Ako funguje zvuk

Predslov

Toto je nultá časť z blogov týkajúcich sa hudby, hudobných nástrojov či hudobnej teórie – ako to vlastne funguje. Občas mám pocit, že chcem napísať o nejakej zaujímavosti alebo o tom čo som sa naučil, ale chcem aby to bolo zrozumiteľné každému, preto v prvých častiach začnem nejakými základmi, ktoré osvetlia niektoré základné súvislosti, ktoré som ja za posledné roky musel vydumať sám (plus niečo z fyziky a hudobnej výchovy) alebo som ich extrahoval z rôznych zdrojov. Pozor, som iba amatér a žiadna autorita, ale dúfam, že rozumiem všetkému správne, aspoň mne to všetko dáva zmysel…

Tón

V tejto časti sa len ľahko obtriem o hudobnú teóriu, kde to spolu súvisí, ale inak to bude všetko o fyzikálnych detailoch.

Zvuk je vlnenie. Toto vlnenie sa prenáša k našim ušiam zvyčajne vzduchom, keďže potrebujeme aj dýchať, a tento vzduch rozvlníme napríklad vlnením struny. Takže si vytvoríme imaginárny primitívny nástroj s napnutou strunou a brnkneme po nej. A predstavme si tiež, že čírou náhodou sme túto strunu napli tak, že bude kmitať rýchlosťou 440 kmitov za sekundu (jednotka hertz – Hz). Keď po tejto strune brnkneme, hráme tón A (konkrétne A4), komorné A (concert pitch) o štandardnej frekvencii 440 Hz. Frekvencia tónu A4 môže byť aj iná, ale o tom ešte napíšem inokedy.

Tón s menom A nie je iba jeden, totiž ak si napneme strunu polovičnej veľkosti, alebo ju proste iba pritlačíme v polovici o nejakú podložku, struna bude kmitať dvojnásobnou frekvenciou a hrať opäť tón A (konkrétne A5, 880Hz). Opäť sínusoida, ale kratšia perióda opakovania. Ak ju skrátime na štvrtinu, dostaneme opäť dvojnásobok frekvencie a tón A (A6, 1760 Hz). Prikladám aj vyobrazenie troch sínusoid v rovnakom vzájomnom vzťahu (všimnite si, že sa všetky stretávajú v strede a na konci tej najdlhšej vlny, to samozrejme robia všetky rovnaké tóny a preto spolu perfektne ladia):

Vyššie harmonické

No a teraz môžem povedať, že to tak nie je. Teda nie úplne. Keď brnkneme po naozajstnej strune, nedostaneme takéto ideálne sínusoidy. Ale je to tak dobre, pretože sa nám to viac páči.

Tón ktorý reálne budeme počuť obsahuje aj sínusoidy s vyššími frekvenciami, ale znejú slabšie, najsilnejšou ostáva tá základná – fundamentálna. O tom aké frekvencie ešte znejú a ako silno, závisia od nástroja, túto vlastnosť nazývame farbou zvuku nástroja (timbre). Ak poznáme túto charakteristiku, dokážeme zvuk rôznych nástrojov napodobniť, tak to robia syntetizátory.

Okrem toho majú vplyv aj ďalšie veci ako materiál a hrúbka struny, ale aj miestom, kde po strune brnkneme – pri brnknutí bližšie ku kraju sa zvýraznia vyššie frekvencie, ak brnkneme nad jej stredom, tak sa najviac priblížime ideálnej sínusoide. Pre ilustráciu prikladám súčet troch slabnúcich sínusoid (reálne by bol výsledok omnoho zložitejší):

Doteraz som spomínal iba násobky druhej mocniny, tieto môžeme nazvať vyššie harmonické (harmonics). Ale ”overtones” (nepoznám slovenský výraz), môžu byť buď mierne posunuté, teda nie presné násobky druhej mocniny, ale môžu obsahovať aj celkom iné frekvencie, záleží to od nástroja.

Flažolety

Na záver by som zmienil jednu zaujímavosť, tou sú tzv. flažolety (string harmonics). Ak na našu strunu jemne položíme prst v jej strede a brnkneme, tak nám zvonivo zaznie, zhodou okolností rovnakou frekvenciou ako keď strunu pritlačíme. Na strune je viacero takých miest, niektoré sú presne nad pražcami na gitare, viď obrázok z wikipedie:

Záver

V blízkej dobe teda ešte plánujem nadviazať na nejaké základy hudobnej teoórie, z ktorej som si teraz vypožičal iba pár označení, aby som neskôr mohol už s čistým svedomím písať o zaujímavostiach z tejto oblasti.

Príloha

Príkazy pre wxmaxima a sox, ktoré dokážu spraviť relevantné obrázky alebo zvukové súbory:

wxplot2d([sin(0.1*x), sin(0.2*x), sin(0.4*x)], [x,0,64]);

wxplot2d([sin(0.1*x) + 0.2*sin(0.2*x) + 0.05*sin(0.4*x)], [x,0,100]);

freq=(100 200 400); for f in ${freq[@]}; do sox --null sine$f.wav synth 5 sine $f; done
sox --combine mix sine100.wav --volume 0.333 sine200.wav --volume 0.2 sine400.wav sine124.wav
sox --combine mix --volume 0.666 sine100.wav --volume 0.333 sine200.wav --volume 0.2 sine400.wav sine124.wav

Comments

weblog/2013-09-22/ako_funguje_zvuk.txt · Last modified: 2013/09/23 18:32 (external edit)