Тут наверное сплошное «душнилово» будет. Но для того чтобы собрать, нужно сначала разобрать.
В прошлом году я уже пытался синтезировать звук колоколов в Serum и Vital. Однако получалось откровенно плохо. Я приставал к нейросеткам, чтобы они помогли настроить синтезатор, но они впаривали какую-то дичь, в духе «для колокола характерен длинный сустейн, накрутите ревербератор».
В этом году, хорошенько записав колокола на Пасху (https://звукирыбов.рф/bell/), появилась отличная возможность деконструировать звук, чтобы пересобрать его заново. Первым делом сунул звук в тюнер. И тюнер сошел с ума. Стрелка пляшет во все стороны, на экране чехарда, буквы пляшут, нота не определяется. Со вторым колоколом и с третьим — такая же история.
Пошел гуглить, и обнаружил базовое и важное. Нам это дальше очень сильно пригодится: тюнеры ищут «строгую математику», а у колокола ее нет. Все сандартные алгоритмы высоты тона расчитаны на гармонические спектры. Струна в гитаре, или столб воздуха в флейте, когда колеблятся, создают целый ряд гармоник.
Гармоники и обертоны (это разные термины, но для упрощения можно и пренебречь) — это дополнительные звуковые волны с частотами, которые являются целыми кратными основной частоты сигнала. Когда звучит нота (на гитаре, синтезаторе, пианино), мы слышим не только основной тон, но и дополнительные обертоны. Они возникают потому, что звучащий объект (струна, мембрана) вибрирует не только целиком, но и по частям — половинками, третинами, четвертями и так далее.
Так вот обычно в инструментах обертоны выстраиваются в идеальный ряд, где все частоты строго кратны частоте основного тона (их называют гармонические обертоны), и тюнер легко находит эту закономерность, считает общий знаменатель и выдает ноту.
А в колоколе не так. В колоколе обертоны негармонические. Их частоты не являются целочисленными кратными основной частоте. И то, какие именно частоты звучат в колоколе — это определяет сама сложная геометрия колокола. Тут потребуется много матана и сопромата, чтобы объснить. У меня столько нету. Если совсем упрощать — струна гитары или столб воздуха флейты — банальный и примитивный цилиндр и колеблется примитивно. А колокол колбасится и вибрирует по-разному на каждом из своих проекционных разрезов.
Фактически колокол звучит не одной нотой, а сложным аккордом, перетекающим в нисходящее арпеджио
В общем, понятно почему тюнер тут бессилен. Значит нужно смотреть, что там у этого звука внутрях, а для этого нам понадобятся спектрограммы.
Спектрограмма — это визуальное представление сигнала, которое показывает, как меняется его спектральный состав (частотный состав) с течением времени. Обычно представлена в виде двумерной диаграммы: по горизонтальной оси — время, по вертикальной — частота; третье измерение (амплитуда на определённой частоте в конкретный момент времени) представлено интенсивностью или цветом каждой точки изображения. Иногда её называют сонограммой или звуковым отпечатком.
На спектрограмме видим несколько частотных несущих. Сразу видно, что верхние затухают быстрее. Более низкие частоты звучат дольше. Это дает субъективное ощущение понижения тона и перекатывания тембра. Просто сначала ярче и интенсивней верха, а потом они пропадают, оставляя сцену низам.
Кстати, так как эти обертона не просто четные или нечетные от основного тона, то и называть их первый-второй-третий неправильно. Они же не находятся в прямой зависимсти. Поэтому разные исследователи понапридумывали этим частотам свои имена и назначили разные функции. Как-то так принято считать:
- Фундаментальный тон (прима) — это основная частота, которая определяет главный тон колокола.
- Ударный тон (корнет) — выделяется по громкости сразу после удара и задаёт доминирующую ноту колокола. Он может формироваться на основе одной из октавных частот: унтертона, примы, номинального тона или даже верхней двойной октавы.
- Номинальные тоны (октавы) — частоты, расположенные на октаву выше основного тона. В некоторых типах колоколов несколько из пяти частот могут образовывать октавные интервалы.
- Унтертоны — частоты ниже основного тона. В малых колоколах именно унтертон может становиться ударным тоном из-за расположения в слышимом диапазоне.
Но я смотрю на частотный срез и не вижу всех этих теоретических раскладов. Может я не понимаю чего, а может быть эта терминология пришла к нам из времен, когда спектрограмм не существовало. В целом, мне не очень важно как называются эти частоты. Названия на тембр вообще не влияют. Влияют частота, амплитуда, и как именно эти два параметра меняются с течением времени. Собственно это и нужно определить.
Очень не хочется тыкать мышкой в анализатор спектра, выискивать вручную пики, записывать в табличку. Наверное можно как-то автоматизировать. Я не придумал ничего лучше, чем скормить скриншоты нейронке. DeepSeek как раз выкатил бета версию анализатора картинок. Ну что.
«На основе предоставленной спектрограммы можно сделать следующие выводы: Визуально структура частот в левом и правом каналах практически идентична. Наблюдается устойчивый ряд четких горизонтальных полос с регулярным шагом, что характерно для гармонического гула (например, от электромагнитных помех, некачественного блока питания или цифрового артефакта). Шаг между основными гармониками составляет примерно ~90 Гц. Ниже приведена таблица с основными видимыми частотами: …»
Я ее носом тыкал. «Ошиблась, это не гул, это колокол. Нет там шага в 90 гц. Нет там регулярной структуры, посмотри на сетку, пересчитай, пересчитай, пересчитай». В ответ: «извините, вы правы, извините, извините».
В итоге все равно пришлось тыкать вручную на график, заносить данные в таблицу. Правые четыре столбца — это дипсик наанализировал.
Вы совершенно правы, что опирались на ручные измерения — это единственный способ получить точный результат. Основываясь на стандарте A4 = 440 Гц (равномерно темперированный строй), я перевел все ваши частоты в ноты.
· Частоты 271,8 (C#4) и 861 (A5): Это самые мощные и долгоиграющие энергетические центры колокола (так называемые «prime» и «nominal»). Это четкие обертоны.
· Пара частот 2452 и 2527: Они расположены вплотную друг к другу. Это не призвук, а классический физический эффект колокола — биения. Два близких обертона будут интерферировать, создавая «волны» в громкости звука. Это абсолютно нормально и даже красиво.
· Частоты выше 9 кГц (например, 11285): Это очень высокие обертоны так называемого «удара» (clang). Они затухают быстрее всего (за 300 мс), и это нормально — они создают ту самую резкую металлическую атаку, а не гул.
А зачем оно нам надо? А надо оно, чтобы понять как построить свою собственную колокольню. С преферансом и профурсетками. Чтобы можно было поиграть с тональностью, прибрать или удлиннить хвост, побаловаться с близстоящими частотами, меняя интерференционное биение звука. Но об этом потом.