Hudební akustika
most mezi uměním a vědou
Editoři: I. Šimánková, J. Obdržálek
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 1-
Obsah
(1)
(2)
Úvodem (Šimánková) ................................................................................................................. 5
Základy kinematiky kmitavého pohybu (Vinkler, Kvíz, Obdržálek)............................................. 6
Popis polohy: vztažná soustava ............................................................................................... 6
Základní pojmy: pohyby a veličiny........................................................................................... 6
Kmitavý pohyb ......................................................................................................................... 7
Harmonický pohyb .................................................................................................................. 7
Základní pojmy ........................................................................................................................ 8
Rovnoměrný pohyb po kružnici vs. harmonické kmitání po úsečce ....................................... 8
Skládání kmitavých pohybů ..................................................................................................... 9
(3)
(4)
(5)
(6)
Popis kmitavého pohybu (Vinkler, Kvíz) ................................................................................... 12
Skládání rovnoběžných kmitů (Vinkler, Kvíz)............................................................................ 16
Skládání kolmých kmitů (Vinkler, Kvíz) ..................................................................................... 18
Dynamika kmitání 1 (Vinkler, Kvíz) .......................................................................................... 19
1. Dynamika tělesa kmitajícího na pružině................................................................................ 19
2. Dynamika matematického kyvadla ....................................................................................... 21
(7)
Dynamika kmitání 2 (Vinkler, Kvíz) .......................................................................................... 22
1. Energie harmonického oscilátoru a tlumení ......................................................................... 22
Nucené kmitání ..................................................................................................................... 23
3. Amplituda nucených kmitů, rezonance ................................................................................. 24
(8)
Vlastnosti zvuku – PL (Vinkler, Kvíz, Obdržálek) ....................................................................... 26
Subjektivní vlastnosti zvuku .................................................................................................. 26
Hladiny veličin ....................................................................................................................... 26
Dopplerův jev ........................................................................................................................ 27
(9)
Základy prostorové akustiky (Jiříček)....................................................................................... 28
1. Cíle prostorové akustiky ........................................................................................................ 28
3.
Geometrická akustika ............................................................................................................ 28
Vlnová akustika...................................................................................................................... 29
4.
5.
Vlastní módy kytarové desky................................................................................................. 32
Statistická akustika ................................................................................................................ 32
6.
7.
Akustika prostorů .................................................................................................................. 34
Metody zvýšení difuzity ......................................................................................................... 35
(10) Základy hudební teorie (z fyziky odvozené) (Obdržálek).......................................................... 37
1. Úvodem ................................................................................................................................. 37
2. Tón – základ naší hudby ........................................................................................................ 37
3. Melodie a harmonie .............................................................................................................. 38
4. Alikvótní tóny ........................................................................................................................ 38
5. Durová stupnice. Tónika, subdominanta, dominanta. .......................................................... 38
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 2-
6.
(11)
(12)
(13)
(14)
(15)
Tónina .................................................................................................................................... 39
Ticho – ML (Morávková) ........................................................................................................... 40
Ticho – PL (Morávková) ............................................................................................................ 44
Hluk........................................................................................................................................ 44
2. Ucho a sluch .......................................................................................................................... 44
Komunikace zvířat – ML (Morávková) ..................................................................................... 45
Komunikace zvířat – PL (Morávková) ....................................................................................... 48
Elektrofony (Guštar) ................................................................................................................. 49
1. Historie .................................................................................................................................. 49
2. Elektřina a hudební nástroje ................................................................................................. 49
3. Systematika elektrofonů ....................................................................................................... 50
4.
5.
Elektromagnetické rotační generátory.................................................................................. 51
Elektrostatické rotační generátory ........................................................................................ 52
6. Optoelektrické rotační generátory ........................................................................................ 52
7. Elektrostatické snímání kmitů ............................................................................................... 53
8. Elektromagnetické snímání kmitů ......................................................................................... 54
9. Piezoelektrické snímání kmitů ............................................................................................... 54
10. Optofonické nástroje ............................................................................................................. 55
11. Magnetofonické nástroje ...................................................................................................... 55
12. Otázky a úkoly: ...................................................................................................................... 56
13. Literatura ............................................................................................................................... 56
(16) Elektrofony II (Guštar) .............................................................................................................. 57
1. Elektronika a hudební nástroje ............................................................................................. 57
2. Systematika elektronických nástrojů .................................................................................... 58
3. Analogové monofonní nástroje ............................................................................................. 59
4. Analogové multifonní nástroje .............................................................................................. 61
5.
6.
7.
8.
9.
Analogové polyfonní nástroje ............................................................................................... 61
Hybridní nástroje ................................................................................................................... 61
Digitální nástroje ................................................................................................................... 62
Otázky a úkoly: ...................................................................................................................... 63
Literatura ............................................................................................................................... 63
(17)
(18)
Tvorba jednoduché zvukové stopy s více vrstvami – PL1 (Fajfr) .............................................. 64
Tvorba jednoduché zvukové stopy s více vrstvami – ML1 (Fajfr) ............................................. 67
Rizika a doporučení ............................................................................................................... 67
(19) Tvorba jednoduché zvukové stopy ke krátkému filmu – PL2 (Fajfr) ........................................ 69
(20) Tvorba jednoduché zvukové stopy ke krátkému filmu – UL2 (Fajfr) ........................................ 72
1. Rizika a doporučení ............................................................................................................... 72
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 3-
(21)
Ideová tvorba video-klipu – PL (Fajfr)....................................................................................... 73
1. Úvodní inspirace .................................................................................................................... 73
Filmový jazyk ......................................................................................................................... 73
Základní myšlenka - vztah hudby a obrazu............................................................................ 74
4. Storyboard ............................................................................................................................. 75
(22) Ideová tvorba video-klipu – UL (Fajfr) ...................................................................................... 77
Rizika a doporučení ............................................................................................................... 77
(23)
CUBASE (Šimánková) ................................................................................................................ 78
1. Základní pojmy ...................................................................................................................... 78
2. Jak s Cubase začít .................................................................................................................. 78
Audio track ............................................................................................................................ 79
4. Instrument track .................................................................................................................... 80
5. Možnosti nahrávání ............................................................................................................... 83
(24) Úvod do natáčení nástrojů ve studiu (Brom) ........................................................................... 85
1. Úvod. První zvukové záznamy ............................................................................................... 85
Proces natáčení ..................................................................................................................... 85
3. Mikrofony. Vznik a typy mikrofonů ....................................................................................... 86
Použití mikrofonů ve studiu .................................................................................................. 94
Závěr ...................................................................................................................................... 95
Užité zkratky
ML – metodický list
PL – pracovní list
UL – učitelský list
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 4-
(1) Úvodem
(Šimánková)
Milí čtenáři,
předkládaná skripta jsou určena nejen pro všímavé studenty, ale i pro učitele, kteří by chtěli
rozšířit a zpestřit své hodiny fyziky a hudební výchovy. Texty, kterých se jejich autoři více či
méně přidržovali při svých přednáškách i praktických cvičení, jsou obsaženy v tomto sborníku a seřazeny logicky dle tématu a autora. Veškeré příspěvky se věnují akustice, ať již z přírodovědeckého, technického či uměleckého hlediska. Autoři si přejí, aby se všem, kteří se dostanou k těmto skriptům, s nimi dobře pracovalo a aby lehce pronikli do tajů široké vědecké
oblasti, která čeká na své objevitele a obdivovatele.
Autoři
Skripta představují jeden z povinných výstupů projektu Hudební akustika – most mezi uměním a vědou, který byl finančně podpořen Evropským sociálním fondem (ESF) prostřednictvím Operačního programu Praha Adaptabilita (OPPA). Registrační číslo projektu
CZ.2.17/3.1.00/36055.
Do skript přispěli tito autoři:
Mgr. Pavel Brom
Mgr. Marek Fajfr, Ph. D.
Ing. Milan Guštar, Ph. D.
prof. Ing. Ondřej Jiříček, CSc.
RNDr. Milan Kvíz
RNDr. Alena Morávková, Ph. D.
doc. RNDr. Jan Obdržálek, CSc.
Bc. et Mgr. Ilona Šimánková
Mgr. Martin Vinkler
ExAvik sound studio
Gymnázium Praha 4, (GVP)
HAMU
FEL ČVUT
Gymnázium Praha 4, (GVP)
PřF UK v Praze
UTF MFF UK v Praze
Gymnázium Praha 4, (GVP)
Gymnázium Praha 4, (GVP)
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 5-
(2) Základy kinematiky kmitavého pohybu
(Vinkler, Kvíz, Obdržálek)
Popis polohy: vztažná soustava
Když chceme studovat pohyb, potřebujeme popsat polohu bodu v čase. Pro popis polohy
zavedeme kartézskou vztažnou soustavu S s osami x, y, z, ve škole zpravidla intuitivně –
např. tím, že popisujeme vše vůči zemi nebo vůči pracovnímu stolu. Je dobře, zavedou-li
se rovnou dvě vztažné soustavy, jednak aby se ukázalo, že vztažných soustav můžeme
zavést tolik, kolik je potřeba, jednak aby se později předvedlo Galileovo určování poloh r
a skládání rychlostí v prostým vektorovým sčítáním rychlosti částice a vzájemné rychlosti W vztažných soustav:
′ =  − 
’ =  – 
To budeme také potřebovat dále při skládání kmitů.
Základní pojmy: pohyby a veličiny
Pojem střední rychlosti v (resp. okamžité rychlosti) jsme ve škole zavedli jako
uražená dráha
změna polohy
rychlost = potřebná doba , resp. potřebná doba, neboli

∆⃗
 = , resp. ⃗ =

∆
Druhý zápis bere v úvahu i směry (jde o vektory). Při nejjednodušším pohybu – jednorozměrném pohybu rovnoměrném přímočarém – je rychlost stálá, nemění se s časem ani
co do velikosti, ani co do směru (klid je speciální případ pohybu, kdy je rychlost nulová.)
Pojem zrychlení se zavede analogicky, jako časová změna rychlosti:
změna rychlosti
zrychlení = potřebná doba , neboli
⃗⃗
∆
∆
Zatímco při jednorozměrném pohybu rovnoměrně zrychleném se zachovává směr ⃗⃗⃗⃗⃗
0 a
mění se jen velikost  rychlosti (jde o pohyb s konstantním zrychlením), při dvojrozměrném rovnoměrném pohybu po kružnici se velikost  vektoru zrychlení ⃗ nemění, ale mění
se jeho směr ⃗⃗⃗⃗⃗:
0 pravidelně se otáčí.
⃗⃗ =

Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 6-
Kmitavý pohyb
Pohybem rovnoměrným nebo rovnoměrně zrychleným se od výchozího bodu stále více
vzdalujeme. Nás budou v dalším zajímat pohyby, kdy zůstáváme stále v celkem malém
okolí výchozího bodu – pohyby kmitavé.
Pohyb kmitavý je z fyzikálního hlediska velice významný, protože mnoho přírodních
dějů má povahu kmitání – pohyb listů stromu ve větru, kmitání částic vody na rozvlněné
vodní hladině, kmitání zdroje zvuku, kmitání částic látky atd. Může být jednorozměrný i
vícerozměrný, my si ho připomeneme v nejjednodušším případě jednorozměrném.
Kmitavé pohyby lze rozdělit do dvou základních skupin:
1. pohyby neperiodické (např. tlumené kmitání), případně chaotické (např. Brownův
pohyb, kmitání větve ve větru, kmitání tlumičů auta při jízdě po hrbolaté silnici)
2. pohyby periodické, pravidelné (např. oběh Země kolem Slunce – ano, i to lze popsat
jako kmitavý pohyb, kmitání ladičky, kmitání tělesa zavěšeného na pružině, kmitání
kyvadla, kmitání bodu na kytarové struně atd.)
Prostudujeme zde pravidelný periodický pohyb. Jeho popis je celkem jednoduchý, a i
když je to idealizace, hodí se dostatečně přesně na popis řady pohybů kolem nás.
Harmonický pohyb
Nejjednodušším periodickým pohybem je harmonický pohyb; složitější periodické pohyby můžeme často vytvořit skládáním několika harmonických pohybů. Harmonický pohyb je definován tak, že jeho časovým diagramem (viz dále) je matematicky ta nejjednodušší periodická funkce – sinusoida. Proto jsou k důkladnému pochopení harmonického
pohybu nutné znalosti goniometrických funkcí. Typickým příkladem harmonického pohybu je kmitání koncového bodu ladičky nebo kmitání tělesa zavěšeného na pružině. Je
úžasné, že se tento druh pohybu dá vyvodit jakožto průmět rovnoměrného pohybu po
kružnici do úsečky.
Poté, co probereme výchylku, rychlost a zrychlení jednoduchého harmonického kmitavého pohybu, můžeme přistoupit ke skládání kmitavých pohybů; to je velice důležité pro
pochopení kmitání reálných těles – strun, vzduchových sloupců v píšťalách, blan bubnů,
ale i pro pochopení kmitavých dějů v elektřině nebo kvantově-mechanickém modelu
atomu.
Ladička:
Velmi dobré přiblížení harmonického kmitání dostaneme ladičkou. Je to poměrně složité
zařízení s rezonanční skřínkou zesilující zvuk kovové vidlice naladěné na přesný tón.
Nejčastější je ladění ladičky na „komorní a“ (a1, 440 Hz). Mechanické kmity těla ladičky
se přenášejí přes rezonanční skřínku na okolní vzduch a my vnímáme zvuk.
Úkol: zkus zjistit, jaká je frekvence a1, zda se v historii měnila a jak. K čemu slouží a1v hudbě?
Složené kmity můžeme vytvořit tak, že jednu ze dvou ladiček „rozladíme“ pomocí malého tělíska připevněného k jednomu z ramen ladičky. Sluchem vnímáme rázy.
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 7-
Základní pojmy
Kmitavý pohyb je pohyb částice, při němž se částice opakovaně pohybuje v okolí určitého bodu.
Mechanický oscilátor je částice, která kmitá.
Základní dva oscilátory, které se probírají na SŠ, jsou kulička na pružině a kyvadlo (pozor – to už není dokonale
harmonický pohyb). V dalším výkladu budeme vycházet
z popisu částice – kuličky kmitající na pružině:
Kmit je nejmenší část pohybu, která se opakuje – např. kulička začíná v rovnovážné poloze, vystoupí do nejvyšší polohy, poklesne do nejnižší polohy a vrátí se do rovnovážné
polohy.
Perioda je doba trvání kmitu.
Frekvence neboli kmitočet je počet kmitů za sekundu.
Okamžitou výchylku budeme odečítat od rovnovážné polohy: zavedeme jednorozměrnou soustavu souřadnic – osu y ve směru pohybu částice – a počátek umístíme do rovnovážné polohy). Okamžitá výchylka může být tedy kladná, nulová (v rovnovážné poloze) i
záporná.
Amplituda (maximální výchylka) je velikost největší výchylky – tedy kladné číslo.
Časový diagram kmitavého pohybu je rozvinutí kmitů v čase, tedy závislost okamžité
výchylky na čase. U harmonického kmitání už víme, že to je sinusoida.
Rovnoměrný pohyb po kružnici vs. harmonické kmitání po
úsečce
K odvození dalších pojmů a rovnic pro okamžitou výchylku, rychlost a zrychlení harmonického kmitání se používá průmět bodu pohybujícího se rovnoměrně po kružnici do
úsečky. (Uvažujeme pohyb proti směru hodinových ručiček.)
Fázor je vektor, který spojuje střed kružnice a bod obíhající po kružnici. Fázor tedy rotuje úhlovou rychlostí omega a má velikost poloměru kružnice, který je roven amplitudě
kmitů.
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 8-
Fáze kmitání je úhel, který při svém pohybu fázor opisuje.
Tento úhel se mění s časem od nuly do 360°. Řekneme-li
např., že fáze kmitání je 90°, znamená to, že je kmitající
bod (průmět bodu obíhajícího po kružnici) v nejvyšší poloze.
Počáteční fáze je fáze v čase, kdy jsme začali pohyb sledovat, zpravidla v čase t  0 . Byla-li kmitající kulička například v čase t  0 v rovnovážné poloze a mířila nahoru, je
počáteční fáze nula. Pokud jsme se o chvíli opozdili, byla
např. počáteční fáze +30° (a kulička už byla nad RP a mířila nahoru). Pokud jsme začali sledovat pohyb v okamžiku, kdy kulička zespodu teprve
směřovala do RP, byla její počáteční fáze záporná, třeba -15°.
Fázorový diagram je obrázek polohy fázoru v čase t  0 . V diagramu je potom vidět
(kromě amplitudy kmitů) počáteční fáze. To je vhodné, když porovnáváme nebo skládáme vícero kmitů. Na rozdíl od časového diagramu se z fázorového diagramu nedá vyčíst frekvence kmitů.
Rovnice pro okamžitou výchylku, rychlost a zrychlení:
y  ym sin(t  0 )
v  vm cos(t  0 )   ym cos(t  0 )
a  am sin(t  0 )   2 ym sin(t  0 )
Je vidět, že harmonický pohyb je příkladem nerovnoměrně zrychleného pohybu, což je už pohyb dosti složitý. Zrychlení se mění ale pěkně pravidelně – sinusově. Z grafů je pěkně vidět, v jakém vztahu jsou
v každém okamžiku okamžitá výchylka, rychlost a
zrychlení.
Skládání kmitavých pohybů
Budeme vyšetřovat samostatně skládání kmitů rovnoběžných a kmitů kolmých.
V obou případech platí obecný princip superpozice pohybů – výsledná poloha bodu, který
koná složený pohyb, je stejná, jako kdyby bod konal tyto pohyby po sobě, v libovolném
pořadí.
