Статьи:

Профиль:

Синтез звука

Оглавление
Синтез звука
Аддитивный
Субтрактивный
FM-синтез
Семплерный
Физ. моделирование

Природа звука

Звук, по сути, — простое явление, которое вызывается вибрацией тел. Допустим, что тонкая деревянная доска вибрирует, тогда она воздействует на находящиеся рядом с ней частицы воздуха и заставляет их колебаться. Если такие колебания происходят десятки и даже десятки тысяч раз в секунду, то подвергающийся их воздействию воздух обнаруживает упругость, которая не проявляется при меньшем числе колебаний в секунду. Сделаем, например, движение рукой туда и обратно за одну секунду — с воздухом при этом не произойдет ничего особенного, кроме того, что его частицы сместятся в пространстве. Но если бы нам удалось махать рукой сто раз в секунду, то с воздухом произошло бы совсем другое: «у него не было бы времени» освобождать путь движущейся руке. Воздух стал бы  сжиматься, когда рука двигалась вперед, и разрежаться, когда она возвращалась.

звуки тишины

Благодаря упругости в процессе таких колебаний при движении поверхности тела вперед каждая частица воздуха толкает находящуюся впереди частицу, та — следующую и т. д., тем самым создается волна сжатия. При обратном движении поверхности тела сжатие сменяется разрежением, за которым опять следует сжатие, и т. д. Упругая среда передает волны сжатия и разрежения от одного своего участка к другому со скоростью, зависящей от материала среды. Эта скорость определяется не просто материалом, а его плотностью, т. е. тем, насколько близко расположены друг к другу его атомы и молекулы. В случае, который мы рассматриваем, распространение звука в воздухе —скорость — зависит еще и от его температуры. В нормальных условиях скорость звука приблизительно равна 340 м/с.

Скорость звука в воздухе совершенно не зависит от числа колебаний поверхности тела.  Число полных колебаний, образующихся в 1 с, называется, частотой и измеряется в периодах в секунду. Один период в секунду называется герц (Гц). Возвращаясь к примеру с рукой, движущейся туда и обратно с частотой 100 Гц, отметим, что такой источник звука несовершенен, так как часть воздуха при движении руки будет обтекать ее сбоку. Чтобы предотвратить это явление, характерное для текучих, подобно воздуху, веществ, источник звука должен быть по своим размерам гораздо большим. Например, источник, имеющий размер деки фортепиано, был бы более эффективен, поскольку потери на ее краях невелики. Если же вибратор размером с руку колеблется очень быстро, то воздух также не успевает растекаться по сторонам. Следовательно, для очень высоких частот даже малые поверхности могут являться эффективными излучателями звука.

В действительности звуки порождаются источниками всевозможных форм и размеров, колеблющихся по очень сложным законам, и сами становятся сложными. Кроме того, звуковые волны усложняются своими отражениями от различных поверхностей. Все это, пожалуй, вносит существенный корректив в наше

первоначальное утверждение, что звук — простое явление. Рассмотрим одну-единетвенную частицу воздуха в середине звукового поля. Многочисленные звуковые волны заставляют ее двигаться в разных направлениях и исполнять своеобразный «танец», отражающий характеристики звуков, распространяющихся в воздухе. Точность отображения должна быть высокой для того, чтобы частица была в состоянии передать информацию о звуке следующим после нее частицам. Таким образом, все, что нам надо знать о звуке, сконцентрировано в движении одной частицы, хотя оно может быть и сложным. Однако важно определить усредненное движение, которое является весьма грубым по сравнению со случайными малейшими вибрациями и беспорядочными движениями отдельных частиц, происходящими вследствие различной силы соударения частиц в процессе продвижения волны давления.

Вопрос о движении частиц следует рассматривать в связи с работой барабанной перепонки человеческого уха, которая в результате эволюции достигла определенного совершенства. Ухо не реагирует на все движения частицы в различных направлениях, оно просто измеряет давление воздуха. Это приводит нас к мысли, что для изучения звука нужно устройство, которое измеряет давление с помощью мембраны, сравнимой по размеру с барабанной перепонкой. Такое устройство было бы хорошим приспособлением для описания всего, что нам надо знать о звуке.

Как же звук отображается в компьютере (цифровом виде) ?

