Felhangok (harmonikusok): a harmonikus sorozat és hanghullámok magyarázata
Felhangok (harmonikusok): fedezd fel a harmonikus sorozat és hanghullámok működését hegedűn és zongorán keresztül — egyszerű, fizikai magyarázat a hangszínek titkáról.
A zenei harmóniák olyan hangok, amelyek különleges módon keletkeznek. Olyan hangok, amelyek a „harmonikus sorozat” részeként jönnek létre: egy alapfrekvencia (alaphang) fölött álló, vele kapcsolatos részfrekvenciákból álló sorozatból. Ezeket gyakran felhangoknak vagy harmonikusoknak nevezzük.
A fizikában a felharmonikus olyan hullám, amely az alaphullámhoz adódik. Gyakorlatilag ez azt jelenti, hogy amikor egy rezgőrendszer — például egy vonós hangszer húrja vagy egy fúvós hangszer levegőoszlopa — rezeg, nem csak az alapfrekvencián rezeg, hanem egyszerre több, az alaphullám egész számú többszöröseinek megfelelő frekvencián is. Ez a cikk a hanghullámokról szól, amelyeket egy hangszer húrjait szemlélve érthetően megérthetünk.
Amikor egy hegedűs megszólaltat egy hangot a hegedűhúron, a húr nagyon gyorsan rezegni kezd. Ez a rezgés a levegőt is rezgésbe hozza, és a hanghullámok eljutnak a fülünkig, hogy meghalljuk. Ha a hang teljesen tiszta lenne, a húr tökéletes szinusz alakban mozogna, és csak egyetlen frekvenciát produkálna; a valóságban azonban a fő frekvencia mellett több részfrekvencia is jelen van egyszerre. A hegedűhúron megszólaltatott hang a húrt összetett módon rezgésre készteti: van az alaphang (az alapfrekvencia), és hozzá még sok más felharmonikus járul, amelyek együtt alakítják a hang színezetét — ezért is ismerhető fel, hogy hegedű szól, nem pedig például klarinét vagy emberi hang.
Hogyan számítjuk a felharmonikusokat?
Minél magasabb a hang, annál gyorsabban rezeg a húr. Például a „koncert A” (A4) frekvenciája 440 Hz, azaz a húr 440-szer rezeg másodpercenként (másodpercenként). Ez az alaphang vagy az első harmonikus. A második harmonikus frekvenciája pontosan kétszerese az alapnak (arány: 2:1), tehát 880 Hz — ez egy oktávval magasabb A (oktávval). A harmadik harmonikus frekvenciája háromszorosa az alapnak (3·440 = 1320 Hz). Ha ezt a frekvenciát egy oktávbal lecsökkentjük (osztjuk kettővel), megkapjuk a 3:2 arányt az alappal, amely zeneelméletben egy tiszta kvintnek felel meg: ezért mondjuk, hogy a harmadik harmonikus „kvinttel” kapcsolódik az alaphanghoz. Általánosságban a n-edik harmonikus frekvenciája n-szerese az alaphangnak, és ezeknek az aránya mindig egész számokból adódik (nem törtekből).
Természetes harmonikusok és hallható hatásuk
Minden hang, amelyet egy hangszeren játszunk, valójában több felharmonikus kombinációja, még akkor is, ha fülünkkel csak egyetlen hangot érzékelünk. Próbáljuk ki a következőt zongorán: játsszuk le a legalacsonyabb C-t a zongorán. Most keressük meg a következő C-t, ami egy oktávval magasabb; nyomjuk le nagyon lassan, hogy ne szólaljon meg, és tartsuk lenyomva. Miközben ezt tartjuk, játsszuk le újra a legalacsonyabb C-t, hangosan és röviden. A csendben tartott C húrok finoman rezegni kezdenek és megszólalnak — ez a jelenség a szimpatikus rezonancia: a mélyebb C harmonikusai gerjesztik a magasabb C húrokat, így azok „hallhatóan” rezegnek (a csillapító miatt a húrok kicsit mozognak). Ugyanezt meg lehet tenni más billentyűkkel is: a következő G-vel, majd a következő C-vel, majd az E-vel; minél magasabb harmonikus, annál halkabb lesz.
Miért halkabbak a magasabb harmonikusok?
A magasabb rendű harmonikusok általában kisebb amplitúdóval jelennek meg: ezért halljuk őket halkabban. Az amplitúdó csökkenése és a harmonikusok relatív erőssége határozza meg a hang „timbre”-ját (hangszínét). Különböző hangszereknél ugyanaz az alaphang eltérő arányban tartalmaz harmonikusokat, ezért más-más színezetet kapunk — ez az oka annak, hogy felismerjük, melyik hangszer szólal meg.
Noduspontos magyarázat és kézi technikák
A húrokon megjelenő harmonikusok oka a rezgési módokból adódó csomópontok és hasadékok (node és antinode). Ha például finoman hozzáérünk a húron a húr hosszának felénél (1/2), az egyik természetes rezgési módot gátoljuk, így csak a második harmonikus marad: ez adja az oktáv hangzását. Érintés a húr harmadánál (1/3) erősíti a harmadik harmonikust, stb. E technikát természetes harmonikusoknak nevezzük; léteznek mesterséges harmonikusok is, amikor az egyik ujj az alaphangot fogja, míg egy másik ujj a húr fölött megérintve hozz létre egy felső harmonikust.
Valóság vs. ideális modell
A fenti leírás egy ideális, matematikai modellt feltételez (tökéletesen rugalmas, vékony húr, harmonikus felhangok egészen pontos egész számú többszörösei). A valós hangszereknél azonban előfordulhat inharmonikus viselkedés is: a harmonikusok frekvenciái kis mértékben eltérhetnek az egész számú többszörösöktől (ez különösen a régebbi vagy nagyon merev húroknál, illetve a zongoránál figyelhető meg). Ez magyarázza például, miért kell a zongorákat egy kicsit „késleltetve” hangolni a magasan fekvő hangoknál, és miért hangzik másként egy pedig tökéletesen matematikai modell szerinti hanghoz képest.