7.1 Skládání kmitů ve stejném směru (rovnoběžných)Představme si výtah, který
kmitá nahoru a dolů (harmonicky) a na jeho stěně
leze nahoru a dolů brouk, který vzhledem k výtahu
koná opět harmonické kmity. Jiný příklad: dvě pružiny zapojíme za sebou, na konec pověsíme kuličku
a obě pružiny rozkmitáme.
a) Skládané kmity mají stejnou frekvenci. Výsledné kmitání je opět harmonické, čili sinusové.
Výsledná amplituda závisí na fázovém rozdílu skládaných kmitů.
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 9-
Fázový rozdíl dvou kmitů stejné frekvence je absolutní hodnota rozdílu jejich počátečních fází – tedy   01  02 .
Dva speciální případy:
1) Při kmitání ve fázi mají kmity nulový fázový rozdíl, tedy ∆ = 0; pak  = 1 − 2 . V tomto případě se kmity skládáním maximálně zesilují.
2) Při kmitání v protifázi (neboli s opačnou fází)
mají kmity fázový rozdíl 180°, tedy:
  180  ym  ym1  ym 2 . V tomto případě se
kmity skládáním maximálně zeslabují. Pokud mají
stejné amplitudy, tedy ym1  ym 2 , tak se kmity složením úplně zruší!
b) Skládané kmity mají různou frekvenci. Výsledné kmitání už není harmonické, ale je
pouze periodické (nebo aspoň kvaziperiodické, při nesoudělných periodách). Výsledek
závisí na amplitudách, fázovém posunutí a poměru frekvencí.
Speciální případ
Rázy vznikají složením dvou kmitů blízkých frekvencí  a  + ∆. Typický příklad
– zvuk dvou současně znějících ladiček, z
nichž jedna je trochu rozladěna drátkem
připevněným na konci, nebo známější příklad – ladění kytary současným brnknutím na prázdnou strunu a na vedlejší strunu zmáčknutou na 5. pražci. Výsledný zvuk je
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 10 -
charakteristický kolísavou amplitudou kmitů, kterou vnímáme jako kolísání hlasitosti (s
1
periodou ∆) tónu s frekvencí  + 2 ∆.
7.2 Skládání kolmých kmitů
Typický příklad je pohyb rozžhaveného konce prutu, kterým ve tmě u táboráku máváme
do různých směrů – bod opisuje rozličné křivky, může to být kružnice, osmička, nebo
něco složitějšího. Vznikají takzvané Lissajousovy obrazce. Jejich tvar závisí na poměru
frekvencí a na fázovém posunutí kmitů. Dříve se využívaly pro porovnávání a měření
známé a neznámé frekvence; s moderní technikou však zpravidla měříme i vyhodnocujeme přímo.
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 11 -
(3) Popis kmitavého pohybu
(Vinkler, Kvíz)
___________________________________________________________________________
Které základní veličiny popisují kmitavý pohyb?
- rovnovážná poloha
- okamžitá výchylka
- amplituda
- perioda
- frekvence
Aplet 1: http://www.geogebratube.org/student/m49114
Úkol:
Jaký vztah platí mezi frekvencí a periodou?
Analogie mezi rovnoměrným pohybem po kružnici a kmitavým pohybem po
úsečce. Co je to fáze kmitání? Co je to fázor?
- RPPK
- úhlová rychlost
- úhlová frekvence
- fáze kmitání
- fázor
Aplet 2: http://www.geogebratube.org/student/m49029
Úkol:
V jaké poloze se bod kmitající po úsečce nachází v okamžiku, kdy je jeho fáze 0°, 30°,
90°, 180°, 270°, 360°?
Jakým směrem se v těchto fázích bod pohybuje?
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 12 -
Počáteční fáze.
- nulová počáteční
fáze
- kladná počáteční
fáze
- záporná počáteční
fáze
Aplet 3: http://www.geogebratube.org/student/m51096
Aplet 4: http://www.geogebratube.org/student/m51263
Aplet 5: http://www.geogebratube.org/student/m51348
Úkol: V jaké fázi se nachází kmitající bod s počáteční fází –90°
po uplynutí 3/4 periody? Kterým směrem se pohybuje?
Časový diagram.
1. časový diagram
2. odvození rovnice kmitů
3. závislost časového diagramu na frekvenci
Evropský sociální fond
Aplet 6: http://www.geogebratube.org/student/m49155
Úkol: Jak se liší časové diagramy pro frekvence 0,1
Hz, 0,2 Hz a 0,3 Hz?
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 13 -
Časový diagram kmitání s nulovou počáteční fází, kladnou počáteční fází a zápornou počáteční fází.
nulová:
kladná:
záporná:
- nulová počáteční fáze
- kladná počáteční fáze
- záporná počáteční fáze
- posunutí grafu funkce
Aplet 7:
http://www.geogebratube.org/student/m51350
Úkol: Kam se posouvá časový diagram při kladné a
kam při záporné počáteční fázi?
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 14 -
Okamžitá výchylka, okamžitá rychlost a okamžité zrychlení
- okamžitá rychlost kmitání jako průmět obvodové rychlosti
- okamžité zrychlení jako
průmět dostředivého
zrychlení
- Vztahy mezi grafy y, v, a
Aplet 8: http://www.geogebratube.org/student/m49119
Úkol: Popiš na základě grafů vztahy mezi rychlostí,
okamžitou výchylkou a zrychlením kmitajícího bodu
ve význačných bodech úsečky, po níž se kmitající bod
pohybuje (rovnovážná poloha, krajní body úsečky).
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 15 -
(4) Skládání rovnoběžných kmitů
(Vinkler, Kvíz)
Počáteční fáze kmitavého pohybu určuje hodnotu výchylky v počátečním okamžiku
Úkol: urči počáteční fázi kmitavého pohybu, jestliže kmitající bod prošel rovnovážnou polohou v čase rovném čtvrtině periody
Fázor je grafický nástroj pro skládání kmitů, obdoba vektoru.
Úkol: vyslov definici funkce sinus pomocí jednotkové kružnice (není to náhodou ono?)
Fázory můžeme skládat do rovnoběžníku jako vektory.
Složené kmitání:
1. Budeme skládat kmity podél téže přímky nebo na navzájem kolmých přímkách.
2. Budeme skládat kmity shodných frekvencí nebo rozdílných frekvencí.
Kmity na téže přímce a stejných frekvencí:
Provádíme-li výpočet pro skládání kmitů na téže přímce a stejných frekvencí, vyjdeme
buď z fázorového diagramu, nebo využijeme vzorce pro goniometrické funkce.
Úkol: slož graficky pomocí fázorů dvě kmitání o téže frekvenci (zvol si libovolně), o shodných amplitudách a fázovém rozdílu 60 stupňů. Použij čtverečkovou síť a nakresli výslednou sinusoidu
Úkol: urči amplitudu (maximální výchylku) a počáteční fázi výsledného kmitavého pohybu,
který vznikne složením dvou kmitavých pohybů ve stejném směru o týchž amplitudách o
velikosti 5 cm. Počáteční fáze těchto pohybů jsou 30° a 60°.
(Pro kontrolu: amplituda výsledného kmitavého pohybu je 9,65 cm a fáze 45°.)
Úkol: dvě harmonická kmitání, obě o frekvenci 4 Hz, mají stejnou amplitudu 2 cm. Určete
rozdíl fází těchto kmitání, jestliže skládáním vzniká kmitání, s amplitudou rovněž 2 cm.
(Pro kontrolu: buď 120°, nebo 240°.)
Kmity na téže přímce a různých frekvencí:
Je-li poměr frekvencí racionální číslo, jsou periodické, ale neharmonické (nikoli sinus).
Kmity na téže přímce blízkých frekvencí:
Vznikají rázy (periodicky se zeslabující a zesilující tón).
Úkol: zkus odvodit rovnici pro rázy!
Provádíme-li výpočet pro skládání kmitů na téže přímce blízkých frekvencí (tzv. rázy),
využijeme vzorce pro goniometrické funkce. Pozor, není to samozřejmé! Ze vzorců bez
rozmyslu by vyšla frekvence rázů poloviční oproti té, kterou opravdu slyšíme!
Úkol: urči dobu kmitu a periodu rázů výsledného kmitavého pohybu, který vznikne složením dvou stejnosměrných kmitavých pohybů téže amplitudy, téže počáteční fáze, jejichž
doby kmitu jsou 3 s a 3,1 s.
(Pro kontrolu: doba kmitu je 3,05 s a perioda rázů 46,5 s.)
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 16 -
Jak realizovat kmitající zařízení – oscilátor prakticky a jak určit jeho periodu?
Jak bude pak vypadat zařízení vytvářející složené kmity?
Závaží na pružině:
Doba kmitu bude záviset na tuhosti pružiny a hmotnosti závaží, které na ní visí.
T  2
m
k
Složené kmity můžeme vytvořit např. tak, že dvě různé pružiny zavěsíme pod sebe, čili
„do série“.
Matematické kyvadlo:
Je to „hmotný bod na nehmotném závěsu“. Doba kmitu při malých výchylkách je určena
výhradně délkou závěsu a tíhovým zrychlením, jak objevil Galileo Galilei.
T  2
l
g
Úkol: zkus zjistit, co přivedlo Galilea Galilei ke zkoumání doby kmitu matematického kyvadla a jak měřil při svých experimentech čas.
Pomocí matematického kyvadla můžeme velmi jednoduše a přitom poměrně přesně
změřit hodnotu tíhového zrychlení.
Úkol: vyzkoušej si doma toto měření. Stačí na to provázek a kamínek nebo závažíčko, které
přivážeš na jeho konec.
Foucaultovo kyvadlo: stáčí rovinu kyvu, čímž dokládá otáčení Země kolem její osy
mxp.physics.umn.edu
Úkol: zkus zjistit historii Foucaultových pokusů s tímto
kyvadlem, zkus zjistit, kde v Čechách bychom Foucaultovo kyvadlo našli. Název Foucaultovo kyvadlo má i jeden román. Kdo je jeho autorem a o čem román pojednává?
S matematickým kyvadlem souvisejí i kyvadlové hodiny, nejstarší typ hodin, které umožňují přesnější
měření času. Kyvadlo tady slouží jako regulátor chodu
hodin. Hnací síla hodin je totiž konstantní (vyvolaná
např. pohybem závaží pod vlivem tíhové síly) a bez regulace by způsobovala rovnoměrně zrychlený pohyb.
Ručičky se však musí otáčet rovnoměrně.
Úkol: zjisti přesněji, jak funguje kyvadlo v hodinách.
LITERATURA:
E. Svoboda a kol.: Přehled středoškolské fyziky, Prométheus 2006, Praha.
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 17 -
(5) Skládání kolmých kmitů
(Vinkler, Kvíz)
Kmity na navzájem kolmých přímkách a se stejnými frekvencemi:
- skládáním dostaneme rovinné křivky, tzv. Lissajousovy křivky (obrazce), zde je to buď
úsečka, nebo kružnice, nebo elipsa
- nejjednodušším způsobem skládání je grafická metoda pomocí sítě
Úkol: zkonstruuj do sítě vlevo Lissajousův obrazec pro skládání kolmých kmitů stejných
frekvencí s fázovým posunem 30 stupňů.
Kmity na navzájem kolmých přímkách a s různými frekvencemi:
- skládáním dostaneme opět Lissajousovy obrazce, ale mnohem složitějších tvarů
- nejjednodušším způsobem skládání je opět grafická metoda pomocí sítě
Úkol: zkonstruuj do sítě vlevo Lissajousův obrazec pro skládání kolmých kmitů s poměrem
frekvencí 1:2 a nulovým fázovým posunem.
Úkol: zkonstruuj do sítě vpravo Lissajousův obrazec pro skládání kolmých kmitů s poměrem frekvencí 3:4 a nulovým fázovým posunem.
Složené kmity vytvoříme Blackburnovým kyvadlem.
Úkol: zkus si doma sestrojit Blackburnovo kyvadlo. Do trychtýře nasyp jemný písek a
čtvrtku, na kterou se bude sypat, potři lepidlem (osvědčený je Herkules). Dostaneš krásné a
trvanlivé pískové Lissajousovy obrazce.
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 18 -
(6) Dynamika kmitání 1
(Vinkler, Kvíz)
U kmitavých pohybů, které se vyskytují u různých hudebních nástrojů, je důležitý popis
nejen kinematický, tedy „jak“ – z hlediska pojmů polohy, jako je okamžitá výchylka, okamžitá rychlost, zrychlení, ale také popis dynamický, tedy popis vystihující „proč“ – z hlediska sil, tedy příčiny vzniku kmitavého pohybu, vysvětlení toho, na čem závisí frekvence kmitů a také energetické poměry v oscilátoru.
1. Dynamika tělesa kmitajícího na pružině
Mezi důležité případy kmitavého pohybu patří modelový příklad hmotného bodu kmitajícího na dokonalé pružině. Skutečné kmity částic, které se objevují u hudebních nástrojů, jsou samozřejmě složitější, ale principy, kterými se řídí ideální model, se uplatňují
i v reálném případě.
Tuhost pružiny
Nejprve zkoumejme statickou situaci – těleso jen zavěsíme na pružinu, bez kmitání.
Úkol 1: Máš k dispozici tři různě silné pružiny (liší se tloušťkou drátu, z něhož jsou vyrobeny) a několik stejných závaží. Na čem závisí prodloužení pružiny, na kterou zavěsíme
jedno nebo více závaží?
Závěr: Prodloužení pružiny je
a. tím větší, čím více závaží použijeme, čili čím větší silou působíme na pružinu;
b. tím menší, čím je pružina tlustší (v závislosti na průřezu drátu).
Při přesném měření vychází (u kvalitní pružiny), že se jedná o přímou a nepřímou
úměrnost. Je dobré si uvědomit, že podle zákona akce a reakce je síla, kterou působí
závaží na pružinu, stejně veliká jako síla, kterou na oplátku pružina působí na závaží
a snaží se prodlužování bránit.
Úkol 2: Jak toto pozorování vyjádřit matematicky?
Závěr: označíme-li l prodloužení pružiny, Fp sílu pružiny (kterou se pružina brání
našemu napínání) a k „tloušťku“ drátu, dostáváme zřejmě:
y 
Fp
 Fp  k y
(1)
k
Síla pružiny je tedy přímo úměrná prodloužení a konstantou úměrnosti je veličina k,
které budeme říkat výstižně tuhost pružiny.
Úkol 3: Ze vztahu (1) plyne, že jednotkou tuhosti k je N  m1 . Dejme tomu, že pružina bude
mít tuhost k = 20 N · m –1. Jaký je fyzikální význam této číselné hodnoty 20?
Závěr: Číslo 20 udává, že pro danou pružinu bychom museli použít sílu 20 N, aby se
prodloužila o 1 m (což je při normální délce pružiny nereálné, protože by se dávno
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 19 -
zničila), ale také to znamená, že při použití síly 1 N by se prodloužila 20× méně, tedy
o 5 cm, což už je reálné. (Síla 1 N by odpovídala hmotnosti závaží zhruba 100 g.)
Nyní přejděme k dynamické situaci – těleso na pružině rozkmitáme.
Úkol 4: Máš k dispozici tři různě silné pružiny (liší se tloušťkou drátu, z něhož jsou vyrobeny – tedy mají různou tuhost k) a několik stejných závaží. Na čem závisí, s jakou frekvencí a periodou kmitá těleso zavěšené na pružině?
Závěr: Z pozorování dostáváme:
c. Frekvence kmitů je tím větší, čím větší je tuhost pružiny k.
d. Frekvence kmitů je tím menší, čím větší je hmotnost závaží.
Ale pozor! Na rozdíl od úvah v úkolu 1 se zde nejedná o přímou a nepřímou úměrnost.
Při přesném měření bychom zjistili, že čtyřikrát větší tuhost nedává čtyřikrát, ale jen
dvakrát větší frekvenci a podobně, že devětkrát větší hmotnost nedává devětkrát menší
frekvenci, ale jen třikrát menší frekvenci! Z teoretických úvah plyne přesný vzorec:

k
m
(2)
2
, kde f je frekT
vence a T perioda kmitů. Tento vztah má zásadní důležitost: že pro každé harmonické kmitání
(to je kmitání, jehož časovým diagramem je sinusoida), má tuto nebo obdobnou podobu.
Veličina  v tomto vztahu je úhlová frekvence kmitů a platí   2 f 
Příčina kmitavého pohybu
Proč těleso zavěšené na pružině vůbec kmitá? Z kinematiky kmitů víme, že kmitavý pohyb je nerovnoměrný – je to pohyb se zrychlením, které není konstantní, ale v čase se sinusově mění:
a   2 ym sin(  t )   2 y
(3)
kde y je okamžitá výchylka z rovnovážné polohy. Blíží-li se kmitající těleso do krajní polohy, musí brzdit, až se úplně zastaví, změní směr pohybu a začíná opět zrychlovat.
V krajních polohách je zrychlení největší. V rovnovážné poloze sviští nejrychleji a na nekonečně krátkou dobu se těleso ani nezrychluje ani nebrzdí – pohybuje se rovnoměrně.
Tento pohyb musí být v souladu s Newtonovým zákonem síly ovládán výslednou silou
F=ma.
(4)
Ale dosadíme-li z (3) do (4), dostáváme F = –ω2m · y a ze vztahu (2) plyne  2m  k , takže
F = –k · y .
(5)
Tento vztah je dalším důležitým charakteristickým znakem každého harmonického oscilátoru – výsledná síla, která vyvolává kmitavý pohyb, je prostě a jednoduše přímo
úměrná okamžité výchylce. V rovnovážné poloze je tedy nulová, což odpovídá rovnoměrnému přímočarému pohybu, v krajních polohách je maximální, protože tam je maximální i zrychlení.
Úkol 5: Které reálné síly vlastně dávají dohromady tuto naši výslednou sílu?
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 20 -
Závěr: Na kmitající těleso působí (zanedbáme-li odpor vzduchu) pouze tíhová síla a
síla pružiny, takže síla vyvolávající kmity je výslednicí tíhové síly a síly pružnosti
dané pružiny: Fv  FG  Fp
Úkol 6: Jaký smysl má ve vzorci (5) znaménko minus?
