Amplitūda, frekvence, decibeli

No skaņas avota svārstību stirpuma ir atkarīgs skaņas skaļums. Fizikā to sauc par amplitūdu. Jo amplitūda lielāka, jo skaņa skaļāka.
Savukārt svārstību biežums maina skaņas augstumu. Mazāk svārstību - zemāka skaņa, vairāk svārstību - augstāka. Svārstību biežumu sauc par frekvenci un to mēra hercos, saīsināti Hz.

Noskaties īsu video piemēru, kur zema un klusa skaņa pieaug skaļumā un augstumā. Ievēro, ka sākumā var redzēt atsevišķas svārstības, bet vidū un beigās vairs nē. Toties skaļuma pieaugums ir redzams visu laiku.

Get the Flash Player to see this player.

Lai pētītu skaņas īpašības, skaņu nereti ir jārada mākslīgi - tad tā ir pilnīgi tīra. Kad vēl nebija izplatīti datori, skaņu ģenerēja ar zemfrekvences ģeneratoriem un pētīja ar mēraparātu oscilogrāfu. Šodien to ļoti vienkārši izdarīt ar parastu datoru. Kā tas notiek - tūlīt redzēsi!

Lai svārstības būtu labi redzamas ne tikai zīmētas datora ekrānā, datoru pieslēgšu basģitāras pastiprinātājam - tā lielais skaļrunis palīdzēs ieraudzīt arī viszemākās svārstības. Skaties video!

Get the Flash Player to see this player.

Cilvēks dzird skaņas, ar frekvenci no 20 līdz 20 000 Hz. Tātad auss var sajust sākot ar 20 svārstībām sekundē, līdz 20 000, tādēļ arī nebija dzirdamas lēnākās ģitāras skaļruņa kustības. Skaņu, kuras svārstību frekvence ir zem 20 Hz sauc par infraskaņu. Augstāku par 20 000 - par ultraskaņu. Ultraskaņu labi uztver daudzi dzīvnieki, putni un kukaiņi. Tas viņiem palīdz noķert medījumu un pārvietoties tumsā. Šīs īpašības izmanto arī dzīvnieku dresētāji cirkū - viņi svilpj ar īpašām svilpītēm, kuru skaņas nedzird skatītājs, toties dzird dzīvnieciņš un rāda iemācītus trikus.
Skaņas uztveršanas spēja cilvēka dzīves laikā mainās, bērni augstās skaņas uztver labāk par pieaugušajiem. Skaties tabulu!

Skaņas skaļums ir cilvēka dzirdes individuālā uztveres spēja reaģēt uz skaņas svārstībām. Skaņas stiprums ir atkarīgs no spiediena līmeņa, kurš tiek mērīts decibelos (dB) ar trokšņu mērītāju. Decibelu skala ir izveidota, ņemot vērā to, kā skaņas intensitāti un tās augstumu uztver cilvēks. Cilvēka auss var sajust lapu čaukstoņu – aptuveni 10 dB(A), kā arī spēj pielāgoties pat pie nedzirdību izraisošas mūzikas – aptuveni 90-110 dB(A).

Skaņas no 110 līdz 120 dB cilvēka dzirdei rada sāpju sajūtu. Skaņas stipruma drošības barjera ir 80dB, to pārsniedz ikviens, kurš ikdienā kaut vai vienu stundu regulāri lieto pārnēsājamo atskaņotāju. Tas var novest pie vājdzirdības! Ap 70% regulāriem mp3 atskaņotāju lietotājiem dzirdes jūtība ir zem normas!

Ir noderīgi zināt, kādu troksni parasti izraisa mums apkārt esošie skaņas avoti:

Skaņa un tās virstoņi

Skaņas tembrs ir atkarīgs no dažādo augstāko frekvenču svārstību stirpuma un skaita, kas uzklājas pamttonim, to "bagātinot" ar dažādu nokrāsu. Mēs taču labi zinām, ka viena un tā paša toņa augstuma skaņai, izraisītai ar vijoli, klavierēm, klarneti, ērģelēm, cilvēka balsi ir dažāda nokrāsa. To mēs jūtam ar dzirdi un saucam par skaņas tembru. Tīra, mākslīgi radīta skaņa bez virstoņiem ir tikpat "bezgaršīga" kā tīrs destilēts ūdens.

