốt đã khớp. Thợ lên dây đàn piano còn đếm phách để chỉnh các quãng. Nếu hai nốt cách xa nhau, phách trở nên quá nhanh để đếm và biến thành một âm thanh thô ráp, rè rè.
- Hai phách mỗi giây.
- Năm phách mỗi giây: tiếng ù-oa nhanh hơn.
- Nốt thứ hai tiến dần về 440 Hz cho đến khi phách dừng lại.
Thử xem: chơi cùng một nốt trên hai nhạc cụ, hoặc hát theo một nốt ngân dài, và lắng nghe phách. Điều chỉnh từ từ cho đến khi phách chậm lại và biến mất.
Tiếng piano: Salamander Grand Piano của Alexander Holm (CC BY 3.0).