Znaménko minus se vyskytlo už ve vzorci (3). V těchto vztazích nemají veličiny y, a, Fv
význam velikostí vektorů, protože velikosti mohou být pouze kladné. Ale tyto tři veličiny
mohou být díky vzorcům (3) a (5) i záporné. Co to znamená? Ve skutečnosti se jedná o
souřadnice vektorů y, a , Fv . Má-li vektor stejnou orientaci jako osa y (to je ve směru
kladné poloosy – v obrázku je to „nahoru“), bereme jeho souřadnici jako kladnou,
v opačném případě jako zápornou. Takže, je-li např. těleso nad rovnovážnou polohou,
míří vektor y „nahoru“, proto y je kladné a v důsledku (5)
je naopak znaménko Fv záporné. To znamená, že vektor
výsledné síly míří „dolů“ – tedy do rovnovážné polohy. Jeli těleso naopak pod rovnovážnou polohou, je y záporné a
znaménko Fv je kladné, takže síla míří opět do rovnovážné polohy. Vidíme, že výsledná síla se snaží vždy těleso vracet do rovnovážné polohy.
Úkol 7: Nakresli pod sebe grafy okamžité výchylky, rychlosti, zrychlení a výsledné síly kmitavého pohybu
Závěr: Viz obrázek vpravo.
2. Dynamika matematického kyvadla
Dalším důležitým případem kmitání je kyvadlo. Teorie reálného (tzv. fyzického) kyvadla je složitá – nám stačí kyvadlo matematické, tj. hmotný
bod na nehmotné niti. Mezi kmitáním tělesa na pružině a kýváním matematického kyvadla je řada analogií, ale je tu jeden zásadní rozdíl – matematické kyvadlo s větším rozkyvem nekývá harmonicky. Při malých rozkyvech lze však jeho kmitání přibližně považovat za harmonické a vyvodit vztah analogický vztahu (2) pro úhlovou frekvenci:
g
(6)
l
Úkol 8: Ve vztahu (6) vůbec nevystupuje hmotnost tělesa. Není to špatně? Ověř alespoň přibližně, že frekvence kmitů nezávisí na hmotnosti.
Úkol 9: Co se děje s frekvencí kmitů, zkracujeme-li délku kyvadla? Zvětšuje se, nebo zmenšuje? Zkrátíme-li kyvadlo čtyřikrát, změní se frekvence rovněž čtyřikrát? Ověř alespoň přibližně pokusem.
Úkol 10: Ze vztahu (6) plyne, že frekvence kmitů vůbec nezávisí na tom, jak moc na začátku kyvadlo vychýlíme. Není to špatně? Ověř alespoň přibližně pokusem.
Úkol 11: Vezměme závaží na pružině a matematické kyvadlo se stejnými periodami. Co se
stane s jejich periodami, přeneseme-li tyto dva oscilátory na Měsíc?

Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 21 -
(7) Dynamika kmitání 2
(Vinkler, Kvíz)
1. Energie harmonického oscilátoru a tlumení
Pokud napneme pružinu tělesa zavěšeného na pružině nebo vychýlíme kyvadlo, vykonali jsme určitou práci, kterou má nyní oscilátor k dispozici v podobě potenciální energie. Když oscilátor uvolníme, začne samovolně kmitat a tato potenciální energie se začne
přeměňovat na energii kinetickou. Prochází-li oscilátor rovnovážnou polohou, je potenciální energie nulová a kinetická maximální. Ale oscilátor pokračuje setrvačností v pohybu, až dosáhne opačné amplitudy, kdy je potenciální energie opět maximální a kinetická nulová. V případě ideálního oscilátoru by tento proces vzájemných přeměn potenciální a kinetické energie probíhal do nekonečna. Systém by se řídil zákonem zachování
mechanické energie a celková mechanická energie oscilátoru by zůstávala konstantní.
Kmitání by bylo netlumené:
Reálnější je uvážit brzdící odporové síly Fb; předpokládáme je úměrné rychlosti, tedy
⃗b = −⃗. Mechanická energie bude pak klesat– oscilátor bude konat kmity tlumené.
Úkol 1: Těleso kmitající na pružině původně ve vzduchu přemístíme tak, že těleso bude
nyní kmitat ve válci s vodou. Je jasné, že tlumení bude větší a kmitání se zastaví dříve. Co se
stane periodou kmitů při větším tlumení?
Závěr: Kvůli odporovým silám bude kmitání zpomaleno, takže závaží se vrátí při větším tlumení do rovnovážné polohy po delší době. Proto musí zvyšování tlumení prodlužovat periodu a tedy zmenšovat frekvenci. Z teorie plyne pro úhlovou frekvenci
tlumených kmitů vztah
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 22 -
tl  0 2  b2
(1)
kde tl je úhlová frekvence tlumených kmitů, 0 je úhlová frekvence, s jakou by oscilátor
kmital, kdyby bylo tlumení nulové a b je koeficient tlumení. Protože víme, že
0 
je tedy tl 
k
,
m
(2)
k
 b 2 . Protažení periody ale není při menším tlumení příliš výrazné:
m
Nucené kmitání
Chceme-li, aby reálný oscilátor kmital trvale a kmity nebyly tlumené, musíme mu ubývající mechanickou energii nějak doplňovat. Klasický příklad je dítě na houpačce, které musíme opakovaně ve vhodnou chvíli popostrčit, aby se jeho pohyb nezastavoval. Musíme
mít tedy periodickou sílu, která bude houpačku nutit kmitat tak, aby kmitala trvale. Houpačka bude vykonávat tzv. nucené kmity, které budou už netlumené.
Z teorie plyne, že chceme-li, aby kmity byly nejen netlumené, ale navíc harmonické, musí
mít také síla, která bude kmitání vynucovat (tzv. budící síla), harmonický průběh:
F  Fm sin(  t )
(3)
Takovou sílu bychom si mohli opatřit pomocí zařízení
na obrázku. Kotouč vlevo roztáčíme s úhlovou frekvencí  a pomocí provázku a kladky přenášíme vznikající periodickou sílu na pružinu se závažím.
Vzniká otázka, zda se oscilátor rozkmitá s frekvencí
0 , což je úhlová frekvence, se kterou by kmital sám o
sobě při nulovém tlumení (viz (2) – tzv. frekvence vlastních kmitů), nebo zda bude kmitat
s frekvencí tl , se kterou by kmital sám o sobě při nenulovém tlumení (viz (1)), nebo zda
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 23 -
se rozkmitá s frekvencí  , tedy s úhlovou frekvencí vnější síly, která nutí oscilátor kmitat.
Úkol 2: Sestav ze školních pomůcek zařízení z obrázku a pokus se alespoň odhadnout odpověď na předchozí otázku.
Závěr: Oscilátor se nuceně rozkmitá vždy s frekvencí  budící síly, která ho nutí kmitat.
Poznámka: Rozkmitat lze pomocí periodické síly samozřejmě i těleso, které by samo o
sobě nekmitalo, například samotné závaží bez pružiny!
3. Amplituda nucených kmitů, rezonance
Další otázkou je, s jakou amplitudou se oscilátor rozkmitá.
Úkol 3: Pomocí rezonanční kolébky z fyzikální
sbírky pozoruj, jak závisí amplituda jednotlivých
různě dlouhých pásků na budící frekvenci ruky, se
kterou kolébku rozkmitáváš.
Úkol 4: Pomocí spřažených kyvadel pozoruj, s jakými amplitudami budou kmitat kyvadla B až G,
rozkmitáme-li kyvadlo A. Které z kyvadel se rozkmitá nejvíce?
Úkol 5: Pomocí apletu na adrese http://www.acoustics.salford.ac.uk/feschools/waves/shm4.php
Prozkoumej závislost amplitudy kmitů karoserie auta
jedoucího přes hrboly na jeho rychlosti, to je na frekvenci budící síly.
Závěr: Amplituda nucených kmitů je výrazně závislá
především na frekvenci budící síly  . Zhruba řečeno
platí, že amplituda bude tím větší, čím bude frekvence budící síly  bližší frekvenci vlastních kmitů
0 . Graf závislosti amplitudy nucených kmitů na
frekvenci budících kmitů se nazývá rezonanční
křivka. Z teorie plyne vztah pro tuto závislost ve
tvaru:
Fm
m
ym 
2
2 2
(0   )  4b 2 2 )
(4)
Rezonanční křivku vidíme na obrázku vpravo. Je
vidět, že maximální amplituda nenastává úplně přesně pro   0 , ale pro hodnotu trochu nižší. Situaci, kdy oscilátor kmitá s touto maximální možnou amplitudou, se říká am-
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 24 -
plitudová rezonance. Derivací bychom zjistili, že přesná hodnota této rezonanční frekvence je   0 2  2b2 . To znamená, že rezonanční frekvence je závislá na koeficientu
tlumení b a je tím bližší vlastní frekvenci 0 , čím je tlumení menší. Pokud bychom tuto
hodnotu rezonanční frekvence dosadili do vzorce (4), dostali bychom hodnotu ampliFm
tudy kmitů v rezonanci: ym 
. Odtud je vidět, že tato amplituda je nepřímo
2mbtl
úměrná tlumení, což je logické. Pro kmity s nulovým tlumením by nám amplituda rostla
do nekonečna, ale každý reálný oscilátor má tlumení a amplituda v rezonanci je konečná.
Nicméně může být při malém tlumení pěkně veliká, v čemž spočívá požehnání i nebezpečí rezonance – u hudebních nástrojů se rezonance využívá k zesílení zvuku nástroje
(String_resonance), ale v mnoha případech jsou rezonanční kmity destruktivní (mosty –
tam je to ale trochu složitější – viz Tacoma_Narrows Bridge a
http://www.youtube.com/watch?v=j-zczJXSxnw). Z grafu je také patrný jev, kterému se
říká rezonanční zesílení. Pokud bychom zvolili frekvenci naší budící síly nulovou, znamenalo by to, že je síla vlastně statická a má velikost Fm . Tím bychom docílili jen malé výchylky (v obrázku má hodnotu 1) v porovnání s maximální výchylkou, kterou dosáhneme při dynamické situaci, kdy síla se při rezonanci periodicky mění s rezonanční frekvencí. Při rezonanci lze zkrátka periodickou, byť malou silou, postupem času vychýlit oscilátor z rovnovážné mnohem více, než kdybychom použili tuto sílu jednorázově staticky.
Z rozboru vzorce (4) dále plyne, že s rostoucím
tlumením se nejen snižuje rezonanční frekvence a
amplituda kmitů, ale také to, že rezonanční křivka
se rozšiřuje. To je vidět v dalším obrázku. Odtud
plyne, že při větším tlumení dochází k rezonančnímu zesílení ve větší míře nejen přesně pro rezonanční frekvenci, ale i pro frekvence dosti vzdálené od frekvence rezonanční. To může být jak nežádoucí (rádio naladěné na určitou stanici zesiluje
i jiné stanice, takže se jejich signál překrývá), tak výhodné – rezonanční deska kytary je
dřevěná a je zřejmé, že její kmity jsou dosti tlumené. Díky tomu ale může zesilovat celé
spektrum frekvencí různě silných šesti strun, které jsou s ní ve vazbě. Viz obr. v Prostorové akustice! (http://www.youtube.com/watch?v=INqfM1kdfUc)
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 25 -
(8) Vlastnosti zvuku – PL
(Vinkler, Kvíz, Obdržálek)
Subjektivní vlastnosti zvuku
Výška zvuku je určena jeho frekvencí. U jednoduchých tónů určuje frekvence absolutní
výšku tónu.
Sluchem nedokážeme většinou určit absolutní výšku tónu, dobře ale rozlišíme relativní
výšky tónů, tj. podíl frekvence daného tónu vůči frekvenci jiného tónu.
Barva tónu je výsledkem superpozice (skládání) základního tónu a vyšších harmonických tónů, které vnímáme, na rozdíl od základního tónu, nikoli odděleně, nýbrž souhrnně. Sluchem dokážeme rozlišit dva tóny stejné absolutní výšky vydávané různými nástroji, neboť mají odlišné spektrum vyšších harmonických tónů, čili odlišnou barvu
(spektra se mohou lišit v počtu vyšších harmonických tónů a ve velikostech amplitud jim
odpovídajících stojatých vln).
Intenzita zvuku I je podíl výkonu zvukového vlnění P a obsahu plochy S, kterou vlnění
prochází. Jednotkou intenzity zvuku je W/m2.
I
P
S
Hladiny veličin
Poměr největší a nejmenší intenzity v oblasti největší citlivosti ucha je 1012 . Stupnice
s tímto rozsahem je velmi nepraktická. Vypomůžeme si proto logaritmy. Je-li veličina Q
vyjádřena logaritmicky jako LQ = lg Q/Q0 při dohodnuté hodnotě Q0, nazývá se veličina LQ
hladinou veličiny Q (někdy též úroveň veličiny, level).
Úkol: poslechni si populární výklad logaritmů z CD. Zopakuj si z matematiky vlastnosti logaritmů a věty o nich. Kde se s logaritmy ve fyzice ještě setkáváme?
Hladina intenzity zvuku L je
L  10 log
I
Io
kde I je hodnota intenzity zvuku, I o je intenzita odpovídající prahu slyšení zvuku o frekvenci 1 kHz ( I o = 1012 W/m2). Jednotkou hladiny intenzity zvuku je bel odpovídající zesílení 10×, ale v praxi se užívá jeho desetina, tedy decibel (dB) odpovídající zesílení
10
√10 ≈ 1,26 ×.
Úkol: spočti hladinu intenzity prahu slyšení.
Úkol: spočti, kolikrát se zvětší intenzita zvuku, jestliže hladina intenzity vzroste o 1 dB,
3 dB, 5 dB, 10 dB.
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 26 -
Hlasitost zvuku je subjektivní veličina vyjadřující, jak působí zvuk na normální ucho.
Ucho je různě citlivé na zvuky různých frekvencí. Vnímáme zvuky v intervalu frekvencí
zhruba 16 Hz až 16 kHz, hranice jsou individuální.
Největší citlivost ucha je při frekvencích 700 Hz až 6 kHz.
Práh slyšení je určen jako nejmenší intenzita zvuku, kterou jsme schopni při dané frekvenci zvuku vnímat. Odpovídá amplitudě akustického tlaku 2×10–5 Pa při 1 kHz.
Práh bolesti je určen jako nejmenší intenzita zvuku, při které vzniká v uchu bolestivý pocit.
Pro 1kHz má práh slyšení hodnotu 1012 W/m2, proto zde volíme hladinu intenzity 0 dB,
práh bolesti má hodnotu 1 W/m2, odpovídající hladina intenzity je 120 dB.
Úkol: ověř výpočtem hodnotu hladiny intenzity pro práh bolesti, jestliže mu odpovídá intenzita 1 W/m2.
Dopplerův jev
Při vzájemném pohybu zdroje zvuku a jeho příjemce vnímá příjemce zvuk jiné frekvence f, než je frekvence f0 zdroje. Tento jev nazýváme Dopplerův jev.
Úkol: zjisti, kdy byl Dopplerův jev objeven a jak souvisí jeho objev a osobnost objevitele
s Prahou.
Jestliže se příjemce ke zdroji zvuku přibližuje, registruje vyšší frekvenci, než je frekvence
vysílaná zdrojem.
Jestliže se příjemce od zdroje zvuku vzdaluje, registruje nižší frekvenci, než je frekvence
vysílaná zdrojem.
Úkol: zkus odvodit výše uvedená tvrzení a najít konkrétní vztahy mezi frekvencí vysílanou
zdrojem, frekvencí přijímanou příjemcem, rychlostí pohybu příjemce a rychlostí šíření
zvuku v daném prostředí.
Zdroj zvuku se pohybuje a příjemce je v klidu:
Jestliže se zdroj zvuku k příjemci zvuku přibližuje, registruje příjemce vyšší frekvenci,
než je frekvence vysílaná zdrojem.
Jestliže se zdroj zvuku od příjemce zvuku vzdaluje, registruje příjemce nižší frekvenci,
než je frekvence vysílaná zdrojem.
Úkol: zkus odvodit výše uvedená tvrzení a najít konkrétní vztahy mezi frekvencí vysílanou
zdrojem, frekvencí přijímanou příjemcem, rychlostí pohybu zdroje zvuku a rychlostí šíření
zvuku v daném prostředí.
Je-li v bezvětří rychlost příjemce vp, rychlost zdroje zvuku vz a rychlost zvuku c, pak platí:
1 ∓ p /
 = 0
1 ∓  /
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 27 -
(9) Základy prostorové akustiky
(Jiříček)
1. Cíle prostorové akustiky
Prostorová akustika se snaží dosáhnout optimální akustické kvality sledovaného prostoru, tedy především, aby prostor plnil svůj účel z hlediska akustiky. To lze zhodnotit
pouze subjektivními metodami („zeptat se uživatelů“).
Pro dokonalý výsledek jsou nezbytná nejen měření, ale i subjektivní testy.
K dobré akustické kvalitě patří i dostatečná zvukové izolace od okolních prostorů, kterou se zabývá stavební akustika.
Geometrická akustika
Geometrická akustika vychází (podobně jako geometrická optika)
z předpokladu, že lze zanedbat difrakci, tj. že rozměry objektů jsou
mnohem větší než vlnové délky
zvukových vln.
Odrazy na stěnách tedy řeší, podobně jako v optice, zákon odrazu:
Úhel dopadu = úhlu odrazu
Geometrická akustika aplikovaná na konkrétní sál pomáhá navrhnout úpravy pomáhající rovnoměrnému rozložení zvuku v místnosti a upozorňuje na případná konkrétní
„hluchá místa“.