Волна

Посмотрите на рисунок слева. Ось y отвечает за громкость. Чем больше амплитуда — тем громче звук. Ось x отвечает за время, а точнее за частоту волны.  Вы можете сгенерировать определённую частоту в любом звуковом редакторе.  При этом чем ниже частота — тем больше период волны (частота колебаний). Чем выше  частота — тем меньше период волны соответственно. Так,  задавая частоту генерируемой волны в звуковом редакторе вы задаёте количество периодов (а точнее колебаний) в секунду. Например значение 440 Гц  соответствует 440 колебаниям в секунду и соответствует ноте ля.сгенерировали волну

.

.

На чём основывается цифровое отображение звука  ? Если Вы увеличите масштаб сгенерированной синусойды то увидите точки — отсчёты:

отсчёты

Волна, в нашем случае синусоида, формируется из таких вот отсчётов, положение которых постепенно изменяется (чем больше частота звука — тем больше изменяются значения отсчётов). В нашем случае изменения практически не видны, потому что взят большой масштаб и в данном примере генерируется  чистый тон с низкой частотой колебаний. При создании нового аудио файла программа просит задать значение «Sample rate», которое автоматически установлено на  »44100″. Это значение (называемое частотой дискретизации) задаёт количество отсчётов (точек). На что же влияет частота дискретизации ?  Я думаю то что Вы интуитивно понимаете то что чем больше отсчётов — тем лучше описывается волна. Действительно, чем больше частота дискретизации, тем более широкий спектр сигнала может быть представлен в дискретном сигнале. Так,  для того чтобы восстановить записанный  звук, частота дискретизации должна быть в два раза больше чем  наибольшая частота в спектре звука (теорема Котельникова).

аналогово-цифровое преобразование

Это небольшое путешествие в основы представления цифрового звука было необходимо для лучшего понимания природы звука и его отображения в цифровом формате.

Длина волны

В любой среде при определенных условиях волны давления распространяются с постоянной скоростью. Если нам известна частота звука, т. е. количество волн в секунду, то мы можем вычислить расстояние между соответствующими соседними точками распространяющихся волн. Это расстояние называется длиной

волны. Если скорость звука равна 340 м/с, а его частота — 340 Гц, то длина волны равна 1 м. Иногда удобнее рассуждать, используя понятие частоты, а иногда — длины волны. Вместе с тем скорость звука зависит от среднего давления воздуха, поэтому любое соотношение между длиной волны и частотой, не учитывающее этого, является приближенным. Впрочем, на практике, например при расчете толщины звукопоглотителя, необходимого для ослабления звука определенного диапазона частот, или для оценки размера мембраны микрофона, при приеме звуков высокой частоты, такого приближенного соотношения вполне достаточно.

Как уже было написано, музыкальным нотам соответствуют вполне определенные частоты и, следовательно, длины волн, а их диапазон для всех музыкальных звуков весьма широк. Например, верхняя октава фортепиано создает звуки, длина волны которых приблизительно равна 2 см. Эти звуки лежат на пороге слышимости человеческого слуха. Длины волн нижней части диапазона приблизительно равны 10 м. Дека фортепиано может генерировать эти звуки, хотя не столь эффективно, как значительно большие по размеру органные трубы нижнего регистра. Отметим также, что связь звуковых колебаний с размерами источника звука, которые мало изменяются с температурой, не означает постоянства их частоты, так как последняя зависит от скорости звука, растущей с повышением температуры, и если при этом струны скрипки можно подстроить, то вибрирующий столб воздуха в большинстве духовых инструментов подстроить нельзя.

Так, например, у флейты высота звука увеличивается на полтона при повышении температуры на 15°С.

Волны и фаза

Рассматривая, как и ранее, одночастотный тон, можем найти несколько других параметров звуковой волны.

Определим скорость частицы, от которой зависит степень ее подвижности. Скорость пропорциональна давлению, поэтому закономерности изменения давления и скорости аналогичны. Мало того, там, где одна закономерность имеет подъем, другая также имеет подъем, где давление равно нулю, там и скорость равна

нулю. В этом случае говорят, что колебания давления и скорости находятся в фазе.

