Тембр звука

Что отличает звук фортепиано от звука другого инструмента, хотя у каждого есть способность извлекать высокие и низкие, громкие и тихие звуки? Все объясняется довольно просто: реальные звуки представляют из себя созвучия, состоящие из нескольких простых волн. От комбинаций этих волн и зависит тембр инструмента.

У каждого созвучия есть основной тон - волна определенной частоты, которая имеет наибольший уровень. Например, у ноты «Ля» первой октавы эта волна имеет частоту 440 Гц. Но вместе с ней звучат и другие волны, частота которых в 2, 3, 4 раза и т.д. выше, чем у основного тона (вы уже знаете, что эти звуки располагаются через октаву). В музыке они называются обертонами. В акустике принята немного другая терминология. И основной тон, и обертона называются гармониками и имеют порядковый номер в зависимости от высоты: основной тон — первая гармоника, первый обертон — вторая гармоника и т.д.

Чуть позже мы познакомимся с устройствами (и программами) корректировки звука, которые называются эквалайзерами. Они работают по принцип понижения или повышения уровня тех или иных частотных полос, то есть с их помощью можно менять уровень тех или иных гармоник и, соответственно изменять тембр.

Стоячие волны и резонанс

Звуковая волна, которая встречает на своем пути перпендикулярную твердо поверхность (например, стену), отражается от нее и возвращается по тому ж самому пути. Две волны движущиеся в противоположные стороны способны производить так называемые стоячие волны, которые окрашивают звук новыми гармониками (то есть изменяют тембр звука). Например, в замкнуто прямоугольном помещении стоячие звуковые волны находятся точно посередине комнаты. И если вы встанете в это место, то услышите, как изменился звук (чаще всего в худшую сторону).

Если длина волны источника звука становится кратна длине помещения, то фаза отраженной волны совпадает с фазой прямой волны, в результате чего происходит их взаимное усиление. А так как в прямоугольном помещении звук отражается от стен несколько раз, то происходит многократное усиление громкости звука. То есть, возникает воздушный резонанс — частный случай стоячей волны.

Любое помещение имеет некую критическую частоту звука, при которой возникает резонанс. Причем у помещений с разными геометрическими размерами будут разные критические частоты. Эту частоту называют частотой резонанса. Резонанс чаще всего возникает именно на низких частотах, так как длина волны низких звуков сравнима с длиной и шириной помещения. Кстати, бас-гитаристы, репетирующие дома, отлично знакомы с таким эффектом: некоторые взятые на инструменте ноты неожиданно усиливаются при этом начинают угрожающе звенеть стекла в окнах и шкафах.

Резонанс в большинстве случаев явление крайне неприятное. Поэтому в музыкально используемых помещениях с ним борются всеми возможными способами. Например, ликвидируют параллельные поверхности — студийно комнаты очень часто проектируются таким образом, что все углы имеют величину больше 90 градусов. Однако резонанс не всегда бывает вреден. В духовых инструментах и органах это явление используют для усиления звука получения характерного тембра.

А теперь перейдём к вопросу записи и обработки звука.

Для того чтобы тот или иной звук передать на большое расстояние, механические звуковые колебания преобразуются в электрические (например, периодическое изменение давления преобразуется в такое же изменение электрического напря-жения). Используя свойства электромагнетизма, эти электрические колебания можно достаточно точно отобразить на магнитной ленте. В зависимости от напря-жения, поступающего на записывающую головку магнитофона, разные участки магнитной ленты намагничиваются в различной степени (разное количество маг-нитных частичек переориентируется под действием магнитного поля). В результате на магнитной ленте мы получим некий, образно говоря, “магнитный график”, являющийся точным аналогом первоначальных звуковых колебаний. Подобный метод записи принято называть аналоговым.

Аналоговый метод звукозаписи достаточно точно передает первоначальную звуковую картину, однако он обладает рядом недостатков, причем основным недо-

статком является высокий уровень шумов и помех в записи. Шумы возникают из-за несовершенства материалов, из которых изготовлена лента, а также из-за постепенной “дезориентации” магнитных частичек в процессе хранения ленты и некоторых других факторов. Кроме того, во время воспроизведения и записи лен-та движется несколько неравномерно, что приводит к эффекту детонации, а также создает проблему синхронизации записей с нескольких пленок.