Převzato z Kuttruff, H.: Room Acoustics. Applied Science, 1979
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 28 -
Jako další zlepšení lze přijmout korekce na čistě optickou analogii:

Paprsek je částečně pohlcen (zrcadlový zdroj je slabší)

Dochází k odrazu i rozptylu – difúzní odraz

Pro difuzi platí Lambertův zákon

kem
Metoda „ray tracing“ (sledování paprsků) ukáže pokrytí sledované plochy zvu-
3. Vlnová akustika
Vlnová akustika nevychází z aproximace šíření zvuku po přímce, ale řeší vlnovou rovnici
Řešení pro kvádr s tuhými stěnami o rozměrech a × b × c dává vlastní frekvence
Reálné okrajové podmínky je ovšem nutno řešit numerickými metodami (FEM).
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 29 -
Vlastní kmity (módy) mají vliv na frekvenční odezvu prostoru. Pro dobrou akustickou
kvalitu prostoru je potřeba dostatečná hustota módů.
Počet módů pro kvádr s tuhými stěnami o rozměrech a × b × c a pásmo od 0 do f Hz je
dán vztahem
kde L = 4 (a + b + c) je součet délek všech hran prostoru.
Konkrétní spektrum vlastních kmitů může vypadat např. takto (výška A je dána útlumem módu):
Vlastní módy obdélníkového prostoru (barva označuje okamžitou odchylku):
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 30 -
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 31 -
4. Vlastní módy kytarové desky
5. Statistická akustika
Zakladatelem statistické akustiky byl Wallace Clement Sabine (1868–1919). Ve své teorii vycházel
z následujících předpokladů:
o Ve všech bodech uzavřeného prostoru je objemová hustota zvukové energie konstantní. (Objemová hustota zvukové energie je konstantní
pouze v oblasti, kde převládá energie odražených
vln. Ostatní oblasti však zaujímají nevýznamnou
část prostoru.)
o V každém elementu uzavřeného prostoru je
celková energie dána součtem středních hodnot
všech energií, které do zvoleného bodu dospěly
díky odrazům od stěn, event. překážek. (Teorie se
nezabývá okamžitými hodnotami energiových veličin, uvažuje pouze nekoherentní zdroje zvukové
energie a nepřipouští vliv interferenčních jevů
v daném prostoru.)
o Všechny úhly dopadu zvukových vln do
libovolného bodu prostoru jsou stejně
pravděpodobné.
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 32 -
Vychází z energiové bilance mezi dodávaným akustickým výkonem a výkonem pohlceným stěnami
kde
t je čas,
W je výkon dodávaný zdrojem
V je objem prostoru
e je hustota akustické energie
Wa je výkon pohlcený stěnami
α je činitel zvukové pohltivosti
S je povrch stěn
c0 je rychlost zvuku.
Sabinova teorie předpokládá, že prostor je vybuzen zdrojem, který dodává ustálený výkon W. Po vypnutí tohoto zdroje v čase t = 0 se zvuk tlumí podle vztahu
Doba dozvuku TS je doba, za kterou poklesne hustota zvukové energie po vypnutí zdroje
na 10−6 původní hodnoty. Podle Sabina je rovna
Činitel zvukové pohltivosti α je průměrná hodnota pro všechny stěny, tedy
Doba dozvuku TS ovšem nevyhovuje pro α = 1.
Doba dozvuku podle Eyringa uvažuje skokové zeslabování při každém odrazu:
Při uvažování útlumu zvuku při šíření platí
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 33 -
Činitel útlumu m je funkcí frekvence f a relativní vlhkosti vzduchu v procentech podle
následujícího grafu:
Činitel zvukové pohltivosti je vyjádřen jako poměr výkonu pohlceného stěnou Wa ku výkonu dopadajícímu Wi, do pohlceného výkonu počítáme jak výkon, který se ve stěně přemění na teplo Wq, tak výkon přenesený do sousedního prostoru Wt:
Někdy se hodí zavést pohltivost stěny, resp. stěn
6. Akustika prostorů
Akustikou prostorů se snažíme dosáhnout optimální akustické vlastnosti. Podle účelu
prostoru se hodnotí subjektivní parametry:
o
Dozvuk (subjektivní doba dozvuku)
o
Hlasitost
o
Jasnost
o
Srozumitelnost (u řeči)
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 34 -
o
Zřetelnost
o
Difuzita
Subjektivní parametr se snažíme hodnotit pomocí nějaké objektivní míry (např. doba
dozvuku – T60)
Technickými prostředky se snažíme o zlepšení akustiky místnosti např. aplikací pohltivých materiálů a odrazivých ploch nebo difuzorů.
Optimální doba dozvuku v závislosti na objemu prostoru:
A – varhanní hudba,
B – symfonická hudba,
C – komorní hudba,
D – řeč
7. Metody zvýšení difuzity
Odrazů musí být dostatek, ale musí být takové, aby nezpůsobovaly ozvěnu. Difúzní odraz
vzniká na povrchových nerovnostech – ve starších divadlech a koncertních sálech tuto
funkci plnily např. ozdobné ornamenty.
Schröderovy difuzory.
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 35 -
Převzato z http://www.avsforum.com/t/1361510/wooden-sound-diffusers-do-these-actually-work/30
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 36 -
(10) Základy hudební teorie (z fyziky odvozené)
(Obdržálek)
1. Úvodem
Aby bylo jasno: fyzika je věda, hudba je umění. Dva rozdílné světy, protože mají zcela
rozdílné přístupy i záměry. Vědecký přístup vyžaduje nezávislost na subjektu, tedy na
tom, kdo ho vyjadřuje (měří, počítá, pozoruje) a věnuje se objektu – tomu, co je vyjadřováno (měřeno, počítáno, pozorováno); říkáme proto, že se snaží být objektivní. Naproti
tomu umění chce působit na posluchače a výkonný umělec do toho vkládá, co jen může,
ze své osobnosti – subjektu. A nemá samozřejmě smyslu se hádat, co je lepší – obojí má
své oprávnění a slouží jiným účelům. (Taky se nehádáme, jestli je doma lepší žárovka
nebo židle.)
Hudbou jako takovou se ovšem může věda zabývat taky. Akustika se zabývá zvukem,
jeho vznikem, šířením a případně i jeho důsledky. Její objektivita ovšem neznamená, že
by mohla rozhodovat umělecké otázky typu co je hezké, neřkuli co je dobře a co ne.
Může jistě přiložit své „polínko do ohně“, ale své k tomu řekne i biologie – anatomie lidského ucha, fyziologie, psychologie a další sociální vědy. Kdyby tomu tak nebylo, tak
podle fyziky bychom mohli najít skladbu, která je krásná a hrát ji hodinu co hodinu, den
co den, a měla by nám znít pořád stejně krásně. Fyzika jaksi nemůže postihnout psychologický fakt, že se nám i krásná skladba může omrzet. A naopak, něco, co je nelibozvučné
(disonantní) se dá v hudbě použít právě jako protipól či na vystřídání, aby nám konsonantní (libozvučné) chutnalo lépe: nezná sladké, kdo neokusil hořké.
2. Tón – základ naší hudby
Základem hudby je tón, tedy zvuk, který má jasně určené čtyři hudební prvky:
a) výšku,
b) hlasitost,
c) dobu trvání a
d) barvu.
Těmto prvkům velmi dobře odpovídají následující fyzikální veličiny:
a) frekvence (kmitočet) f
b) amplituda A, nebo její vhodná (logaritmická) míra – hladina hlasitosti
c) doba trvání t, nebo ještě lépe obalová křivka (náběh, trvání, doznívání)
d) spektrální složení (o tom později) a obalová křivka.
Protipólem tónu coby pořádku je chaos – šum, hluk a podobně. I hluk se v hudbě používá, má-li ovšem svůj řád (zvukomalebný, vyznačení rytmu bubnem apod.) Hranice,
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 37 -
jako vždy v umění, nejsou ostré; i hluk může mít uvedené vlastnosti: tympány se na rozdíl od bubnů ladí a úder má tedy i svou výšku.
3. Melodie a harmonie
Tóny znějící po sobě vytvářejí melodii. Tóny znějící současně vytvářejí harmonii. Velice
schematicky můžeme říct, že harmonie je hudebním přínosem (středověké) Evropy; africká hudba vyvinula do dokonalosti rytmus, asijská hudba barvu tónu.
Několik tónů současně znějících dává dvojzvuk, trojzvuk apod. Od trojzvuků výše je nazýváme akordy. Těmi se zabývá harmonie, jejíž počátky zde uvedeme v souvislost s fyzikální akustikou, konkrétně alikvótními tóny.
4. Alikvótní tóny
Alikvótní tóny od daného tónu s frekvencí f (základní tón) jsou všechny vyšší harmonické, tj. tóny s frekvencemi 2f, 3f, …, tedy s celočíselnými násobky základní frekvence.
Pokud jsou násobky opravdu přesné a zůstává pevná i fáze, pak ucho nevnímá vyšší tóny
samostatně, ale vnímá je jako základní tón určité barvy (viz přiložené CD). Toto se občas
stávalo nežádoucně na starších syntezátorech, kdy dva různé tóny spolu daly jeden tón
podstatně hlubší; někdy se vám to podaří na kytaře u dvou nejhlubších strun, vyladíte-li
je do čisté kvinty (normálně tvoří kvartu E-A); s překvapením uslyšíte jeden velice hluboký tón E.
Pokud je však vytváříme na normálním nástroji, kde je výška aspoň trochu náhodně proměnná, slyšíme je samostatně, a zjišťujeme, že prvních 6 tónů zní spolu docela dobře. Na
CD je to demonstrováno na tónech C-c-g-c1-e1-g1. Dále si budeme všímat posledních tří
tónů a nebudeme užívat index 1.
5. Durová stupnice. Tónika, subdominanta, dominanta.
Čtvrtá, pátá a šestá harmonická spolu znějí velmi dobře (a ovšem i spolu s nižšími harmonickými) a vytvářejí tak harmonický trojzvuk – durový kvintakord, sestávající
z velké tercie (zde c-e) a malé tercie (zde e-g). Durový (tvrdý) proto, že zní „tvrději“ než
mollový (měkký) kvintakord, mající tercie v opačném pořadí (c-es-g). Kvintakord proto,
že je zdola nahoru vymezen kvintou (c-g). Zabývejme se jím podrobněji.
Nazvěme tónickým (T) kvintakordem c-e-g s frekvencemi v poměrech 4:5:6 a postavme
další kvintakord, dominantní (D), nad ním od tónu g, s tóny g-h-d’, a další, subdominantní (S), pod ním, do tónu c (s tóny f”a”c); jedna čárka značí tón o oktávu vyšší, dvě
čárky tón o oktávu nižší. Abychom frekvence tónů (každá trojice v poměru 4:5:6) porovnali celými čísly, rozšíříme uvedené frekvence postupně 4, 6 a 9: dostaneme:
(4
5
6)
(4
5
6)
(4
5
6)
(f”
a”
c)
(c
e
g)
(g
h
d’)
16
20
24
24
30
36
36
45
54
32
40
24
24
30
36
36
45
27
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 38 -
Přeneseme-li d’ o oktávu níže, bude jeho frekvence poloviční; naopak přenos f“, a“ o oktávu výše jejich frekvence zdvojnásobí, jak je uvedeno na nejnižší řádce. Dál vynecháme
opakující se c, g, a uspořádáme tóny podle velikosti frekvencí:
c
d
e
f
g
a
h
c‘
24
27
30
32
36
40
45
42
Tím nám vznikla diatonická durová stupnice jako tónový materiál, odpovídající bílým klávesám na klavíru. Na CD se dozvíte, jak se k nim dají odvodit i klávesy černé
v přirozených laděních, zachovávajících diatonickou stupnici. Dozvíte se i o jiných laděních – o pythagorejském ladění, využívajícím nikoli kvintu a tercii, ale pouze kvintu, i o
rovnoměrně temperovaném ladění (na klavíru a varhanách), které zanedbává rozdíl
mezi velkým a malým celým tónem (c-d a d-e) a oba poměry 8:9 i 9:10 nahradí poměrem
1:6√2, takže společným krokem 1:12√2 rozdělí celou oktávu na 12 dílů se stejnými poměry frekvencí sousedních tónů; zvýšené c (cis) splyne enharmonickou záměnou se
sníženým d (des) apod..
6. Tónina
Tónový materiál spolu s harmonickými funkcemi T, S, D vytvářejí tóninu, v našem případě C-dur. (Týž materiál s jinými funkcemi, °T = a-c-e, °S = d-f-a, °D = e-g-h, vytváří jinou tóninu – a-moll.) Věnujte pozornost vzájemnému vztahu akordů: pomět T ku S je
jako poměr D ku T. Protože tóny těchto akordů pokrývají všechny bílé klávesy, můžeme
těmito akordy harmonizovat každou pomalou melodii zapsanou v diatonické durové
stupnici (jen pro bílé klávesy). Je to ovšem postup značně jednoduchý a s minimálním
materiálem T, S, D. Abychom dostali něco „pohlednějšího“ (chtělo by se říci „poslouchatelnějšího“), museli bychom jít dále, a to dvěma směry: jednak ne každý tón melodie je
potřeba podložit „vhodným akordem, tj. pokládat ho za harmonický; můžeme ho nechat
jako melodický průchod mezi dvěma harmonickými tóny apod. Dále, můžeme si rozšířit
soubor akordů o kombinace f-a-c-e-g , tedy akordu a-moll, značeného ST (v hudební teorii se nepoužité tóny škrtají šikmou čarou zdola nahoru, to ale bohužel náš WORD neumí). Podobně vznikne mollový akord e-g-h jako TD. Třetí mollový akord, d-f-a, může
mít funkci neúplné subdominanty S, anebo (mollové) dominanty  k dominantě D. Poslední kvintakord, neúplná dominanta Ð, tj. h-d-f , je příkladem zmenšeného kvintakordu
tvořeného dvěma malými terciemi. Také se nemusíme držet diatonické stupnice a můžeme alterovat tóny d, f, a na tóny des (snížený), dis (zvýšený), fis, as, aby byly blíže tónickým tónům c, e, g. Konečně se ani nemusíme držet jedné tóniny a můžeme modulovat do ostatních. Trochu se o tom všem dozvíte z CD, více znalostí ovšem hledejte ve
vhodné učebnici harmonie (Šín, Kofroň, Modr).
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 39 -
(11)
Ticho – ML
(Morávková)
CÍL: Žák popíše vliv hlukového znečištění na komunikaci mezi živočichy.
Žák popíše vliv nadměrného hluku na sluchové ústrojí člověka.
Hluk je obecně definován jako nežádoucí zvuk. V zásadě se nemusí jednat o zvuk nepříjemný. Například hudba, která hraje od sousedů, či hlasitý rozhovor u vedlejšího stolku v
kavárně můžeme vnímat negativně jako hluk, který nás ruší (zde lze uvést další příklady
či povzbudit žáky k uvedení příkladů vlastních)
Jako dobrý příklad může sloužit hlasitá hudba v některých obchodech. Obchodníci
hudbu rádi využívají a existuje celá řada studií a doporučení jak hudbu pro nakupovací
pozadí vybírat. Uvádí se například, že rytmus hudby by měl být v souladu s lidskou tepovou frekvencí, to nakupujícího příjemně naladí.
Před hlukem jsme – alespoň teoreticky – chráněni zákonnou normou (Nařízení vlády 272-2011). Právo je sjednoceno v celé EU. Za normu uvnitř budov je považováno max.
40 resp. 50 decibelů, v závislosti na denní době. Za maximální hluk, kterému může být
člověk chronicky vystaven, aniž by došlo k poškození sluchu je považováno 86 decibelů.
(Magistrála v Praze - dle technického měření 66,5 decibelů - kredit
http://praha.idnes.cz/vyssi-rychlost-na-magistrale-zvysila-hluk-o-decibel-fy7-/prahazpravy.aspx?c=A120927_091438_praha-zpravy_sfo).
hladina/dB
příklady a vnímání člověkem
0
práh slyšitelnosti
20
hluboké ticho, bezvětří, akustické studio
30
šepot, velmi tichý byt, velmi tichá ulice
40
tlumený hovor, šum v bytě, tikot budíku
50
klid, tichá pracovna, obracení stránek novin
60
běžný hovor
70
mírný hluk, hlučná ulice, běžný poslech televize
80
velmi silná reprodukovaná hudba, vysavač v blízkosti
90
silný hluk, jedoucí vlak
100
sbíječka, přádelna, maximální hluk motoru
110
velmi silný hluk, živá rocková hudba, kovárna kotlů
120
startující proudové letadlo
130
práh bolestivosti
140
akustické trauma, 10 m od startujícího proudového letadla
170
zábleskový granát
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 40 -
Hladinu hlasitosti zvuku měříme v decibelech. Je to obecná, fyzikálně bezrozměrová jednotka, označující poměr dvou hodnot v logaritmech.
V uvedené tabulce jsou hodnoty hluku a porovnání s konkrétní činnosti, která s danou
intenzitou hluku souvisí. Je potřeba si uvědomit, že decibely jsou logaritmické, nikoli lineární, a tedy intenzita hluku roste poměrně prudce. Za práh bolestivosti se přitom pokládá hluk o hladině 120 decibelů.
Teď přichází čas na první část pracovního listu. Žáci si v návaznosti na řečené vyplní
otázku číslo 1. Následně by se měli zamyslet nad hlukem ve svém okolí a na základě své
zkušenosti zodpovědět otázky 2-5. Odpovědi následně probereme a porovnáme - na to
navážeme výkladem o hlukovém znečištění.