Другой характеристикой является градиент давления, показывающий степень изменения давления вдоль волны. Так как градиент зависит от изменения давления, то формы их колебаний совпадают, однако там, где давление достигает максимума или минимума, градиент равен нулю. Поэтому одно колебание относительно другого смещено на четверть периода, т. е. находится не в фазе.

Есть еще одна характеристика с подобной волновой зависимостью — смещение частицы.  Подобную волновую картину можно наблюдать на поверхности воды. Смещение частицы пропорционально градиенту давления и поэтому находится с ним в фазе. Смещение непосредственно связано с амплитудой колебаний.

Проблема, которая возникает из-за фазы, связана со смешиванием одинаковых по форме, но различных по

фазе сигналов. Так, когда фазы одинаковых синусоидальных сигналов противоположны, их сумма равна нулю.

Проблема противофазы в цифровом звуке наглядно рассмотрена в статье «панорамирование«.

Нечто аналогичное происходит и со звуковыми волнами в воздухе. Если несколько сигналов действует на частицу воздуха одновременно, то все ее перемещения суммируются, поскольку одна и та же частица в каждый момент может находиться лишь в одном месте пространства. Если несколько волн накладывается одна на другую, частица воздуха совершает сложный путь, который представляет собой результат сложения волн. Это сложение не всегда способствует повышению давления. В точках, где фазы волн противоположны, происходит частичная (а если сигналы равны— то и полная) компенсация сигналов.

Энергия колебаний

Энергия источника сигнала зависит от амплитуды колебаний: чем шире размах, тем больше энергии отдает источник. Интенсивность звука в каком-либо месте пространства измеряется по акустической энергии, проходящей через единичную поверхность за одну секунду. Для того чтобы преобразовать энергию источника звука в акустическую энергию в воздухе, необходимо обеспечить соответствующую связь источника с воздушной средой, так, чтобы его собственные колебания по возможности вызывали максимальные колебания воздуха.

Небольшие или тонкие по сравнению с длиной волны объекты, например камертон или струны скрипки, передают воздуху слишком малую часть энергии своих колебаний, так как воздух свободно обтекает края ножек камертона или струны. Если камертон ударить и свободно подвесить, то он будет тихо вибрировать продолжительное время. Однако если его основание укрепить на деревянной панели, то панель начнет колебаться с частотой камертона и эти колебания передадутся воздуху. Амплитуда колебаний

камертона постепенно будет уменьшаться, так как их энергия теряется в воздухе.

Если собственная частота колебаний панели почти та же, что и у камертона, то энергия, передаваемая панели, излучается вследствие резонанса гораздо больше. Впрочем, закрепленная деревянная панель не имеет отчетливо выраженных частот, на которых она резонирует: если ударить по ней, то нельзя будет услышать какие-либо музыкальные звуки. Вместо них получится глухой звук, хотя иногда может показаться, что раздается какое-то музыкальное звучание.

Дека скрипки сделана неодинаковой толщины и сложна по форме, для того чтобы все звуки имели равную силу и ни одна нота не выделялась среди других. Возбужденная смычком струна непосредственно отдает воздуху очень мало своей энергии, но ее колебания передаются через кобылку на деку скрипки, которая и

излучает основную энергию.

Следует заметить, что излучающие панели могут быть значительно меньше по размеру не только струн инструментов, но и длин волн, которые они создают. Тем не менее, панели возбуждаются на довольно низких звуках. Чтобы объяснить это обстоятельство, рассмотрим еще несколько характеристик музыкальных

звуков и инструментов.

Обертоны, гармоники и форманты

Обертоны — это дополнительные, более высокие, чем основной тон, частоты, которые возникают одновременно с ним, например при колебаниях струны или воздуха в органной трубе, и придают источнику звука характерное звучание — тембр. При производстве некоторых музыкальных инструментов, например колоколов, известную трудность представляет достижение такого звучания, при котором его обертоны находились бы между собой в гармоническом соответствии (часто самая низкая нота колокола даже не является основным тоном). У других инструментов, например барабана, основной тон очень мощный, а обертоны придают ему сочность, хотя и не находятся с ним в гармоническом соответствии. Цимбалы и треугольники имеют большое богатство тонов и весьма хорошо звучат практически с любыми  инструментами.

