4. Звук в музыке

В природе существует бесконечное множество звуков, воспринимаемых человека, но не все звуки могут служить «материалом» для музыки.

Музыкальные звуки, в отличии от шумовых эффектом, обладают особыми свойствами: они отобраны и организованы в определённую систему, выработанную в процессе многовекового развития музыкальной культуры и служащую для выражения музыкальных мыслей, музыкальных образов.[2]

Рассмотрим уже известные нам характеристики звука применительно к музыке, а также ряд особенностей связанных со спецификой звука в данном контексте.

Высота звука зависит от частоты звуковых колебаний. Чем чаще колебания - тем выше звук; чем реже колебания – тем звук ниже. Высота может быть выражена с разной степенью ясности. Поэтому звуки разделяют на две группы: 1)звуки, имеющие ясно выраженную высоту (например, звук скрипки); 2) звуки, не имеющие ясно выраженную высоту - ударная установка и другие не мелодические инструменты.

В музыке используются, главным образом, звуки, имеющие ясно выраженную высоту в приделах (приблизительно) от 16 до 4000 Гц. Такое ограничение связано с практикой человеческой речи и пения, причём в речи и пении используются звуки в ещё более узких приделах.

Каждый звук представляет собой не один простой тон, а сочетание многих тонов, которые возникают потому, что источник звука колеблется не только целиком, но одновременно и по частям (половинам, третям, четвертям, пятым и т.д.) колеблющимся в отдельности.

Источник звука, колеблющий целиком, производит основную частоту, наиболее слышимый звук, кажущийся единственным. Вторые части (половины) производят звук с частотой вдвое большей, чем основная; третьи части – втрое; четверти – вчетверо большей, чем основная и т.д.(рис 3). В результате таких сложных одновременных колебаний возникает звук сложного состава.

Все составные части сложного звука называются частичными тонами или обертонами. Номер каждого обертона, взятый как знаменатель дроби с числителем 1, означает, какой частью источника звука он издаётся.[2]

Рис 3 Схема колебания струны

Таким образом, звук музыкального инструмента сложен и обладает большим количеством высших гармоник. Тембр инструмента может быть сформирован его конструкцией, техникой исполнения, а так же специальными эффектами обработки звука, повсеместно применяемыми в современной музыке

Рассмотрим влияние на гармонический состав ряда эффектов, применяемых в музыке, в частности рассмотрим эффекты искажения звука, как наиболее часто применяемые и больше всего меняющие тембр инструмента. Такими эффектами являются overdrive (овердрайв) , distortion (дисторшн) , fuzz (фуз).

Если говорить о природе происхождения, то овердрайв и дисторшн работают по одному физическому принципу — ограничение сигнала по амплитуде. В овердрайве это ограничение «мягкое», то есть верхушки синусоиды обрезаются не ровной линией, а плавными скруглениями. В дисторшне ограничение «жёсткое», то есть верхушки синусоиды просто ровно обрезаются.

Из-за «мягкого» ограничения выходной сигнал начинает искажаться пропорционально уровню входного сигнала. Таким образом, при использовании овердрайва для обработки гитарного сигнала можно подчеркнуть динамику звучания. В зависимости от силы удара по струнам будет меняться искажение гитарного сигнала, что кардинально отличается от дисторшна.[4] Первые производители гитарных усилителей (Fender, Vox, Marshall), использовавшие для усиления лампы, старались свести перегруз сигнала к минимуму, однако таким чистым звуком обладали мощные усилители, которые стоили очень дорого. В результате музыканты пользовались дешёвыми маломощными усилителями, перегружаемыми на большой громкости по причине не линейности радиоламп.(Рис 4)

а б

Рис 4 а) Радиолампа 12ах7 б) Динамическая характеристика лампы

Такой побочный эффект пришёлся по вкусу исполнителям, что кардинально изменило производство усилителей. Современные усилители, как правило, имеют два канала обработки звука: Clean – чистый сигнал с минимумом искажений и Lead – перегруженный канал. Степень перегрузки может быть различна от простого Boost – простого усиления громкости, вызывающего естественную перегрузку усилителя, Overdrive – искусственного ограничения амплитуды сигнала и Distortion – жёсткого ограничения амплитуды.

Дисторшн искажает входной сигнал независимо от его уровня (амплитуды).[4] Наглядное действие эффекта продемонстрировано на рисунке 5

Рис 5 Эффект Overdrive и Distortion.

