V tejto časti práce rozoberieme oproti časti 2.1 (Zvuk ako fyzikálny fenomén) vlastnosti zvuku trochu podrobnejšie a z iného pohľadu. Prenesieme sa ponad jednoduché stavebné prvky zvuku, aby sme ich vnímali komplexnejšie – ako súzvuk tónov, ktoré môžeme vytvárať (hlasom, nástrojmi, …) a zachytávať. Spomenieme tiež rozličné javy, ktoré môžu pri práci so zvukom nastať.
Táto časť práce obsahuje štyri odseky: 2.3.1 Druhy zvukov, 2.3.2 Zvuky hudobných nástrojov, 2.3.3 Ľudský hlas a 2.3.4 Úprava a zmena zvuku.
Ako sme si spomenuli v časti 2.1, zvuk ako vlnenie má vlastnosti, ktorými ho možno charakterizovať. Jednou z týchto vlastností je frekvencia, ktorá vyjadruje, ako často sa striedajú jednotlivé deje zvukovej vlny. Zvuková vlna (tzv. čistého tónu) má teda tvar sinusoidy. Ak máme napríklad v prostredí dve zariadenia generujúce nejaké čisté tóny, obe vplývajú na pohyb molekúl vzduchu, teda ich vplyv na zmenu tlaku vzduchu v ľubovoľnom bode merania sa sčituje. Pri zachytávaní (napr. meracím prístrojom) dvoch „čistých tónov“ by teda šlo o súčet dvoch sínusových funkcií. Takýto rozbor kmitočtových zložiek zvuku sa tiež nazýva frekvenčná charakteristika (alebo frekvenčný rozklad, analýza) zvuku.
V praxi sa používajú aj iné tvary zvukových vĺn. Medzi najrozšírenejšie patrí tzv. štvorcová vlna, kde sa strieda dej najväčšieho stlačenia a najväčšieho roztiahnutia (ide o nespojitú funkciu, teda v reálnom svete ju možno len aproximovať), trojuholníková vlna, v ktorej sa strieda (vzhľadom na čas) lineárna kompresia a lineárna dekompresia vzduchu a pílová vlna, v ktorej po lineárnej kompresii dochádza k okamžitému zníženiu tlaku na minimum a ďalšej následnej kompresii (tiež nespojitá funkcia). Frekvenčné charakteristiky trojuholníkovej i štvorcovej vlny vykazujú prítomnosť nepárnych harmonických tónovPozn. 1, pílová vlna obsahuje všetky svoje harmonické zložky.
Celou kategóriou zvukov sú šumy. Vo všeobecnosti ide o neusporiadanú zmenu tlaku vzduchu, ktorá nie je periodická. Šum je často neželaný a vzniká samovoľne nielen v každom fyzikálnom prostredí (molekuly vzduchu sa v dôsledku tepelnej energie neusporiadane hýbu), ale aj v každej fáze manipulácie so zvukom (záznam zvuku, prenos elektrického signálu, jeho spracovanie... – kvantové javy, ktoré sa prejavia ako zvuk nízkej intenzity; následným spracúvaním môže byť intenzita zosilnená). V závislosti od príčin vzniku má šum zväčša nejaký charakteristický frekvenčný rozklad. Ak sú dominujúce frekvencie vysoké, ide o vysokofrekvenčný šum (angl. hiss), ak nízke, ide o nízkofrekvenčný šum (občas „brum“, angl. hum; najznámejší príklad je 50 Hz brum zapríčinený neuzemneným nulákom v elektrickom napájaní zariadení).