Что касается струнных инструментов, то все обертоны, возникающие при колебании струны, кратны самой низкой частоте, являющейся основной и определяющей высоту тона. Если провести смычком по середине струны, то возникнут колебания основной частоты и нечетных гармоник, поскольку здесь находятся их

пучности. Четные гармоники будут отсутствовать, так как для их существования нужно, чтобы в середине струны был узел.

Если струна возбуждается ближе к концу, то возникает большое количество как четных, так и нечетных гармоник. При возбуждении струны в точке, соответствующей одной седьмой ее длины, седьмая гармоника в звуке отсутствует. По этой причине такая точка является наиболее подходящей для возбуждения струн смычком, так как седьмая гармоника — первая частота, которая музыкально не связана с остальными, в то  время как шестая и восьмая гармоники составляют созвучие с остальными гармониками музыкального

ряда. Наряду с ними возникают высшие гармоники, которые существенно обогащают звучание струнного инструмента.

Звучание скрипки, альта, виолончели или контрабаса определяется также и качеством резонатора. Очевидно, что форма и размер резонатора добавляют к струнному тембру свои собственные форманты. Они очень важны и очевидно, что в музыке форманты — достоинство, однако в звуковой технике появление призвуков рассматривается как недостаток и объясняется неравномерной частотной характеристикой устройства.

Качество музыкальных инструментов зависит и от других факторов, которые могут быть связаны с методами извлечения звука (вождение смычком, дутьё, дергание, постукивание и т. д.) или с самим звуком, например, тем, как он начинается (атака звука) или как меняется его громкость в процессе звучания ноты.

Воздушный резонанс

Воздух может иметь объемный резонанс, весьма похожий на резонанс скрипичной струны, с той только разницей, что последняя совершает поперечные колебания, а колебания воздуха, состоящие из сжатий и разрежений, являются продольными.

В общем случае излучаемый звук движется в воздухе, образуя бегущие волны. Однако когда бегущая волна, падая под прямым углом на какую-либо поверхность, отражается и распространяется в обратном направлении, то образуется стоячая волна.

На практике волна отражается лишь частично, поэтому результат представляет собой смесь бегущих и стоячих волн. Эти стоячие, или стационарные, волны могут быть изображены графически в виде поперечной волны.

Можно заставить резонировать воздух и в узкой, например органной, трубе. Она закрыта с двух сторон, и внутри нее происходят отражения. При этом возникают основное колебание с длиной волны, вдвое большей, чем длина трубы, и его гармоники. Если труба открыта с одного конца, колебания все равно возбуждаются. Но когда труба узка по сравнению с длиной волны, звук будет излучаться в открытое пространство слабо. Колебания происходят следующим образом: волна давления отражается от открытого конца трубы как разрежение, а от закрытого — как сжатие. По сравнению с закрытой с двух сторон трубой образующееся основное колебание имеет длину волны в четыре раза больше длины трубы и нечетные гармоники. Тембр звука поэтому будет значительно отличаться от тембра звука открытой органной трубы.

Возбуждение звуковых волн во всех духовых инструментах происходит аналогично, причем длина колеблющегося столба воздуха может изменяться плавно, как в тромбоне, или скачкообразно, как в трубе и валторне. Во флейте, кларнете и саксофоне изменение длины столба достигается открыванием и закрыванием отверстий, расположенных вдоль корпуса инструмента. Форманты меняются в зависимости от формы инструмента и раскрыва трубы, хотя он практически мало влияет на многие звуки.

Рассмотрим также резонанс в почти полностью закрытом объеме, сообщающемся с окружающей средой только через очень небольшое отверстие. Такое устройство называется резонатором Гельмгольца. В нем создается звук одного определенного тона. Такой звук можно услышать, если сильно подуть над горлышком

пустой бутылки. В скрипке резонанс такого вида лежит иногда (внутри рабочего диапазона частот и может быть причиной так называемого «волчьего тона». Для уменьшения его влияния скрипач, когда берет ноту, соответствующую частоте этого резонанса, ведет смычок очень осторожно. Возвращаясь к примеру с камертоном, заметим, что его звук можно значительно усилить, используя резонирующий ящик с соответственно выбранной частотой резонанса. Звук будет очень громким, однако для каждого камертона в этом случае необходим свой ящик.