Následuje snímek s obrázkem světelného znečištění nad Evropou, které by žáci měli
identifikovat. Stejně jako světelné znečištění existuje i znečištění hlukové, v naší civilizaci nejčastěji znečištění ruchem dopravy. (Provázeno akustickými ukázkami hluku, pokud je k dispozici audiotechnika, pokud ne, můžeme otevřít okno).
http://www.youtube.com/watch?v=AeUU_vz8Uys
http://www.youtube.com/watch?v=9lj1oFE0YB8&list=PL62B8229D137ADC79 14:25
http://www.youtube.com/watch?v=RHhqeK4fd3s&list=PL62B8229D137ADC79
Hlukové znečištění vadí nejen nám, ale i zvířatům v přírodě. Známý je příklad mořských
savců, kde hluk způsobovaný námořními sonary způsobuje poruchy v dorozumívání a
v echolokaci mořských savců, což vede až ke změnám jejich chování. Jsou známy i případy, kdy velryby či delfíni hladověli následkem zmatení echolokačních signálů, uvádí se
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 41 -
i interference sonarových signálů se sexuálním chováním. V krajním případě byly zaznamenány případy nemoci z dekomprese, která předtím u mořských savců nebyla nikdy
pozorována.
Velký význam má hlukové znečištění i v životě ptáků, kteří používají hlasovou komunikaci k vymezení teritoria a nalezení partnera pro páření. V některých případech může
vést zvýšený hluk k omezení obývaného areálu či změně denní doby zpěvu.
Výsledky výzkumů ukazují, že ptáci v městském hluku zpívají hlasitěji, resp. využívají
jiné tóniny, aby jejich zpěv nezanikl v dopravním hluku. Například slavíci v Berlíně zpívají hlasitěji až o 14 decibelů (zvýšení o 3 decibely = zvýšení hlasitosti 2×, tedy 14 decibelů = zvýšení hlasitosti asi 25×). Tím někteří z těchto drobných ptáčků dosahují hlasitosti motorové pily (95 decibelů).
Přesto ani při této hlasitosti nedosahují na rekord. Ten drží letouni, kteří, podobně jako
mořští kytovci, potřebují zvuk, aby se uživili. Své signály však vysílají na ultrazvukových
frekvencích, které člověk není schopen vnímat. Měření ale ukazuje, že hlasitost zvuku,
který netopýr vyvine, dosahuje běžně 110 dB a může dosáhnout až 140 dB. Tato intenzita zvuku umožňuje netopýrům zachytit i velmi malý hmyz.
Na dalším snímku (a u PL) je schematický průřez sluchovým ústrojím člověka. Řízeným
rozhovorem s žáky by zde měla být zopakována anatomie a funkce ucha.
Zvukové vlny zachycené ušním boltcem pokračují zevním zvukovodem zakončeným bubínkem. Zvuk (částice vzduchu) narážejí do bubínku, odkud se energie zvuku přenáší
soustavou sluchových kůstek ve středním uchu na membránu oválného okénka vnitřního ucha. Tam jsou uloženy vlastní receptory - vláskové buňky, které se nachází v blanitém hlemýždi.
Mikrofotografie vláskových buněk je na dalším, horním snímku.
Vláskové buňky jsou velmi citlivé mechanoreceptory. Přílišným a častým namáháním (ohýbáním) mohou být poškozeny. Na
spodním snímku vidíme právě takové poškozené buňky.
Sluchové trauma, které vede k poškození
sluchových buněk, můžeme rozdělit na
akutní a chronické. Akutní poškození sluchu následuje po zaslechnutí zvuku
vyššího než 140 dB, chronické poškození
zvuku může vzniknout, pokud je člověk vystavován dlouhodobě hluku většímu než
85 dB. K poškození sluchového orgánu ale
může dojít i jinak, např. opakovanými záněty, úrazy hlavy nebo jako následek nádorového bujení.
Poškození sluchu klasifikují lékaři buď
podle doby vzniku na vrozené a získané,
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 42 -
nebo podle místa vzniku na centrální a periferní, přičemž právě periferní poškození
může být důsledkem nadměrné zátěže sluchového orgánu.
Vyšetření sluchu se provádí již od dětství pravidelně v rámci preventivních prohlídek u
lékaře. Vyšetřovaný stojí či sedí zády k lékaři, který s různou hlasitostí říká slova, které
obsahují nízké vysoké a střední formanty (formant je v akustice a fonetice oblast lokálního maxima (špičky) ve spektru složených tónů). Člověk se zdravým sluchem by měl
šeptané slovo uslyšet na 6 m.
Nejčastější získanou poruchou sluchu je nedoslýchavost, kterou v ČR trpí asi 5 % osob.
(Kolik je to v absolutních číslech, budeme-li počítat, že ČR má 10 milionů obyvatel? Odpověď 500 000). Většinou se jedná o stařeckou nedoslýchavost. Toto onemocnění nelze
léčit, pouze kompenzovat pomůckami. Často může vést k sociální izolaci postižených
osob.
Kompenzačními pomůckami pro tuto vadu jsou různé typy naslouchadel, v některých
případech lze použít kochleární implantát, který se voperuje do vnitřního ucha, kde jeho
elektrody dráždí přímo vlákna sluchového nervu.
Další velmi častou poruchou sluchu je šelest v uších – tinnitus auris. Jedná se o pískání,
zvonění či šelest v uších, které slyší pouze pacient, nikoli lidé v jeho okolí. Příčinou
vzniku tohoto onemocnění je opět akutní nebo chronické sluchové trauma. I zde jsou
možnosti léčby jen omezené. V případech chronického tinnitu hrozí pacientům deprese.
U člověka jsou také poměrně časté sluchové halucinace, které jsou důsledkem toho, že
člověk neumí zcela přesně lokalizovat zvuk. Pak se nám může zdát, že slyšíme někoho
chodit po domě, hlavně za tmy ☺.
Naopak mistrem v lokalizaci zvuku jsou sovy - jejich sluch je uspořádán tak, že jen podle
zvuku dokážou najít hlodavce třeba i pod sněhem.
Častou sluchovou halucinací je akuse hudby – pocit, že slyšíme hrát hudbu. Touto nemocí údajně trpěl i Bedřich Smetana.
Závěr:
Sluch je pro člověka velmi důležitým smyslem, zejména s ohledem na jeho roli v sociálním životě. Hlukové znečištění je v moderní době přitom poměrně časté.
Zkusme tedy nenakládat sluchu víc než je nutné a alespoň jednou za čas si užívejme ticha ☺.
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 43 -
(12)
Ticho – PL
(Morávková)
Hluk
1. Co je to hluk? Jaké jednotky používáme při jeho měření?
2. Kdy naposledy jste „slyšeli ticho“?
3. Kdy naposledy jste byli vystaveni hlasitému hluku?
4. Jak často jste vystavování nadměrnému hluku a při jaké příležitosti?
5. Jak mohu omezit hlukové znečištění ve svém okolí? Navrhněte alespoň tři „vylepšení“.
2. Ucho a sluch
6. Nakreslete do obrázku, kde a jakým způsobem se může sluch nejčastěji poškodit.
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 44 -
(13)
Komunikace zvířat – ML
(Morávková)
CÍL: Žák popíše různé způsoby komunikace zvířat a jejich evoluci.
Na začátku prezentace uvedeme některá motivační videa. Komunikaci si představujeme
nejčastěji jako zvukovou signalizaci, v přírodě známe ale celou řadu jiných příkladů - komunikaci vizuální, pachovou ... (vizuální – video kachničky mandarinské, jako příklad lze
ale uvést obecně chování ptáků v době toku; pachové – hroch, značení teritoria rozmetáním trusu).
Celkově jsou různé způsoby komunikace a jejich výhody a nevýhody shrnuty v tabulce
na dalším snímku. Stejná tabulka, ale slepá, je součástí pracovního listu, žáci by měli v
průběhu přednášky sledovat výklad a dovodit výhody a nevýhody jednotlivých typů komunikace a následně je vyplnit zpět do tabulky.
Hlavní funkce komunikace živočichů odráží jejich hlavní životní potřeby – potravu a rozmnožování, dále u teritoriálních živočichů vyznačení teritoria a jeho ochranu, případně
varování před přicházejícím nepřítelem. Zvláštního významu pak nabírají obě funkce komunikace u živočichů žijících ve skupinách, hejnech, stádech či smečkách, kde navíc přistupuje funkce určení hierarchie ve skupině. Tato hierarchická funkce je dobře vidět na
skupinách psovitých šelem, včetně domácích psů, jejichž skupinou se stává lidská skupina, v níž pes žije.
K vývoji signálů docházelo postupně a mnohdy můžeme tento vývoj pozorovat. Častý je
vývoj různých signálů z chování mláďat vůči dospělým. Např. polibek jako přátelský uvítací signál se zřejmě vyvinul z potravního chování šimpanzů. Dalším příkladem může být
mimikování potravy jako u pavouků skákavek či přeskokové chování u racků, kde se
vzájemná agresivita vybíjí náhradním chováním, v tomto případě trháním trávy. U zvířat, v případech kdy samci bojují o samice či teritorium, je vůbec takové náznakové či
přeskokové chování časté, souboje jsou obvykle jen rituální, tak aby nedošlo k usmrcení
nebo zranění, což je výhodné pro obě strany.
Jednou z obvyklých forem komunikace je vydávání pachových signálů; tato komunikace
je častá u obratlovců i bezobratlých. U mravenců slouží takové pachové značky nejen k
rozlišení jedinců patřících do konkrétního mraveniště, ale také jako naváděcí signál k
potravě. Tento signál ale může být dvousečný a může přilákat různé predátory.
Podobně pachové signály vytvářejí i včely. V úlu vládně přísná hierarchie, v jednom okamžiku smí být v úlu jen jediná královna. Ta si svojí jedinečnost zajišťuje tvorbou sekretu,
který brání pohlavnímu dospívání dělnic. Stará nebo nemocná královna tento sekret netvoří, a to je signálem pro dělnice, aby vychovávaly další královny.
U savců slouží pachové signály zejména k ohraničení teritoria – např. hroch rozmetá
trus, různé druhy antilop označují keře na hranicích teritoria speciálními pachovými žlázami. Ty přitom mohou mít různé umístění. Pro psovité šelmy je typické značkování
močí. Zde lze jako vhodný příklad použít psa domácího.
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 45 -
Pachové značky jsou též velmi důležité v období říje. Některé výzkumy u myší ukazují, že
zvířata podle pachu dokážou rozlišit míru příbuznosti jedince při páření (rozlišení MHC
- jedinečných molekul na povrchu buněk). V období říje je charakteristická změna pachu,
která značí připravenost k rozmnožování a kterou samci příslušného druhu dobře vycítí.
Stejně jako u zvířat, i každý člověk má svůj jedinečný pach - stejný je pouze u jednovaječných dvojčat. Podle čichu například dokáže rozeznat novorozenec svojí matku a obráceně. Konkrétní roli lidského pachu při rozmnožování je ale těžké studovat, protože člověk si zvykl překrývat svou přirozenou vůni parfémy.
Dalším typem komunikace je dotyková a vibrační komunikace. Dobrým příkladem takové komunikace jsou opět hmyzí společenstva. Ze savců pak jako příklad může sloužit
slepý hlodavec Spalax, který komunikuje bušením do zdí chodeb (viz video)
Dotyková komunikace u savců zahrnuje mimo jiné i tzv. sociální čištění - časté zejména u
primátů jako probírání srsti a vybírání lup. Tělesný dotyk přitom zmírňuje agresivní vyladění a určuje i sociální postavení jedinců ve skupině. Podobné kladné důsledky tělesného dotyku při sbližování a udržování vztahu byly prokázány i u člověka. U šimpanzů
byl přitom prokázán pozitivní vliv dotyků i na hormonální úrovni.
Jednou z nejpřirozenějších komunikací pro člověka je komunikace optická, což je dáno
velmi dobrým zrakem, kterým člověk disponuje. Velmi dobrý zrak má ale i mnoho predátorů a všichni ptáci.
Signálem v tomto typu komunikace je často unikátní zbarvení, ale i postavení těla
(kobra) nebo jejich kombinace (páv roztahuje pestře zbarvený ocas).
Některé druhy živočichů poskytují i světelné signály. Příkladem takového signálu může
být světélkování světlušek. Ty vydávají signál nejen jako lákadlo pro druhé pohlaví, ale
často tak lákají i kořist, kterou mohou být samci světlušek jiných druhů. Mezidruhově se
přitom signály světlušek liší frekvencí a délkou trvání, někdy samci světlušek lákají samice dokonce synchronizovanými záblesky (viz video). Velmi známý je také „včelí tanec“, kterým včelí dělnice upozorňují družky v úle na zdroj potravy (viz video).
Ptáci jsou často nápadní svojí barvou, zejména v období páření. V takovém případě na
zvláště zbarvené části těla ještě navíc upozorňují svým chováním (holub se naparuje a
ukazuje zbarvené vole, kačer nadzvedává zobákem křídla s modrým „zrcátkem“). Někteří ptáci nám mohou ale připadat „nudní“. Nedávné výzkumy ale ukázaly, že ptáci
dobře vidí i v ultrafialové části spektra, kterou lidé běžně nevidí. V této oblasti spektra se
šedě zbarvený pták či béžové vejce jeví výrazně barevnější. Rozšířené vidění tak umožňuje ptákům schovávat sebe a svá vajíčka před predátory, kteří mají zrak v UV oblasti
omezený. Podobně i u ptáků zbarvení, velikost skvrn a jejich umístění může mít i další
roli, např. v určování hierarchie ve skupině.
Mistrem v optickém maskování jsou pak zejména chobotnice (viz video).
Savci pak velmi často využívají různých optických signálů, včetně mimiky. Tyto signály
se mohou mezidruhově lišit, což může představovat značnou komunikační bariéru (viz
video - pes vyzývá postavením těla ke hře, kotě signál chápe jako agresi a odpovídá postavením těla, v němž se snaží psa zastrašit). Podobnou bariéru představuje úsměv –
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 46 -
úsměv s odhalenými zuby představuje u většiny primátů agresi, z tohoto signálu se zakrytím zubů stává signál přátelský, u člověka se tato hranice ale poněkud stírá. Některé
signály jsou oproti tomu společné - například smích (viz video na posledním snímku.)
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 47 -
(14)
Komunikace zvířat – PL
(Morávková)
1. Doplňte vlastnosti, výhody a nevýhody jednotlivých typů komunikace do přiložené
tabulky.
Typ signálu
chemický
akustický
optický
hmatový
vlastnosti
dosah
šíření
omezení
překážkou
lokalizace
energetický
výdej
2.
3.
4.
5.
Jaké jsou hlavní funkce komunikace u zvířat?
Popište alespoň dva příklady komunikace, které můžete pozorovat u psa domácího.
Jakých podob může nabývat optická komunikace - uveďte příklady.
Uveďte příklady komunikace zvířat, které jste měli poslední dobou možnost pozorovat, ať už doma či v přírodě
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 48 -
(15)
Elektrofony
(Guštar)
1. Historie
Historie vývoje hudebních nástrojů je historií hledání a zdokonalování mechanismů,
prostředků a principů pro vytváření hudby s cílem zlepšit jejich zvuk, zvýšit rozsah nebo
hlasitost, usnadnit hru, získat nové zvukové barvy nebo dosáhnout dalších možností výrazu. Existující nástroje se upravují a vznikají nové, používají se netradiční techniky hry,
jako nástroje slouží nejrůznější předměty a zvuky se vytvářejí zcela novými postupy.
Nové možnosti při konstrukci hudebních nástrojů přineslo rozšiřování znalostí
o elektřině a magnetismu a s ním související rozvoj elektrotechniky a elektroniky.
Elektřina se začala používat jako nový zdroj energie pro hudební nástroje, jako prostředek pro jejich řízení a ovládání a později i pro generování a modifikaci zvuku. Objevila se
nová skupina elektromechanických a elektronických hudebních nástrojů, které začaly
být označovány jako elektrofony a postupně se staly běžnou součástí orchestrů a hudebních skupin. V mnoha stylech populární hudby jsou tyto nástroje nástroji hlavními, v některých stylech, zvláště u taneční hudby, se již všechen zvuk vytváří čistě elektronickou
cestou bez použití „klasických” nástrojů.
2. Elektřina a hudební nástroje
Vývoj elektrofonů je spjat s vývojem poznatků o elektřině a magnetismu. Do poloviny 18.
století byla zkoumána především statická forma elektřiny.
Historicky prvním zdokumentovaným pokusem využít elektrický náboj v hudebním nástroji je Denis d'or, který kolem roku 1730 postavil Prokop Diviš. O tomto strunném
klávesovém nástroji máme jen neúplné informace, elektrický náboj strun snad měl zvýšit kvalitu zvuku. Kolem roku 1760 využíval Jean-Baptiste de la Borde elektrický náboj
k rozeznívání zvonků ve svém nástroji zvaném Clavecin électrique.
Clavecin électrique
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 49 -
Nové možnosti přinesla dynamická forma elektřiny – elektrický proud, jehož intenzivní
výzkum započal v 19. století.
Jednoduchý elektromechanický hudební nástroj Musical Telegraph s elektromagnetickými generátory zvuku postavil roku 1874 vynálezce Elisha Gray. Podobný princip
tvorby zvuku využívala regenerativní piana, konstruovaná na přelomu 19. a 20. století.
Skutečný rozvoj elektromechanických a elektronických nástrojů nastal ve 20. letech 20.
století, kdy již byly k dispozici dostatečně kvalitní mikrofony a snímače, reproduktory
a zesilovací elektronky.
3. Systematika elektrofonů
Hudební nástroje lze třídit podle různých kritérií. Na počátku 20. století vytvořili muzikologové Erich Moritz von Hornbostel a Curt Sachs systém jednotné klasifikace hudebních nástrojů podle fyzikální podstaty tvoření tónu. Nástroje rozdělili do základních skupin na samozvučné - idiofony, u nichž zvuk vzniká kmitáním tělesa nástroje, blanozvučné
– membranofony, u kterých zvuk vzniká kmitáním membrány, strunné – chordofony,
u nichž je zdrojem zvuku kmitající struna, a vzduchové – aerofony, u kterých je zdrojem
zvuku kmitající vzduch. K těmto čtyřem skupinám byly později přidány nástroje elektrické – elektrofony, u nichž je zvuk vytvářen elektricky. Hornbostelova-Sachsova systematika se rychle rozšířila, brzy se stala nejužívanějším systémem klasifikace hudebních
nástrojů a s drobnými úpravami a doplňky je jím dodnes.
