Harmonic Series คืออะไร และทำไมเสียงจากเครื่องดนตรีแต่ละชนิดจึงแตกต่างกัน แม้จะเล่นโน้ตตัวเดียวกัน? ลองนึกถึงเสียงกีต้าร์ เปียโน และเสียงร้องที่เล่นหรือร้องโน้ต A4 เหมือนกัน แม้ทั้งหมดจะมีระดับเสียงหลักเท่ากัน แต่เราก็ยังแยกออกได้ว่าเสียงใดมาจากเครื่องดนตรีชนิดไหน เพราะแต่ละเสียงมีลักษณะเฉพาะที่ไม่ได้ขึ้นอยู่กับระดับเสียงเพียงอย่างเดียว
โดยทั่วไป เสียงจากเครื่องดนตรีประกอบด้วยความถี่หลายค่าที่เกิดขึ้นพร้อมกัน ไม่ได้มีเพียงความถี่เดียว องค์ประกอบเหล่านี้เกี่ยวข้องกับ Fundamental, Harmonics และ Partials ซึ่งมีระดับความดังแตกต่างกัน และยังเปลี่ยนแปลงไปตั้งแต่เริ่มเกิดเสียงจนกระทั่งเสียงเงียบลง ความแตกต่างดังกล่าวมีส่วนสำคัญในการกำหนด Timbre หรือคาแรคเตอร์เสียงที่ทำให้เราแยกเสียงของเครื่องดนตรีแต่ละชนิดออกจากกันได้
Harmonic Series คืออะไร และความถี่ต่าง ๆ สัมพันธ์กับ Fundamental อย่างไร
Fundamental Frequency คือความถี่พื้นฐานที่ใช้เป็นจุดอ้างอิงในการอธิบายองค์ประกอบของเสียง หากเสียงหนึ่งมีความถี่พื้นฐานเท่ากับ 110 Hz ความถี่ใน Harmonic Series ตามแบบจำลองทางทฤษฎีจะเป็นจำนวนเต็มคูณด้วย 110 Hz ดังนี้
- Fundamental หรือ 1st Harmonic = 110 Hz
- 2nd Harmonic = 220 Hz
- 3rd Harmonic = 330 Hz
- 4th Harmonic = 440 Hz
- 5th Harmonic = 550 Hz
- 6th Harmonic = 660 Hz
เราสามารถคำนวณความถี่ของ Harmonic แต่ละลำดับได้จากสูตรต่อไปนี้
ความถี่ของ Harmonic ลำดับที่ n = n × Fundamental Frequency
ตัวอย่างการคำนวณมีดังนี้
- 110 × 1 = 110 Hz
- 110 × 2 = 220 Hz
- 110 × 3 = 330 Hz
- 110 × 4 = 440 Hz
- 110 × 5 = 550 Hz
ความสัมพันธ์ที่ Harmonics มีความถี่เป็นจำนวนเต็มเท่าของ Fundamental สามารถศึกษาเพิ่มเติมได้จากบทเรียน Fundamental Frequency and Harmonics ของ The Physics Classroom ซึ่งอธิบายเรื่องรูปแบบการสั่นของสายและความถี่แต่ละลำดับพร้อมตัวอย่างประกอบ
สิ่งสำคัญคือ ความถี่เหล่านี้สามารถเกิดขึ้นพร้อมกันภายในเสียงเดียวได้ ไม่ได้หมายความว่าเครื่องดนตรีต้องเล่นโน้ตแยกกันหลายตัว
ตัวอย่างเช่น เมื่อเราดีดสายกีต้าร์หนึ่งครั้ง เสียงที่เกิดขึ้นอาจประกอบด้วยทั้งความถี่พื้นฐานและ Harmonics อีกหลายลำดับ แม้ผู้เล่นจะดีดสายเพียงครั้งเดียวก็ตาม
อย่างไรก็ตาม Harmonics แต่ละลำดับไม่ได้มีความดังเท่ากันเสมอไป เสียงบางชนิดมีความถี่พื้นฐานเด่นชัด ขณะที่บางชนิดมี Harmonics ในย่านความถี่สูงเด่นกว่า นอกจากนี้ เมื่อเสียงค่อย ๆ เบาลง Harmonic แต่ละลำดับก็อาจลดความดังด้วยอัตราที่แตกต่างกัน
ด้วยเหตุนี้ แม้เสียงจากเครื่องดนตรีสองชนิดจะมี Fundamental เท่ากัน แต่สัดส่วนและการเปลี่ยนแปลงของ Harmonics ก็อาจทำให้เราได้ยินคาแรคเตอร์เสียงที่แตกต่างกันอย่างชัดเจน
Fundamental ไม่ใช่องค์ประกอบทั้งหมดของเสียงที่เราได้ยิน
เมื่อทราบว่าโน้ตหนึ่งมี Fundamental เท่ากับ 110 Hz เราอาจเข้าใจว่าเสียงนั้นประกอบด้วยคลื่นความถี่ 110 Hz เพียงอย่างเดียว
ความเข้าใจนี้ใช้ได้กับ Sine Wave บริสุทธิ์ หรือคลื่นรูปไซน์ที่มีองค์ประกอบความถี่เพียงค่าเดียว แต่เสียงจากเครื่องดนตรีจริงส่วนใหญ่มีความซับซ้อนมากกว่านั้น
ลองนึกถึงสายกีต้าร์ที่ถูกดีดหนึ่งครั้ง สายไม่ได้สั่นเพียงรูปแบบเดียว แต่สามารถสั่นได้หลายรูปแบบพร้อมกัน
รูปแบบหนึ่งคือการสั่นของสายตลอดความยาว ส่วนรูปแบบอื่นอาจมีลักษณะเหมือนสายแบ่งออกเป็นสองส่วน สามส่วน หรือมากกว่านั้น โดยแต่ละส่วนสั่นสัมพันธ์กันตามรูปแบบของตัวเอง การสั่นเหล่านี้ทำให้เกิด Harmonics ที่มีความถี่แตกต่างกัน