Современный уровень развития компьютерных технологий оказал огромное влияние на процесс создания и производства аудио-визуальных материалов. Революционный по своему значению технический скачок в области цифровой звукозаписи позволил заменить громоздкие и дорогостоящие студии на персональный компьютер. Суть этой “революции” заключается в том, что если раньше все технические вопросы обработки звуковой информации решались с помощью большого количества приборов, то сейчас эти проблемы вполне успешно разрешаются звуковыми картами, платами и, соответственно, программным обеспечением.

Шумы в аналоговой звукозаписи обычно довольно сильно мешают восприятию общего звучания. Даже на профессиональных магнитофонах уровень шума редко опускается ниже - 72 децибел (без учета систем шумопонижения, таких как DBХ или Dоlbу, однако их применение тоже не может пройти полностью «безболезненно» для звука), а при использовании обычных кассетных магнитофонов мы вынужде-ны постоянно слушать шумы на уровне - 60 дБ и выше. Это затрудняет прослуши-вание записей с большим динамическим диапазоном (например, записей симфо-нического оркестра), поскольку шумы оказываются «громче», чем некоторые участки полезного сигнала. Причем, как правило, эти шумы имеют широкий спектр, и поэтому просто отфильтровать их на выходе не удается.

По этим и некоторым другим причинам предпочтительнее использовать метод циф-ровой записи, которая в большей степени свободна от шумов и помех, а также допускает очень гибкую обработку. А главное, цифровая запись звука может хра-ниться и обрабатываться с помощью компьютера.

Основными достоинствами цифровой записи звука являются ее “чистота” (низ-кий уровень шумов и устойчивость сигнала к помехам), а также возможность гиб-кой обработки.

Причина становится понятной, если вспомнить, что помехи на магнитной ленте представляют собой незначительные отклонения записанного сигнала от исход-ного уровня. В аналоговой записи они влияют непосредственно на волновую форму звука, из-за чего мы и слышим помехи на выходе. В цифровой записи считываю-щее устройство “знает”, что возможны только два уровня сигнала, соответствую-щие 0 и 1, а все промежуточные являются следствием помех и должны быть скор-ректированы. Достаточно большая помеха, способная превратить 1 в 0 и наоборот, возникает крайне редко. Но и в этом случае, как правило, срабатывают различные механизмы проверки, которые во многих случаях способны распознать и скор-ректировать “неправильный” бит. Это относится как к уже записанному на носи-тель цифровому сигналу, так и к передаваемому по проводам.

Одной из наиболее простых, и соответственно популярных программ подобного рода является редактор звуков «COOL EDIT».

На протяжении ряда лет автор программы, Дэвид Джонс непрерывно улучшал свое детище и практически достиг совершенства.

Рассматриваемая версия программы Cool Edit Pro представляет собой звуковой редактор, обладающий практически всеми возможностями, какие только могут быть у программ такого класса. Cool Edit Pro работает под управлением MS Windows 98 или MS Windows NT.

Многие специалисты дают этой программе самые высокие оценки. Так, на пример, ее автор, рекламирующий Cool Edit, перечисляя многочисленные достоинства программы, отыскал в ней единственный недостаток: «Из недостатков же можно отметить отсутствие инструментов для создания звуковых циклов (loop) с целью последующего их использования. На самом деле средство для зацикливания в ней имеется. Получается, что Cool Edit вообще не имеет недостатков. Хотя, конечно, в мире не может быть ничего абсолютно совершенного. Возможно, и Cool Edit присущи какие-либо недостатки, которые пока остались незамеченными.

В окне диалога (New Waveform), в котором задаются параметры записи и воспроизведения звука, рядом с названиями драйверов устройств в квадратных скобках указаны их базовые адреса. Важно, чтобы вы понимали, что все эти устройства, скорее всего, являются составляющими одного целого: вашей звуковой карты.