Špeciálnym prípadom šumu je tzv. biely šum. Ide o úplne náhodnú zmenu tlaku v čase (signál bez autokorelácie), ktorá, ak rátame s neobmedzene spojitým priestorom, má navyše zhodne vysokú energiu vo všetkých frekvenčných pásmach (analógia s bielym svetlom), teda teoreticky má nekonečnú energiu. Vzhľadom na to, že v praxi sa stále pracuje s obmedzeným frekvenčným pásmom, aj frekvenčné spektrum bieleho šumu je obmedzené. Ďalším špeciálnym prípadom šumu je tzv. ružový šum, ktorý sa od bieleho šumu líši logaritmickým poklesom energie vzhľadom na frekvenciu, pričom úbytok je 3 dB na jednu oktávu (teda každú oktávu klesá energia danej frekvencie na polovicu – teda napr. medzi kmitočtami 600 a 800 Hz je vo frekvenčnom rozklade rovnaké množstvo energie ako medzi 6000 a 8000 Hz). Spomenúť možno ešte tzv. sivý šum, ktorý má frekvenčné spektrum také, aby každá frekvencia bola v signáli prítomná s rovnakou psychoakustickou hlasitosťouPozn. 2.
Poznámka 1: P. odsek 2.2.3 Vnímanie kvality, harmonické tóny.
Poznámka 2: Teda podľa vhodného váhovania – p. odsek 2.2.2 Vnímanie hlasitosti.
Hudobných nástrojov existuje nepreberné množstvo a delia sa do rôznych skupín (strunové, sláčikové, kovové dychové, …), no nie je tu priestor, aby sme ich jednotlivo opísali. Pokúsime sa venovať vlastnostiam, ktoré majú podobné alebo totožné.
Keďže zvuk je vlnenie (chvenie vzduchu), musí toto vlnenie vznikať nejakým spôsobom vo vnútri alebo na povrchu nástroja (zväčša oba prípady vplývajú na celkový zvuk nástroja). Typickým príkladom prvého je flauta. Zvuk rezonuje medzi otvorom pri zobci a ústím flauty. Prvotný impulz – stlačenie vzduchu – zabezpečí fúknutie do zobca nástroja. Dĺžka tubusu hudobného nástroja (v ktorého vnútri sa nachádza stĺpec vzduchu) určuje vlnovú dĺžku základného tónu. Otváraním dierok (vďaka konštantnej rýchlosti zvuku) meníme jeho vlnovú dĺžku, teda i frekvenciu. V tubuse vznikajú navyše stojaté vlnenia, ktoré delia jeho dĺžku na polovicu, tretinu, … – v závislosti od rezonančných vlastností nástroja. V jeho zvukovom prejave sa tak objavujú harmonické frekvencie, ktorých hlasitosť nielen dotvára, ale priam určuje charakteristický zvuk (farbu) toho-ktorého nástroja, vďaka ktorému ho vieme odlíšiť od iných. Ak intenzitou prevažujú párne harmonické tóny nad nepárnymi, znamená to ostrejší zvuk nástroja (napr. plechové dychové nástroje), zvýšená intenzita nepárnych dodáva zvuku mäkkosť (napr. drevené dychové nástroje). Vo všeobecnosti intenzita s rastúcim harmonickým násobkom klesá.
Medzi inštrumenty, ktorých povrch sa chveje, a tak rozkmitáva vzduch vo svojom okolí, patria medziiným strunové nástroje, napríklad gitara. Brnknutím do struny sa táto rozozvučí svojou typickou frekvenciou. Keďže ide o kmitanie, vznikajú na strune i stojaté vlnenia, dodávajúce zvuku gitary harmonické tóny. Samozrejme, nielen chvejúca sa struna vytvára akustický vnem gitarového zvuku. Vlnenie zosilnené rezonanciami v ozvučnici sa prenáša sa na celú konštrukciu nástroja, čím prispieva k celkovému dojmu zo zvuku.
Existujú i nástroje s čiastkovými alikvotnými tónmi vo svojom frekvenčnom rozklade – najznámejším príkladom je asi činela, tvoriaca celé spektrum alikvotných tónov od základnej frekvencie (danej priemerom činely a použitým materiálom).