การดีดสายกีต้าร์หนึ่งครั้งสามารถกระตุ้นรูปแบบการสั่นหลายลำดับ ซึ่งมีส่วนสร้างองค์ประกอบความถี่ของเสียง
ดังนั้น Fundamental จึงเป็นความถี่พื้นฐานที่ใช้อ้างอิงระดับเสียงและโครงสร้างของ Harmonics ไม่ได้หมายความว่าเสียงทั้งหมดที่เราได้ยินจะประกอบด้วยความถี่นี้เพียงค่าเดียว
อีกประเด็นที่น่าสนใจคือ Fundamental ไม่จำเป็นต้องเป็นองค์ประกอบที่ดังที่สุดในเสียงเสมอไป
ในบางกรณี แม้เสียงจะมีพลังงานที่ความถี่พื้นฐานน้อยมาก หรือไม่มีองค์ประกอบความถี่พื้นฐานอยู่เลย หูและสมองของเราก็ยังสามารถรับรู้ระดับเสียงพื้นฐานได้จากความสัมพันธ์ของ Harmonics ที่เหลืออยู่ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า Missing Fundamental หรือการรับรู้ระดับเสียงพื้นฐานแม้ไม่มีความถี่พื้นฐานปรากฏอยู่ในเสียงจริง
ปรากฏการณ์ดังกล่าวแสดงให้เห็นว่า องค์ประกอบความถี่ที่มีอยู่ในเสียงกับ Pitch หรือระดับเสียงที่เรารับรู้ ไม่จำเป็นต้องสัมพันธ์กันอย่างตรงไปตรงมาในทุกกรณี
Partial, Harmonic และ Overtone ต่างกันอย่างไร
คำว่า Partial, Harmonic และ Overtone ล้วนใช้ในการอธิบายองค์ประกอบความถี่ของเสียง แต่แต่ละคำมีความหมายแตกต่างกัน การเข้าใจความแตกต่างนี้จะช่วยให้เราอ่านกราฟวิเคราะห์เสียงและอธิบายลักษณะเสียงของเครื่องดนตรีได้ถูกต้องมากขึ้น
Partial คือองค์ประกอบความถี่แต่ละส่วนของเสียง
Partial เป็นคำที่ใช้เรียกองค์ประกอบความถี่แต่ละส่วนที่รวมกันอยู่ภายในเสียงหนึ่งเสียง โดยเฉพาะเสียงที่ประกอบด้วยความถี่หลายค่า
หากเราใช้เครื่องวิเคราะห์ความถี่หรือ Spectrum Analyzer ตรวจสอบเสียงเครื่องดนตรี เราอาจเห็นยอดกราฟปรากฏขึ้นในตำแหน่งความถี่ต่าง ๆ ยอดกราฟเหล่านี้ช่วยให้เราระบุองค์ประกอบความถี่หรือ Partial แต่ละส่วนได้
เมื่อเรียงองค์ประกอบความถี่จากต่ำไปสูง หาก Fundamental เป็นองค์ประกอบที่มีความถี่ต่ำที่สุด เราก็สามารถเรียก Fundamental ว่า First Partial ได้
ส่วนองค์ประกอบความถี่อื่นที่สูงขึ้นไปจะเรียกว่า Partial ลำดับถัดไป โดยไม่จำเป็นต้องมีความถี่เป็นจำนวนเต็มเท่าของ Fundamental
กล่าวง่าย ๆ คือ Partial เป็นคำเรียกองค์ประกอบความถี่ของเสียง ซึ่งไม่จำเป็นต้องเป็น Harmonic ทุกตัว
Harmonic ต้องมีความถี่เป็นจำนวนเต็มเท่าของ Fundamental
Harmonic มีความหมายเฉพาะเจาะจงกว่า Partial เพราะความถี่ของ Harmonic แต่ละลำดับต้องเป็นจำนวนเต็มเท่าของ Fundamental
ตัวอย่างเช่น หาก Fundamental เท่ากับ 110 Hz ความถี่ใน Harmonic Series จะเป็นดังนี้
- 110 Hz = 1st Harmonic
- 220 Hz = 2nd Harmonic
- 330 Hz = 3rd Harmonic
- 440 Hz = 4th Harmonic
- 550 Hz = 5th Harmonic
จะเห็นได้ว่าความถี่ทุกค่าคำนวณจากการนำ 110 Hz ไปคูณด้วยจำนวนเต็มตามลำดับ
ความสัมพันธ์ลักษณะนี้พบได้ในแบบจำลองการสั่นของสายอุดมคติ ซึ่งถือว่าสายไม่มีความแข็งต้านทานการดัด รวมถึงการสั่นของอากาศในเครื่องดนตรีบางประเภทภายใต้เงื่อนไขที่เหมาะสม
อย่างไรก็ตาม เครื่องดนตรีจริงอาจมีองค์ประกอบความถี่บางส่วนที่คลาดเคลื่อนจากค่าตามทฤษฎี ซึ่งเกี่ยวข้องกับปรากฏการณ์ Inharmonicity ที่จะอธิบายในหัวข้อถัดไป
Overtone เริ่มนับจากองค์ประกอบความถี่ที่สูงกว่า Fundamental
Overtone หมายถึงองค์ประกอบความถี่ที่อยู่สูงกว่า Fundamental โดยไม่นับ Fundamental เป็น Overtone