Ещё большие искажения в сигнал музыкального инструмента вносить фузз (он же Фус, Фуз; более точная транскрипция с английского Fuzz — Фаз) — гитарный эффект, основанный на нелинейном искажении звука электрогитары транзисторными (впоследствии, также цифровыми) устройствами с полной потерей огибающей сигнала. Фузз появился при попытках получить «перегруженный» звук на первых транзисторных гитарных усилителях. Основой эффекта является нелинейное искажение формы сигнала электрогитары. В дальнейшем, звуковой эффект искажения сигнала начал осуществляться двумя путями: подачей слишком высокого уровня сигнала на вход усилительного устройства, которое с разной степенью жёсткости ограничивает и потому сильно искажает сигнал («овердрайв» и «дисторшн»), или использованием для обработки сигнала транзисторных устройств, жёстко ограничивающих сигнал с практически полной потерей исходного тембра сигнала и ярко выраженным «органным» или «кларнетным» звучанием (собственно это и есть фузз).

В простейшем варианте схема состоит из двухтранзисторного усилителя с положительной обратной связью — эта схема называется триггер Шмитта. Триггер Шмитта и есть основа фуза. Особенностью схемы является преобразование входного сигнала в прямоугольный выходной. Из всех нелинейных гитарных эффектов фузз звучит наиболее резко и выразительно. Для многоголосных приставок используют отдельный звукосниматель и канал обработки сигнала на каждую струну. Шестиканальная схема получается очень дорогой, громоздкой и сложной в настройке (хотя ни одна из схем не смогла дать такой выразительный и необычный звук, как многоканальный фузз).

Для получения красивого и чистого звука простые схемы фуза малопригодны (что, впрочем, справедливо для дисторшена с овердрайвом, да и для многих остальных эффектов), так как фузз очень чувствителен к параметрам входного сигнала: помехи и наводки проявляются в виде треска с таким же уровнем, как и полезный сигнал, а искажения формы приводят к потере основного тона на выходе. Положительной стороной эффекта является отсутствие шума в паузе и нечувствительность к помехам низкого уровня. Для достижения качественного звука необходима предварительная подготовка входного сигнала: фильтрация (вплоть до выделения первой гармоники), компрессия, ограничение. Очень часто используется цепочка эффектов «эквалайзер-компрессор-дисторшн-фуз-эквалайзер».[5] Как было отмечено ранее, тембр инструмента очень сильно зависит от усилителя, однако больная часть эффектов выполняются в виде отдельный устройств – педалей.(Рисунок 6)

Рис 6 а) Усилитель Fender Bassman 1959-ого года б) Педаль Dunlop Fuzzface

В итоге тембр инструмента может быть кардинально изменён, сигнал низкой частоты может стать обогащённым высшими гармониками, что делает его громче для человека, а также захватывать область ультразвука, что налагает ограничения на громкость источников звука.

Следующим эффектом, способным изменить амплитуду и частотный состав звука инструмента является Delay. Дилэй (англ. delay) или эхо (англ. echo) — звуковой эффект или соответствующее устройство, имитирующее чёткие затухающие повторы (эхо) исходного сигнала. Эффект реализуется добавлением к исходному сигналу его копии или нескольких копий, задержанных по времени. Под эхом обычно подразумевается однократная задержка сигнала, в то время как эффект дилэй — многократные повторы. [18]

Рис 7 Звук хлопка ладоней а) без эффектов б) с дилэем

Таким образом при исполнении музыки звук может накладываться сам на себя, увеличивая амплитуду итогового сигнала.

Кроме того, звук любого музыкального инструмента обладает рядом динамических характеристик: атака и сустейн. Атака звука – одна из важнейших динамических характеристик художественного звука в музыкально-исполнительском искусстве; первоначальный импульс звукоизвлечения, необходимый для образования звуков при игре на каком-либо музыкальном инструменте или при пении вокальных партий; некоторые нюансировочные характеристики различных способов звукоизвлечения, исполнительских штрихов, артикуляции и фразировки. Сустейн — продолжительность звучания извлеченной ноты. Таким образом, атака отвечает за «читаемость» инструмента или вокала в общем фоне, а сустейн позволяет инструменту звучать не так отрывисто. На рисунке 8 наглядно представлено влияние данных характеристик на звук.

Рис 8 Атака и сустейн.