Âm phổ (Sound Spectra) là gì?

Sóng sine là viên gạch cơ bản của âm thanh, nó hiếm khi được tạo ra ở dạng tự nhiên bởi bất kỳ nguồn vật lý nào khác, ngoài âm thoa đã được đề cập ở trên. Những âm điệu (tone) ngắn gọn nghe được ở các điện thoại, những tone thử nghiệm liên tục được phát ra bởi sóng của các đài truyền hình, và một số âm thanh của máy chơi game là những thí dụ khác của âm thanh mặc dù chúng đã được tạo ra bằng điện tử. Do tình trạng của nó như là một viên gạch, sóng sine có ích cho việc thử nghiệm (chúng được dùng cho hầu hết các trắc nghiệm về thính giác cũng như trong thử nghiệm thiết bị âm thanh nói chung). Sóng sine nguyên bản không thay đổi tần số và biên độ thường được coi như là vô hồn, đơn điệu (nghĩa đen là monotones), buồn tẻ, hay đơn giản là tinh khiết, nguyên bản (pure). Theo ý nghĩa này, nghe một sóng sine mà tần số và biên độ không đổi giống như nhìn vào một viên gạch đơn thuần, không thuộc cái nhà nào cả.

Các âm thanh chúng ta nghe được, thông thường tạo thành từ một hỗn hợp các thành phần của sóng sine với nhau có thể được gọi là sự phân bố âm phổ (spectrum) hay sự phân bố năng lượng (energy distribution) của bất kỳ vật thể nào phát ra âm thanh. (*) Trong trường hợp âm thanh của âm nhạc, các tần số ăn khớp với nhau theo một cách trật tự đủ để có một chất lượng đặc biệt làm hài lòng người nghe khi sắp xếp những đoạn nhạc. (Âm thanh đó có nhiều tiếng ồn như là không có sự sắp xếp ngăn nắp, chúng ta chỉ xem xét về khía cạnh âm nhạc, thay vì nghe để ý đến nhiều hỗn hợp ngẫu nhiên của tần số). Đàn dây, có lẽ là loại thông dụng nhất của phần tử dao động (vibrating element) được sử dụng trên toàn thế giới, là một minh họa tốt để hiểu âm nhạc được tạo ra bằng cách nào.

Đầu tiên hãy xem xét chính sợi dây đàn, chỉ cần kéo dài giữa hai vật vững chắc. Khi gảy nó, như một lò xo nó nhanh chóng trở lại và lại bật ra, mỗi chuyển động kế tiếp trở nên hơi nhỏ hơn so với trước cho đến khi cuối cùng nó dừng lại. Sợi dây đàn đã chuyển động theo cách này, thực sự rung cùng lúc trong nhiều chế độ khác nhau, mỗi một trong những cái đó được nhận dạng là một chuyển động của sóng sin trong một tần số đặc biệt (xem hình 2.7).

Chế độ rung bao trùm toàn bộ chiều dài của dây đàn, với sự chuyển động tối đa ở giữa sợi dây, là họa âm đầu tiên (first hamonic), gọi tắt là âm gốc (fundamental). Các âm gốc tạo ra cao độ chính, nghe được như một nốt nhạc của dây đàn.

Những họa âm khác (2, 3, 4, 5, v.v. được gọi là bội âm của dây đàn (string’s overtones) là kết quả của chế độ rung có liên quan đến sự chia nhỏ tổng chiều dài của dây đàn. Định nghĩa, họa âm là một tần số là bội số nguyên (có nghĩa là, nhân với một số nguyên: 1, 2, 3, 4, 5, v.v.) của các âm gốc.