หากเสียงมี Harmonics เรียงตามจำนวนเต็มอย่างสมบูรณ์ หมายเลขของ Overtone จะต่างจากหมายเลขของ Harmonic อยู่หนึ่งลำดับ
ตัวอย่างเช่น
- 110 Hz = 1st Harmonic แต่ไม่ใช่ Overtone
- 220 Hz = 2nd Harmonic และ 1st Overtone
- 330 Hz = 3rd Harmonic และ 2nd Overtone
- 440 Hz = 4th Harmonic และ 3rd Overtone
- 550 Hz = 5th Harmonic และ 4th Overtone
ดังนั้น First Overtone จึงไม่ได้หมายถึงความถี่พื้นฐาน แต่หมายถึงองค์ประกอบความถี่ตัวแรกที่อยู่เหนือ Fundamental
อย่างไรก็ตาม Overtone ไม่จำเป็นต้องเป็น Harmonic เสมอไป เพราะเครื่องดนตรีบางชนิดมีองค์ประกอบความถี่ที่สูงกว่า Fundamental แต่ไม่ได้เป็นจำนวนเต็มเท่าของความถี่พื้นฐาน
เมื่อเข้าใจความหมายของคำทั้งสามแล้ว เราจะอธิบายได้ชัดเจนขึ้นว่าเหตุใดเสียงจากเครื่องดนตรีจริงจึงอาจมีองค์ประกอบความถี่บางส่วนที่ไม่ตรงกับ Harmonic Series ตามแบบจำลองทางทฤษฎี
Relative Amplitude ทำให้ Harmonic Series เดียวกันฟังไม่เหมือนกันได้อย่างไร
ลองสมมติว่าเรามีเสียงสองเสียงที่ประกอบด้วยความถี่ชุดเดียวกัน ได้แก่
- 110 Hz
- 220 Hz
- 330 Hz
- 440 Hz
- 550 Hz
แม้เสียงทั้งสองจะมีองค์ประกอบความถี่เหมือนกัน แต่ก็ไม่ได้หมายความว่าเราจะได้ยินเสียงเหมือนกัน เพราะความดังขององค์ประกอบความถี่แต่ละตัวอาจแตกต่างกัน
สมมติว่าเสียง A มี Fundamental และ Harmonics ลำดับต่ำที่เด่นชัด ส่วน Harmonics ในย่านความถี่สูงมีความดังน้อยกว่า เมื่อฟังแล้วจึงอาจรู้สึกว่าเสียงนุ่ม กลม หรือทึบกว่า
ขณะที่เสียง B มี Harmonics ลำดับสูงเด่นขึ้นเมื่อเทียบกับ Fundamental ทำให้เสียงอาจฟังสว่าง คม หรือมีรายละเอียดในย่านความถี่สูงมากกว่า
ความแตกต่างนี้ไม่ได้เกิดจากการเปลี่ยนความถี่ขององค์ประกอบเสียง แต่เกิดจากความดังขององค์ประกอบแต่ละตัวเมื่อเปรียบเทียบกัน
ความสัมพันธ์ดังกล่าวเรียกว่า Relative Amplitude หรือระดับความดังสัมพัทธ์ขององค์ประกอบความถี่
เมื่อนำระดับความดังขององค์ประกอบความถี่ต่าง ๆ มาพิจารณาร่วมกัน เราจะเห็นแนวโน้มการกระจายพลังงานของเสียง ซึ่งเกี่ยวข้องกับ Spectral Envelope หรือรูปร่างโดยรวมของระดับเสียงในแต่ละช่วงความถี่
Spectral Envelope จึงช่วยอธิบายได้ว่าเหตุใดเสียงหนึ่งจึงฟังสว่างกว่าอีกเสียงหนึ่ง แม้ทั้งสองเสียงจะมี Pitch หรือระดับเสียงเดียวกัน
อย่างไรก็ตาม การพิจารณาระดับความดังขององค์ประกอบความถี่เพียงช่วงเวลาเดียว ยังไม่เพียงพอที่จะอธิบายคาแรคเตอร์เสียงทั้งหมด เพราะเสียงจริงเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา และอาจมีเสียงจากการเสียดสี การกระทบ หรือองค์ประกอบอื่นที่ไม่ได้เรียงตาม Harmonic Series รวมอยู่ด้วย
Excitation และ Resonance เปลี่ยนสัดส่วน Harmonics ตั้งแต่ต้นทาง
เหตุผลสำคัญอีกประการหนึ่งที่ทำให้เครื่องดนตรีแต่ละชนิดมีคาแรคเตอร์เสียงแตกต่างกัน คือวิธีทำให้เกิดเสียงและลักษณะการตอบสนองของเครื่องดนตรีต่อความถี่ต่าง ๆ
Excitation หมายถึงการกระตุ้นให้แหล่งกำเนิดเสียงเริ่มสั่น เช่น การดีดสายกีต้าร์ การใช้ค้อนตีสายเปียโน หรือการทำให้เส้นเสียงของมนุษย์สั่น
วิธีเหล่านี้ส่งพลังงานเข้าสู่แหล่งกำเนิดเสียงแตกต่างกัน จึงทำให้รูปแบบการสั่นและสัดส่วนความดังของ Harmonics ที่เกิดขึ้นไม่เหมือนกัน
ส่วน Resonance หรือการสั่นพ้อง หมายถึงลักษณะที่ระบบตอบสนองต่อการสั่นในบางช่วงความถี่ได้เด่นกว่าช่วงอื่น ส่งผลให้ความถี่เหล่านั้นมีอิทธิพลต่อเสียงที่เราได้ยินมากขึ้น
ตัวอย่างเช่น
