Müzikten önce fizik gelir. Ses, madde içinde yayılan mekanik dalgalardır. Bunu anlamak, her şeyi anlamaktır.
SESİN FİZİĞİ
Ses mekanik bir dalgadır: enerjiyi bir parçacıktan diğerine aktararak bir ortam içinde yayılan bir titreşimdir. Bir cisim titreştiğinde çevresindeki ortamda art arda sıkışma (yüksek basınç) ve seyrelme (düşük basınç) bölgeleri oluşturur. Bu basınç değişimleri, hızı ortamın yoğunluğu ve esnekliği tarafından belirlenen bir hızla her yöne doğru yayılır. 20 santigrat derecedeki havada ses saniyede yaklaşık 343 metre, suda yaklaşık 1.480 m/sn, çelikte ise 5.000 m/sn'nin üzerinde bir hızla ilerler. 19. yüzyıl fizikçisi Hermann von Helmholtz, dönüm noktası niteliğindeki Ton Duyumları Üzerine (1863) adlı eserinde bu fiziksel titreşimlerin müzikal olgulara nasıl karşılık geldiğini ilk kez bilimsel titizlikle açıkladı ve akustik ile psikoakustikte sonradan gelen her şeyin temelini attı.
FREKANS, GENLİK VE DALGA BOYU
Her ses dalgasını üç özellik tanımlar. Hertz (Hz), yani saniyedeki titreşim sayısıyla ölçülen frekans, ses yüksekliği (perde) olarak algıladığımız şeyi belirler. Normal insan işitmesi yaklaşık 20 Hz ile 20.000 Hz (20 kHz) arasındadır. 20 Hz'in altında infrases bulunur: bedende hissedilir ama bilinçli olarak bir ton gibi algılanmaz; bir konser salonundaki org borusunun en pes sesi ya da bir depremden önceki alçak uğultu buna örnektir. 20 kHz'in üzerinde ise ultrases vardır: tıbbi görüntülemede kullanılır, yarasalar onunla yön bulur, ama insan algısına kapalıdır. Yaşlandıkça işitmenin üst sınırı genellikle düşer; 50 yaşındaki biri 14 kHz'in üzerini nadiren duyar. Bu biyolojik gerçeğin müzik prodüksiyonu ve dinleme açısından önemli sonuçları vardır.
Basınç değişiminin büyüklüğü olan genlik, ses şiddetini belirler. Ses basınç düzeylerini, insan işitmesinin çok geniş dinamik aralığını yansıtan logaritmik bir ölçek olan desibelle (dB) ölçeriz. Sessiz bir kütüphane yaklaşık 30 dB, normal konuşma 60 dB, bir hilti 100 dB, yakın mesafeden bir jet motoru ise 140 dB'dir. Uzun süreli maruz kalmada işitme hasarının kritik eşiği yaklaşık 85 dB'dir. Bu tıbbi ve toplumsal açıdan önemli bir gerçektir, çünkü ortalama bir gece kulübü 95-100 dB'de çalışır ve küçük odalarda prova yapan müzisyenler bu eşiği düzenli olarak aşar. ABD Ulusal Sağırlık ve Diğer İletişim Bozuklukları Enstitüsü (NIDCD), gençlerin yüzde 17'sinde bir ölçüde gürültüye bağlı işitme kaybı olduğunu tahmin etmektedir.
Art arda gelen sıkışmalar arasındaki fiziksel mesafe olan dalga boyu, frekansla ters orantılıdır. 20 Hz'lik bir dalganın boyu yaklaşık 17 metre, 20.000 Hz'lik bir dalganınki ise 2 santimetreden kısadır. Bu farkın akustikte pratik sonuçları vardır: pes sesler engellerin çevresinden kolayca dolanır ve onları emmek ya da yönlendirmek için büyük yapılar gerekir. Konser salonu tasarımı, bas ve tiz frekansların birbirinden çok farklı davranışını hesaba katmak zorundadır.
