Уроки с Котиком-меломаном. №1. О звуке

12 January
Котик-меломан расскажет о звуке и его свойствах
Котик-меломан расскажет о звуке и его свойствах

Наряду с публикациями для профессионалов, Котик-меломан открывает новую рубрику - для тех, кто ещё только начинает своё знакомство с мультимедиа. В ней мы постараемся разобраться с наиболее важными вопросами, касающимися звука и музыки, света и визуальных искусств, современных творческих технологий.

Что такое звук?

Итак, начнём с самого начала: что же такое звук? Прежде всего, это объективное явление в окружающей нас природе. Заглянув в Википедию, сформулируем его традиционное определение.

Звук - физическое явление, представляющее собой волнообразное распространение механических колебаний в средах, способных восстанавливать свою изначальную форму после механических воздействий (упругих средах).

Выглядит довольно сложно и непонятно. Поэтому, да простят нас физики, проиллюстрируем этот процесс проще: источник звука ритмично "отталкивает" ближайшие к нему частицы среды (например, воздуха), а эти частицы затем "отталкивают" соседние с ними, а сами - как маятник - возвращаются назад, и так далее - по цепочке, удаляясь от места зарождения волны, пока вся энергия изначального "толчка" не растратится окончательно.

Упрощая ещё сильнее, можно отождествить источник звука с решительным гражданином, с разбегу "залетающим" в час пик в вагон метро или автобус, полный людей - частиц среды. Распространяющийся вглубь салона толчок, сбивающий с ног стоящих у входа пассажиров, а затем и их соседей, собственно, и будет аналогом звуковой волны. В этой ситуации даже природа явления та же - механическая, только масштаб значительно крупнее.

Какие же свойства звука наиболее важны для нас?

Отслеживаем "пульс" волны...

Циклические процессы, характеризующиеся плавным ростом и последующим плавным убыванием некоторого параметра, очерчивают на графике синусоиду (вот и пригодилась школьная математика!). "Путешествие" частицы среды около её точки равновесия при распространении звуковой волны в этой среде - как раз такой процесс.

Изобразим его графически. Вдоль горизонтальной оси направим время, а по вертикальной - плавно изменяющийся параметр - смещение частицы относительно исходной точки (как если бы мы наблюдали её движение сверху), измеряемое в привычных нам метрах. Красные отметки (прямо на оси времени) - точки равновесия, синие - максимальное удаление от него.

Пришедшая в движение частица на временной развёртке описывает синусоиду
Пришедшая в движение частица на временной развёртке описывает синусоиду

Похожим образом ведёт себя и график изменения давления в некоторой точке (частицы со временем плавно "сгущаются" и так же плавно "разрежаются"). На графике ниже: красная область - нормальное давление (например, атмосферное), сине-фиолетовая сверху - повышенное, а снизу - пониженное.

График, отражающий изменения звукового давления во времени называется осциллограммой, или сигналограммой.
Пример графика изменения звукового давления - осциллограммы
Пример графика изменения звукового давления - осциллограммы
Наши уши - это "датчики давления". Воспринимая пульсирующие изменения давления в среде, слух интерпретирует их как наличие звука. Сильные отклонения от нормы - как громкие звуки, а слабые - как тихие.

С осциллограммой встречается практически каждый современный музыкант. В большинстве цифровых звуковых редакторов (как двух-, так и многоканальных) именно осциллограмма визуально представляет звуковую волну. Например, на иллюстрации ниже мы видим такую визуализацию в приложении Ocenaudio.

В "рабочем" масштабе тонкая линия осциллограммы сливается в "сплошную" фигуру
В "рабочем" масштабе тонкая линия осциллограммы сливается в "сплошную" фигуру
При увеличении масштаба волна выглядит как кривая на графике
В "рабочем" масштабе тонкая линия осциллограммы сливается в "сплошную" фигуру

Отличие графиков в компьютерных программах от первых двух, что мы построили ранее, лишь в масштабе. При работе с музыкальными фонограммами и звуковыми фрагментами мы обычно "умещаем" на экране сразу десятки секунд (а то и минут), и тонкая линия графика попросту сливается в "сплошную" закрашенную фигуру с зазубренными краями. Стоит лишь сделать масштаб крупнее, и фигура превратится в синусоидальную "пружинку".

"Светомузыка" спектра

Громкость - не единственная значимая характеристика звука. Удары коробки об пол и виртуозный скрипичный пассаж могут иметь одинаковую громкость, однако воспринимаем мы их совершенно по-разному. Почему же?

Да, для двух этих звуков частицы будут отклоняться от точек равновесия на одинаковое расстояние, но делать это они будут с различной частотой: какие-то - быстрее, а какие-то - медленнее.