- ตัวกีต้าร์โปร่งรับแรงสั่นสะเทือนจากสายและช่วยแผ่เสียงออกสู่อากาศ โดยลักษณะการสั่นพ้องของตัวกีต้าร์มีส่วนทำให้เสียงมีคาแรคเตอร์เฉพาะตัว
- Soundboard หรือแผ่นไม้ขยายเสียงของเปียโน รับแรงสั่นสะเทือนจากสายและช่วยถ่ายทอดพลังงานออกมาเป็นเสียงที่ได้ยินชัดเจน
- ลำคอและช่องปากของมนุษย์ช่วยเน้นองค์ประกอบความถี่บางช่วง ทำให้เสียงร้องและเสียงสระแต่ละแบบมีลักษณะแตกต่างกัน
เราสามารถอธิบายความสัมพันธ์เหล่านี้ให้เข้าใจง่ายได้ดังนี้
วิธีกระตุ้นให้เกิดการสั่น
→ องค์ประกอบความถี่ที่เกิดขึ้น
→ การสั่นพ้องของเครื่องดนตรี
→ สัดส่วนความถี่ที่ได้ยิน
→ คาแรคเตอร์เสียง
ลำดับดังกล่าวเป็นเพียงแนวทางช่วยให้เห็นภาพรวม ไม่ได้หมายความว่าทุกขั้นตอนเกิดขึ้นแยกจากกันอย่างเด็ดขาด เพราะการกระตุ้นให้เกิดเสียงและการสั่นพ้องสามารถส่งผลต่อกันได้ตลอดเวลาที่เสียงกำลังเกิดขึ้น
เมื่อเข้าใจเรื่องนี้ เราจะเห็นว่าการเปลี่ยนวิธีเล่นโน้ตเดิมก็สามารถทำให้คาแรคเตอร์เสียงเปลี่ยนไปได้ โดยไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนโน้ตหรือปรับอุปกรณ์ทุกครั้ง
Harmonic Series คืออะไร เมื่อเปรียบเทียบ Timbre ของกีต้าร์ เปียโน และเสียงร้อง
กีต้าร์ เปียโน และเสียงร้องสามารถสร้างโน้ตที่มี Fundamental เท่ากันได้ แต่เรากลับได้ยินคาแรคเตอร์เสียงแตกต่างกัน เพราะแต่ละแหล่งกำเนิดมีวิธีทำให้เกิดเสียง ลักษณะการสั่นพ้อง และสัดส่วนความดังของ Harmonics ไม่เหมือนกัน
จากซ้ายไปขวา: การดีดสายกีต้าร์ ค้อนตีสายเปียโน และการร้องเพลง เป็นวิธีสร้างเสียงที่แตกต่างกันและมีผลต่อ Timbre
กีต้าร์ — ตำแหน่งดีดและแรงดีดเปลี่ยนคาแรคเตอร์เสียง
เมื่อดีดสายกีต้าร์ สายจะสั่นและเกิดเสียงที่มี Fundamental พร้อมกับ Harmonics หลายลำดับ
หากเราเปลี่ยนตำแหน่งที่ดีดสาย รูปแบบการสั่นที่ถูกกระตุ้นก็จะเปลี่ยนตามไปด้วย แม้จะยังเล่นโน้ตตัวเดิมก็ตาม
ลองดีดโน้ตหนึ่งใกล้บริเวณคอ แล้วเปลี่ยนไปดีดใกล้บริดจ์ โดยไม่ปรับแอมป์หรือ EQ
การดีดใกล้บริดจ์มักให้เสียงที่คมและสว่างขึ้น เพราะสามารถทำให้ Harmonics ในย่านความถี่สูงหลายลำดับเด่นขึ้นเมื่อเทียบกับการดีดในตำแหน่งที่ห่างจากบริดจ์
ส่วนการดีดใกล้คอมักให้เสียงที่กลมและนุ่มกว่า
แรงดีดก็มีผลเช่นกัน เพราะเมื่อเปลี่ยนแรงและลักษณะการสัมผัสสาย ความดังของเสียง ลักษณะเสียงในช่วงเริ่มต้น และสัดส่วนความดังของ Harmonics ก็อาจเปลี่ยนตามไปด้วย
สำหรับกีต้าร์โปร่ง แรงสั่นสะเทือนจากสายยังส่งต่อไปยังตัวกีต้าร์ ซึ่งมีลักษณะการสั่นพ้องเฉพาะตัวและส่งผลต่อเสียงที่ออกมา
ส่วนกีต้าร์ไฟฟ้า ตำแหน่งและการตอบสนองของปิ๊กอัพ รวมถึงวงจรไฟฟ้าและแอมป์ ล้วนมีผลต่อสัญญาณเสียงที่เราได้ยิน
ดังนั้น คาแรคเตอร์เสียงกีต้าร์ไม่ได้เกิดจากการปรับ EQ เพียงอย่างเดียว แต่สามารถเปลี่ยนแปลงได้ตั้งแต่ตำแหน่งที่ดีดสายและวิธีสัมผัสสายของผู้เล่น
เปียโน — ค้อนตีสายและ Soundboard มีผลต่อเสียงอย่างไร
เปียโนใช้ค้อนหรือ Hammer ตีสายให้เกิดการสั่น จึงมีลักษณะเสียงในช่วงเริ่มต้นแตกต่างจากเครื่องดนตรีที่ใช้การดีดสาย
ความแข็งของค้อน ตำแหน่งที่ค้อนกระทบสาย และแรงที่ค้อนส่งไปยังสาย ล้วนส่งผลต่อองค์ประกอบความถี่ที่เกิดขึ้น
เมื่อสายเปียโนสั่น พลังงานส่วนหนึ่งจะถูกส่งผ่านโครงสร้างของเครื่องไปยัง Soundboard หรือแผ่นไม้ขยายเสียง ซึ่งช่วยถ่ายทอดแรงสั่นสะเทือนออกสู่อากาศ ทำให้เราได้ยินเสียงเปียโนอย่างชัดเจน
นอกจากนี้ สายเปียโนจริงยังไม่ได้สั่นเหมือนสายอุดมคติตามแบบจำลองทางทฤษฎีทุกประการ