Ниже расположены таблицы совместимости устройств воспроизведения (Playback Capabilities) и записи (Record Capabilities) с различными форматами представления звукового сигнала. В левых столбцах таблицы приведены частоты дискретизации от 11 до 48 кГц (6 – 192 000 кГц). На самом деле значения частот приведены приближенно (не показаны дробные части чисел, например, запись «ПК» соответствует частоте 11,025 кГц). Но в данном случае точность не требуется, так как все эти частоты уже давно стандартизированы, поэтому, хотите того вы или нет, но звуковая карта будет воспроизводить и записывать звук, используя стандартные значения частот дискретизации.

Самая верхняя строка таблицы содержит четыре возможных комбинации режимов: 8/16-bit (разрешающая способность сигнала) и Mono/Stereo. Пользоваться этой таблицей также просто, как и таблицей умножения. Посмотрите на пересечение строки и столбца, соответствующих интересующему вас режиму. Если звуковая карта поддерживает этот режим, то на пересечении будет английское слово «Yes». Как видно из примера, звуковая карта (SB AWE 32) не поддерживает режимы с частотой дискретизации 48 кГц.

Если даже ваша звуковая карта слегка устарела и поддерживает только 8-битный звук, то, все равно, установив выключатель Play 16-bit files as 8-bit (проигрывать 16-битовый файл как 8 битовый), вы сможете производить всевозможные операции с 16-битными файлами и прослушивать их. Естественно, вы будете слышать звук с 8-битным качеством, но это позволит отредактировать файл в его «родном» формате и в дальнейшем воспроизвести его с помощью 16 - битной звуковой карты.

Кроме привычных кнопок ОК и Cancel, это окно диалога, как и большинство остальных окон этой программы содержит кнопку Help. Нажав на нее, вы сможете ознакомиться с информацией о текущем окне.

Cool Edit позволяет работать отдельно с каждым из стереоканалов. Для этого нужно выделять фрагменты определенным образом.

В главном окне программы можно редактировать сэмпл на уровне отдельных звуковых отсчетов (микроуровне). В некоторых случаях это может быть очень полезно, например, если нужно удалить короткую импульсную помеху (щелчок). Это позволяет вручную нарисовать форму звуковой волны и использовать ее в будущем для создания собственного музыкального инструмента, обладающего уникальным тембром.

Заметим, что программа Cool Edit умеет загружать один за другим сразу несколько звуковых файлов, превращая их в один большой сэмпл.

Программа «Cake Walk Pro Audio», обладает развитым набором функций редактирования и обработки «живого» звука. Однако далеко не все ее алгоритмы позволяют достичь качественного результата. Например, модуль Time/Pitch Stretch (Растяжение времени/высоты тона) позволяет менять скорость воспроизведения в небольших пределах, при глубокой корректировке появляются слышимые искажения. Кроме этого, у модуля отсутствует возможность ввода изменения скорости в музыкальных единицах темпа - четвертных нотах в минуту. А при работе со звуковыми библиотеками требуется именно такая возможность.

Сейчас много хороших простейших аудиоредакторов. Самые распространенные - это «Cool Edit» и «Sound Forge». Среди профессионалов довольно популярен «Wave Lab 2.0», фирмы Steinberg. Все они обладают очень серьезными возможностями редактирования звука, однако Sound Forge, пожалуй, наиболее универсальная и гибкая программа.

Программа «Sound Forge 5.0» отличается от предыдущих версий очень мало. Во-первых, «неотъемлемой частью программы» стали подключаемые модули, которые раньше продавались отдельно (например, анализатор спектра). Во-вторых, были внесены мелкие изменения в интерфейс, а в-третьих, стали поддерживаться многие форматы файлов, распространенные в Интернете.

Кстати говоря, технология Direct X позволяет очень эффективно использовать «Sound Forge» вместе с «Cakewalk» - программы отлично видят друг друга. Вы можете любой аудиоклип в окне Track (дорожки) программы «Cakewalk» загрузить в «Sound Forge», обработать его эффектами и вернуть назад, не прибегая к промежуточным операциям. Для этого надо всего лишь выделить клип щелчком мыши и выбрать команду меню Tools «Sound Forge» (эта команда меню появляется в «Cakewalk» после инсталляции аудиоредактора). Для возврата назад в секвенсор нужно сохранить результаты своей работы и просто закрыть файл (как это сделать - узнаем на практических занятиях). При переключении в окно «Cakewalk» ваш обработанный клип будет автоматически вставлен в нужное место.