Tiếng trống sinh ra khi mặt da (hay màng nhựa) căng bị đánh và rung theo nhiều "kiểu dao động" cùng lúc; khác với dây đàn, các kiểu dao động của một màng tròn có tần số không xếp thành chuỗi hài hoà, nên phần lớn trống nghe "không có nốt" rõ ràng. Cao độ của trống phụ thuộc vào độ căng (căng hơn thì cao hơn), đường kính (to hơn thì trầm hơn) và khối lượng của màng (nặng hơn thì trầm hơn). Đánh giữa hay đánh mép, đắp thêm vật nặng lên mặt, thay đổi buồng cộng hưởng — tất cả đều đổi cách màng rung, và đổi tiếng trống.
Màng rung khác dây đàn thế nào
Một dây đàn khi gảy rung theo nốt chính và các bội âm có tần số gấp 2, 3, 4… lần nốt chính. Chuỗi này "hài hoà", tai nghe thành một nốt rõ. Một màng tròn căng thì khác: các kiểu dao động của nó có tần số theo tỉ lệ khoảng 1 : 1,59 : 2,14 : 2,30 : 2,65… (theo lời giải toán học của màng tròn lý tưởng) — không phải số nguyên. Kết quả là tiếng trống nghe như một "khối" âm thanh hơn là một nốt.
| Dây đàn | Màng trống tròn | |
|---|---|---|
| Tỉ lệ bội âm | 1, 2, 3, 4… (hài hoà) | Khoảng 1; 1,59; 2,14; 2,30… (không hài hoà) |
| Cảm giác | Có nốt rõ | Thường không rõ nốt, nhiều "màu" |
| Ngân | Dài | Thường ngắn hơn, tắt nhanh |
Các kiểu dao động của mặt trống
Hình dung mặt trống như một tấm bạt tròn căng. Khi rung:
- Kiểu cơ bản: cả mặt nhô lên rồi hạ xuống như một cái bụng thở. Tiếng trầm nhất, nhưng tắt nhanh vì đẩy nhiều không khí.
- Kiểu chia đôi: một nửa mặt lên, nửa kia xuống, có một đường thẳng đứng yên ở giữa (gọi là đường nút).
- Kiểu vòng tròn: phần giữa lên, vành ngoài xuống, có một đường nút hình tròn.
- Các kiểu phức tạp hơn: nhiều đường nút thẳng và tròn kết hợp.
Một cú đánh làm nhiều kiểu cùng rung với mức độ khác nhau. Tiếng trống ta nghe là tổng hợp của tất cả.
Đánh giữa hay đánh mép
Đây là kiến thức mà người đánh trống dân gian đã biết bằng tai từ lâu, và vật lý giải thích được:
- Đánh giữa mặt: kích thích mạnh kiểu cơ bản và kiểu vòng tròn — tiếng trầm, "tròn", nhưng có thể tắt nhanh. Đây là tiếng "tùng".
- Đánh lệch ra khoảng giữa tâm và mép: kích thích nhiều kiểu khác nhau, tiếng giàu màu, vang hơn — nhiều tay trống coi đây là "điểm ngọt".
- Đánh sát mép: kích thích nhiều kiểu bậc cao — tiếng sáng, mỏng. Đây gần với tiếng "tòng".
- Gõ vào tang, vành: không làm màng rung nhiều, chủ yếu tiếng gỗ hoặc kim loại — tiếng "cắc".
Cao độ: căng, to, nặng
Tần số kiểu cơ bản của một màng tròn tỉ lệ thuận với căn bậc hai của độ căng, và tỉ lệ nghịch với đường kính và căn bậc hai của khối lượng trên diện tích. Diễn giải đơn giản:
| Thay đổi | Kết quả | Ví dụ đời thực |
|---|---|---|
| Căng da hơn | Cao hơn | Trời hanh da co, trống "lên tiếng"; vặn ốc snare |
| Mặt trống to hơn | Trầm hơn | Trống cái so với trống con; ō-daiko |
| Màng nặng hơn | Trầm hơn | Da trâu so với da dê; đắp cơm, syahi lên mặt |
Vì sao timpani, tabla có nốt rõ
Một số trống có cao độ rõ ràng nhờ các mẹo vật lý:
- Timpani (trống định âm): mặt trống đặt trên một nồi kín bằng đồng. Không khí trong nồi "đè" lên mặt trống, làm các kiểu dao động dịch chuyển tần số sao cho gần với tỉ lệ hài hoà hơn — tiếng có nốt rõ.
- Tabla, mridangam: lớp bột đắp ở giữa mặt (syahi) làm màng nặng không đều, đẩy các kiểu dao động về gần tỉ lệ hài hoà. Nhà vật lý C. V. Raman đã nghiên cứu hiện tượng này từ đầu thế kỷ 20.
- Trống cơm của người Việt: lớp cơm đắp giữa mặt dựa trên cùng nguyên lý.
Tang trống và buồng cộng hưởng
Thân trống không chỉ là khung. Không khí trong lòng trống rung cùng màng, ảnh hưởng tới độ vang và độ ngân. Trống hai mặt có mặt dưới rung theo mặt trên; tỉ lệ độ căng giữa hai mặt thay đổi tiếng rất nhiều — đó là lý do tay trống bộ trống chỉnh cả mặt cộng hưởng. Tang dày, gỗ cứng phản xạ âm tốt hơn, tiếng chắc hơn.
Góc nhìn hôm nay: thí nghiệm tại nhà
- Căng một miếng màng bọc thực phẩm thật chặt lên miệng bát, dán băng dính quanh vành.
- Rắc vài hạt muối hoặc gạo lên mặt màng.
- Đặt loa nhỏ gần đó, phát một nốt trầm rồi đổi cao độ.
- Quan sát: ở một số cao độ, hạt muối sẽ dồn thành hình — đó là các đường nút của kiểu dao động.
Thí nghiệm này mô phỏng "hình Chladni" nổi tiếng, cho thấy tận mắt mặt trống rung theo những hình rất đẹp mà mắt thường không thấy.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao trống không có nốt rõ như đàn?
Vì các kiểu dao động của màng tròn có tần số không theo tỉ lệ số nguyên như dây đàn. Tai nghe thành một khối âm thanh nhiều màu hơn là một nốt rõ.
Vì sao trống to thì trầm?
Tần số dao động cơ bản của màng tỉ lệ nghịch với đường kính. Mặt trống càng to, màng rung càng chậm và tiếng càng trầm.
Đánh giữa và đánh mép trống khác nhau thế nào?
Đánh giữa kích thích các kiểu dao động cơ bản, tiếng trầm và tròn. Đánh mép kích thích nhiều kiểu bậc cao hơn, tiếng sáng và mỏng hơn.
Vì sao timpani có nốt rõ?
Không khí trong nồi kín bên dưới mặt timpani đè lên màng, làm các kiểu dao động dịch tần số về gần tỉ lệ hài hoà, nên tiếng có nốt rõ.
Vì sao đắp cơm lên trống cơm lại có nốt?
Lớp cơm thêm khối lượng không đều lên mặt da, đẩy các kiểu dao động về gần tỉ lệ hài hoà, giống nguyên lý lớp syahi trên mặt tabla.