เนื่องจากสายเปียโนมีความแข็งและต้านทานการโค้งงอ ความถี่ของ Partial ลำดับสูงบางตัวจึงอาจสูงกว่าค่าที่คำนวณจากจำนวนเต็มเท่าของ Fundamental เล็กน้อย
ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า Inharmonicity ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งที่ทำให้เสียงเปียโนมีคาแรคเตอร์เฉพาะตัว
ด้วยเหตุนี้ การนำ Sine Wave ที่มีความถี่เป็นจำนวนเต็มเท่าของ Fundamental มารวมกันเพียงอย่างเดียว จึงยังไม่สามารถสร้างรายละเอียดของเสียงเปียโนจริงได้ครบทั้งหมด
เสียงร้อง — ทำไมร้องโน้ตเดิมแต่เปลี่ยนสระแล้วเสียงต่างกัน
เสียงร้องของมนุษย์มีกระบวนการสร้างเสียงแตกต่างจากกีต้าร์และเปียโน
เมื่อเส้นเสียงสั่น จะเกิดเสียงที่มี Fundamental พร้อมกับ Harmonics จากนั้นเสียงจะเดินทางผ่านลำคอและช่องปากก่อนออกมาให้เราได้ยิน
ขณะที่เราร้องเพลง รูปร่างของทางเดินเสียงจะเปลี่ยนไปตามตำแหน่งลิ้น ริมฝีปาก และการเปิดช่องปาก ทำให้ความถี่บางช่วงได้รับการเน้นมากกว่าช่วงอื่น
บริเวณความถี่ที่ได้รับการเน้นจากการสั่นพ้องของทางเดินเสียงเรียกว่า Formant
ลองร้องโน้ตเดียวกันโดยออกเสียงสระ “อา” แล้วเปลี่ยนเป็น “อี” พร้อมพยายามรักษาระดับเสียงและความดังให้ใกล้เคียงเดิม
แม้ Pitch หรือระดับเสียงหลักจะยังเท่าเดิม แต่เราจะได้ยินคาแรคเตอร์เสียงที่แตกต่างกันอย่างชัดเจน
สาเหตุสำคัญคือ การเปลี่ยนรูปร่างของทางเดินเสียงทำให้ความถี่บางช่วงได้รับการเน้นต่างกัน ส่งผลให้สัดส่วนความดังของ Harmonics ที่ออกมาเปลี่ยนไปด้วย
ตัวอย่างนี้แสดงให้เห็นว่า Timbre ไม่ได้ขึ้นอยู่กับการสั่นของแหล่งกำเนิดเสียงเพียงอย่างเดียว แต่ยังขึ้นอยู่กับส่วนที่ช่วยปรับลักษณะเสียงหลังจากเกิดการสั่นด้วย
Inharmonicity คือเหตุผลที่เสียงจริงไม่ตรง Harmonic Series แบบสมบูรณ์เสมอไป
ตัวอย่าง Harmonic Series ที่ประกอบด้วยความถี่ 110, 220, 330 และ 440 Hz เป็นแบบจำลองที่ช่วยให้เราเข้าใจความสัมพันธ์ของความถี่ได้ง่าย
แต่เมื่อวิเคราะห์เสียงจากเครื่องดนตรีจริง เราอาจพบว่าองค์ประกอบความถี่บางตัวไม่ได้อยู่ตรงตำแหน่งที่คำนวณไว้ตามทฤษฎีทุกประการ
องค์ประกอบความถี่ที่ไม่เป็นจำนวนเต็มเท่าของ Fundamental เรียกว่า Inharmonic Partial
ส่วน Inharmonicity หมายถึงลักษณะที่องค์ประกอบความถี่ของเสียงเบี่ยงเบนไปจากโครงสร้าง Harmonic แบบอุดมคติ
ตัวอย่างที่เห็นได้ชัดคือสายเปียโน
สายเปียโนมีความแข็งและต้านทานการโค้งงอ ไม่ได้มีคุณสมบัติเหมือนสายอุดมคติในแบบจำลองทางทฤษฎี ทำให้ Partial บางลำดับมีความถี่สูงกว่าค่าที่ควรเป็นตามความสัมพันธ์แบบจำนวนเต็มเล็กน้อย
ลักษณะนี้มีผลต่อคาแรคเตอร์เสียงเปียโน และยังเป็นเหตุผลหนึ่งที่ช่างจูนเปียโนต้องคำนึงถึงความสัมพันธ์ขององค์ประกอบความถี่ที่เกิดขึ้นจริง ไม่ใช่อาศัยค่าความถี่ตามทฤษฎีเพียงอย่างเดียว
เครื่องดนตรีประเภทระฆังหรือเครื่องกระทบบางชนิดก็มีองค์ประกอบความถี่ที่ไม่ได้เรียงตาม Harmonic Series แบบสายอุดมคติอย่างชัดเจนเช่นกัน
ดังนั้น เมื่ออธิบายเสียงจากเครื่องดนตรีจริง คำว่า Partial จึงมีประโยชน์ เพราะสามารถใช้เรียกองค์ประกอบความถี่ได้โดยไม่จำเป็นต้องถือว่าความถี่ทุกตัวเป็น Harmonic
Timbre ไม่ได้หยุดนิ่ง เพราะ Spectrum เปลี่ยนตั้งแต่ Attack ถึง Decay
การดู Spectrum หรือกราฟแสดงองค์ประกอบความถี่ ณ ช่วงเวลาหนึ่ง ช่วยให้เราทราบว่าเสียงมีความถี่อะไรอยู่บ้าง และแต่ละความถี่มีระดับความดังมากน้อยเพียงใด
