مقدمه‌ای بر آکوستیک گیتار و نحوه تولید صدا در آن

سایت تحقیقاتی دانشگاه نیوساوت ولز استرالیا

ترجمه و تدوین: غلامحسین اسماعیل زاده‌ها

مطالبی را که محققان دانشگاه نیوساوت ولز از طریق اینترنت در اختیار عموم قرار داده‌اند، برخی از تحقیقات ایشان در زمینه آکوستیک سازهای موسیقی است که به شکلی قابل فهم برای موزیسین‌ها ارائه شده است. البته در پاره‌ای موارد نیز به ناچار وارد بحث‌های فیزیک محض شده‌اند. لیکن اینجانب- علیرضا میل باطنی- کوشیده‌ام تا حد امکان مباحث عمومی را مطرح نموده و از ورود به مباحث تخصصی و نظری فیزیک بپرهیزم. در این سایت آکوستیک سازهایی نظیر فلوت،‌ کلارینت، ویولن، گیتار و... و حتی حنجره انسان مورد بررسی قرار گرفته است. در هر بخش مقدمه‌ای ساده و متناسب با خوانندگان غیرفنی، به همراه پاره‌ای از تحقیقات ارائه شده است. در بخش «مبانی» نیز مطالبی اجمالی پیرامون مباحث کلی آکوستیک نظیر مفاهیم دسی‌بل، موج و غیره ارائه گردیده است. در این جستار سعی نموده‌ام محور سخن در باب آکوستیک ساز گیتار و نحوه تولید صدا در آن باشد (مترجم).

خلاصه‌ای در باب صوت

اگر انگشتتان را به آرامی بر روی دیافراگم یک بلندگو قرار دهید، لرزش آن را احساس می‌کنید (دیافراگم همان بخش مخروطی شکل بلندگو است). حال اگر نت بمی از طریق بلندگو با صدای بلند نواخته شود متوجه حرکت آن نیز خواهید شد. وقتی دیافراگم به سمت جلو حرکت می‌کند هوای مجاور خود را فشرده ساخته و در نتیجه فشار هوای نزدیک آن افزایش می‌یابد. بخشی از این هوا به سمت خارج جاری شده و لایه بعدی را فشرده می‌سازد. این آشفتگی همانند یک موج صوتی سیار در هوا انتشار می‌یابد. سرانجام موج صوتی به گوش شما می‌رسد و باعث ارتعاش بسیار کمی در پرده صماخ می‌شود که البته آن نیز داستان دیگری دارد.

در هر نقطه از هوای نزدیک منبع صوت مولکول‌ها به سمت عقب و جلو در حال حرکت هستند و فشار هوا به مقدار ناچیزی کم و زیاد می‌شود. همان گونه که می‌دانیم تعداد نوسانات در ثانیه، فرکانس نام دارد که واحد اندازه‌گیری آن دور بر ثانیه یا هرتز است. زیر و بمی یک نت را تنها می‌توان توسط فرکانس تعیین نمود:

فرکانس بالا نشانه ی زیر بودن صدا و فرکانس پایین حاکی از بم بودن آن است. به عنوان مثال، 110 نوسان در ثانیه که در واقع همان 110 هرتز می‌باشد، فرکانس ارتعاش سیم لای گیتار است. لای بالای آن (فرت دوم در سیم سل) دارای فرکانس 220 هرتز می‌باشد. نت لای بعدی (فرت پنجم بر روی سیم می) دارای فرکانس 440 هرتز است که در واقع کوک ارکستری برای نت لا محسوب می‌شود (سیم لای گیتار معمولا نت لایی را که زیر کلید باس نوشته می‌شود، تولید می‌کند. لیکن برای ساز گیتار غالباً یک اکتاو بالاتر نوشته می‌شود). اصولاَ ما قادر هستیم فرکانس‌های 15 الی 20000 هرتز را بشنویم. بم‌ترین نت در گیتار استاندارد، نت می است که فرکانس آن در حدود 83 هرتز می‌باشد و این در حالی است که یک گیتار باس می‌تواند تا 41 هرتز را نیز تولید کند. گیتار orginary توانایی تولید نت‌های با فرکانس‌های زیرین بالای 1000 هرتز را نیز دارد. گوش انسان به فرکانس‌های بین 1000 تا 4000 هرتز بیشتر حساس است، یعنی حدود دو الی چهار اکتاو بالاتر از نت دوی میانی. گر چه فرکانس‌های زیرین نت‌های گیتار معمولا به این محدوده نمی‌رسند، لیکن این ساز قادر است توان صوتی را از طریق هارمونیک‌های بالاترِ اغلب نت‌هایش در این محدوده از خود بروز دهد (جهت اطلاع بیشتر می‌توانید بخش‌ «سیم‌ها و امواج ایستاده» و نیز بخش «فرکانس نت‌ها» را مطالعه نمایید.)

