Конспекты к теории звука

syg.ma team23/10/19 09:068K🔥

Резиденты сообщества SoundArtist.ru, преподаватели Московской студии экспериментального звука и мультимедиа технологий SA))_studio Виктор Черненко и Александр Сенько составили прозрачный гид по базовым понятиям, характеризующим феномен звука. В материале ниже показан возможный вход в мир свободного звукового творчества. Это не методическое пособие для подготовки к экзаменам и не научная статья.

С 26 октября по 10 ноября 2019 года (по выходным) они также будут читать цикл лекций «Теория звука: ликбез» в галерее «Ходынка». Цикл в доступной форме введет слушателей в круг основных понятий, важных для современной работы со звуком. Будет полезен практикующим художникам и музыкантам, а также тем, кто хочет разбираться в устройстве звука.

Звук. Волна

Сперва разберемся с тем, что такое звук. Звук — распространение механических колебаний (волн) в упругой среде. Волна — это периодические отклонения частиц, например, молекул газов, составляющих воздух, от состояния равновесия. При отклонении частицы толкают своих соседей, те передают этот импульс дальше и так далее. Упругость среды не позволяет колеблющимся частицам разлетаться во всех направлениях, они колеблются вокруг некоторого центра. В результате возникают периодические колебания, которые наше ухо воспринимает как звук.

Характеристики звука

Звук распространяется не только в воздухе. Вода также является упругой средой, поэтому вполне можно себе представить подводную музыку. Да и твердые тела такие как железобетон проводят звук. Структурный шум — страшный раздражитель всех проектировщиков студий звукозаписи. Для того, чтобы изолировать студийное помещение от такого вида помех, применяется много хитрых приемов, например, так называемый плавающий пол.

Периодические функции

Как представить звук на бумаге или в памяти компьютера? Первое, что пришло в голову физикам — поставить на пути распространения волны легкую пластину, связанную с грифелем, который будет рисовать форму волны на бумаге. В результате мы получили кривую, представляющую собой зависимость отклонения частиц среды от времени. В математике так изображают функции.

Поскольку частицы среды периодически колеблются вокруг состояния равновесия, самые распространенные функции при исследовании звука — периодические. Самой известной из них является синусоида. Как видно из графика, определенное значение по вертикальной оси повторяется через фиксированные промежутки времени. Последние и называются периодом функции. А количество повторений в единицу времени — частотой. Чем больше колебаний воздушной среды происходит в секунду, тем более высоким мы воспринимаем получающийся звук.

Высота и громкость звука

Максимальное значение синусоиды по вертикали имеет отношение к громкости звука. Однако, зависимость между физическими параметрами и нашими ощущениями от звука далеко не линейны. Конечно, чем больше размах графика функции (амплитуда) по вертикальной оси, тем громче нам будет казаться звук. Но если мы увеличим это значение в два раза, это не значит, что мы услышим звук в два раза более громкий. Человеческое восприятие нелинейно, поэтому увеличение амплитуды в два раза воспринимается на слух как увеличение громкости на одно деление нашей субъективной шкалы громкости.

Восприятие частоты звука тоже нелинейно. Музыкальный интервал октавы нами воспринимается как равный по высоте, вне зависимости от того, в какой части клавиатуры фортепиано мы берем октаву. Но разница частот между октавными звуками в нижней части клавиатуры меньше, чем в верхней. Для человеческого слуха важна не разница частот, а их отношение. Последнее в случае октавы всегда остается постоянным, частота ноты «до» первой октавы в два раза меньше, чем частота «до» второй октавы. Последняя в два раза меньше частоты «до» третьей октавы и т. д. Чтобы наше восприятие уловило разницу, физические единицы (амплитуду, частоту) надо не складывать, а умножать.

Отношения частот нот по октавам — Отношения частот нот по октавам

Тембр

Если извлечь одну и ту же ноту с одинаковой громкостью на двух разных инструментах, например, на гитаре и флейте, то на слух эти звуки будут различаться друг от друга. Это происходит из–за того, что каждый инструмент, человеческие голоса и другие источники звука обладают своим тембром. Тембр означает качество звука, окраску звука. Когда говорят, что звук мягкий, густой, резкий, звенящий, то говорят именно о тембре звука. Вы можете по голосу узнать своего знакомого, потому что тембр его голоса не похож на тембр других людей. Различие тембров объясняется тем, что у каждого звука есть так называемые добавочные звуки (призвуки). Их называют обертонами. Образуются обертоны вследствие сложной формы звуковой волны. Чем больше обертонов добавляется к основному тону, тем «сочнее» звук в музыкальном отношении.

Обертоны, которые превышают основной тон в кратных отношениях (2:1, 6:1 и т.д.) называют гармоническими обертонами или гармониками. Частотный состав звука выражается звуковым спектром, который получается в результате анализа. Спектр звука представляют обычно на координатной плоскости, где по оси абсцисс отложена частота, а по оси ординат — амплитуда или интенсивность гармонической составляющей звука с данной частотой.

Гармонические составляющие некоторых инструментов

Тембр звука зависит от конструкции, материала, формы того или иного музыкального инструмента; от того, каким способом он создаётся: колебанием струны или столба воздуха; каким путём вызывается: смычком, медиатором, пальцем, ударом молоточка.

