Синтез звука. Часть 3: Основы физики звука

Наверняка каждый из вас слышал, что звук — это колебание.

В зависимости от ситуации это может быть:

• Колебание молекул воздуха, оказывающих давление на нашу барабанную перепонку или мембрану микрофона, если звук распространяется
• в акустической среде;
• Колебание уровня напряжения, если звук распространяется
• в электрической цепи;
• Колебание, описанное последовательностью цифр, если звук представлен
• в цифровом виде.

Чтобы лучше понять, что такое колебание, представим себе свободно качающийся шарик, подвешенный на верёвочке. Описать перемещение шарика мы можем с помощью двух величин — амплитуды и частоты.

Амплитуда — это расстояние между двумя крайними положениями шарика, а частота показывает, сколько раз шарик переместится из одного крайнего положения в другое и обратно за единицу времени (секунду).

То есть амплитуда показывает величину колебания шарика, а частота показывает, как часто происходит изменение амплитуды во времени.
В случае со звуковыми колебаниями амплитуда определяет громкость звука, а частота — его высоту (ноту).

Если мы приклеим к качающемуся шарику карандаш и начнём с постоянной скоростью протягивать под ним бумажную ленту, то карандаш оставит
на ней линию, которая будет графически изображать колебание.

Графическое изображение звукового колебания называют
«формой звуковой волны» и мы можем увидеть его в любом редакторе звука.

… любое, даже самое сложное колебание, можно представить в виде суммы простых гармонических колебаний. Точно так же, как молекулы вещества состоят из атомов, сложные звуки состоят из суммы большого количества простых.
То есть любой самый навороченный звук со сложной формой волны можно представить в виде суммы конечного числа синусоид с разной амплитудой и частотой. Каждая из таких синусоид называется звуковой гармоникой.

А спектр звукового сигнала, который мы можем посмотреть в любом звуковом редакторе является графическим представлением гармонического состава звука, показывающим все гармоники, из которых состоит звук, их частоту
и амплитуду (пики на спектре — это гармоники):

Если бы синтезаторы оперировали только синусоидами, то для создания сложных звуков пришлось бы оснастить их огромным количество генераторов. Чтобы не делать этого, в них добавили дополнительные формы волны, изначально богатые гармониками:

— пилу, которая отчасти имитирует колебания язычка в духовых инструментах,
— прямоугольный сигнал,
— шум, содержащий «бесконечное» число гармоник, равномерно распределённых по спектру.

Звуки, богатые большим количеством «высших» гармоник,
мы воспринимаем как яркие и звонкие. А звуки, у которых больше «низших и средних» гармоник как более матовые и глухие.

Громкость звука меняется во времени. Когда вы дёргаете струну на гитаре,
то сначала слышите резкий щелчок, который быстро сменяется тянущимся
и медленно затухающим звуком колеблющейся струны.

Такие изменения громкости звука связаны с изменением амплитуды
во времени.

Первая фаза, когда амплитуда звука от нуля доходит до максимума, называется атакой. Далее следует фаза спада, когда амплитуда снижается до некоего равновесного значения. За ней следует фаза затухания, когда амплитуда постепенно падает до нуля.

Например, у звука гитары очень короткие атака и спад, так как звук появляется сразу после защипывания струны. А вот время затухания, если вы
не «прикроете» струну, достаточно долгое.

Точно так же, как и громкость, состав гармоник реальных звуков постоянно меняется. Это связано в первую очередь с явлениями резонанса, которые происходят в конструкции инструмента и приводят к усилению
или ослаблению отдельных гармоник.

Резонансные явления, точно также как и амплитуда, подчиняются принципу огибающей, описанному выше. В первый момент времени резонансные явления от нуля доходят до максимума, затем спадают до какого-то равновесного состояния и потом затухают.

Поэтому величину резонансных явлений тоже можно представить в виде огибающей с атакой, спадом и затуханием.

Любой классический синтезатор позволяет музыканту воздействовать
и управлять всеми описанными выше параметрами. Состав гармоник определятся тем, какие формы волны вы смешиваете для получения тембра.

Огибающая амплитуды управляется с помощью ADSR-генератора усилителя,
а изменение гармонического состава во времени настраивается с помощью ADSR-генератора фильтра.

Вам остаётся лишь понять, какой характер звука вам необходим,
и в соответствии с этим настроить все параметры инструмента.

А этим мы займёмся в следующих статьях, где будем рассматривать практические примеры получения различных звуков.