на початок

Тема 3.
Теоретичніаспекти роботи зі звуком

 

Оскільки предмет музичноїінформатики передбачає головним чином опанування технологій роботи зі звуком,то ми вважаємо за необхідне присвятити окремий розділ природі звуку тапринципам звукозапису. Хоча цей розділ є суто теоретичним, ми вважаємо, що длятого щоб опанувати програмне забезпечення, бажано мати хоча б загальні уявленняпро сутність звукових процесів, а також і сутність тих процесів, щовідбуваються в електронному "мозку” комп’ютера.

 

Фізична природа звуку

Спочатку розглянемо природу звукута спробуємо відповісти на питання, яким чином можна зафіксувати звук з тим,щоб потім його відтворити, а можливо й обробити його. Звернемося до курсуфізики й пригадаємо основні властивості звуку.

Яквідомо, звук – це коливальний рухчастинок пружного середовища, що поширюється у вигляді хвиль у газоподібному,рідкому чи твердому середовищі. Ці коливання сприймаються органами слуху людини і тварин. Це суб’єктивне відчуття такожназивається звуком, у вузькому смислі слова.

Зупинимося трохи детальнішена тому, яким чином розповсюджується звук через повітря.

Як відомо, повітря являєсобою суміш газів, переважно азоту (77%) та кисню (21%), а якщо б ми моглирозглянути його через мікроскоп, то ми б побачили незліченну кількість молекул,що хаотично рухаються, час від часу вдаряючись одна об одну з величезнимишвидкостями – близько 330 м/с. Причому, чим швидше рухаються молекули, тим вища температура повітря, ачим ближче молекули опиняються однавід одної, чим щільніше вони згуртовуються – тим більший тиск повітря, абоатмосферний тиск. Це загальна закономірність.

Загалом молекули газів маютьвластивість розташовуватись достатньо рівномірно у просторі, тому, наприклад,атмосферний тиск у сусідніх кімнатах буде однаковим. Проте як тільки в повітріпочне рухатися якесь тверде тіло, наприклад, їхатиме автомобіль – він відштовхуватимемолекули газів, а відтак у повітрі з’являтимуться області, де молекули розташовуватимутьсящільніше, тобто тиск буде трішки вищим, ніж навколо. Напевно всім доводилосьспостерігати, як камінь, кинутий у воду утворює на водній поверхні хвилі, що розходятьсяу різні сторони. Подібний процес відбувається й у повітрі, приміром, якщоколиватиметься дзвін або струна гітари – навколо неї у різні сторони хвилямирозходитимуться області повітря зі щільніше розташованими одна від одноїмолекулами, а відтак – з більшим атмосферним тиском.

Щоправда на відміну відхвиль на поверхні води, звукові коливання поширюються значно швидше. Загаломшвидкість звуку залежить від речовини, в якій він поширюється, а точніше від їїфізичних властивостей – наприклад, по залізних трубах звук поширюється зішвидкістю 5 850 м/с, по дереву – 3 320 м/с, у воді – 1 480 м/с.У газоподібному середовищі швидкість поширення звуку визначається швидкістю, зякої рухаються його молекули. У повітрі, наприклад, швидкість звуку становитьвід 325 м/с при температурі -10 ˚С (і менше при нижчих температурах) до 349 м/спри температурі +30 ˚С (і вище при вищих температурах). Швидкість звукупевним чином позначається й на його акустичних властивостях, ось чому, наприклад,взимку музиканти-духовики остерігаються грати на своєму інструменті, аж допокиінструмент "не нагріється”. 