Visas skaņas var iedalīt muzikālās skaņās un trokšņos. Muzikālas skaņas sastāv no pamattoņa un virstoņiem. Toties trokšņos nav ne pamattoņa, ne virstoņu. Tie sastāv no daudzu un dažādu frekvenču svārstībām.

Klausies, kā skaņu La spēlē vairāki instrumenti un skaties, kā atšķirās to skaņas viļņi!

Get the Flash Player to see this player.

Mūzikas instrumenti

Stīgu instrumenti

Ir daudz un dažādu veidu, kā spēlēt stīgu instrumentus. Reizēm stīgas strinkšķina ar pirkstiem vai ar cietu plastmasas vai koka gabaliņu, ko sauc par plektru. Reizēm stīgas spēlē ar lociņu. Ir arī instrumenti, kurus spēlē, sitot pa stīgām ar āmuriņiem. Vienalga, vai stīgas strinkšķina, spēlē ar lociņu vai skandina ar piesitieniem, rezultātā tās vibrē jeb svārstās. stīgu radītais skaņu augstums atkarīgs no stīgas resnuma, garuma un tā, cik stingri stīga ir nostiepta. Aplūkojot ģitāras stīgas, var redzēt, ka zemāka skanējuma stīgas ir nedaudz resnākas nekā tās, kuras spēlē augstākas skaņas. Kontrabasam stīgas ir daudz resnākas un garākas nekā vijolei. Mūzikas instrumentu stīgas tiek nostieptas, līdz tās skan atbilstošajā, šim instrumentam, atbilstošajā augstumā. Šādu stīgu nostiepšanu sauc par instrumentu noskaņošanu. Dažādiem instrumentiem ir dažāds stīgu skaits, un katra no tām ir jāuzskaņo pareizajā augstumā.
Pie stīgu instrumentiem pieder vijole, alts, čells, kontrabass, klavieres, klavesīns, arfa, ģitāra, kokle un daudzi citi.

Koka pūšaminstrumenti

Vai esi kādreiz mēģinājis pūst tukšas pudeles kakliņā? Vai pūst dzēriena salmiņā? Pamēģini, un droši vien radīsies skaņa. Tas ir tāpēc, ka pūšot dobā priekšmetā, gaiss iekšpusē sāk vibrēt. Pūšamie instrumenti galvenokārt ir dobas caurulītes, kam vienā galā ir iemutnis. Tā ir daļā, ko spēlētājs lieto, pūšot caurulē gaisu. Kad gaiss caurules iekšpusē vibrē, rodas muzikāla skaņa. Tāpat kā īsa stīga rada augstāku skaņu nekā gara, skaņas augstumu ietekmē caurules garums. Pūšot garā caurulē jūs iegūsiet zemu skaņu. Īsā caurulītē skanēs augstāk.
Pie koka pūšamajiem instrumentiem pieder: flautas, pikolo flautas, obojas, klarnetes, fagoti, kontrafagoti un saksofoni. Pikolo flauta ir tikai 31 cm gara, bet kontrafagota garums sasniedz 5,6 metru garumu. Kontrafagota ļoti garais korpuss ir četrkārt saliekts, lai instrumentu padarītu vieglāk spēlējamu.