При этом одновременно колебаться будет большое число частиц, и, в зависимости от сложности устройства источника и материала, из которого он состоит, колебаться эти частицы будут с различными частотами.

Набор частот, который присутствует в звучании, называют спектром. Музыканты отождествляют его с понятием "тембр".

Таким образом, присутствие различных частот соответствует по-разному воспринимающимся "оттенкам" звука, а изменения громкости делают его при этом более или менее "выразительным".

Самая низкая частота звука, доступная человеческому уху, - около 20 колебаний в секунду (20 Герц), самая высокая - порядка 20 000 (20 кГц). Поэтому горизонтальная ось графика спектра обычно ограничена именно этим диапазоном. По-вертикали же отмечается амплитуда изменения давления, относящаяся к частицам, колеблющимся с соответствующей частотой.
Пример графика спектра
Пример графика спектра

В музыкальных программных средствах график спектра чаще всего представлен в одном из 2 видов:

  1. как непрерывная линия - отображающий частотный состав звука очень детально и позволяющий сконцентрировать внимание на конкретных узких диапазонах,
  2. как столбчатая диаграмма - объединяющий данные о широких спектральных полосах в единый столбец и наглядно демонстрирующий общую тембральную картину и её динамику.
Непрерывная кривая в анализаторе спектра SPAN от Voxengo
Непрерывная кривая в анализаторе спектра SPAN от Voxengo
Столбчатая диаграмма в анализаторе спектра AnSpec от Voxengo
Непрерывная кривая в анализаторе спектра SPAN от Voxengo

"Столбчатое" представление спектра получило, пожалуй, наиширочайшее распространение в среде любителей музыки: "весело прыгающие" столбики очень украшают "суровый" вид и домашних Hi-Fi проигрывателей, и автомобильных магнитол, и мультимедийных приложений-плееров для компьютера (например, визуализация "Spectrum" в популярном VLC от Videolan). Для большей наглядности и "презентабельности" столбцы (в особенности - их пиковые "полоски") часто реализуются в яркой и насыщенной цветовой гамме - как огни дискотеки.

Визуализация "Spectrum" в медиаплеере VLC от Videolan
Визуализация "Spectrum" в медиаплеере VLC от Videolan

Подведём итоги

  1. В среде, где по какой-то причине "пульсирует" давление, возникает звук. Чем шире амплитуда этих изменений давления, тем громче звучание в нашем восприятии.
  2. Мы способны слышать его (т.е. воспринимать ушами), если частоты колебаний частиц среды лежат в диапазоне от 20 до 20 000 Герц.
  3. Набор частот, который мы слышим в звучании, называется спектром и отображается на графике спектра.
  4. Музыканты называют спектр тембром и зачастую характеризуют его очень образно: "тёплый" или "холодный", "чистый" или "грязный", "острый" или "глухой", "пронзительный", "красочный", "тусклый"... А те или иные участки частотных диапазонов они соотносят с различными тембральными красками.
  5. При этом различная амплитуда способствует выделению одних звучаний на фоне других, придаёт тембральным краскам "контрастность".

С чем ещё познакомят на курсах в школе AVEAL?

  • Ещё с 3 определениями понятия "звук". Заинтригованы?
  • С ещё одним удивительным графиком, отражающим спектральный состав фонограммы, а также методами анализа звука с его помощью. В некоторых случаях по нему можно даже определить инструментальный состав, тип голоса вокалиста и музыкальный жанр, не включая воспроизведение трека!
  • С особенностями распространения звуковых волн в пространстве.
  • С особенностями восприятия звука человеком.
  • С акустическими свойствами человеческой речи и вокала.
  • С разницей между "музыкальными" звучаниями и шумами.
  • С процессом оцифровки звука (несколькими вариантами) и разницей между "аналогом" и "цифрой".
  • И даже со звуковыми файловыми форматами и алгоритмами сжатия аудио - в мельчайших деталях!

Добро пожаловать в школу AVEAL к Котику-меломану! У нас есть:

  • курсы звукорежиссуры,
  • курсы звукового дизайна,
  • курсы по программированию звука и музыки,
  • курсы по постановке голоса, вокалу и американской фонетике,
  • индивидуальные программы по звуку и мультимедиа.

У нас учатся онлайн в режиме живого общения с преподавателем, а питерцы - ещё и в группах до 6 человек в 5 минутах пешком от метро. Узнаём подробнее и записываемся тут или пишем на aveal.school@yandex.ru! =^_^=

А если понравилась статья, ставьте "лайки" и подписывайтесь : скоро будут новые!

За Котика-меломана сегодня: Кибиткина Э.В.