سیم‌ها

زیر و بمی نت حاصل از یک سیم مرتعش به چهار عامل ذیل بستگی دارد:

جرم سیم: هر چه جرم سیم بیشتر باشد ارتعاش آن کمتر خواهد بود. در گیتارهای با سیم فولادی (گیتار هاوایی) از محدوده زیر به بم، سیم‌ها ضخیم‌تر می‌شوند. در گیتار کلاسیک تغییر سایز پیچیده‌تر بوده و با تغییرات چگالی (دانسیته) همراه است. بدین ترتیب که: سیم‌های نایلونی با چگالی پایین، از نت می به سی و از سی به سل و همچنین سیم‌های نایلونی با روکش فلزی و چگالی بالا، از نت ر به لا و از لا به می ضخیم‌تر می‌شوند.

کشش سیم: به وسیله گوشی‌های ساز و اعمال تغییر در میزان کش سیم‌ها می‌توان فرکانس را تغییر داد. هر چه گوشی را سفت‌تر کنیم، کوک بالاتری به دست می‌آید. در واقع این همان کاری است که به هنگام کوک کردن ساز انجام می‌دهیم.

طول سیم: فرکانس به آن بخش از طول آزاد سیم که قابلیت ارتعاش دارد نیز مربوط است. در هنگام نواختن، نوازنده به کمک انگشتان دست چپ و با فشردن سیم بر روی دسته ساز در واقع طول سیم را تغییر می‌دهد.هر چه طول سیم کوتاه‌تر باشد فرکانس بیشتری حاصل گردیده و صدا زیرتر خواهد شد.

مود ارتعاش: عامل چهارم مود ارتعاش است که خود به تنهایی مقوله جالب توجهی است. جهت اطلاع بیشتر می‌توانید بخش «سیم‌ها و امواج ایستاده» را مطالعه نمایید.

سیم‌ها به تنهایی صدایی ایجاد نمی‌کنند. زیرا بسیار نازک بوده و بدون اینکه موجب آشفتگی قابل ملاحظه‌ای در هوا شوند به آسانی در آن حرکت می‌کنند (همان‌گونه که قبلا نیز توضیح داده شد موج صوتی در واقع نوعی اختلال در آشفتگی هوا می‌باشد). اگر یک گیتار برقی بدون تقویت‌کننده نواخته شود، سر و صدای کمی ایجاد می‌کند. گیتار آکوستیک نیز بدون ارتعاشات پل و کاسه‌ساز بی‌سر و صدا خواهد بود. زیرا ارتعاشات سیم از طریق تیغه و پل به صفحه فوقانی گیتار انتقال می‌یابد.