Metāla pūšaminstrumenti

1923. gadā tika atraktas vairāk nekā pirms 3000 gadiem mirušā ēģiptiešu faraona Tutanhamona kapenes. Tajās tika atrasti daudzi dārgumi, starp tiem arī divas taures. Tās bija apmēram 50 cm garas; viena bija izgatavota no sudraba, otra no vara. Domājams, ka taures lietotas fanfaru spēlei sevišķos gadījumos. Taures spēlēja arī senie grieķi un romieši. Tās tika spēlētas arī kauju spraigākajos brīžos, lai ar kliedzošo un šņācošo skaņu iebiedētu ienaidnieka karavīrus. Visi šie instrumenti radīja skaļu, spilgtu skaņu, ko viegli varēja dzirdēt no liela attāluma. Metāla pūšaminstrumentu skaņa veidojas, lūpām vibrējot pret iemutni ("munštuku"). Tas liek vibrēt arī gaisam instrumenta iekšienē.
Pie metāla pūšaminstrumentiem pieder trompete, trombons, mežrags, tuba, eifonijs kā arī šo instrumentu paveidi.

Sitaminstrumenti

Ir divas sitaminstrumentu grupas:
pašskaņi - skan tad, kad tos sit vai krata,
plēvjskaņi - tos klāj stingri nostiepta āda, kas sitiena brīdī vibrē.
Daudzi sitaminstrumenti ir ļoti vienkārši, piem., pret zemi sitamas tukšas caurules, kas bieži izgatavotas no bambusa. Dažāda garuma un platuma nūjas rada dažāda augstuma skaņas. Citi instrumenti, tos piesitot vai kratot, vienkārši rada savdabīgas skaņas bez noteikta augstuma. Tie ir nenoteikta augstuma sitaminstrumenti.
Pie sitaminstrumentiem pieder dažāda lieluma bungas, metalafoni un ksilofoni, zvaniņi, šķīvji, zvani un daudzi citi.

Skaņa datorā. Skaņas kodēšanas princips.

Līdz šim brīdim esam tikuši skaidrībā ar skaņu, tās rašanos, veidiem un mūziku. Bet kā skaņa nokļuva šeit, datorā? Pareizi! To kāds te iekopēja! :) Nē, tomēr ir nedaudz sarežģītāk. Vismaz pirmo reizi, pēc tam var arī kopēt.

Skaņa no svārstībām gaisā datora atmiņā nonāk ar mikrofona un skaņas kartes palīdzību. Ja Tu lieto Skype vai citu interneta telefonijas programmu, tad labi zini - mikrofons pieslēgts tam paredzētajā vietā skaņas kartē, un balss tiek pārvērsta, lai tiktu pārraidīta lietojot internetu. Līdzīgā veidā Tu vari savu balsi ierakstīt. Profesionāli mūziķi gan nedzied un nespēlē mikrofonā, kurš pa taisno pieslēgts skaņas kartei, bet princips ir līdzīgs, jo mūsdienīgā skaņu ierakstu studijā bez datora neiztikt. Kad datori vēl nebija piemēroti skaņas apstrādei, ieraksts notika uz daudzceliņu magnetofona lentēm.

toreiz

un tagad

Datora skaņas karte Tavu vai Tava iecienītā dziedātāja balsi pārvērš datoram "saprotamā" veidā - skaitļos 1 un 0. Šo pārvēršanu sauc par konvertēšanu un to paveic skaņas kartē esošais analogais - ciparu pārveidotājs (angliski Analog Digital Converter, saīsināti ADC).

Pretēja darbība notiek skaņu no datora atmiņas atskaņojot. Tad tā ar ciparu analogā pārveidotāja (Digital Analog Converter, DAC) tiek pārvēsrta elektriskos signālos, kas iesvārsta membrānu skaļruņos vai austiņās.

Pārveidošanas algoritmi ir diezgan sarežģīti, tomēr pamata doma Tev varētu būt skaidra. Vienu un to pašu skaņas līkni uzzīmēsim uz divām dažādām rūtīnu lapām - parastās, no matemātikas burtnīcas un milimetru papīra. Ja katrai rūtiņai jāsatur sīkāku un precīzāku informāciju par skaņu, tad kurš no zīmējumiem tāds būs? - tas kuram smalkākas rūtiņas.