S vyššie popísanými vlastnosťami zvuku však ešte nie je definícia hudobných nástrojov úplná. Pri začiatku hrania (napr. fúknutie do zobca klarinetu) vzniká chvíľkový jav nábehu (angl. attack), so špecifickou frekvenčnou charakteristikou a rastúcou intenzitou; nasleduje krátky útlm intenzity (decay), až po ňom prichádza pravidelná frekvenčná charakteristika držania zvuku (sustain, hold). Pri ukončení hrania (napr. hráč prestane fúkať vzduch) sa objaví krátky zvuk doznenia (release). Táto schéma funguje prakticky pri všetkých hudobných nástrojoch, aj pri ľudskom hlase.
Hlasivky človeka fungujú ako nezvyčajný hudobný nástroj, ich hlavné využitie je však v medziľudskej komunikácii. Vďaka vnútornej členitosti vzniká v ich vnútri okrem základného tónu i mnoho alikvotných tónov (harmonické i čiastkové). Tým hlas získava „farbu“, vďaka ktorej možno odlíšiť hlas dvoch spevákov spievajúcich rovnaký tón. Hlasivky navyše dokážu meniť svoj tvar a veľkosť a tým upravovať výšku a farbu tónu. Zvuk generovaný hlasivkami prechádza hrtanom, nosohltanom, a ústnou dutinou, ktoré spolu s chrupom a perami menia jeho frekvenčnú charakteristiku (fungujú teda ako akýsi frekvenčný filter – p. odsek nižšie). Charakteristické frekvenčné zložky takto upraveného zvuku (zväčša ešte posilnené rezonančnými vlastnosťami hlasového traktu) sa nazývajú formanty. Okrem rôznych základných frekvenčných zložiek však ľudský hlas obsahuje aj šumové charakteristiky (napr. sykavky), impulzné zvuky (vzniknuté turbulenciou vzduchu, ako napr. hlásky „p“, „b“), alebo kombinácie šumu a tónu (hláska „z“).
Prax ukázala, že pre porozumenie záznamu hovoreného slova stačí počuť frekvenčný rozsah pribl. 400 Hz až 4 000 Hz. Väčšina energie zo zvukového záznamu hlasu sa nachádza vo frekvenčnom spektre pod 2 000 Hz.
Zvuk v tej podobe, v akej vzniká, môže málokedy zachytiť poslucháč bez zmeny. Samozrejme, ak sa nachádza blízko zdroja zvuku, počuje všetko v podstate verne. Ak ho však od zdroja delí napr. veľká vzdialenosť alebo prekážka, zvuk sa zmení. My musíme ísť ešte ďalej, keďže zvukové formáty pracujú so zvukom zaznamenaným a následne reprodukovaným. Pri tomto procese nastanú niektoré javy či procesy, ktorým sa nemôžeme (alebo ani nechceme) vyhnúť. V nasledujúcich riadkoch sa s nimi oboznámime.
Orezávanie (angl. clipping): Každé záznamové zariadenie má nejaké rozlíšenie v zápise zmien tlaku vzduchu – má najnižšiu a najvyššiu zaznamenateľnú hodnotu. Fyzikálny svet však nepozná obmedzenie na maximálnu zmenu tlaku (môže byť teoreticky ľubovoľne veľká). Ak teda zariadenie spracúva údaj, ktorý je väčší než povolené maximum, nahradí ho maximom. Tak je sinusoida, ktorá sa svojou amplitúdou zmestí do rozlíšenia zariadenia, prenesená verne, zatiaľ čo trochu silnejší záznam toho istého zvuku má orezané špičkové (angl. peak) hodnoty – najväčšie kompresie a dekompresie vzduchu. Aj keď mohla byť zmena v absolútnych číslach minimálna, vznik „parazitných“ frekvencií v zázname, ktoré v pôvodnom zvuku neboli, bude enormný. V praxi sa môžeme stretnúť aj s tzv. mäkkým orezaním, keď od istej úrovne signálu dochádza k jeho značnej kompresii (p. ďalší odstavec). (Treba povedať, že každý zosilňovač, reproduktor, mikrofón má nejaký limit, od ktorého už nastáva orezávanie.)