کاسه ی ‌ساز

کاسه ی ساز، ارتعاشات پل را به هوای اطراف خود منتقل می‌سازد. بدین منظور به سطح نسبتاً وسیعی نیاز دارد تا بتواند مقدار هوای قابل ملاحظه‌ای را به سمت عقب و جلو براند. لذا صفحه فوقانی کاسه ساز به گونه‌ای ساخته می‌شود تا بتواند به آسانی نوسان کند. معمولا این صفحه را از چوب صنوبر یا هر چوب کِشسان و سبُک دیگر می‌سازند و ضخامت آن حدود 5/2 میلی‌متر است. در ذیل صفحه فوقانی تعدادی بست وجود دارد. این بست‌ها صفحه ی فوقانی را تقویت می‌کنند. یکی از وظایف مهم آنها تخت و مسطح نگهداشتن صفحه فوقانی است، برخلاف سیم‌ها که تمایل به چرخانیدن تیغه دارند. علاوه بر این، بست‌ها در نحوه ی ارتعاش صفحه فوقانی نیز مؤثر هستند (جهت اطلاع بیشتر در خصوص ارتعاشات صفحه فوقانی و کاسه ی ‌ساز به لینک‌های که در این بخش از سایت موردنظر معرفی شده است مراجعه نمایید). صفحه تحتانی ساز به لحاظ آکوستیکی کمتر حائز اهمیت است. زیرا به هنگام نواختن در مقابل بدن نوازنده قرار می‌گیرد. سطوح کناری ساز نیز در جهت عمود بر سطح خود چندان ارتعاشی نداشته و لذا صدای زیادی از آنها تولید نمی‌شود.

هوای داخل کاسه ی ساز:

هوای داخل کاسه ی ساز از اهمیت بالایی برخوردار است. به خصوص در محدوده نت‌های بم ساز که نقش آن دو چندان می‌شود. هوای موجود در کاسه ساز- همانند هوای داخل یک بطری هنگامی که از دهانه آن به داخل دمیده می‌شود- می‌تواند به ارتعاش درآید. اگر نتی مابین فا دیز (2F#) و لا (2A) را به صدا درآورده و گوش خود را نزدیک سوراخ تولید صدا قرار دهید، صدای حاصل از نوسانات هوای داخل کاسه را می‌شنوید (البته شدت و ضعف آن به خود گیتار نیز بستگی دارد). این پدیده به رزونانس یا تشدید هلمهولتز مشهور است که شرح مختصری از آن در ذیل آمده است. راه دیگر پی بردن به اثر تشدید، این است که سیم لا را به صورت دست باز نواخته و در همان لحظه یک تکه مقوا یا کاغذ را بر روی سوراخ تولید صدا قرار داده و آن را به عقب و جلو حرکت دهید. این عمل سبب توقف رزونانس می‌گردد (ممکن است رزونانس را به فرکانس‌های پایین‌تر نیز انتقال دهد). بدین ترتیب در می‌یابید هنگامی که سوراخ تولید صدا مسدود می‌شود، پاسخ بم را از دست خواهید داد. علاوه بر این هوای داخل کاسه عملاً به پایین‌ترین رزونانس صفحه فوقانی می‌پیوندد. این دو به کمک هم یک رزونانس قوی، در حدود یک اکتاو بالاتر از رزونانس اصلی، هوا ایجاد می‌کنند. هوای داخل ساز حرکت صفحات فوقانی و تحتانی را نیز تا حدودی به یکدیگر مرتبط می‌سازد.

رزونانس هلمهولتز در یک گیتار، به واسطه هوای در حال نوسان اطراف حفره ی تولید صدا، ایجاد می‌شود. محرک آن قابلیت ارتجاع یا خاصیت فنری هوای داخل کاسه است. به نظر می‌رسد همه ی ما تا کنون از دهانه یک بطری به داخل آن دمیده باشیم و از شنیدن نت‌های با فرکانس پایین (نت‌های بم) لذت‌ برده‌ایم. این مسئله شباهت بسیاری به رزونانس‌های پایین (بم) گیتار دارد. هوا خاصیت کشسانی دارد، وقتی آن را فشرده کنید فشار آن افزایش می‌یابد. یک توده هوا را در مجاورت حفره تولید صدا در نظر بگیرید. اگر این توده حتی به فاصله کمی به داخل کاسه حرکت کند هوای داخل کاسه را متراکم می‌سازد. فشار حاصله، توده هوا را به سمت بیرون می‌راند. در نتیجه توده هوا به جای اول خود برمی‌گردد. اما مومنتوم ناشی از حرکت باعث می‌گردد که توده هوا تا کمی بیرون‌تر از کاسه ساز نیز حرکت کند. در نتیجه از چگالی هوای داخل کاسه کاسته شده و این مسئله سبب می‌شود تا توده هوا مجدداً به داخل جذب شود. رفت و برگشت توده هوا را می‌توان به مثابه نوسانات جرم متصل به فنری تصور نمود. در عمل تنها با تراکم هوای داخل کاسه ساز روبرو نیستیم، بلکه دمندگی کاسه ساز در اثر انبساط و انقباض، خود فشار بیشتری را تولید می‌کند. این مبحث در بخش «رزونانس هلمهولتز» به لحاظ کمی مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

