موج مکانیکی و الکترو مغناطیسی

امواج را بر اساس بستری که در آن منتشر می‌شوند به دسته‌های مختلفی تقسیم می‌کنند. مهم‌ترین این دسته‌ها عبارتند از امواج مکانیکی که در بستر ماده(جامد، مایع، گاز) منتشر می‌شوند و امواج الکترو مغناطیسی که در بستر میدان‌های الکترومغناطیسی منتشر می‌شود. همچنین‌ می‌توان از امواج الکتریکی نیز صحبت به میان آورد که در بستر الکترون‌های آزاد موجود در یک جسم رسانا منتشر می‌شوند که البته در علم فیزیک محض میان این نوع امواج و امواج الکترومغناطیسی تفاوتی قائل نمی‌شوند و علت این عدم تمایز خود بحثی مفصل می‌طلبد که چندان به موضوع ما مرتبط نیست.

بدیهی است که در خلا‌ء که هیچ گونه بستر مادی وجود ندارد، موج مکانیکی و درنتیجه صدا نمی‌تواند منتشر شود. اما موج الکترو مقناطیسی این محدودیت را ندارد و در هر محیطی منتشر می‌شود. به همین خاطر عموما برای انتقال صدا به مسافت‌های دور و حتی خارج از جو‌ زمین امواج مکانیکی را به امواج الکترومغناطیسی ترجمه می‌کنند. استفاده از امواج رادیویی و ماهواره‌ای یکی از مصداق‌های همین موضوع است.

بسامد و دوره‌ی تناوب

واژه‌ی دیگری که در تعریف صدا به آن اشاره شد و خود نیاز به تعریف دارد بسامد یا (Frequency) است. این فراسنج در فیزیک عمومی به تعداد تکرار یک پدیده در واحد زمان گفته می‌شود ولی در حوزه‌ی فیزک صدا به تعداد نوسان در یک ثانیه اطلاق می‌شود و واحد اندازه‌گیری آن به افتخار فیزیک‌دان آلمانی هاینریش رودولف هرتز، هرتز  HZنام گذاری شده است. بسامد در امواج صدا با زیر و بمی مرتبط است به طوری که هرچه بسامد بیشتر باشد صدا زیرتر و هرچه کمتر باشد صدا بم‌تر است با این حال این رابطه یک رابطه‌ی مستقیم و خطی نیست چرا که زیر و بمی یا نواک(pitch) یک مفهوم روانی است که تنها در ذهن وجود دارد و رابطه‌ی دنیای ذهن با دنیای فیزیکی تابع عوامل متنوع فیزیولوزیکی و نورنی است که عموما منجر به روابط نه چندان ساده می‌شود. در ادامه درباره‌ی رابطه‌ی بسامد و نواک بیشتر صحبت خواهیم کرد.

فراسنج دیگری نیز مرتبط با بسامد وجود دارد که مفهوم آن کاملا برعکس مفهوم بسامد بوده و آن دوره‌ی تناوب است. دوره‌ی تناوب به مدت زمانی گفته می‌شود که یک نوسان کامل انجام می‌شود و واحد اندازه‌گیری آن ثانیه است. بسامد و دوره‌ی تناوب را می‌توان به مثابه دو روی یک سکه دید چرا که به راحتی با دانستن یکی از آن‌ها می‌توان دیگری را محاسبه کرد. به طور مثال دوره‌ی تناوب موجی که ۴۴۰ هرتز بسامد دارد،  ثانیه است. یا موجی که دوره‌ی تناوب آن ۲ ثانیه است، بسامدش   هرتز خواهد بود.

تعریف مفصل صدا

حال با استفاده از تعاریف فوق می‌توان تعریف صدا را به این صورت ساده سازی کرد. «صدا یک آشفتگی منتشر شونده است که در یک فضای مادی مانند هوا منتشر می‌شود و عامل این آشفتگی حداقل ۲۰ بار درثانیه و حداکثر ۲۰،۰۰۰ بار در ثانیه تکرار می‌شود.»

این اعداد ۲۰ و ۲۰،۰۰۰ در واقع محدوده‌ی حساسیت گوش انسان به بسامد است. این محدوده در جانوران مختلف متفاوت است به طوری که بعضی چهارپایان بسامد‌های پایین‌تر از ۲۰ هرتز را نیز به شکل صدا درک می‌کنند و به همین دلیل پیش از وقوع زلزله، لرزش‌های زمین را به صورت صدایی مهیب احساس می‌کنند و وحشت‌زده می‌شوند.

شیوش صدا

 صدا‌هایی که در اطرافمان می‌شنویم به ندرت یک موج ساده با تنها یک بسامد هستند. در عوض، عموما از ترکیب تعدادی موج با بسامد‌ها و دامنه‌های مختلف به وجود آمده‌اند که به همین دلیل به آنها امواج مرکب می‌گوییم. نحوه‌ی ترکیب این امواج کیفیت‌های مختلفی از صدا را به وجود می‌آورد که به آن‌ شیوش صدا می‌گوییم.

امواج صوتی را از نظر شیوش می‌توان به دو دسته‌ی ‌کلی نوفه‌ها و نغمه‌ها تقسیم کرد.

    ۱.‌ نوفه(Noise): موجی مرکب است که از ترکیب تعداد بی‌‌شماری موج ساده با بسامد‌ها و دامنه‌های‌ مختلف، بدون نظم مشخص ساخته شده و به همین دلیل زیر و بمی واضح و مشخصی ندارد. مانند صدای ترافیک، شکستن شیشه، آبشار و …

    ۲.‌نغمه(Tone): موجی مرکب است که از تعداد انگشت شماری موج ساده ساخته شده است‌ که بسامد‌ آن‌ها با یکدیگر نسبت عدد صحیح دارند یعنی بسامدشان به ترتیب                 n, 2n, 3n, 4n, 5n, … است. و این نظم باعث می‌شود که یک بسامد خاص از برآیند همه‌ی آن‌ها به وجود بیاید و‌ واضح‌تر از همه‌ به گوش برسد. صدایی که از ساز‌هایی مثل پیانو، ویلن، سنتور و… می‌شنویم از این دسته هستند. اما تفاوت در کیفیت صدای هرکدام از این سازها به تفاوت در دامنه‌ی امواج ترکیب شده مربوط می‌شود که شیوش‌های مختلف یا به اصطلاح رنگ‌های صوتی مختلف را پدید می‌آورد.

لازم به ذکر است که در موسیقی هر دو دسته‌ی این صداها کاربرد دارند به طور مثال صدای بعضی از ساز‌های کوبه ای مثل تبل و سنج جزء دسته‌ی اول و صدای برخی دیگر از سازها مثل پیانو  و ویلن جزء گروه دوم است. همچنین امروزه استفاده از انواع نوفه‌ها در موسیقی‌های مدرن و پست مدرن بسیار مرسوم است. با این حال در ادامه‌ی مباحث تئوری موسیقی، ما بیشتر روی نغمه‌ها تمرکز خواهیم داشت.