Порівняємоакустичні коливання, тобто звук, з електромагнітними, тобто тими коливаннями,що лежать в основі таких явищ, як радіохвилі та видиме нами світло. З одногобоку ці коливальні процеси мають багато спільних властивостей, таких,наприклад, як дифракція та інтерференція, можливість поглинання, заломлення тавідображення. Проте є й суттєва різниця, на якій нам слід акцентувати увагу.По-перше, якщо звук може поширюватися тільки в пружних середовищах, але не можепоширюватися у вакуумі, то світло якраз у вакуумі поширюється найліпше –завдяки цьому ми можемо побачити усі "найгучніші”, у прямому сенсі, процеси, щовідбуваються на Сонці, однак не можемо їх почути. Крім того світло поширюєтьсязі швидкістю 299 792 км/с, тобто у мільйон разів швидше ніж звук у повітрі –ось чому, приміром, ми спочатку бачимо блискавку, а потім чуємо грім. Напрактиці, в межах нашої планети поширення світла можна вважати миттєвим[1].А от відносно невелика швидкість поширення звуку стає помітною вже приневеликих відстанях і лежить в основі ряду властивостей, які обов’язковоберуться до уваги звукорежисерами. Ми їх розглянемо в наступних розділах.

 

Характеристики звуку

 

Коли музиканти говорять прозвук, то основними його властивостями вважають висоту, тембр та гучність. Щоявляють собою ці властивості з точки зору фізики?

 

Висотазвуку

 

Висота звуку залежить від частоти коливань. Вухо людини здатне відчутизвукові коливання частотою приблизно від 20 Гц[2]до 18 000 Гц. Приведемо приклади – коли скрипаль проводить смичком повідкритій струні "Ля”, вона починає коливатися з частотою 440 коливань насекунду, ми сприймаємо ці коливання як звук ля першої октави. З трохименшою частотою – 200-300 разів на секунду змахують своїми крилами мухи впольоті – їх політ ми чуємо як неприємне гудіння десь у малій або першійоктаві.

Звук із частотою, щовиходить за межі цього діапазону наше вухо не здатне сприймати, коливання дужевисокої частоти (понад 20 кГц) називаються ультразвуком, а дуже низької(до 16 Гц) – інфразвуком. У музичній практиці застосовується дещо вужчийдіапазон – від 27 Гц (ля субконтроктави) до 4,1 кГц (до п’ятої октави).Це пояснюється тим, що інтервальний компонент музичного звуку сприймається лишев цих межах. Проте частоти вищі за 4 кГц залишаються ко­рисними для музиканта –саме вони визначають тембр звуку.

 

Тембрзвуку

 

Тембр звуку залежить відформи звукових коливань. В найпростішомувипадку коливання можуть приймати синусоїдальну форму – тоді ми говоримо про простийтон, він позбавлений, як такого, тембру і для музичного мистецтвавважається невиразним. Переважна ж більшість звукових сигналів мають доситьскладну форму, що представлено на малюнках нижче (мал. 5-6, 8-10). 

       

  

 

 

 

Для музичних цілейскладний звук корисно представити у вигляді суми простих тонів, або розкластина спектр. Детально цей процес ми опишемо при розгляді аудіоредакторів, атут обмежимося лише загальними зауваженнями. Звуки з "визначеною висотою”, зокремаце звуки струнних, духових і деяких ударних інструментів, вважаються складнимитонами, вони мають досить чітко окреслений основний тон, а такожгармоніки, які утворюють з основним тоном кратні, або близькі до кратних[3]відношення (2:1, 3:1 і т.д.).

Появу обертонів пояснюють тим,що, наприклад, струна коливається не тільки повністю, але й частинами – двомаполовинами, трьома третинами тощо (мал. 7). Подібне відбуваєтьсязі стовпом повітря в духових інструментах.

Іноді співвідношення гармонікі зовсім не вкладається в ряд простих чисел, а основний тон може бутипредставлений нечітко. Якщо при цьому звук не розпадається на співзвуччя, зберігаючисуб’єктивну цілісність, то можна говорити про мультифонічний тон – такимиє звуки ряду ударних інструментів, насамперед, дзвонів. Мультифонічні тониможна видобути на язичкових дерев’яних інструментах, також вони використовуютьсяв сучасній електронній музиці.

 І, нарешті, шумиявляють собою неперіодичні звукові коливання. Їх спектр відрізняється рівномірністю,тобто виділити у шумовому звуці певний гармонічний ряд неможливо.