При восприятии тембров обычно возникают различные ассоциации, например, звуки называют яркими, блестящими, матовыми, тёплыми, холодными, глубокими, полными, бочковатыми, резкими, насыщенными, бархатными, сочными, металлическими, стеклянными, серебристыми, хрустальными; применяются и собственно слуховые определения (например, звонкие, глухие, шумные).

При помощи тембра можно выделить тот или иной компонент музыкального целого, усилить или ослабить контрасты; изменение тембров — один из элементов музыкальной драматургии.

Некоторые музыкальные инструменты, например гитара, позволяют извлекать звуки одинаковой высоты на разных струнах, обладающих различной толщиной и вследствие этого отличающиеся по тембру, что используется как дополнительное средство музыкальной выразительности.

Аналоговый и цифровой звук

Аналоговый звук — механические или электромагнитные колебания, которые превращаются в непрерывный электрический сигнал и далее в акустические колебания.

Современные компьютеры позволяют работать со звуком, который, как и любые другие данные, хранится в памяти компьютера в виде цепочек битов — последовательностей нулей и единиц. Таким образом, цифровой звук — это основной принцип хранения информации в памяти цифровых устройств (компьютеров). При кодировании звуковой информации непрерывный сигнал заменяется дискретным, превращаясь в последовательность электрических импульсов (двоичных нулей и единиц).

Запись звука происходит через микрофон, который создает непрерывный электрический сигнал, а воспроизведение через динамики, которые звучат также под действием непрерывного электрического сигнала. Происходит преобразование аналоговой формы представления звука в дискретную и обратное преобразование. Первый процесс называется аналого-цифровым преобразованием (АЦП), второй — цифро-аналоговым преобразованием (ЦАП).

Запись и воспроизведение звука

Фактически все, что необходимо для фиксации звука, мы уже знаем. Помните, как рисуется график колебаний воздуха? Необходимо только заменить карандаш на иглу, а бумагу на материал типа воска или пластилина, который должен быть достаточно пластичен, чтобы игла продавливала в нем углубления. Так был устроен первый прибор для фиксации звука — фонограф Эдисона. Фиксирующий материал нанесен на валик, совершающий вращательно-поступательные движения относительно иглы, в результате чего на валике образуется как бы спиральная звуковая дорожка.

Воспроизведение представляет собой обратный процесс: игла при скольжении по углублениям звуковой дорожки передает колебания на мембрану, которая создает воздушные колебания, усиливаемые раструбом. Проблема износа несущего материала преследовала инженеров звукозаписи с момента изобретения фонографа. Со временем звуковую дорожку, записанную механическим методом, научились отпечатывать на более прочном носителе — шеллаке. Так появились граммофонные пластинки — настоящий символ музыки XX века (до сих пор не сдающий позиции у любителей качественного звука).

Как ни странно, бурный рост звукозаписи происходил почти без участия электричества: в качестве усилителя мощности звука при записи и воспроизведении использовался железный раструб, почти такой же, как в мегафонах. Дело в том, что в эпоху развития граммофонной индустрии электронная техника находилась только в начале своего пути: когда только-только был изобретен электронной усилитель мощности сигнала, граммофоны звучали уже давно. Естественно, эти две области вскоре объединились. Механическая запись улучшила точность фиксации звука, а позже был изобретен способ магнитной звукозаписи.

Были сконструированы переменные магниты, характеристика поля которых менялась в зависимости от силы тока, подаваемого на вход магнита. С помощью некоторых дополнительных преобразований такая система из микрофона, усилителя и переменного магнита может создавать в магнитном материале, протягиваемом мимо магнита, электронный отпечаток (или, лучше сказать, развертку во времени) звукового сигнала, действующего на мембрану микрофона. Такой способ фиксации информации до сих пор очень широко распространён: на нем построено действие постоянных запоминающих устройств компьютеров — «винчестеров».

Возникновение фиксации звука повлияло на все аспекты существования музыки: популярные песни стали подгонять под длину, которую можно уместить на одной стороне пластинки (изначально это было не больше трех минут), музыка стала доступна гораздо большему количеству людей, которые раньше в силу отсутствия времени, денег или удаленности от культурных центров не могли посещать престижные концертные залы. Магнитная звукозапись также привела к возникновению новых способов работы с музыкальным материалом — монтаж записи, наложение нескольких предзаписанных сигналов, обратное проигрывание, изменение скорости (и соответственно, высоты звука) — все эти средства пришли в арсенал музыкантов-экспериментаторов именно с распространением магнитной записи. В основном, этот процесс шел после окончания Второй мировой; именно тогда возникают такие направления как tape music, musique concrète, а молодые композиторы и звуковые художники, такие как Пьер Шеффер и Карлхайнц Штокхаузен, получают возможность соединять возможности предзаписанных звуков с живыми инструментами.

С развитием компьютерной техники начались попытки ее использования в качестве средства сохранения музыкальной информации. Перевод аналогового сигнала в цифровую форму осуществляется периодическими замерами уровня сигнала и сохранением полученных значений в память компьютера. Первоначально объем и быстродействие компьютерной памяти не позволял хранить записанный подобным образом звук. Но с развитием технологии цифровой звук все больше становился основным средством фиксации и обработки.