แต่ข้อมูลจากช่วงเวลาเดียวอาจยังอธิบายคาแรคเตอร์เสียงได้ไม่ครบ เพราะเสียงเครื่องดนตรีเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลาตั้งแต่เริ่มเกิดเสียงจนกระทั่งเงียบลง
ลองนึกถึงเสียงกีต้าร์ที่เพิ่งดีด กับเสียงจากสายเดียวกันหลังผ่านไปประมาณหนึ่งวินาที
ในช่วงแรก เราอาจได้ยินเสียงปิ๊กกระทบสายอย่างชัดเจน พร้อมกับ Harmonics ในย่านความถี่สูงที่เด่นกว่า แต่เมื่อเวลาผ่านไป Harmonics บางส่วนจะค่อย ๆ เบาลง ทำให้เสียงในช่วงท้ายฟังนุ่มกว่าช่วงเริ่มต้น
การเปลี่ยนแปลงขององค์ประกอบความถี่ตลอดช่วงเวลาที่เกิดเสียงเรียกว่า Spectral Evolution หรือการเปลี่ยนแปลงของ Spectrum ตามเวลา
เราสามารถแบ่งลักษณะการเปลี่ยนแปลงของเสียงออกเป็นช่วงต่าง ๆ เพื่อช่วยให้เข้าใจได้ง่ายขึ้น ดังนี้
- Attack: ช่วงเริ่มเกิดเสียง เช่น ขณะที่ปิ๊กกระทบสายกีต้าร์ อาจมีเสียงกระทบและ Harmonics ในย่านความถี่สูงเด่นชัด
- Decay: ช่วงที่ระดับเสียงเริ่มลดลงหลังจากเกิดเสียง โดย Harmonic แต่ละลำดับอาจลดความดังเร็วไม่เท่ากัน
- Sustain: ช่วงที่เสียงยังคงอยู่หลังการเริ่มต้น สำหรับกีต้าร์ที่ดีดแล้วปล่อยให้สายสั่นตามธรรมชาติ ระดับเสียงมักค่อย ๆ ลดลง จึงอาจไม่มีช่วง Sustain ที่รักษาระดับความดังได้ชัดเจนเหมือนเครื่องดนตรีบางชนิด
- Release: ช่วงที่เสียงสิ้นสุดลง เช่น เมื่อผู้เล่นหยุดการสั่นของสาย หรือเมื่อเสียงค่อย ๆ เงียบลงหลังจากหยุดควบคุมให้เกิดเสียง
การแบ่งเสียงออกเป็นช่วงต่าง ๆ ช่วยให้เข้าใจลักษณะการเปลี่ยนแปลงได้ง่ายขึ้น แต่ไม่ได้หมายความว่าเครื่องดนตรีทุกชนิดจะมีรูปแบบการเปลี่ยนแปลงเหมือนกันทั้งหมด
ประเด็นสำคัญคือ Harmonics แต่ละลำดับอาจลดความดังด้วยอัตราที่แตกต่างกัน ทำให้เสียงในช่วงเริ่มต้นและช่วงท้ายมีคาแรคเตอร์ไม่เหมือนกัน แม้จะเป็นโน้ตตัวเดียวกันก็ตาม
หากต้องการฝึกฟังความแตกต่างของเสียงในช่วง Attack และ Sustain ให้ชัดเจนขึ้น สามารถต่อยอดด้วยการฝึกควบคุม Dynamics ด้วยการอัดเสียงตัวเอง เพื่อเปรียบเทียบว่าน้ำหนักมือและวิธีเล่นส่งผลต่อเสียงแต่ละโน้ตอย่างไร
ลองฟัง Harmonic Series จากกีต้าร์ด้วย Natural Harmonics
มือกีต้าร์สามารถทดลองฟัง Harmonics ได้จากเครื่องดนตรีจริง โดยไม่จำเป็นต้องใช้โปรแกรมวิเคราะห์เสียง
เริ่มจากดีดสายเปิดหนึ่งสาย แล้วตั้งใจฟังเสียงปกติของสายนั้นก่อน เพื่อใช้เป็นเสียงเปรียบเทียบ
จากนั้นใช้ปลายนิ้วแตะสายเบา ๆ ตรงบริเวณเหนือเฟรต 12 แล้วดีดสาย ก่อนยกนิ้วที่แตะออกอย่างระมัดระวัง
หากทำถูกต้อง เราจะได้ยินเสียง Natural Harmonic ที่มีระดับเสียงสูงกว่าเสียงสายเปิด โดย Harmonic ที่เด่นในตำแหน่งนี้คือ 2nd Harmonic
เมื่อทำได้แล้ว ให้ลองเปลี่ยนตำแหน่งที่แตะสาย ดังนี้
- บริเวณเฟรต 12 จะได้ยิน 2nd Harmonic เด่น
- บริเวณเฟรต 7 จะได้ยิน 3rd Harmonic เด่น
- บริเวณเฟรต 5 จะได้ยิน 4th Harmonic เด่น
การเล่น Natural Harmonics ใช้ปลายนิ้วแตะสายเบา ๆ บริเวณจุด Node เช่น ตำแหน่งเหนือเฟรต 12 โดยไม่กดสายลงบนฟิงเกอร์บอร์ด
การทดลองนี้ต้องแตะสายเบา ๆ เท่านั้น ไม่ใช่การกดสายลงบนเฟรตเหมือนเวลาเล่นโน้ตทั่วไป
ทำไมการแตะสายจึงทำให้ Harmonic บางตัวเด่นขึ้น
ขณะที่สายสั่น รูปแบบการสั่นแต่ละลำดับจะมีบางตำแหน่งที่แทบไม่เคลื่อนที่ ตำแหน่งเหล่านี้เรียกว่า Node
หากเราแตะสายเบา ๆ ตรงตำแหน่ง Node ของรูปแบบการสั่นที่ต้องการ การแตะสายจะช่วยลดการสั่นในรูปแบบอื่นที่ไม่สอดคล้องกับตำแหน่งนั้น ทำให้ Harmonics บางลำดับเด่นขึ้นมา
ตัวอย่างเช่น