 

Гучність звуку

 

Наступна важливахарактеристика – гучність звуку залежить від амплітуди звуковихколивань. Річ у тім, що проходження звукових хвиль у повітрі зумовлюютьколивання атмосферного тиску, які розглядають як звуковий тиск. Виражений водиницях тиску – Паскалях звуковий тиск може сягати від 2∙10^-5 Падля найтихіших, ледь відчутних звуків (так званий поріг гучності)до 100 Па для найгучніших, ледьстерпних для людини звуків (так званого больового порогу).Звуковий тиск, більший за цю величину є небезпечним для органів слуху.

·                  Для орієнтації нагадаємо, щоатмосферний тиск на теренах України коливається в межах приблизно від 99 700Па, при проходженні циклонів, і до 103100 Па[4]– при проходженні антициклонів, тобто чисельно коливання атмосферного тиску вдесятки разів переважають коливання, спричинені найгучнішими звуками, проте викликанікліматичними чинниками перепади тиску відбуваються протягом кількох діб або йтижнів, тоді як звукові – упродовж долей секунди.

 

В акустиці ж для зручностівикористовують логарифмічну шкалу, а рівень тиску вимірюють у децибелах, dB[5].Це пов’язано з тим, що суб’єктивно вухо людини має логарифмічнухарактеристику реакції на звук, тобто, наприклад, посилення гучності у дварази відповідають зростанню тиску на 100 Па, у три рази – 1000 Па і так далі. Точкоювідліку при цьому вважають найтихіші чутні людиною звуки, які вважаютьсярівними 0 дБ. Стисло множину звуків, з якими ми стикаємося щоденно та їхгучності можна представити таблицею:

 

                                        

Звук	Звуковий тиск	Рівень   гучності
Реактивний двигун на відстані 30 м	630 Па	150 дБ
Больовий поріг	20 – 100 Па	120 – 130 дБ
Концерт рок-музики	2 – 20 Па	100 – 120 дБ
Симфонічний оркестр на фортіссімо	2×10−2 – 2 Па	80 – 100 дБ
Автомобіль на відстані 10 м	2×10−2 – 0,2 Па	60 – 80 дБ
Звичайна розмова на відстані 1 м	2×10−3 – 2×10−2 Па	40 – 60 дБ
Тихий шепіт	2×10−4 – 6×10−4 Па	20 – 30 дБ

 

Крім того, суб’єктивногучність звуку залежить від його висоти. Як показує експеримент, при рівнихпоказниках інтенсивності, найгучнішими нам уявляються хвилі на частотах 1-4 кГц,тоді як звуки такої ж інтенсивності але на частотах, близьких до границьдіапазону, наприклад, у басовому регістрі, суб’єктивно сприймаються тихішими.Цю залежність можна зобразити графічно у вигляді "кривих рівної гучності”[6](мал. 11). Фон- одиниця рівня гучності,аналогічна децибелам, проте із поправкою на суб’єктивні особливості слуху.

Мал.11 Криві рівної гучності

Інші характеристики

Хоча в класичній акустиці,як і класичній теорії музики, характеристики звуку визначаються цими трьомапоказниками – висотою, тембром та гучністю, вважаємо за необхідне зробити двадодаткових зауваження.

По-перше, звук єдинамічним процесом, тобто його характеристики постійно змінюються учасі. Наприклад, звук, відтворений на фортепіано, поступово затухає, тобтозменшує свою гучність, а частково і тембр, вібруючий звук у хорошого скрипалящомиті змінює свої як динамічні, так і звуковисотні характеристики. Більшетого, секрет "живого”, зворушливого звуку полягає саме у його мінливості, утонких, іноді ледь відчутних, але постійних змінах його характеристик; інавпаки – статичний, одноманітний звук справляє враження штучного, ніякого. Проце слід пам’ятати як інструменталістам, так і музикантам-електронникам.

По-друге, людське вухоздатне визначити також і напрямок джерела звуку, або, іншими словами, просторовулокалізацію звуку. У класичній музиці просторова локалізація вирішуваласьрозташуванням музикантів на сцені, а також акустикою концертних залів, вонарідко була предметом уваги, хоча іноді композитори заради спеціального ефектупредписували розташування інструменталістів, наприклад, за сценою чи у кінцізалу. Для сучасних аранжувальників і режисерів просторова локалізація звуку єпредметом особливої уваги, про що ми поговоримо пізніше.