Giống như răng, nhánh của một âm thoa, bản thân dây đàn cứa trong không khí mà không mất nhiều năng lượng của mình để tỏa ra không khí. Nếu dây đàn được gắn với một guitar thùng (hay các nhạc cụ thân rỗng), thùng đàn sẽ tạo ra sự cộng hưởng để đáp ứng với dao động của dây đàn. Không giống như hộp cộng hưởng của một âm thoa chỉ cần đáp ứng có một tần số, thùng guitar phải cộng hưởng cho rất nhiều các tần số. Hình dạng cong đặc biệt của nó là để thực hiện điều này.

Tuy nhiên, thùng guitar vẫn đáp ứng dễ dàng với một số tần số hơn là những vật khác. Kết hợp của cộng hưởng bao gồm tất cả các rung động của tấm gỗ và khoang bên trong được vẽ dưới dạng một đường biểu diễn đáp ứng tần số (frequency reponse curve), hay đường biểu diễn cộng hưởng (resonance curve). Đồ thị dưới đây (hình 2.9) cho thấy mức độ mà thùng đàn sẽ đáp ứng với dao động của bất kỳ tần số nhất định nào.

(*) Mỗi âm thanh (sound) đã đã có phổ tần số (spectrum of frequencies) riêng của mình, không nên nhầm lẫn với phổ âm (audio spectrum), là tất cả các tần số nghe được của con người. Spectra là dạng thức số nhiều của âm phổ (spectrum).

Các yếu tố rung (dây đàn-string) và cộng hưởng (thùng guitar) kết hợp với nhau để tạo ra âm phổ của một nốt nhạc nhất định cho guitar. Chính sợi dây đàn tạo ra âm gốc của các cao độ âm nhạc và bổ sung thêm các họa âm, có tần số thay đổi tỷ lệ với nhau giống như những nốt nhạc khác nhau được chơi, do đó duy trì sự tương quan về họa âm của nó. Thùng guitar sau đó xác định mức độ tần số nào sẽ được tăng cường thêm cho tần số đó nằm trên các đỉnh của đường biểu diễn sự cộng hưởng. Kết quả là các âm phổ cho ra những âm thanh của nốt nhạc chất lượng âm sắc đặc thù của nó chơi trên một cây đàn guitar, theo truyền thống được gọi là âm sắc (timbre) của nó (phát âm là “tamber”). Những âm sắc của âm thanh một nhạc cụ đóng một vai trò quan trọng trong việc cho phép (plays a vital role in allowing), thí dụ, nốt Mi (E) chơi trên guitar nghe khác với cùng nốt đó chơi trên bất kỳ loại nhạc cụ nào (hay guitar khác mà chính đặc tính vật lý dẫn tới việc âm phổ bị khác đi).

Trong một số nhạc cụ, chẳng hạn như nhạc cụ hơi bằng gỗ (woodwinds), không dùng sự cộng hưởng riêng biệt; lưỡi gà là một yếu tố để dao động và các nốt nhạc được xác định bằng cách các nhạc công điều chỉnh chiều dài của cột không khí trong nhạc cụ (gần tương đương với việc kiểm soát nốt nhạc cộng hưởng của một ống nghiệm, chai lọ hay ấn định nó bằng cách cho vào một số lượng nước nhất định). Trong các nhạc cụ khác, chẳng hạn như trumpet và trombones, cử động đôi môi của nhạc công là một phần tử dao động. Nhưng trong những loại khác, như sáo (flute) và ống tiêu (recorders), không có sự dao động vật lý nào, tất cả những rung động tạo ra là do một luồng không khí xoay chiều nhanh chóng qua ống. Trong mỗi trường hợp, đặc biệt là cấu trúc vật lý và cách chơi nhạc cụ đem lại những phổ âm riêng và do đó là chất lượng âm điệu riêng của nó. Sự khác biệt giữa các khái niệm của các phần tử rung và cộng hưởng này, mặc dù có một số hiểu biết quan trọng về những khía cạnh của âm thanh, có thể được kiểm soát bởi một hệ thống âm thanh, và lại có những khía cạnh khác lại có thể không (xem lại hình 2.9). Điều này sẽ được thảo luận thêm phần nào trong chương 6 và 17.