- เฟรต 12 อยู่ใกล้ตำแหน่งกึ่งกลางความยาวสาย จึงช่วยให้ 2nd Harmonic เด่นขึ้น
- เฟรต 7 อยู่ใกล้ตำแหน่งหนึ่งในสามของความยาวสาย จึงช่วยให้ 3rd Harmonic เด่นขึ้น
- เฟรต 5 อยู่ใกล้ตำแหน่งหนึ่งในสี่ของความยาวสาย จึงช่วยให้ 4th Harmonic เด่นขึ้น
หากต้องการเห็นภาพการสั่นของสายและตำแหน่ง Node ที่ทำให้เกิด Natural Harmonics ชัดเจนยิ่งขึ้น สามารถศึกษาภาพประกอบและคำอธิบายในหัวข้อ Strings, standing waves and harmonics ของ UNSW Sydney ซึ่งอธิบายความสัมพันธ์ระหว่างความยาวสายกับ Harmonics แต่ละลำดับ
อย่างไรก็ตาม เสียงที่เกิดขึ้นจริงอาจยังมี Harmonics ลำดับอื่นผสมอยู่ด้วย ไม่จำเป็นต้องเป็นเสียงที่มีความถี่เพียงค่าเดียว
สิ่งที่ควรสังเกตคือ Natural Harmonics ไม่ได้เป็นเสียงที่เกิดขึ้นโดยไม่มีความเกี่ยวข้องกับสายเปิด แต่เป็นการทำให้รูปแบบการสั่นบางส่วนที่สามารถเกิดขึ้นในสายเดิมมีความเด่นชัดมากขึ้น
เมื่อฟังเปรียบเทียบกัน เราจะเริ่มเข้าใจว่าภายในเสียงสายเปิดหนึ่งเสียงมีองค์ประกอบความถี่มากกว่าความถี่พื้นฐานเพียงค่าเดียว
ทดลอง Relative Amplitude ด้วยเสียง 110, 220, 330, 440 และ 550 Hz
หากมีโปรแกรมทำเพลงหรือ DAW ที่สามารถสร้าง Sine Wave ได้ เราสามารถทดลองปรับสัดส่วนความดังของ Harmonics เพื่อฟังผลที่เกิดกับ Timbre ได้โดยตรง
ให้สร้างเสียง Sine Wave ที่ความถี่ต่อไปนี้ โดยแยกแต่ละความถี่ไว้คนละแทร็ก หรือใช้เครื่องมือที่สามารถปรับระดับความดังของแต่ละความถี่ได้อย่างอิสระ
- 110 Hz
- 220 Hz
- 330 Hz
- 440 Hz
- 550 Hz
ตัวอย่างการทดลองปรับระดับเสียงแยกแต่ละแทร็กใน DAW เพื่อเปรียบเทียบว่าความดังของ Harmonics ส่งผลต่อคาแรคเตอร์เสียงอย่างไร
เริ่มจากใช้เสียง 110 Hz เป็นหลัก แล้วค่อย ๆ เพิ่มความถี่อื่นเข้ามาทีละตัว โดยตั้งระดับเริ่มต้นของความถี่ที่เพิ่มเข้ามาให้เบากว่า Fundamental
เปรียบเทียบ Harmonic Balance สามรูปแบบ
- รอบที่ 1: ให้ Fundamental มีความดังเด่นกว่า และตั้ง Harmonics ในย่านความถี่สูงไว้ค่อนข้างเบา
- รอบที่ 2: เพิ่มความดังของ 330 และ 440 Hz โดยยังรักษา Fundamental ที่ 110 Hz ไว้
- รอบที่ 3: ปรับให้ 440 และ 550 Hz เด่นขึ้นเมื่อเทียบกับรอบแรก
การทดลองทั้งสามรอบใช้ชุดความถี่เดียวกัน แต่เปลี่ยนสัดส่วนความดังของ Harmonics เพื่อฟังว่าคาแรคเตอร์เสียงเปลี่ยนไปอย่างไร
เพื่อให้เปรียบเทียบได้อย่างเหมาะสม ควรปรับระดับความดังโดยรวมของแต่ละรอบให้ใกล้เคียงกัน และเช็คไม่ให้สัญญาณเกิด Clipping หรือความผิดเพี้ยนจากระดับสัญญาณที่สูงเกินไป
หากรอบใดดังมากกว่ารอบอื่นอย่างชัดเจน เราอาจรู้สึกว่าเสียงนั้นคมหรือสว่างขึ้นเพราะความดัง ไม่ใช่เพราะสัดส่วนของ Harmonics เพียงอย่างเดียว
เช็คผลการทดลองอย่างไร
ลองฟังเสียงทั้งสามรอบสลับกัน โดยไม่เปลี่ยน Fundamental แล้วสังเกตความแตกต่างดังนี้
- รอบใดให้ความรู้สึกว่าเสียงสว่างกว่ากัน
- รอบใดฟังนุ่มหรือทึบกว่า
- เมื่อเพิ่ม Harmonics ในย่านความถี่สูง คาแรคเตอร์เสียงเปลี่ยนไปอย่างไร
- แม้เสียงจะมีคาแรคเตอร์ต่างกัน เรายังรับรู้ระดับเสียงหลักใกล้เคียงเดิมหรือไม่
หากทดลองถูกต้อง เราจะได้ยินว่าการเปลี่ยนสัดส่วนความดังของ Harmonics สามารถเปลี่ยนคาแรคเตอร์เสียงได้ แม้ Fundamental จะยังอยู่ที่ 110 Hz เช่นเดิม
อย่างไรก็ตาม เสียงที่สร้างจากการรวม Sine Wave หลายตัวแบบง่าย ๆ ยังไม่เหมือนเครื่องดนตรีจริง เพราะยังไม่มีรายละเอียดของเสียงช่วงเริ่มต้น การสั่นพ้อง เสียงกระทบหรือเสียงรบกวนบางส่วน ความคลาดเคลื่อนของ Partial และการเปลี่ยนแปลงขององค์ประกอบความถี่ตามเวลา