STANDART KONSER PERDESİ
Batı müziğinde orta do'nun üstündeki la (La4) tam olarak 440 Hz'de titreşir. Bu standart Uluslararası Standardizasyon Örgütü (ISO 16:1975) tarafından belirlenmiş, orkestralar ve elektronik akort cihazları tarafından evrensel olarak benimsenmiştir. Her oktav frekansın tam olarak iki katına çıkması demektir: La3 = 220 Hz, La5 = 880 Hz, La6 = 1.760 Hz. Oktav adı verilen bu iki kat ilişkisi keyfi değildir; titreşen tellerin ve hava sütunlarının fiziksel bir özelliğini yansıtır. Bir tel temel frekansında titreşirken aynı anda bu frekansın 2, 3, 4 ve daha yüksek katlarında üst sesler de üretir. 2 kat üst ses (oktav) temel sesle o kadar uyumludur ki neredeyse bütün müzik kültürlerinde bir oktav arayla duyulan notalar aynı ses sınıfı olarak algılanır.
HARMONİKLER, ÜST SESLER VE TINI
Tını, aynı notayı aynı şiddette çalan bir piyanoyu bir kemandan ayıran niteliktir. İki çalgı da aynı temel frekansı üretir, ama üst ses yapıları kökten farklıdır. 440 Hz'de titreşen bir keman teli aynı anda 880 Hz, 1.320 Hz, 1.760 Hz ve daha yukarıda kısmi sesler üretir; bu kısmi seslerin göreli genlikleri çalgının fiziksel yapısına özgüdür. Piyano ise farklı bir üst ses tayfı üretir. İnsan beyni sesin kaynağını tanımak için bu üst ses yapılarını karmaşık bir biçimde çözümler.
John Pierce, The Science of Musical Sound (1983) adlı kitabında bu süreci açıkça anlatır: işitme korteksi yalnızca tek bir frekansı kaydetmez, gelen sesi bileşen frekanslarına ayırır; bu biyolojik bir Fourier analizidir. Eğitimli bir müzisyenin, düzinelerce çalgı aynı anda çalarken bile tam bir orkestranın içinden obuayı seçebilmesinin nedeni budur. Tını bilimi, çalgı yapımcılarının malzemeye neden bu kadar takıntılı biçimde önem verdiğini de açıklar: bir Stradivarius keman modern bir çalgıdan farklı bir üst ses profili üretir, çünkü ahşabın yoğunluğu, verniğin kimyası ve yapım geometrisi farklı titreşim kipleri doğurur.
İNSAN KULAĞI VE PSİKOAKUSTİK
Ses algısı üç aşamada gerçekleşir. Dış kulak ses dalgalarını kulak zarına yönlendirir. Orta kulak (kulak kemikçikleri: çekiç, örs ve üzengi) bu titreşimleri mekanik olarak güçlendirip iç kulağa iletir. Salyangoz (koklea), baziler zar boyunca dizilmiş yaklaşık 15.000 tüy hücresi içerir; her biri belirli bir frekans aralığına ayarlıdır: tiz frekanslar tabanda, pes frekanslar tepede algılanır. Uyarıldıklarında bu hücreler mekanik titreşimi elektrik sinyallerine çevirir ve işitme siniri yoluyla beynin işitme korteksine iletir.
Beynin fiziksel sesi nasıl yorumladığını inceleyen psikoakustik, algımızın akustik gerçekliğin basit bir kaydı olmadığını ortaya koyar. Beyin eksik bilgiyi tamamlar: karmaşık bir sesin temel frekansı yoksa bile onu üst seslerinin örüntüsünden yine de algılarız ("eksik temel ses" olgusu). Genlikleri aynı olsa bile iki notanın şiddetini frekanslarına bağlı olarak farklı algılarız (Fletcher-Munson eşit ses yüksekliği eğrileri). Thomas D. Rossing'in The Science of Sound (3. baskı, 2002) adlı kitabında belgelediği gibi, müzik deneyimi fiziksel sinyalin bir yansıması olduğu kadar algılayan zihnin bir kurgusudur. Akustik gerçeklik ile algısal deneyim arasındaki bu ayrımı anlamak, farklı müzik kültürlerinin armoni, akort ve tını konusunda neden farklı seçimler yaptığını anlamanın temelidir.