1 samozvučné – idiofony
2 blanozvučné – membranofony
3 strunné – chordofony
4 vzduchové – aerofony
5 elektrické – elektrofony
Skupiny nástrojů podle Hornbostelovy-Sachsovy systematiky
Elektrofony lze dále rozdělit na nástroje elektroakustické a elektronické.
Elektroakustické, nebo také elektrofonické nebo elektromechanické nástroje, jsou nástroje „klasické” (akustické) s mechanicko-elektrickými převodníky (snímači či mikrofony), u nichž je elektrický výstup jediným nebo hlavním zvukovým výstupem a jejichž
konstrukce bývá často upravena tak, že je nelze plnohodnotně použít bez elektrického
zesílení a reprodukce zvuku. U elektronických nástrojů je zvuk generován i zpracováván
ve formě elektrických signálů.
Zdrojem zvuku u elektromechanických nástrojů mohou být kmitající nebo rotující mechanické díly. Samostatnou skupinu tvoří nástroje reprodukční, u kterých je zvuk reprodukován ze záznamu. Kmitavý pohyb, vznikající vlivem pružnosti materiálu, je vlastní
snad všem předmětům a mechanickým soustavám. Že lze mnohé předměty použít pro
vydávání zvuku, zjistili lidé již velice dávno. Generování zvuku pomocí rotačního pohybu
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 50 -
se objevilo mnohem později. V roce 1681 si anglický přírodovědec Robert Hooke povšiml, že při přiložení proužku kartonu k zubům rotujícího ozubeného kola vzniká tón, jehož frekvence je
úměrná počtu zubů a rychlosti otáčení. Ve druhé čtvrtině
19. století sestrojil německý fyzik Louis Friedrich Wilhelm
August Seebeck sirénu, u níž zvuk vzniká přerušováním
proudu vzduchu pomocí rotujícího disku s otvory. Frekvence generovaných tónů je opět úměrná počtu otvorů
a rychlosti otáčení. Seebeckova siréna se dodnes používá
jako jednoduchý zdroj hlasitého výstražného zvuku na veřejných prostranstvích.
Princip Seebeckovy sirény
V elektro-mechanických převodnících elektroakustických nástrojů se nejčastěji užívají
principy elektromagnetické, elektrostatické, piezoelektrické nebo optické.
4. Elektromagnetické rotační generátory
Základní částí elektromagnetického rotačního generátoru
bývají rotující kovové disky nebo válce s pravidelně uspořádanými výřezy nebo výstupky modulujícími elektromagnetické pole snímače tvořeného cívkou s magnetickým jádrem. Jejich tvar a tvar pólových nástavců snímače
určují průběh generovaného signálu.
Princip elektromagnetického rotačního generátoru
Prvním významným elektromechanickým hudebním nástrojem v historii bylo Telharmonium, které na přelomu 19. a 20. století vytvořil kanadský hudebník a konstruktér
Thaddeus Cahill. Nejprve pro vytváření elektrických kmitů použil rotační přerušovače.
Později je nahradil soustavou alternátorů. Zvuk nástroje byl přenášen po telefonních linkách nebo mohl být reprodukován telefonními sluchátky opatřenými trychtýřovým
zvukovodem. Zvukovou barvu bylo možné
nastavit mícháním několika signálů s různou frekvencí na principu aditivní syntézy.
Telharmonium bylo inspirací pro Laurense
Hammonda, který v roce 1934 předvedl
varhany, jejichž generátory tvořila soustava rotujících ozubených kovových kol
s elektromagnetickými snímači.
Hammondovy varhany se v 50. a 60. letech prosadily v jazzové a rockové hudbě.
Varhany Hammond B3 a reprosoustava Leslie
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 51 -
5. Elektrostatické rotační generátory
Rotující kola s vodivými maskami tvořícími kondenzátor s
proměnnou kapacitou jsou základem elektrostatických rotačních generátorů. Stejně jako u elektrostatických snímačů,
vzniká po připojení napětí změnou kapacity střídavý proud,
jehož průběh závisí na tvaru a vzájemné poloze vodivých
obrazců.
S využitím popsaného principu vyráběla od roku 1954 americká firma Compton varhany pod názvy Melotone,
Electrone a Theatrone.
Princip elektrostatického rotačního generátoru
6. Optoelektrické rotační generátory
Základem optoelektrických rotačních generátorů jsou
mechanické díly periodicky přerušující nebo modulující
paprsek světla. Modulované světlo je pomocí fotocitlivého prvku převáděno na elektrické kmity. Tvarem
a optickými vlastnostmi dílů modulujících světelný paprsek lze ovlivňovat tvar generovaných kmitů. Ve většině případů slouží k modulaci světla rotující disky či
válce, u některých nástrojů jsou pro modulaci světla použity pohybující se filmové pásy.
Princip elektrooptického rotačního generátoru
V roce 1958 byl podle návrhu Jevgenije Alexandroviče Murzina postaven nástroj ANS pro převod graficky zaznamenané „partitury” do zvukové podoby. Jeho generátory jsou tvořeny pěti
skleněnými disky rotujícími různými rychlostmi.
Na každém disku je naneseno 144 optických
stop. Celý generátor poskytuje současně 720 modulovaných světelných paprsků, které procházejí
pohyblivou skleněnou deskou, na které je ve
vrstvě neprůsvitné pryskyřice vyryta „partitura”.
Deska se pohybuje pod řadou fotoelektrických
článků, převádějících pulsující světlo na zvukové
kmity.
ANS
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 52 -
7. Elektrostatické snímání kmitů
Elektrostatický snímač tvoří vzduchový kondenzátor, jehož jedna elektroda je pohyblivá
a bývá jí obvykle některá kmitající část nástroje. Druhá elektroda je pevná. Přes odpor je
snímací kondenzátor připojen ke zdroji stejnosměrného napětí. Při změně kapacity protéká obvodem proud, jehož změny způsobují změnu výstupního napětí. Relativní změny
kapacity rostou se zmenšující se vzdáleností mezi elektrodami, která proto musí být co nejmenší. Jelikož velikost výstupního střídavého napětí je přímo úměrná připojenému
odporu, napájecímu napětí a změně kapacity, bývá napájecí
napětí poměrně vysoké, co nejvyšší bývá i velikost odporu.
Princip elektrostatického snímače
Jelikož většina mechanických soustav kmitá složitým způsobem, přičemž způsob kmitání není ve všech místech stejný, lze umístěním snímače ovlivňovat tvar kmitů, a tím
i barvu generovaných zvuků. Při snímání kmitů strun, např. u kladívkových nástrojů, lze
změnou umístění snímače ovlivňovat také časový průběh dynamiky zvuku. Při úderu
kladívka začíná struna kmitat ve směru úderu, postupně se objevují i kmity ve směru
příčném. Pokud snímač snímá kmity ve směru úderu, je průběh zvuku perkusivní. Při
snímání kmitů ve směru kolmém na směr úderu má zvuk pozvolný náběh. Změnou úhlu
umístění snímače tak lze plynule přecházet mezi oběma časovými průběhy.
Elektrostatické snímače jsou velice jednoduché. Jako snímací elektroda může sloužit
prakticky libovolný vodič umístěný do blízkosti kmitající části nástroje. Elektrostatický
princip se proto při elektrifikaci hudebních nástrojů používal jako první a elektrostaticky snímané nástroje se objevily již na počátku 20. let 20. století, kdy již byly k dispozici potřebné elektronkové zesilovače. S příchodem polovodičových součástek ve druhé
polovině 20. století výrazně klesla velikost napájecího napětí pro elektronické obvody. Jelikož elektrostatické snímače ke své funkci potřebují poměrně vysoké polarizační napětí, které již v moderních nástrojích nebývá k dispozici, a jelikož je
jejich výroba a instalace náročná na přesnost,
přestaly se v moderních nástrojích používat.
Pro svůj typický zvuk jsou stále ceněna elektrická
piana Wurlitzer vyráběná od roku 1954 do začátku 80. let. Zdrojem jejich zvuku jsou kovové jazýčky rozeznívané jednoduchou kladívkovou mechanikou.
Elektrické piano Wurlitzer B-200
V Evropě vyráběla firma Hohner od roku 1959 do poloviny 70. let klávesový Cembalet,
jehož jazýčky rozeznívala trsátka z tvrdé gumy spojená s klávesami. Tatáž společnost vyráběla v 60. a 70. letech také Pianet. U něho k rozkmitání jazýčků slouží hranolky z přilnavé hmoty.
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 53 -
8. Elektromagnetické snímání kmitů
Základem elektromagnetických snímačů je permanentní magnet vytvářející ve svém
okolí stabilní magnetické pole. V tomto poli kmitá kovová část nástroje, jejímž pohybem
dochází k proměnné deformaci magnetického pole. V cívce nasazené na magnet nebo
jeho pólové nástavce je v důsledku změn
intenzity magnetického pole indukován
střídavý proud, jehož časový průběh odpovídá časovému průběhu změn magnetického pole a tedy i časovému průběhu mechanických kmitů pohyblivé části nástroje.
Princip a provedení elektromagnetického snímače
Vývoj elektromagnetických snímačů započal na přelomu 20. a 30. let, když se zjistilo, že
elektrostatické snímače nejsou příliš vhodné pro strunné nástroje. Elektromagnetické
snímání se užívá u velkého množství nástrojů nejrůznějších typů a elektromagnetické
snímače se staly nejrozšířenějším druhem snímačů pro hudební nástroje. Jejich použití
přispělo ke vzniku a rozšíření elektrifikovaných hudebních nástrojů,
z nich především elektrická kytara
ve druhé polovině 20. století zásadně
ovlivnila vznik a vývoj mnoha hudebních žánrů.
Elektrická kytara Fender Stratocaster
Z klávesových nástrojů využívají elektromagnetické snímání elektrická piana FenderRhodes, vyráběná v mnoha verzích od roku 1960. Zdrojem kmitů jsou u nich nesymetrické kovové „ladičky“, jejichž tvar se podílí na charakteristickém zvuku nástrojů.
9. Piezoelektrické snímání kmitů
Princip piezoelektrického snímače
U piezoelektrických snímačů vznikají elektrické signály při deformaci krystalu snímacího prvku. V hudebních nástrojích se první
piezoelektrické snímače objevily
v 60. letech a v průběhu následujících dvou desetiletí se
jejich kvalita výrazně zvýšila. Od té doby se často užívají
pro snímání především strunných nástrojů, u nichž se
snímače nejčastěji zabudovávají do kobylky.
K nejznámějším nástrojům tohoto typu patří kytary
Ovation Charlese Kamana a smyčcové nástroje firem
Yamaha a NS Design.
Elektrické housle NS Design
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 54 -
10.
Optofonické nástroje
Optofonické nástroje využívají reprodukci optického záznamu zvuku. Jako záznamové
medium slouží filmové pásy nebo disky s naneseným optickým záznamem, který může
mít formu proměnné plochy nebo proměnné hustoty, podobně jako zvuková stopa na filmovém pásu. Pohybující se médium se záznamem moduluje procházející nebo odražený
světelný paprsek. Modulované světlo je pak pomocí fotocitlivého prvku převáděno na
elektrický signál. Optický záznam zvuku ve spojení s filmem se objevil již na konci 19. století. Experimenty s využitím téhož principu při konstrukci hudebních nástrojů začaly až ve 20. letech
20. století.
Významným pokusem o využití optického záznamu při napodobení zvuku píšťalových varhan
byl prototyp varhan Welte předvedený roku
1936. Další vývoj tohoto nástroje znemožnila
II. světová válka.
Optický disk varhan Welte
V 70. letech prodávala firma Mattel levné domácí klávesové nástroje Optigan, které nabízely napodobení
zvuku reálných nástrojů a doprovody nahrané živými
hudebníky. Verzi určenou pro profesionální použití vyráběla v polovině 70. let pod názvem Orchestron firma
Vako.
Optigan
11.
Magnetofonické nástroje
Magnetofonické nástroje reprodukují zvuk zaznamenaný na magnetofonovém pásku. Při
záznamu je do vinutí magnetofonové hlavy přiváděn střídavý proud odpovídající zaznamenávanému zvuku, který indukuje v magnetickém obvodu proměnný magnetický tok.
Magnetické pole vznikající v okolí záznamové štěrbiny vyvolává změny magnetizace pohybujícího se pásku. Při reprodukci pohyb nerovnoměrně zmagnetizovaného
pásku způsobuje změny magnetického
pole v blízkosti štěrbiny reprodukční
hlavy, které ve vinutí hlavy indukují
střídavý proud, jehož průběh odpovídá
zaznamenanému zvuku.
Princip magnetického záznamu
Existují dva základní systémy magnetofonických nástrojů. Jeden z nich pracuje se smyčkami, druhý s lineárními úseky pásku. Systémy se smyčkami slouží pro generování
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 55 -
a zpracování cyklických zvuků nebo frází, systém s lineárními úseky slouží pro práci
s nerepetitivními strukturami.
Většina nástrojů, které jsou vybaveny klaviaturou, vychází z principu, jehož tvůrcem je Harry
C. Chamberlin. Každá klávesa ovládá jednoduchý magnetofon přehrávající nedlouhý úsek
pásku. Při stisku klávesy začne přehrávání zaznamenaného úseku, při uvolnění klávesy se
pásek rychle převine do výchozí polohy. Tyto
nástroje se objevily na přelomu 40. a 50. let
a umožnily ve své době nebývale věrné napodobení „klasických” nástrojů. Jejich možnosti
předčily až polyfonní syntetizéry a samplery na
konci 70. let. Nejznámějším magnetofonickým
nástrojem je Mellotron, odvozený od Chamberlinova nástroje Musicmaster.
Mellotron Mk II
12.
Otázky a úkoly:
Podle jakých hledisek můžeme třídit hudební nástroje? Uveďte příklady.
Jakou frekvenci bude mít tón produkovaný Seebeckovou sirénou, jejíž kotouč má 20 otvorů a otáčí se rychlostí 600 ot/min?
Proč hlavní rozvoj elektrofonů začal až ve 30. letech 20. století?
Ve vámi vybrané hudební nahrávce se pokuste identifikovat použité nástroje a najít mezi
nimi ty elektromechanické.
13.
Literatura
[1] Guštar, Milan. Elektrofony I. Uvnitř, 2007. ISBN 978-80-239-8446-0
[2] Syrový, Václav. Hudební akustika, AMU, 2014. ISBN: 978-80-7331-297-8
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 56 -
(16)
Elektrofony II
(Guštar)
Druhou hlavní skupinu elektrofonů tvoří vedle nástrojů elektroakustických nástroje
elektronické, u nichž je zvuk generován i zpracováván ve formě elektrických signálů.
Elektronické nástroje tvoří zvukové kmity bez použití mechanických pohyblivých dílů,
jejich generátory vytvářejí elektrické kmity pomocí vhodně zapojených elektrických obvodů. Vznik a vývoj elektronických nástrojů byl proto podmíněn rozvojem elektroniky.
1. Elektronika a hudební nástroje
První přístroj pro generování zvuku na čistě elektronickém principu, který by bylo
možné označit za hudební nástroj, sestrojil roku 1899 britský fyzik William Du Bois
Duddell. Při jeho konstrukci použil neobvyklý princip generování a vyzařování zvuku
pomocí elektrického oblouku, nástroj proto bývá označován jako zpívající oblouk nebo
zpívající oblouková lampa. Další elektronické hudební nástroje již obsahovaly elektronkové oscilátory.
První triodu – elektronku, která umožnila konstrukci zesilovačů a oscilátorů, zkonstruoval v roce 1906 americký vynálezce Lee de Forest. Na přelomu 10. a 20. let již elektronky
dosáhly kvality dostatečné pro běžné použití. V téže době se objevily také dostatečně
kvalitní a výkonné reproduktory.
V roce 1947 vytvořili Walter Brattain a John Bardeen v Bellových laboratořích první polovodičový zesilovací prvek – bipolární hrotový tranzistor. V témže roce William Shockley vynalezl tranzistor řízený polem. Tranzistory umožnily výrobu složitých elektronických obvodů při zmenšení jejich rozměrů, snížení spotřeby, zvýšení spolehlivosti a zlepšení stability parametrů. Již v polovině 50. let byly sestrojeny první plně tranzistorové
počítače a tranzistory postupně začaly nahrazovat elektronky ve většině elektronických
přístrojů.
V roce 1958 Jack Kilby ve společnosti Texas Instruments vyrobil oscilátor se dvěma
tranzistory na jedné polovodičové destičce – čipu. O šest měsíců později nezávisle na
něm vytvořil Robert Noyce ve firmě Fairchild Semiconductor Corporation na jednom
čipu klopný obvod. Integrované obvody se brzy začaly používat v elektronických přístrojích i hudebních nástrojích, které se tím dále výrazně zjednodušily, zlevnily a zmenšily.
Snížení počtu součástek potřebných ke stavbě jednotlivých obvodů vedlo k dalšímu zvýšení spolehlivosti, výroba složitějších obvodů dovolila stavbu nástrojů s více funkcemi.
V 60. letech se také objevily první dostupné a spolehlivé syntetizéry, použitelné nejen
v experimentálních studiích, ale i na koncertech.
Levná hromadná výroba integrovaných obvodů, obsahujících desítky, stovky, a později
i tisíce a milióny tranzistorů, vytvořila předpoklady pro konstrukci číslicových obvodů.
Ty umožnily stavbu výkonných elektronických počítačů a také zpracování digitalizovaEvropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 57 -
ných analogových signálů. Zpracování signálů v digitální formě je v mnoha případech výrazně efektivnější než ve formě analogové. S digitálními daty lze provádět mnoho operací, které by pomocí analogových obvodů byly jen obtížně proveditelné nebo zcela nemožné. Digitalizace významně ovlivnila i zpracování zvuku a konstrukci hudebních nástrojů.