นำความรู้เรื่อง Harmonic Series ไปใช้กับการเล่นและการฟังดนตรีอย่างไร
การเข้าใจ Harmonic Series ช่วยให้เราอธิบายลักษณะเสียงที่ได้ยินได้อย่างมีเหตุผลมากขึ้น แทนที่จะใช้เพียงคำว่าเสียงหนา เสียงบาง เสียงใส หรือเสียงคม โดยไม่เข้าใจว่าความแตกต่างเหล่านั้นเกิดจากอะไร
สำหรับมือกีต้าร์ ความรู้นี้ช่วยอธิบายได้ว่าเหตุใดการเปลี่ยนตำแหน่งดีด การใช้ปิ๊กที่มีลักษณะต่างกัน หรือการควบคุมแรงดีด จึงทำให้เสียงเปลี่ยนไปได้ แม้จะใช้กีต้าร์ตัวเดิมและเล่นโน้ตเดิม
ตำแหน่งดีดสายและน้ำหนักมือมีผลต่อคาแรคเตอร์เสียงกีต้าร์ แม้ผู้เล่นจะใช้เครื่องดนตรีและโน้ตเดิม
สำหรับผู้เรียบเรียงเพลง เครื่องดนตรีที่มี Harmonics ในย่านความถี่สูงเด่นอาจมีเสียงทับซ้อนกับเครื่องดนตรีอื่นในช่วงความถี่เดียวกันมากขึ้น จึงควรพิจารณาทั้งช่วงเสียง วิธีเล่น และคาแรคเตอร์ของเครื่องดนตรีแต่ละชิ้นเมื่อจัดองค์ประกอบของเพลง
สำหรับผู้ที่ทำงานด้านเสียง การเห็นองค์ประกอบความถี่บางจุดเด่นขึ้นบน Spectrum Analyzer ไม่ได้หมายความว่าความถี่นั้นเป็นปัญหาเสมอไป เพราะบางความถี่เป็น Harmonics ที่ช่วยสร้างเอกลักษณ์ให้เครื่องดนตรี
แนวคิดนี้ยังช่วยให้เข้าใจว่าเหตุใดตำแหน่งปิ๊กอัพของกีต้าร์ไฟฟ้า วิธีดีดสาย และการตอบสนองของแอมป์ จึงทำให้เสียงเปลี่ยนไปได้ แม้แต่ละส่วนจะส่งผลต่อองค์ประกอบความถี่ด้วยวิธีที่แตกต่างกัน
สำหรับมือกีต้าร์ที่ต้องการนำความรู้นี้ไปใช้ระหว่างซ้อม การเลือกแอมป์ซ้อมกีต้าร์ที่ถ่ายทอดความแตกต่างของ Tone และน้ำหนักมือได้ชัดเจน จะช่วยให้สังเกตผลของการดีดสายและการเปลี่ยนตำแหน่งปิ๊กอัพได้ง่ายขึ้น
ส่วนผู้ที่ต้องการพัฒนาทักษะการฟัง สามารถใช้ความรู้นี้ช่วยแยกความแตกต่างระหว่าง Pitch กับ Timbre ได้ เช่น การฟังให้ออกว่าเสียงสองเสียงมีระดับเสียงเท่ากัน แต่มีคาแรคเตอร์ต่างกันเพราะสัดส่วนของ Harmonics หรือลักษณะเสียงในช่วงเริ่มต้นไม่เหมือนกัน
เมื่อมองภาพรวม เราสามารถเชื่อมโยงองค์ประกอบสำคัญได้ดังนี้
Fundamental
→ Partials
→ Harmonic / Inharmonic Components
→ Relative Amplitude
→ Excitation และ Resonance
→ การเปลี่ยนแปลงของ Spectrum ตามเวลา
→ Timbre
ความสัมพันธ์นี้เป็นแนวทางช่วยให้เข้าใจว่าองค์ประกอบต่าง ๆ ส่งผลต่อคาแรคเตอร์เสียงอย่างไร ไม่ใช่ลำดับเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นแยกจากกันทั้งหมด
สรุป Harmonic Series กับความแตกต่างของ Timbre
เมื่อเข้าใจหลักการของ Harmonic Series เราจะเห็นว่า Fundamental เป็นความถี่พื้นฐานที่ใช้ในการอธิบายโครงสร้างของเสียง ส่วน Harmonics และ Partials เป็นองค์ประกอบความถี่ที่ช่วยสร้างรายละเอียดและลักษณะเฉพาะให้เสียงนั้น
กีต้าร์ เปียโน และเสียงร้องอาจมี Fundamental เท่ากัน แต่มีสัดส่วนความดังของ Harmonics แตกต่างกัน มีลักษณะการสั่นพ้องไม่เหมือนกัน และองค์ประกอบความถี่แต่ละส่วนยังเปลี่ยนแปลงไปตามเวลาด้วยอัตราที่ต่างกัน จึงทำให้เสียงแต่ละชนิดมี Timbre หรือคาแรคเตอร์เสียงเป็นเอกลักษณ์ของตัวเอง
Harmonic Series จึงไม่ใช่เพียงชุดตัวเลขความถี่ที่ต้องจดจำ แต่เป็นแนวคิดที่ช่วยเชื่อมความเข้าใจเรื่องการสั่นของเสียงเข้ากับสิ่งที่นักดนตรีได้ยินจริง และสามารถนำไปใช้พัฒนาการฟัง การเล่นเครื่องดนตรี การเรียบเรียงเพลง และการทำงานด้านเสียงได้อย่างมีเหตุผลมากขึ้น
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น