Pēc šāda principa tas arī notiek, tikai dalījums "rūtiņās" ir daudz, daudz smalkāks arī par milimetru papīru. Katra šāda rūtiņa aizņem 1 bitu. Skaņa, kura ierakstīta audio kompaktdiskā 1 sekundes laikā sadalīta 44 100 reizes horizontālā un 16 reizes vertikālā virzienā, tātad 1 skaņas sekunde aizņem 16 x 44 100 = 705 600 bitus, jeb 88 200 baitus. Mums ir divi skaņas kanāli - kreisais un labais, tādad 88 200 x 2 = 176 400 B = 172 KB. Un viena 5 minūšu dziesmiņa aizņems 172 kB x 60 sekundes x 5 = 51 600 KB jeb atuveni 50 MB.

Skaņas kompresēšana. Principi, priekšrocības, trūkumi.

Viena dziesmiņa 50MB? Iespējams, ka šāds izmērs liekas pārsteigums, jo Tavā mp3 atskaņotājā vai tālrunī šī pati dziesma neaizņem vairāk par 5 megabaitiem. Jā, tā tas varētu būt.

Pārnēsājamās ierīcēs skaņas apjoms ir ievērojami samazināts, lai ikdienā vieglāt ņemtu līdzi lielāku mūzikas daudzumu un atsevisķas datnes būtu ērtāk pārsūtāmas elektroniskā veidā. Skaņas apjoma samazināšanu sauc par kompresēšanu. Tai izmantoti dažādi paņēmieni, kurus ikdienā bieži sauc viena konkrēta formāta vārdā - mp3. Pazīstama ir vēl virkne šo kompresēto skaņas formātu - mp4, windows media audio, aac, real media un citi.

Formāti dažādi, bet pamatprincips tajos viens - samazināt faila izmēru, cenšoties nepazemināt kvalitāti. Pilnībā tas nav iespējams, un prasīgs klausītājs neatzīs nevienu no šiem "mp3". Tas, vai sadzirdēsi atšķirību starp kompresētu un nekompresētu skaņu ir atkarīgs gan no pielietotā kompresijas paņēmiena un kvalitātes, gan atskaņojošās aparatūras kvalitātes (atskaņotāja, austiņu vai skaļruņu), gan mūzikas žanra (elektroniska mūzika kompresējas ar šķietami mazāk zudumiem), gan klausītāja prasīguma pēc skaņas kvalitātes.

Uz kā rēķina notiek samazinājums? Atceramies, ka vidēji cilvēks dzird skaņas svārstības no 20 - 20 000 Hz, pie kam augstās skaņas ne tik labi. Kompresējot skaņu, tās tad arī tiek samazinātas. Mazāks ir arī mērījumu skaits sekundē - no audio CD informāciju nolasa 44 100 reizes sekundē, mp3 skaņā tas ir vismaz 4 reizes mazāk. Jo vairāk saspiesta skaņa, jo vairāk tiek zaudēts skaņas dzidrums, dzīvīgums.

Datu nolasīšanas reižu skaitu samazinot kaut vai divas reizes, tiek zaudēta skaņas kvalitāte! Skaties attēlā!

To var notekt ar skaņas spektra analizatoru. Tas parāda attālumu no zemākās līdz augstākajai frekvencei konkrētā skaņā, kā arī katras frekvences stiprumu. MP3 skaņas kvalitāti nosaka bitu biežums vienā sekundē, jeb bitrate. Nākamajā piemērā dzirdēsi vienu un to pašu skaņdarbu dažādos bitrate - 96kbps, 128kbps un 256 kbps un redzēsi to spektra analīzes. Ieskaties! Vai dzirdi arī atšķirību?

Get the Flash Player to see this player.

Tests par skaņu

Pildi testa uzdevumus. Ja nepieciešams, meklē informāciju pie jautājuma norādītājā nodaļā.
Lai testu uzskatītu par ieskaitītu, pareizi jāatbild vismaz puse jautājumu. Kļūdaini atbildētu jautājumu labot nav iespējams!

Lai veicas! :)