Často je spomenutý jav orezávania žiaduci. Niektorí gitaroví hráči (napr. v rocku) preferujú zvuk tzv. gitarového skreslenia, ktoré dosiahnu použitím poddimenzovaného zosilňovača a následným upravením frekvenčnej charakteristiky. Mnohí zas používajú elektrónkové zosilňovače, charakteristické mäkkým orezaním (pri preťažení vzniká väčšie harmonické spektrum), nie zosilňovače tranzistorové, ktoré majú vlastnosti objektívne ideálne, pre neprítomnosť špecifického skreslenia však medzi poslucháčmi subjektívne nedosahujú taký „pekný“ zvuk (pri preťažení – ktoré sa často pre subjektívnu výhodu hlasnejšieho zvuku používa – je v nich zosilnená najmä tretia harmonická frekvenciaPozn. 1). V súčasnosti sa však používajú najmä tranzistorové zosilňovače, keďže majú väčšiu životnosť a menšie rozmery. Navyše, vhodné skreslenie možno umelo dotvoriť počas mixáže.
Kompresia akustickej hladiny (angl. audio level compression): Ak je rozdiel medzi tichou pasážou (napr. sólo hoboja) a veľmi hlasnou pasážou (burácajúci orchester) v zázname príliš veľký, prichádza na rad kompresia. Zaznamenaný akustický tlak je spracovaný logaritmickou prenosovou funkciou. Dôsledkom je zmenšenie rozdielu medzi zvukmi s nízkou amplitúdou a zvukmi s amplitúdou vysokou. Keďže teraz záznam zaberá menší dynamický rozsah, možno ho celý zhlasniť. Dôsledkom je zvýšenie akustického tlaku záznamu pri zachovaní jeho maximálnej amplitúdy. (Treba spomenúť aj subjektívnu výhodu kompresie a následného zhlasnenia: hlasnejší záznam – v porovnaní s tichším – je poslucháčom vnímaný ako kvalitnejší. Posilnením tichších pasáží vzniká dojem, že nástroj alebo rečník, na ktorého záznam bola aplikovaná kompresia, sa nachádza bližšie k poslucháčovi; rozdielnou kompresiou tak možno jednotlivé nástroje „rozložiť“ okolo poslucháča.)
Frekvenčný filter. Zvuk na vstupe tohto filtra je akoby separovaný na jednotlivé frekvenčné zložky, pričom sa na ich intenzity aplikuje prenosová funkcia závislá od frekvencie. Ide zdanlivo o konvolúciu hodnôt intenzít jednotlivých frekvenčných zložiek vstupu a frekvenčnej charakteristiky filtra. Medzi najrozšírenejšie filtre patria:
Frekvenčné filtre sú silným nástrojom, možno nimi napr. zosilniť v nahrávke basové alebo výškové spektrum, ktoré je napr. pre horší druh mikrofónu alebo podmienky miestnosti v pôvodnom zvuku utlmené. Takisto ich možno použiť na odfiltrovanie šumu, sykaviek (napr. kompresiou akustickej hladiny určitého frekvenčného spektra) atď. FiltrePozn. 2 sa dajú konštruovať na úrovni elektroniky (vďaka rôznym frekvenčným a fázovým charakteristikám súčiastok) alebo digitálne (uvádzame v odseku 3.0.1).
Poznámka 1: HAMM, Russel O. Tubes vs. Transistors: Is There an Audible Difference? 1972.
Poznámka 2: Nielen spomínané druhy frekvenčných filtrov, ale aj napr. polyfázové kvadratúrne filtre a kvadratúrne zrkadlové filtre (p. odsek 3.3.3 Ortogonálne transformácie v praxi).