V listopadu 1971 Intel představil první mikroprocesor – obvod, sdružující základní
funkční bloky číslicového počítače. Mikroprocesory umožnily stavbu malých a levných
počítačů a jejich rozšíření mimo oblast „vážných” vědeckých, vojenských a průmyslových aplikací. Na konci 80. let již bylo možné využívat osobní počítače i pro generování,
záznam, zpracování a reprodukci zvuku v reálném čase. Během deseti let bylo již použití
osobních počítačů ve funkci zvukových záznamových zařízení a editorů zcela běžné
a v mnoha aplikacích začaly počítače nahrazovat i elektronické hudební nástroje a efektové procesory.
2. Systematika elektronických nástrojů
Elektronické hudební nástroje můžeme podle způsobu generování zvukových kmitů rozdělit na syntetizéry, samplery a nástroje modelující. Syntetizéry vytvářejí zvuk generováním a přetvářením kmitů. Základem funkce samplerů je reprodukce zvuku ze záznamu.
Zvuk je zdigitalizován a uložen do paměti nástroje, z níž je pak přehráván a dále upravován. V modelujících (virtuálních) nástrojích vznikají zvukové kmity jako výsledek funkce
matematického modelu mechanické soustavy nebo elektrického obvodu.
Podle typu zpracovávaných signálů lze elektronické nástroje rozdělit na analogové, digitální a hybridní. U analogových nástrojů jsou generované a dále zpracovávané spojité
elektrické kmity přímou analogií kmitů zvukových. Celá struktura analogového nástroje
mnohdy bývá analogií uspořádání či funkce mechanické soustavy tvořící pomyslný mechanický nástroj. Digitální nástroje pracují s obrazem signálů v číslicové (nespojité, diskrétní) formě. Na konci procesu je posloupnost digitálních dat převedena na analogové
spojité signály. Hybridní nástroje analogové a digitální postupy kombinují.
Podle počtu současně znějících hlasů se nástroje dělí na monofonní, multifonní a polyfonní. Monofonní (jednohlasé) nástroje potřebují pro svou činnost alespoň jeden oscilátor, jehož frekvence je přelaďována v potřebném rozsahu. Mnoho monofonních nástrojů
obsahuje větší počet oscilátorů přelaďovaných současně; jejich výstupní signály se kombinují. Multifonní (vícehlasé) nástroje obsahují několik přelaďovaných oscilátorů, jejichž
počet závisí na počtu současně znějících hlasů. U polyfonních nástrojů závisí počet současně generovaných tónů na jejich rozsahu. V nejjednodušších případech mají nástroje
pro každou klávesu jeden oscilátor. Varhany, u nichž při stisku jedné klávesy zní současně několik tónů s různou barvou v odlišných stopových výškách, mohou mít pro každou klávesu oscilátorů několik. Toto uspořádání odpovídá varhanám píšťalovým, u
nichž při stisku jedné klávesy může znít větší počet píšťal. Počet oscilátorů u velkých nástrojů může dosahovat mnoha set až tisíců.
Obvody elektronických nástrojů
Podobně jako nástroje mechanické, jsou i elektronické nástroje sestaveny z několika základních funkčních bloků. Základní obecné struktuře mechanických nástrojů se nejvíce
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 58 -
podobá struktura jednoduchých monofonních elektronických nástrojů se subtraktivní
syntézou.
Struktura hudebního nástroje
Vybuzení kmitů přivedením energie do mechanického generátoru odpovídá přivedení
napájecího napětí do oscilátoru elektronického nebo uzavření jeho elektrického obvodu,
které způsobí nasazení oscilací. Uzavření obvodu bývá u monofonních nástrojů realizováno připojením prvku určujícího frekvenci oscilací – odporu, kondenzátoru nebo cívky.
Signál z oscilátoru je veden do resonančního elektrického obvodu – filtru, modifikujícího
jeho spektrum obdobným způsobem jako resonátor nástroje mechanického. Výstupní
signál bývá dále zesilován a vyzařován reproduktorem. Pokud je generátor uváděn do
činnosti spínáním obvodu, rozkmitá se obvykle velmi rychle a oscilace po rozpojení obvodu okamžitě zanikají. Tóny nástroje mají proto velmi ostré nasazení (Attack) i doznění
(Release) a možnosti ovlivňování průběhu amplitudy generovaných tónů v čase jsou
omezené.
Struktura elektronických nástrojů tohoto typu byla postupně modifikována, až se v 60.
letech prakticky ustálila v podobě používané dosud u syntetizérů se subtraktivní syntézou. Jeden nebo několik oscilátorů, jejichž signály se směšují, vytvářejí základní signál,
jehož spektrum upravují filtry a amplitudu určují zesilovače s řiditelným zesílením. Obvody klaviatury generují řídicí signály pro oscilátory tak, aby byl signál potřebné frekvence generován i po uvolnění klávesy. Časový průběh amplitudy tónů určuje až řízený
zesilovač zapojený v cestě signálu.
Analogový syntetizér se subtraktivní syntézou
Méně časté je u elektronických nástrojů použití aditivní syntézy, u které je výsledný signál získáván jako součet několika signálů jednodušších. Některé nástroje využívají dalších typů syntézy, jako např. modulační, tvarové atd. Mnohé nástroje různé typy syntézy
kombinují.
3. Analogové monofonní nástroje
Martenotovy vlny
Vynálezce triody Lee de Forest se kolem roku 1915
pokusil s využitím elektronkového oscilátoru sestrojit hudební nástroj, který nazval Audion Piano.
Stavbu svého nástroje však zřejmě nedokončil.
První jednohlasé nástroje se objevily na počátku 20.
let. V té době bylo obtížné zkonstruovat oscilátory s
dostatečně stabilní frekvencí, většina nástrojů proto
pro řízení frekvence tónů využívala páky, táhla nebo
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 59 -
hmatníky, které umožňovaly dosáhnout přesné intonace. Do této skupiny patří např.
Theremin Lva Těrmena, Martenotovy vlny Maurice Martenota nebo Trautonium
Friedricha Trautweina, které se staly součástí instrumentáře evropské vážné hudby
a bylo pro ně zkomponováno množství skladeb.
S rostoucí kvalitou elekronických obvodů vznikalo i množství monofonních nástrojů klávesových, jejichž zvukové možnosti se stále rozšiřovaly. Již ve 30. a 40. letech zkonstruoval Harald Bode několik nástrojů, které měly na svou dobu neobvykle moderní koncepci.
Jeho Melochord již obsahoval filtry přeladitelné podle výšky hraných tónů, umožňoval
regulaci rychlosti náběhu i doznění zvuku a zvuková barva jedné sekce mohla být ovládána sekcí druhou. V roce 1948 sestrojil Hugh Le Caine nástroj s napětím řízenými obvody, který nazval Electronic Sackbut. Bodeho i Le Cainovy
nástroje jsou považovány za přímé předchůdce syntetizérů
vyráběných v následujících desetiletích.
V roce 1960 dokončil Harald Bode konstrukci svého modulárního systému pro zpracování zvuku. Modular Sound Modification System měl filtry, kruhové modulátory, sledovače
frekvence a obálky, komparátory, frekvenční děliče, generátory obálky, napětím řízené zesilovače, směšovače a páskovou
zpožďovací linku. V následujícím roce uveřejnil článek, ve kterém popsal základní koncepci syntetizéru sestaveného
z mnoha miniaturních tranzistorových modulů.
Na počátku 60. let navrhl Donald Buchla pro Tape Music Center v San Francisku modulární syntetizér s napětím řízenými
bloky. První moduly vyrobil roku 1963. V roce 1964 zkonstruoval napětím řízený oscilátor a zesilovač také Robert Moog.
Buchlovy a Moogovy modulární syntetizéry byly v 60. letech
instalovány v mnoha experimentálních hudebních studiích
a začaly se používat ve vážné i populární hudbě. V 70. letech
započaly s výrobou modulárních systémů také firmy ARP, Eμ
(E-mu) a další výrobci.
Moog modular
Velké modulární systémy byly pro většinu hudebníků příliš drahé a komplikované. Jejich
příprava vyžadovala mnoho času a úsilí, nebyly proto ani vhodné pro běžné koncertní
použití. V 70. letech proto převládly menší, snáze ovladatelné a přenosné nástroje. Stolní
syntetizér Synket postavil již roku 1965 Paul Ketoff z italské pobočky firmy RCA, roku
1969 začala vyrábět stolní syntetizéry britská firma EMS. V následujícím roce zahájil
hromadnou výrobu svého kompaktního, snadno přenosného syntetizéru Robert Moog.
Jeho Minimoog měl pevně danou vnitřní strukturu, čímž byly omezeny zvukové možnosti, ale velmi se tím zjednodušilo jeho používání. Nástroj měl velký obchodní úspěch
a s výrobou malých syntetizérů určených pro koncertní použití brzy začalo mnoho dalších firem.
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 60 -
4. Analogové multifonní nástroje
Při vývoji syntetizérů se brzy objevily snahy o vytvoření nástrojů umožňujících vícehlasou hru. Nejjednodušší multifonní systémy byly dvojhlasé, nástroje mohly hrát současně
nejvyšší a nejnižší tón držený na klaviatuře vybavené vhodně zapojeným spínacím systémem.
Na přelomu 70. a 80. let bylo možné pomocí číslicových obvodů vyhodnocovat stav klaviatury, ovládat větší počet generátorů a vytvořit tak nástroje schopné vícehlasé hry.
První nástroje tohoto typu mívaly obvykle mezi čtyřmi až osmi hlasy. Příkladem jsou nástroje firmy Oberheim sestavené z modulů SEM.
Multifonní je i většina hybridních a digitálních nástrojů moderních. Počet jejich hlasů
může dosahovat i mnoha desítek.
5. Analogové polyfonní nástroje
Na přelomu 20. a 30. let se vznikaly první elektronické varhany. Ve 40. letech se staly poměrně běžným nástrojem a v letech 50. se již jejich výrobě věnovalo velké množství firem. V téže době začaly být elektronky nahrazovány tranzistory, což přispělo ke zvýšení spolehlivosti, zmenšení rozměrů a snížení ceny těchto nástrojů. Vedle varhan s tradičním hracím stolem (console organ) a varhan spinetového
provedení sdružujících v jedné skříni klaviatury, elektroniku, zesilovač i reprosoustavu, se objevily kompaktní varhany typu combo optimalizované pro snadný transport a
pódiové využití.
Varhany combo Vox Continental
Plně polyfonní syntetizéry vyžadují mít pro každou klávesu k dispozici obvody kompletního jednohlasého syntetizéru. Pro technickou náročnost a vysokou cenu se takovéto nástroje vyráběly jen ojediněle. Příkladem je Polymoog firmy Moog z poloviny 70. let.
V 70. letech byly populární polyfonní nástroje napodobující zvuky smyčců, dechů
a nemnoha dalších nástrojových skupin. K nejrozšířenějším patří elektronické smyčce
Solina.
6. Hybridní nástroje
Hybridní systémy kombinují v obvodech generování a zpracování zvukového signálu
analogové a digitální bloky. Vznikaly v 70. a 80. letech, v době, kdy nebylo možné sestrojit cenově dostupná digitální zařízení s výkonem dostatečným pro celý proces generování a zpracování zvuku. K digitalizaci došlo nejdříve u generátorů, jejichž numerická realizace je poměrně jednoduchá. Digitálně lze snadno generovat prakticky libovolné vlnové průběhy. U většiny generátorů jsou tvary vln uložené v paměti, ze které jsou cyklicky čteny a odesílány k dalšímu zpracování. V číslicové formě lze signály snadno směšovat, snadné je i řízení amplitudy pomocí jednoduchého násobení. Numerická filtrace je
výpočetně náročná. Číslicové filtry s potřebnými vlastnostmi, pracující v reálném čase,
jsou realizovatelné až na výkonných signálových procesorech.
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 61 -
Hybridní strukturu měly také mnohé z prvních cenově dostupných samplerů. V roce
1981 byl uveden na trh sampler Emulator firmy E-mu, v roce 1984 Mirage firmy Ensoniq a brzy po něm zvukový modul Akai S612. Generátory samplerů pracují obdobně
jako digitální oscilátory. Zvuky jsou v číslicové formě uložené v paměti, ze které se jejich
úseky lineárně nebo cyklicky čtou, délka zaznamenaných úseků však bývá delší.
Samplery přinesly do té doby nedosažitelnou věrnost při napodobování reálných zvuků.
Zaznamenané zvukové vzorky se brzy začaly objevovat ve většině vyráběných nástrojů.
V druhé polovině 80. let byly hybridní nástroje z trhu téměř vytlačeny levnějšími a výkonnějšími plně digitálními nástroji. Znovu se objevily v 90. letech, v období obnoveného
zájmu o „analogový zvuk“. Nové hybridní nástroje obvykle obsahují digitální zvukové generátory umožňující získat mnoho zvukových barev a analogové filtry dodávající zvuku
„analogový“ charakter.
7. Digitální nástroje
Zvyšování počtu součástek v integrovaných obvodech, jejich hromadná výroba a snižování ceny umožnilo postupnou digitalizaci všech funkčních bloků elektronických hudebních nástrojů a vedlo ke konstrukci nástrojů plně digitálních.
Na počátku 70. let představila firma Allen své plně digitální varhany. Ve druhé polovině
70. let se již objevily první digitální syntetizéry a samplery (NED Synclavier, Fairlight
CMI). Vzhledem k vysoké ceně pamětí byla cena prvních samplerů vysoká, většina digitálních syntetizérů používala proto zpočátku generátory, které měly v paměti uložené
pouze tvary vln nebo velmi krátké zvukové vzorky. Jejich cena proto mohla být výrazně
nižší, a digitální syntetizéry řízené mikroprocesory rychle ovládly trh s elektronickými
nástroji.
V 70. letech popsal skladatel John Chowning způsob, jak pomocí frekvenční modulace
několika sinusových oscilátorů vytvářet signály se složitými spektry. Na syntézu založenou na frekvenční modulaci a velice vhodnou pro digitální realizaci získal patent a licenci poskytl japonské firmě Yamaha. Ta s využitím modifikované verze syntézy vyvinula na počátku 80. let první nástroje. Plně digitální syntetizér
DX7 s přijatelnou cenou a v té
době neobvyklými zvuky se stal
nástrojem, který na mnoho let
ovlivnil zvuk populární hudby.
Yamaha DX7 II FD
V polovině 80. let byly uvedeny na trh cenově dostupné plně digitální samplery (Akai, Emu), během několika let se přehrávání zaznamenaných zvukových vzorků stalo základní
metodou generování zvuku ve většině nástrojů.
V 90. letech výkon dostupných digitálních signálových procesorů dosáhl úrovně dovolující matematické modelování akustických fyzikálních systémů v reálném čase. Prvním
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 62 -
komerčním nástrojem generujícím zvuk pomocí matematických modelů tradičních hudebních nástrojů byl syntetizér Yamaha VL1, určený především k napodobení nástrojů
dechových. V 90. letech se objevilo také mnoho nástrojů, které digitálně modelují chování úspěšných nástrojů elektromechanických a elektronických.
Podobně jako v případě hybridních nástrojů s digitálními zvukovými generátory, jsou
i nástroje označované jako polyfonní syntetizéry většinou jen multifonní, počet současně
znějících hlasů je omezen a závisí na výkonu obvodů zvukového generátoru.
Se všeobecným zavedením standardního komunikačního rozhraní MIDI v 80. letech se
u elektronických nástrojů znovu objevila modularita. Jednou klaviaturou lze řídit velké
množství vzájemně propojených nástrojů a hudebník si snadno může sestavit systém
podle vlastních požadavků.
Se vzrůstem výpočetního výkonu, zvětšováním paměťové kapacity a zavedením šestnáctibitových převodníků začalo být již na konci 80. let možné využívat pro generování, záznam, zpracování a reprodukci zvuku v reálném čase osobní počítače. Během deseti let
bylo již použití osobních počítačů ve funkci zvukových záznamových zařízení a editorů
zcela běžné a v mnoha aplikacích začaly počítače nahrazovat i elektronické hudební nástroje a efektové procesory. Objevilo se mnoho softwarových syntetizérů, které využívají
standardní hardware běžných osobních počítačů. Programy jsou mnohem levnější
a často je jejich použití výhodnější než použití tradičních elektronických nástrojů. Na počátku 21. století již softwarové nástroje prakticky vytlačily z trhu zvukové moduly.
8. Otázky a úkoly:
Podle jakých hledisek můžeme třídit elektronické hudební nástroje? Uveďte příklady.
Patří kytara mezi nástroje monofonní, multifonní nebo polyfonní? Proč?
Ve vámi vybrané hudební nahrávce se pokuste identifikovat použité nástroje a najít mezi
nimi ty elektronické.