Голос

Голосовой аппарат человека намного сложнее любого музыкального инструмента. Его сложность состоит не столько в применении голосовых связок для изменения высоты тона, сколько во влиянии полостей рта, носа и горла на формантные характеристики звука. Голосовой аппарат можно было бы сравнить с удивительной скрипкой, снабженной пятью резонаторами, размеры которых непрерывно меняются, а один (эквивалентный

полости рта) — настолько сильно, что полностью меняется характер звука.

Формантные характеристики, основанные на резонансе в полости рта, окрашивают гласные звуки и оказывают решающее влияние на звучание голоса. Шипящие звуки и различные паузы совместно с форматными резонансами делают речь разборчивой. Так, шепот, при котором голосовые связки не работают, может быть очень отчетливым и понятным. Например, шепот актёра на сцене вполне доходчив, несмотря на недостаточную громкость.

Вибрации голосовых связок придают голосу громкость и позволяют человеку петь. Основная частота нормальной речи может меняться в пределах двенадцати тонов со средней частотой около 145 Гц для мужского голоса и 230 Гц — для женского. Поскольку формантная область изменяется мало, женский голос имеет меньшее число гармоник в областях сильного резонанса. Женский голос может быть низким, но его тембр будет беднее, чем у мужского голоса. Основной диапазон голоса составляет две октавы, хотя в некоторых случаях он может быть гораздо шире.

Ухо человекастроение уха

Та часть уха, которая воспринимает звук, имеет спиралевидную форму и сужается к одному концу, подобно раковине улитки. Но на этом сходство с улиткой кончается, так как далее эта часть,уха разделяется вдоль прохода на два канала, которые сообщаются только во внутреннем узком конце. Вся улитка заполнена жидкостью, к которой колебания передаются через тонкую диафрагму, так называемое овальное окошко. Акустическое давление распространяется вдоль одной стороны перегородки между каналами и обратно вдоль другой, попадая на тонкую диафрагму, называемую круглым окошком. Вдоль всей перегородки расположены волоски, реагирующие на движение жидкости, в которой они находятся. Каждый волосок можно сравнить с резонатором, возбуждаемым сигналом только одной частоты (или, точнее, очень узкой полосы частот).

Эти волоски, следовательно, воспринимают звук не так, как частица воздуха — в виде непрерывного и сложного движения, а как резонаторы. Волоски расположены таким образом, что они почти в одинаковой степени реагируют на равные музыкальные интервалы в среднем диапазоне. Однако разделение в области очень низких частот происходит недостаточно хорошо, поэтому низкие тона трудно различаются.

Громкость звука

Звуковые волны, воздействуя на диафрагму уха, вызывают колебания волосков и возбуждение клеток. Чем больше амплитуда звуковых колебаний, тем сильнее ощущение громкости звука. Возрастание громкости происходит не по линейному закону, пропорционально амплитуде колебаний, а по логарифмическому закону,

поэтому для определения параметров звука применяют логарифмические шкалы, а при измерениях пользуются логарифмическими единицами — децибелами (дБ). Эта единица происходит от другой единицы — бел, который равен десятикратному изменению интенсивности звука. Однако бел — единица крупная и поэтому неудобная, поэтому для измерений повсюду применяется ее десятая часть — децибел.

Отношение интенсивности 1,26:1 приближенно равно 1 дБ (если число 1,26 последовательно умножить 10 раз само на себя, то получится число 10). Один децибел — примерно та наименьшая разница в громкости звука, которую человеческое ухо в состоянии почувствовать. Полезно запомнить, что изменение громкости в 3 дБ равно отношению интенсивностей 2:1. Поэтому если мы берем два одинаковых источника звука, т. е. удваиваем мощность, то громкость увеличится на 3 дБ. Так, если к голосу певца присоединится еще один, равный по громкости, то уровень звука увеличится на 3 дБ, т. е. разница немного больше, чем минимально различимая ухом. Увеличение громкости еще на 3 дБ потребует вдвое увеличить число певцов и т. д. Получается, что заметное для уха увеличение громкости звука потребует … от 64 до 128 певцов, поющих одновременно. Очевидно, что увеличение громкости зз счет численности певцов обходится дорого. Если

же громкость звука главное, что вас интересует, слушайте не певца, а органную трубу, тромбон  и т. п.