Zenei és gyakorlati alkalmazások
- Az emberi éneklés egyes technikái (pl. overtone singing) kifejezetten a harmonikus sorozat kiemelésére épülnek.
- A harmonikus sorozat zeneelméleti jelentősége: a korai intonációs rendszerek (just intonation) és bizonyos skálák a harmonikus arányokból vezethetők le.
- Hangszerek építésekor és hangolásakor a harmonikusok ismerete segít a kívánt hangszín és rezonancia elérésében.
Az alábbi zenei példa kottaírásban bemutatja a harmonikus sorozat hangjait — és ha szeretné meghallgatni a harmonikus sorozat hangjegyeit, kattintson ide: ide kattintva.
A harmonikus sorozat mint zenei jelölés illusztrációja. Nem minden hangjegy van pontosan hangolva; a részleteket lásd alább.
Harmonikus hangszerek megszólaltatása
A zenészeknek néha harmonikus hangszereken kell játszaniuk. A kottaírás ezt úgy mutatja meg, hogy a hangjegy fölé egy kis kört helyezünk.
A hegedűs az ujját nagyon enyhén ráhelyezheti egy húrra, hogy az a húrt kettéosztja. Ekkor egy harmóniát fog hallani (a nyitott húrnál egy oktávval magasabb hangot). Ha az ujjukat más helyekre helyezik, több felharmonikust kaphatnak, például ha a húr negyedével lejjebb érintik a húrt, megkapják a következő felharmonikust. "Mesterséges felharmonikusokat" úgy lehet játszani, hogy az ujjal a szokásos módon megállítanak egy húrt (így a húr most rövidebb lesz), és a kisujjukat feljebb helyezik a húrra, hogy a megállított hang felharmonikusát kapják. A mesterséges harmóniákat gyémánt alakú hangfejjel írják. Ezeket nagyon nehéz jól játszani.
A hárfások a bal kezükkel úgy játszhatnak harmóniákat, hogy a kezük oldalával (a kisujj közelében) megállítják a húrt, és a hüvelykujjal vagy az ujjukkal pengetik. Legfeljebb 3 hangot játszhat a bal kéz. Jobb kézzel úgy játszhatnak harmóniákat, hogy a húrt a második ujj felső ujjpercével megállítják, és a hüvelykujjal pengetik. Jobb kézzel csak egy harmonikus hangot lehet játszani. A hárfán a harmóniák nagyon szépen szólnak.
A fafúvós és rézfúvós hangszerek játékosai sok hangjukat úgy játsszák, hogy kissé erősebben fújnak (túlfújják), hogy magasabb hangsorozatot kapjanak. Az olyan hangszerek, mint a blockflöte, több felharmonikus együtthangzásával akkordokat játszhatnak, de ezt rendkívül nehéz jól csinálni, és csak a modern zenében található meg a virtuóz játékosok számára.
| ||||||||
Kérdések és válaszok
K: Mik a felharmonikusok a zenében?
V: A harmonikusok a zenében olyan hangok, amelyek a "harmonikus sorozat" részeként keletkeznek. Ezek a hangok különleges módon jönnek létre, és az alap alaphullámhoz hullámok hozzáadásával jönnek létre.
K: Hogyan működnek a hanghullámok?
V: A hanghullámokat egy hangszer húrjait szemlélve lehet megérteni. Amikor egy hegedűs megszólaltat egy hangot a hegedűhúron, a húr nagyon gyorsan rezegni kezd, és ez a rezgés a levegőt is rezgésbe hozza, hanghullámokat hozva létre, amelyek eljutnak a fülünkig, így halljuk meg.
K: Mi az arány a különböző felharmonikusok között?
V: Minél magasabb a felharmonikus, annál halkabb, de az arány mindig egész szám (nem tört). Például a középső C fölötti A (a hegedűs A húrja) 440 Hz-en (másodpercenként 440-szer) rezeg, amit "alaphangnak" vagy "első felharmonikusnak" nevezünk. A második felharmonikus kétszer olyan gyorsan rezeg (arány 2:1): 880Hz, ami egy oktávval magasabb A-t eredményez. A harmadik felharmonikus 3:2 arányt ad, ami egy E-t eredményez (egy oktávval és egy ötöddel az alaphang fölött).
K: Hogyan lehet egy hangszerből több hangot hallani?
V: Minden hang, amelyet egy hangszeren játszunk, valójában több hangból vagy "felharmonikusból" áll, még akkor is, ha nem vesszük észre, hogy egyszerre több hangot hallunk. Ezt úgy lehet demonstrálni, hogy a zongorán eljátsszuk a legmélyebb C-t, majd lassan lenyomunk egy másik C-t, amely egy oktávval magasabb, anélkül, hogy megszólalna; amikor újra lejátsszuk a mély C-t, hangossá és rövidre téve azt, hallani fogjuk a csendes C-t is, mert annak húrjai rezegtek a csendes lenyomás miatt, miközben még mindig részei a harmonikus sorozatának.
K: Hogyan néz ki a harmonikusok kottaírása?
V: A felharmonikusok zenei jelölése a harmonikus sorozatokon belül mutatja az összes egyes hangot.
K: Létezik hangpélda a harmóniák meghallgatására?
V Igen - ide kattintva elérhetőek hangpéldák arról, hogy a különböző felharmonikusok hogyan hangzanak, amikor egy hanggá vagy akkorddá kombinálódnak.
Keres