آناتومی گیتار آکوستیک (سیم فلزی):

با توجه به پیشرفت‌هایی که در طراحی و تکنولوژی ساخت ساز حاصل شده است، می‌توان سه نوع گیتار را نام برد: 1- گیتار آکوستیک سیم نایلونی (کلاسیک و فلامنگو)، 2- گیتار آکوستیک سیم فلزی (محلی) و 3- گیتار برقی.

آکوستیک گیتار برقی به دلیل خامی و تازه بودن ساز به جذابیت آکوستیک گیتار کلاسیک نیست. جهت برقراری توازن دسته ساز و همچنین طولانی‌تر نمودن مدت زمان ارتعاش سیم‌ها، کاسه ساز را اساساً از قسمت مناسب چوب ساخته می‌شود.

گیتارهای آکوستیک به واسطه ی تعامل پیچیده میان اجزای مختلف ساز تولید صدا می‌کنند. از این پس مراد از کلمه گیتار منحصراً گیتار آکوستیک می‌باشد.

ذکر این نکته ضروری است که واژگان مربوط به گیتار به هیچ وجه ثابت و قطعی نبوده و استاندارد نمی‌باشند. به عنوان مثال به صفحه تولید صدا، صفحه فوقانی نیز گفته می‌شود و یا اینکه به کناره‌های ساز، لبه ساز نیز می‌گویند.

کاسه ی گیتارهای سیم نایلونی معمولاً دارای لبه‌های گرد بوده و محل اتصال گردن ساز به کاسه ی ساز، در نصف طول مؤثر سیم واقع است (فرت دوازدهم). دسته ی ساز تقریباً پهن بوده (حدود 60 میلی‌متر در محل اتصال به کاسه ساز) و جنس سه سیم پایینی که دارای بالاترین دانگ صدایی هستند از نایلون می‌باشد. سه سیم بالایی معمولا ترکیبی هستند (در قسمت مرکزی سیم، رشته ی ابریشمی قرار دارد و دور آن مس آبکاری شده با نقره پیچیده می‌شود).

گیتار آکوستیک سیم فلزی دارای تفاوت‌های هندسی کمی نسبت به گیتارهای آکوستیک سیم نایلونی است. در اکثر مدل‌های این نوع گیتار محل اتصال گردن‌ساز در فرت چهاردهم می‌باشد. بدین ترتیب طول مؤثر دسته ی ‌ساز افزایش می‌یابد. جنس سیم‌های آن معمولا از آلیاژ فولاد یا برنز است (در سایت مربوطه تصاویر نمونه‌هایی از گیتارهای مختلف به همراه توضیح اجمالی آورده شده است).

 

گیتار مجازی

گیتار مجازی یک مدل سازه‌ای محدود است که به کمک سیستم نرم‌افزار CATLA75 طراحی شده است. از این مدل نرم‌افزاری جهت تشریح هندسه و نحوه توزیع بست‌های داخلی و همچنین تحلیل ارتعاشات سازه گیتار آکوستیک استفاده می‌شود. گیتاری که در ذیل مدل شده است، از نوع OOO می‌باشد که توسط شرکت Gilet Guitars در شهر سیدنی استرالیا تولید می‌شود. این شرکت یکی از حمایت‌کنندگان صنعتی آزمایشگاه‌های موسیقی می‌باشد.