Громкость и частотный диапазон

Слух неодинаково воспринимает различные звуки. И хотя для любых частот изменение громкости происходит примерно по логарифмическому закону, ухо гораздо чувствительнее к изменениям

громкости в области средних и высоких частот дизпазона.

Диапззон слышимых чзстот составляет 20—20000 Гц для молодых людей; с годами он сокрзщзется до 15000—10000 Гц.

слышимость

Обратим внимание на то, что при одной и той же интенсивности звука мы его слышим по-разному в зависимости от частоты. В частности, чем громче звук, тем он звучит ярче именно потому, что восприятие низких и высоких частот улучшается.

Чуствительность слуха наиболее высока на частоте 1000 Гц и выше. Это происходит потому, что слуховой канал между ушной раковиной и барабанной перепонкой имеет широкий резонанс в диапазоне 2000—6000 Гц. Громкость и сила звука, как известно, — разные параметры, но для удобства считают их уровни на частоте 1000 Гц одинаковыми. Кривые, отражающие усредненные свойства человеческого слуха позволяют найти для каждой частоты громкость, измеряемую в особых единицах — фонах, или по измеренной силе звука определить эквивалентную громкость звука на частоте 1000 Гц.

При прослушивании шумовых сигналов закономерности восприятия звука остаются примерно теми же.

Это в равной степени относится как к электрическим, так и акустическим шумам. На практике некоторые микрофоны «шумят» в основном в области низких частот; если бы такие шумы были равномерно распределены по всему диапазону слышимых частот, то было бы значительно хуже, так как часть из них попадала в область повышенного восприятия. Наименьшая сила звука, воспринимаемая ухом, называется

порогом слышимости. Этот порог слышимости на частоте 1000 Гц удобно рассматривать как нулевую точку отсчета на шкале децибел. Верхняя граница слышимости лежит там, где звук начинает вызывать боль. Эта граница называется болевым порогом.

Синтез звука

Форма волны

музыка волн, музыка ветра

Большинство методов синтеза звука основаны на оперировании чистыми тонами, которые обладают различными формами волн. Простейшими формами волн  являются: синусоидная, прямоугольная, треугольная, пилообразная. В  прямоугольной форме волны больше всего гармоник, в синусойдной – меньше всего. Конечно же, это только начало! После формирования формы волны, сигнал с заданной высотой звука (нажатием той или иной клавиши на клавиатуре) проходит через сложную систему различных осцилляторов, модуляторов, фильтров, огибающих – именно за это отвечают все эти странные пимпочки, кнопочки и колёсики на виртуальных синтезаторах выбранной Вами программы! Кроме того синтезаторы часто совмещают в себе сразу несколько видов синтеза звука! В результате этого получаются очень интересные и порой неожиданные тембры звука!

3 комментарияСинтез звука

  • Andrew

    Отличная статья, очень занятно написано — не смог оторваться, хоть и все давно это знаю, только название неудачно подобрано. Стоило все-таки ее назвать «Природа звука», а не «Синтез…», ибо про синтез тут только один скомканный абзац про «странные колёсики и пимпочки» и зашкаливающим количеством восклицательных знаков. Непрофессионально выглядит и как-то обидно.
    Короче, последний абзац все портит, просто аццкий диссонанс. :(

  • Andrew

    Так, очень сильно извиняюсь, знающие люди указали мне на мою ошибку (вернее, моего софта — у меня не видно оглавления). Все очень доходчиво и красочно описано, побольше бы информации в такой манере изложения.

  • corp

    Andrew
    Да, Вы правы. Название следовало дать «Природа синтеза звука» или «Синтез и природа звука» или «Рождение, распространение и восприятие звука».
    Но к сожалению на данный момент имеем проблемы с сервером и временно не можем обновлять ряд статей, в будущем Ваше замечание обязательно воплотим в жизнь и изменим заголовок :) .
    «Синтез звука» — изначально название было выбрано просто в качестве заголовка раздела (самой статьи не было, кроме последнего и первого абзаца), однако я стараюсь улучшать сайт по мере возможностей, в том числе уже опубликованые статьи и добавлять информацию. Учтём критику и как будет возможность — исправим.
    Спасибо.

Вы должны быть залогинены для комментирования.