Harmonika v glasbi so note, ki nastajajo na poseben način: kot deli t. i. harmonske serije. Gre za nize frekvenc, ki se pojavijo sočasno z osnovnim tonom in so ključni za prepoznavnost instrumenta.

V fiziki je harmonski val val, ki se pojavi kot stoječe valovanje, dodano osnovnemu nihaju. Najlažje ga razumemo na primerih strun glasbenega instrumenta, kjer se zaradi fiksnih koncev tvorijo stacionarna nihanja z vozlišči in antivozlišči.

Kaj so alikvotni toni (harmonski nadtoni)?

Ko na struni zaigramo noto, struna ne vibrira le v enotnem sinusnem gibanju (čeprav bi to bil idealen enotni ton), ampak v kombinaciji več harmonskih komponent. Obstaja osnovni ton (temeljni ton ali fundamental), zraven pa so še višji toni — drugi, tretji, četrti itd. — katerih frekvence so (v idealnem primeru) cela števila kratnik osnovne frekvence. Ti višji toni imenujemo alikvotni toni ali harmonski nadtoni (ang. overtones ali harmonics). Skupaj ti toni oblikujejo barvo zvoka (timbre).

Kako nastanejo na strunah

Ko violinist zaigra noto na violinsko struno, začne struna hitro vibrirati. Vibracije strune povzročijo spremembe tlaka v zraku, zvočni valovi pa potujejo do našega ušesa. Če bi bila struna popolnoma idealna in brez togosti, bi nastali točno tisti harmonski nadtoni, katerih frekvence so celoštevilski kratki osnovne frekvence. Ti stoječi valovi imajo vozlišča na točno določenih delih strune: pri 2. harmonskem (2× osnovna frekvenca) se pojavi vozlišče na polovici strune, pri 3. na tretjinah ipd.

Primer: A = 440 Hz in harmonska serija

Čim višji je ton, tem hitreje vibrira struna. Tako na primer violinska struna A običajno standardno uglašena zveni pri 440 Hz: A4 = 440 Hz (sekundo). To je osnovna ali prva harmonska (fundamental). Druga harmonska ima frekvenco 2 × 440 = 880 Hz (razmerje 2:1) in je oktava nad osnovnim tonom. Tretja harmonska ima frekvenco 3 × 440 = 1320 Hz (relativno do druge harmonske je razmerje 3:2) in poslušano glede na osnovni ton ustreza oktavi plus kvinti. Četrta harmonska (4 × 440 = 1760 Hz) je dve oktavi nad osnovnim tonom. Višje harmonske so običajno vedno tišje, amplitude pa se večinoma zmanjšujejo z naraščajočim številom harmonske.

Razmerja, intervali in afinitete

Harmonska serija je tudi osnova za številne glasbene intervale in harmonične opazke: razmerje 2:1 daje oktavo, kombinacije 3:2 in 4:3 vodijo do kvinte in kvarte (v različnih primerjavah med harmonskimi členi). Pri višjih harmonskih se pojavijo tudi intervali, ki niso natančno enaki enakoprepustni intonaciji (equal temperament) — npr. 5. harmonska (razmerje 5:1 glede na osnovni ton) tvori velik terts, ki je v naravni intonaciji približno nekoliko nižje kot v enakopropustnem uglaševanju. To je pomembno pri nastajanju naravnih stopnjev harmonije in pri nastavitvi vokalnih in inštrumentalnih sistemov (just intonation, temperiranje ipd.).

Partiali vs. harmonski nadtoni in primeri drugih instrumentov

Pri idealni napeti struni (ali odprti cevi z odprtima koncema) so harmonske frekvence točno cela števila kratniki. Pri nekaterih instrumentih pa se pojavijo tudi nenatančni (neharmonski) partiali zaradi togosti (kot pri klavirju), kompozitnih struktur ali posebnih mejnih pogojev. Pri pihalih instrumentih mehurček zraka v cevih daje različne vrste harmonskih vseb, odvisno od tega, ali je cev odprta na obeh koncih (vse harmonske) ali zaprta na enem koncu (večinoma samo lihe harmonske: 1., 3., 5. ...).

Naravni in umetni harmoniki

Na strunah lahko ustvarimo naravne (alikvotne) harmonike tako, da nežno primemo struno na točno določenem mestu (npr. na polovici za 2. harmonsko, na tretjinah za 3., na četrtinah za 4. itd.). Tisti dotik prepreči nastanek osnovnega valovanja, zato slišimo višjo, čisto harmonsko komponento. Umetni harmoniki nastanejo, ko z eno roko pritisnemo struno na mestu, z drugo pa jo nežno dotaknemo naprej (ali uporabimo poseben način pritiska), da dosežemo željeno harmonsko frekvenco — to je tehnika, ki jo uporabljajo kitaristi in violinisti za čiste, zvonaste alikvotne tone.

Pomen za barvo zvoka (timbre) in glasbeno uporabo

Vsaka nota, ki jo zaigramo na inštrumentu, je kombinacija osnovnega tona in njegovih harmonskih komponent. Razmerja med amplitudami teh komponent (spektralna ovojnica) določajo tonačno barvo, zaradi katere prepoznamo violino, klarinet, človeški glas ali klarinet. Instrumenti z močnejšimi višjimi harmoniki zvenijo svetleje in bolj “metalno”, medtem ko tisti z izrazitejšim samo osnovnim tonom zvenijo “toplo” in polno.

Kako jih lahko slišite in preizkusite doma

  • Na klavirju: pritisnite spodnji C in hkrati nežno pritisnite (ali držite) tipko naslednjega C, ki je oktavo višje, tako da bo njegova dušilka odmaknjena — ko ponovno zaigrate spodnji C, boste morda slišali tihi rezonantni odziv višjega C (simpatetična resonanca). Ta pojav je opisan v prvotnem besedilu in je dober praktičen primer harmonskih nadtonov.
  • Na kitari ali violini: nežno položite prst na polovico strune in zaigrajte — slišali boste jasno oktavo. Enako lahko preizkusite na 1/3, 1/4, 1/5 dolžine strune za druge harmonske komponente.
  • Poslušanje posnetkov: harmonske serije lahko poslušate v številnih izobraževalnih posnetkih ali programih za spektralno analizo zvoka, kjer so harmonske komponente jasno vidne v spektru.

Višje harmonske so običajno tišje in hitreje ugašajo, vendar so ključne za identiteto zvena vsakega inštrumenta. Pri klavirju se zaradi togosti strun pojavi rahla inharmoničnost — zato se piskanja višjih tonov nekoliko odmikajo od točnih celih kratnikov osnovne frekvence, kar ima tudi posledice pri nastavitvi klavirja (stretch tuning).

Za poslušanje not harmonske serije kliknite tukaj: kliknite tukaj.