دسی بل چیست؟

دسی بل (db) واحد اندازه‌گیری بلندی یا سطح صوت است و در علم الکترونیک و سیگنال‌ها نیز به وفور مورد استفاده قرار می‌گیرد. دسی‌بل یک واحد لُگاریتمی است و بیانگر نسبت دو کمیت می‌باشد. این نسبت ممکن است، نسبت دو توان ولتاژ، شدت و کمیت‌هایی نظیر آن باشد. جهت آشنایی با این واحد لگاریتمی ابتدا با ذکر چند مثال عددی آغاز می‌کنیم.

به عنوان مثال دو بلندگو را در نظر بگیرید که یکی صدا را با توان P₁ و دیگری همان صدا را با توان بیشتری برابر با P₂ تولید می‌کند. تمامی شرایط از قبیل فاصله و فرکانس برای دو بلندگو یکسان است.

اختلاف دسی بل این دو منبع از رابطه ذیل به دست می‌آید:

10 log (P₂/P₁) dB

توجه داشته باشید که لگاریتم فوق بر مبنای 10 است.

اگر توان منبع دوم 2 برابر توان منبع اول باشد، اختلاف دسی بل برابر است با:

10 log (P₂/P₁)=10log2=3dB

اگر توان منبع دوم 10 برابر توان منبع اول باشد، اختلاف دسی بل برابر است با:

10 log(P₂/P₁)=10 log 10= 10dB

و اگر توان منبع دوم 1000000 برابر توان منبع اول باشد، اختلاف دسی بل برابر خواهد بود با:

10 log (P₂/P₁)=10 log 1000000=60 dB

مثال اخیر یکی از ویژگی‌های مقیاس دسی بل را که در مباحث صوت سودمند است نشان می‌دهد؛ این مقیاس قادر است نسبت‌های خیلی بزرگ از توان صوتی را به صورت اعداد کوچکتری تعریف نماید.

فشار صوت، سطح صوت و دسی‌بل:

صدا معمولا به وسیله میکروفون اندازه‌گیری‌ می‌شود. میکروفون‌ها تقریباً به صورت تناسبی به فشار صوت (p) پاسخ می‌دهند. باید توجه داشت که توان یک موج صوتی با مربع فشار آن صوت متناسب است. می‌دانیم لگاریتم توان دوم x، برابر با 2logx است. لذا در فرمول فوق ضریب 2 ظاهر می‌گردد. بنابراین اختلاف سطح فشار صوتی مابین دو صوت با فشارهای P₁ و P₂ به صورت ذیل تعریف می‌شود:

20 log (P₂/P₁) dB

اگر بخواهیم از دسی بل جهت تعیین سطح صدای یک صوت منفرد استفاده نماییم لازم است یک سطح مرجع برای این کار اختیار کنیم. برای شدت صوت، سطح مرجع (برای هوا) معمولا 20 میکروپاسکال یا 02/0 میلی پاسکال انتخاب می‌شود (علیرغم اینکه 20 میکرو پاسکال عدد بسیار کوچکی است و چیزی در حدود 1 تقسیم بر 20 بیلیون برابر اتمسفر می‌باشد با وجود این نه تنها در محدوده حساسیت گوش انسان قرار دارد بلکه در حساس‌ترین محدوده فرکانسی او می‌باشد. معمولا این حساسیت تنها در افراد جوان و یا افرادی که در معرض موسیقی‌ها و یا سایر سر و صداهای بلند قرار نگرفته باشند دیده می‌شود. (دستگاه‌های صوتی خاص، نظیر واکمن‌ها که دارای بلندگوهای گوشی مانند هستند، می‌توانند صداهای بسیار را در گوش انسان ایجاد کنند. این دستگاه‌ها از عوامل اصلی افت شنوایی جوانان در کشور‌های توسعه یافته به شمار می‌روند).

با این توضیحات مفهوم سطح شدت صوت معادل 86 دسی بل آن است که:

20 log (P₂/P₁) = 86 dB

که در آن P₁ فشار صوت سطح مرجع بوده و P₂ مجهول می‌باشد. اگر هر دو طرف تساوی را بر 20 تقسیم کنیم:

20 log (P₂/P₁) = 4.3

عدد 4 لگاریتم 10000 و 3/0 لگاریتم 2 است. بنابراین این صوت دارای فشار صوتی معادل 20000 برابر سطح مرجع می‌باشد. 86 دسی‌بل صدای بسیار بلندی است، اما اگر مدت زمان آن خیلی طولانی نباشد برای گوش انسان خطری به دنبال نخواهد داشت.

مفهوم 0 dB چیست؟

این مسئله زمانی اتفاق می‌افتد که شدت اندازه‌گیری شده برابر با سطح مرجع بوده یا به عبارت دیگر سطح صوت برابر 02/0 میلی پاسکال باشد. در این صورت خواهیم داشت:

20 log (P_measured/P_reference) = 20 log 1= 0dB

بنابراین صفر دسی‌بل به معنای صدای صفر نیست، بلکه بلندی صدایی است که در آن فشار صوت برابر با سطح مرجع است. این مقدار، فشار خیلی کمی است اما صفر نیست. سطح صدا می‌تواند عددی منفی نیز باشد. به عنوان مثال 20- دسی بل صدایی است که فشار آن 10 برابر از فشار مرجع کوچکتر و به عبارت دیگر 2 میکروپاسکال است.

هیچ یک از فشارهای صوتی به لحاظ بلندی برابر نیستند:

زیرا گوش انسان به همه فرکانس‌ها به طور یکسان پاسخ نمی‌دهد. اساساً ما به صداهای با فرکانس 1 کیلو هرتز الی 4 کیلو هرتز بیشتر حساس هستیم.

به همین دلیل در دستگاه‌های اندازه‌گیری صدا معمولا فیلترهایی نصب می‌شود تا پاسخ فرکانسی آنها تا حد زیادی شبیه گوش انسان باشد. اگر یک فیلتر ویتینگ مورد استفاده قرار گیرد، سطح فشار صوت بر حسب واحدdB(A) داده می‌شود. اندازه‌گیری سطح فشار صوت در مقیاس dB(A) بسیار آسان است و لذا به طور وسیعی مورد استفاده قرار می‌گیرد. لیکن با وجود این با بلندی صدا تفاوت دارد، زیرا فیلتر دقیقاً مانند گوش انسان پاس نمی‌دهد. جهت تعیین بلندی یک صدا لازم است به برخی از منحنی‌های ایده‌آل که نشان دهنده پاسخ فرکانسی گوش انسان هستند، رجوع نماییم. واحد بلندی صدا سون است و آن مقدار سطح صوت در فرکانس یک کیلو هرتز است. مقادیر سایر فرکانس‌ یک کیلو هرتز است. مقادیر سایر فرکانس‌ها به کمک منحنی‌های پاسخ تعیین می‌شوند (مترجم: طبق تعریف صوت ساده‌ای با فرکانس یک کیلو هرتز و به میزان چهل دسی‌بل بالاتر از آستانه شنوایی انسان، یک «سون» بلندی دارد).

 

چرا از واحد دسی بل استفاده می‌کنیم؟

گوش انسان قادر است محدوده بسیار وسیعی از صداها را بشنود. در واقع نسبت‌هایی که در اثر شنیدن آنها حتی در لحظات خیلی کوتاه، گوش انسان دچار آسیب دائمی می‌شود به صداهایی که شنیدن آنها برای گوش زیان‌آور نیست، بیش از یک میلیون بار بیشتر است. لذا جهت مواجهه با چنین محدوده وسیعی، واحد اندازه‌گیری لگاریتمی مفید خواهد بود. زیرا لگاریتم یک میلیون، عدد 6 بوده و این نسبت بیانگر یک اختلاف 120 دسی بلی است. روانشناسان نیز اعتقاد دارند که حس شنوایی انسان به طور کلی دارای ماهیت لگاریتمی است. به عبارت دیگر آنها معتقدند که جهت افزایش بلندی صدا به یک نسبت یکسان ناچاریم که شدت صوت را نیز به همان نسبت افزایش دهیم. این مسئله بسیار ذهنی است و خواه ناخواه ذهن شما را به خود معطوف خواهد نمود.