9. Literatura
[1] Guštar, Milan. Elektrofony I. Uvnitř, 2007. ISBN 978-80-239-8446-0
[2] Syrový, Václav. Hudební akustika, AMU, 2014. ISBN: 978-80-7331-297-8
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 63 -
(17)
Tvorba jednoduché zvukové stopy s více
vrstvami – PL1
(Fajfr)
- společně si ve skupině zazpívejte píseň “Skákal pes, přes oves”
- pusťte si video s úpravou této písně od Ondřeje Rumla
(http://www.youtube.com/watch?v=87-BCkOOTRw)
- rozmyslete, jakou roli hrají jednotlivé „postavy“ v této úpravě
- určete, ke které postavě patří basový hlas, sólový hlas / základní hlas, druhý a třetí
hlas, rytmus (beatbox)
- podobně konstruujte i svou verzi písně v Cubase
- začněte rytmem, uvědomte si, v jakém je píseň rytmu a podle čeho se to v notovém zápise pozná
- vytvořte jednoduchý rytmický čtyřčtvrťový podklad
- uvědomte si, která doba je těžká (dejte na ni důraz hlasitostí nebo doplněním jiného
rytmického nástroje)
- teprve budete-li mít jednoduchý a přehledný základní rytmus, zkoušejte experimentovat
- nejen v případě rytmu bude pro vás snazší pracovat s MIDI-stopou, která umožňuje
snadnou a přehlednou úpravu (v případě rytmu např. posun živě a nepřesně zahraných) úderů na matematicky přesná místa v rytmické mřížce)
- svou práci vždy průběžně zálohujte
- nyní do rytmu vložte melodii podle not a jejich vztahu ke klávesám (viz následující obrázky)
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 64 -
- uvědomte si, jakého výrazu skladby chcete dosáhnout a záměrně k tomu zvolte i nástroj či jeho konkrétní barvu; program zpravidla nabízí více možností zvuků jednoho
nástroje
- pracujte a uvědomte si nejen barvu a výšku tónů, ale také jejich délku (čtvrťová a
půlová nota)
- dalším krokem je tvorba harmonického podkladu
- začneme basovou linkou: v další stopě nechte basový nástroj s hlubokým tónem hrát
vždy na začátku taktu noty, jejichž název naleznete nad příslušnými takty (první tři
takty C - další čtyři takty G - poslední takt opět C)
- poslechněte si svůj výtvor bez melodie (drum and bass)
- uvědomte si, že basová linka zároveň funguje jako doplnění rytmu a zkuste experimentovat s umístěním basových not v rámci svého rytmu, zkoušejte je posouvat na nečekaná (synkopická) místa
- podobně jako Ondřej Ruml se pokuste vytvořit také akordy: jedná se o harmonický
souzvuk tří tónů; měly by zaznít současně s basovou linkou (nad basovým tónem C harmonický akord C dur atp.)
- pro basovou linku i akordy platí důležité pravidlo, že by se jejich zvuk měl libozvučně
doplňovat se zvukem sólového nástroje
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 65 -
C dur
G dur
- do takto připravené písně nahrajte svůj zpěv nebo alespoň rytmicky správnou recitaci
textu
- zkuste si v programu přehrát samotný nahraný zpěv (tlačítko „solo“) a zkus tento zpěv
časově otočit, aby byl přehráván pozpátku; dojdete ke stejnému efektu, jako Ondřej
Ruml ve svém videu; proč nelze tento zpěv vložit do již připravené harmonie a rytmu?
Analyzujte, kde dochází k disonancím a k dysrytmiím
- máte-li všechny čtyři druhy stop nahrané, zkoušejte měnit jejich poměrnou hlasitost,
abyste dosáhli celkově vyváženého a příjemného zvuku; nezapomeňte, že vám program umožňuje měnit hlasitost jedné stopy i v jejím průběhu
- zpěv/hlas by měl být srozumitelný; melodie by měla vyčnívat nad harmonickým podkladem; rytmus by měl být čitelný, ale nikoli hlučný na úkor harmonie, melodie a
hlasu
- na závěr svou skladbu exportujte do běžného komprimovaného formátu (.mp3)
- pusťte si všechny verze písně se spolužáky a uvažujte společně:
- co je na které skladbě povedeného, proč se vám skladby líbí, a co by se dalo ještě dopracovat či zlepšit
- zdali se podařilo udržet skladbu zvukově celistvou a čistou, zda v ní nedochází k nesourodosti
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 66 -
(18)
Tvorba jednoduché zvukové stopy s více
vrstvami – ML1
(Fajfr)
Rizika a doporučení
- studenti se mohou stydět zpívat; na zpěvu zpravidla netrváme, ale vyžadujeme alespoň
mluvení, recitaci; cílem lekce je osvojit si i základní postupy při práci s mikrofonem
(kvalitu snímání v závislosti na vzdálenosti a úhlu)
- ne všichni studenti mají hudební sluch a znalosti hudební teorie. Nejen, že výsledky jejich práce nelze z tohoto hlediska vůbec porovnávat, ale zároveň je nutné zadat pro
práci s hudebním programem takový úkol, který bude bavit jak náročné studenty,
kteří např. sami doma komponují, tak ty, kteří se v hudebním prostředí prakticky ani
teoreticky neorientují; pro tvorbu vlastní stopy studentů byl proto zadán jednoduchý
a krátký lidový popěvek „Skákal pes“
- v případě, že máte ve skupině náročnější studenty s dobrými znalostmi hudební teorie,
komplikujte jim zadání úkolu např. takto:
- ať o počátku tvoří celou píseň jako Ondřej Ruml, totiž pozpátku
- mohou se pokusit zazpívat trojhlas vrstvením hlasových stop
- mohou vytvářet delší a složitější kompozici s opakováním sloky písně a měnícím
se obsazením nástrojů
- mohou skladbu postupně transponovat o tón výš
- vzhledem k tomu, že melodie i harmonie jsou jasně dané a lehce převoditelné do stop a
není pro ně potřeba zvláštního hudebního citu, může být základním problémem při
tvorbě pro hudebně méně citlivé studenty především cit pro rytmus; ten je ale v programu jednoznačně a přehledně vizualizován (především v případě midi-stopy) a případné disrytmie mohou být jednoduše nalezeny a upraveny
- důležitá a náročnější je volba tempa stopy. Je nutné zvolit tempo tak, aby bylo možné
použít i další plánované stopy (především předdefinované nástrojové smyčky s pevně
daným tempem)
- základním úkolem pro tvorbu nástrojových stop je volba vhodně se doplňujících barev
nástrojů; harmonické, melodické, ale i rytmické nástroje spolu mají vytvářet přehledný zvuk; v případě MIDI-stop lze užité nástroje snadno měnit; dbejte na to, aby
studenti pracovali s barvou vědomě, pokud možno plánovitě a záměrně, nikoli jen náhodně a zkusmo
- práce je časově náročná a motivace se může časem ztrácet (především u studentů, kteří
nemají k dispozici sluchátka a jsou jako třetí u jednoho počítače; u studentů, kteří se
učí mnoho věcí nových, např. včetně hudební teorie apod. – tyto studenty předem vytipujte a věnujte se podpoře jejich motivace); nebojte se zařadit přestávku
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 67 -
- je obtížné utvořit si o práci studentů předem správný časový odhad; na práci s pracovním listem č. 1 by měly stačit cca 4 vyučovací hodiny
- osvědčilo se mít v učebně více učitelů, být neustále k dispozici studentům, průběžně
kontrolovat jejich práci, obcházet je, poslouchat průběžnou tvorbu, chválit, motivovat;
u těch, kteří chtějí mít práci rychle hotovou naopak doporučovat další postup, hledat
možnosti zlepšení; zároveň je někdy těžké hledat míru učitelského zásahu do studentské práce (práce má studenty především bavit a mají mít pocit, že je dostatečně jejich
a že je proto smysluplná).
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 68 -
(19)
Tvorba jednoduché zvukové stopy ke
krátkému filmu – PL2
(Fajfr)
- prohlédněte si čtyři jednoduchá konceptuální videa Matěje Smetany a na www.matejsmetana.net se seznamte i s další jeho tvorbou; Co to znamená konceptuální umění?
- ve skupině vyberte jedno video, které je pro vás nejzajímavější a budete k němu tvořit
záměrně zvukovou stopu
- každý sám bez komunikace s ostatními popište vybrané video čtyřmi přídavnými jmény
(např. video je tajemné, vyrovnané, klidné, unavené apod.)
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 69 -
- působí video na všechny ve skupině podobně? Hledejte vlastnosti, které jsou velice podobné a které jsou naopak velice rozdílné. Při další práci s videem a hudbou se držte
především těch, ve kterých jste nalezli shodu.
- uvědomte si, že vaše výsledná hudba k vybranému videu by měla s obrazem korespondovat a to jak v celku, tak v detailu; když se budete snažit vytvořit hudbu, která bude
mít všechny vlastnosti, které jste připsali videu, mohlo by se to povést
- přemýšlejte za samotného konceptuálního umělce: Proč takové video tvořil? Čeho chtěl
dosáhnout a jaké postupy k tomu volí on?
- zamyslete se nad tím, jaké konkrétní postupy by měla obsahovat hudba, aby splňovala
vlastnosti, které jste připsali videu (např. video je „tajemné“ -> pomalejší rytmus,
žestě, píšťaly, dlouhé délky, spíše smutné než veselé, apod.)
Jaké je video?
Rytmus
Melodie
Harmonie
- video si několikrát prohlédněte v programu, který vám umožní detailně zaznamenat
přesný čas (v setinách sekundy) podstatných událostí ve videu (začátky a konce pohybu, změny obrazu, děje); události velice pečlivě zaneste do časové osy
začátek
0:00:00
celková
doba
- nyní tvořte hudbu tak jako v předešlé lekci:
RYTMUS → HARMONIE → MELODIE → ZPĚV/ZVUKY
- všechny složky hudby volte tak, aby odpovídaly:
(a) vašemu celkovému popisu videa (tabulka)
(b) jednotlivým událostem ve videu (časová osa)
- uvědomte si, že všechny složky nejsou vždy nutně přítomné (např. lze si představit
hudbu bez melodie jen jako rytmický a harmonický doprovod; hudbu bez zpěvu či
zvuků apod.)
- nebojte se experimentovat, ale vždy ve směru původního záměru; výsledek by neměl být
dílem čisté náhody, ale vaší promyšlené snahy
- vytvářenou hudbu průběžně zálohujte, exportujte a vkládejte do videa (např. v jednoduchém freeware programu VideoPad); ověřujte, že si vzájemně odpovídají události
v hudbě i v obraze (např. úder bubnu je přesně v momentě, kdy dopadne kapka do
vody)
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 70 -
- na závěr si opět pusťte všechny vytvořené klipy se spolužáky a uvažujte společně:
- co je na které hudbě povedeného, proč se vám líbí, a co by se dalo ještě dopracovat či
zlepšit; zdali se podařilo udržet obraz a zvuk v celistvosti a čistotě, zda nedochází
mezi nimi k nesourodostem; zda atmosféra hudby odpovídá atmosféře obrazu
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 71 -
(20)
Tvorba jednoduché zvukové stopy ke
krátkému filmu – UL2
(Fajfr)
1. Rizika a doporučení
-
-
-
-
-
-
samotný program Cubase neumožňuje synchronizaci zvuku a obrazu; práce se
synchronizací vyžaduje elementární znalost dalšího softwaru (v tomto případě
VideoPad)
práce je o poznání časově a motivačně náročnější než práce v předchozí lekci;
nejtěžší částí je zřetelně práce s časovou osou a detailní synchronizace
jednotlivých zvuků (při práci v Cubase musí mít studenti zapnutý měřič času
v setinách sekund)
pro zjednodušení a zkrácení práce lze vytvářet hudbu i jen k části videa (kratší
délka) nebo pro úplné začátečníky dokonce jen ke konkrétnímu obrázku (práce
s časovou osou odpadá zcela)
zjednodušit a zrychlit práci pro studenty začátečníky mohou také rozsáhlejší
práce s předdefinovanými zvukovými smyčkami
přes veškerou náročnost (nebo právě u těch, kteří si práci zjednodušují
využíváním předdefinovaných smyček) dbejte na to, aby studenti s programem
pracovali vědomě a náhodu využívali co možná nejméně
je obtížné utvořit si o práci studentů předem správný časový odhad; na práci
s pracovním listem č. 2 by mělo stačit cca 6 vyučovacích hodin; při
zjednodušování práce lze vytvořit celistvý zvuk k dvouminutovému obrazu za cca
4 vyučovací hodiny
jestliže studenti nestihnou hudbu ze svého pohledu dokončit v časovém limitu,
mohou propadat pocitu marnosti; dokažte jim, že hodina byla smysluplná, i když
z ní nevyšel závěrečný tvar: vyzdvihněte, co nového se naučili, prvky, které se již
nyní zřetelně povedly apod.
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 72 -
(21)
Ideová tvorba video-klipu – PL
(Fajfr)
1. Úvodní inspirace
- každý sám zavzpomínejte na tři video-klipy, které vám utkvěly v paměti; zapište
jména písní a interpretů, jichž se videoklip týká
- do druhého sloupce zkuste popsat, proč si myslíte, že na vás klip zapůsobil tak, že jste
si ho zapamatovali
1. _________________________________
________________________________
2. _________________________________
________________________________
3. _________________________________
________________________________
Filmový jazyk
- prohlédněte si opakovaně (alespoň třikrát) libovolný video-klip oceněný prestižními
cenami Grammy v posledních letech (seznam např. na anglické wikipedii)
- Rihanna: We Found Love
Justin Timberlake: Suit and Tie
(Grammy 2013)
(Grammy 2014)
- pro zvýšení účinku samotné vizuality můžete zkusit na chvíli vypnout zvuk a soustředit se pouze na tzv. filmový jazyk videoklipu (tzn., jak je videoklip záměrně filmaři vytvořen?); společně se soustřeďte na jednotlivé otázky a diskutujte o nich. Každý si určitě všimne něčeho zajímavého.
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 73 -
Jakým způsobem vizuální klip reaguje na (vždy dříve vytvořenou!) akustickou složku
hudby?
Jak je videoklip konstruován dramaturgicky: jedná se o jasně čitelný příběh s pointou na
závěr? Podkresluje videoklip náladu celé písně bez ambice vyprávět příběh? Některé videoklipy také mohou vytvářet náznaky příběhů, které nemají pointu, ale divák má pocit,
že se dívá na fragment filmu. Některé videoklipy se soustředí výhradně na interpreta (na
pódiu, ve studiu, v běžném soukromém životě apod.).
Jak často dochází ke střihu? V jakém momentu se obraz mění a jak plynule navazuje
hned další obraz (okamžitě, pomalý přechod, přechod jednotlivých záběrů s nějakým
efektem apod.)? Jak dlouhé jsou jednotlivé záběry? Podporuje střih rytmus hudby?
Jak moc přiblížené jsou jednotlivé záběry v klipu a jak se po sobě střídají? Je vidět detail
věci, skoro celá věc/osoba (polocelek) nebo jde o záběry na celou scénu/osobu (celek)?
Pohybuje se kamera? Přibližuje se nebo se oddaluje během jednoho záběru? Třese se, jakoby ji někdo držel v ruce? Otáčí se kamera? Po jakých osách?
Je v klipu změněný čas? Jsou některé záběry zrychlené nebo zpomalené?
Je změněná barevnost klipu (např. černobílé nebo sepia záběry v retro hnědé)? Jakým
způsobem je řešeno osvětlení na scéně před kamerou? Odkud míří světla a jak dotvářejí
atmosféru klipu?
Využívá klip nějakých digitálních triků (typicky např. více obrazů přes sebe, zvláštní
rozostření obrazu apod.)? Je videoklip zpracován nějakou výtvarnou technikou (např.
animace vystřižených obrázků, rozpohybovaná kresba stop-motion apod.)
Základní myšlenka - vztah hudby a obrazu
- poslechněte si několikrát hudbu, ke které budete video-klip vytvářet a zapisujte si libovolné poznámky, které vás napadnou a které by odpovídaly na otázku, co si vizuálně představujete, když hudbu slyšíte
- porovnejte své poznámky a společně zvolte určitý směr, téma, celkové vyznění klipu;
není třeba se hned teď shodnout na všech detailech, to není v dané fázi tvorby klipu
možné!
- vraťte se také k tomu, co jste si poznamenali hned na začátku v úvodní inspiraci o klipech, které se vám osobně líbily nebo které jste si zapamatovali!
=> váš obecný závěr může vypadat asi takto: „půjde o klip s vtipným příběhem, o kterém
se zpívá přímo v písničce. Budou se tam ovšem prolínat záběry na interprety ve studiu“.
- nyní se vraťte k otázkám z předchozí stránky a zodpovězte si postupně na otázky
z předchozí tabulky vzhledem ke svému vlastnímu klipu. Pomoci by vám v tom mohl
storyboard:
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 74 -
4. Storyboard
- storyboard vypadá jako komiks, ale není to tak úplně komiks! Jedná se o plán jednotlivých záběrů. Obsahuje jednoduchý náčrt toho:
A) co se bude před kamerou dít
- co dělají herci, jak se tváří, co mají na sobě
- v jakém se nacházíme prostředí
- jaké jsou k záběru potřeba rekvizity
B) co bude dělat samotná kamera (směr a umístění kamery; detail, polocelek, celek; pohyb kamery, zoom)
C) co divák uslyší (musíme si ujasnit délku záběrů, tj. kde se budeme nacházet v již
natočené písni)
- zkuste zadat do internetového vyhledavače slovo storyboard a nechte se inspirovat
nalezenými obrázky!
- nezapomeňte, že jedno políčko storyboardu znamená jeden záběr (tj. zapnutí a vypnutí
nahrávání obrazu)
- pokud se chcete v práci se storyboardem nejdříve procvičit, zkuste přepsat do vizuálního jazyka nějakou svou oblíbenou reklamu (je krátká jen několik desítek vteřin, zároveň tam bude dostatečný počet různorodých záběrů); toto cvičení vám zároveň pomůže soustředit se skutečně na většinu prvků filmového jazyka, o kterých jsme přemýšleli na předchozí stránce. Zjistíte, že si video musíte přehrávat mnohokrát, abyste
zaznamenali skutečně všechno, protože filmový jazyk je velice komplexní!
- nemusíte být dokonalí kreslíři, důležité je, aby každý ve skupině měl představu o posloupnosti záběrů.
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 75 -
_____________________
_____________________
_____________________
_____________________
_____________________
_____________________
_____________________
_____________________
_____________________
_____________________
_____________________
_____________________
_______________________
_______________________
_______________________
_______________________
_______________________
_______________________
_____________________
_____________________
_____________________
_____________________
_____________________
_____________________
_____________________
_____________________
_____________________
_____________________
_____________________
_____________________
_______________________
_______________________
_______________________
_______________________
_______________________
_______________________
_____________________
_____________________
_____________________
_____________________
_____________________
_____________________
_____________________
_____________________
_____________________
_____________________
_____________________
_____________________
_______________________
_______________________
_______________________
_______________________
_______________________
_______________________
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 76 -
(22)
Ideová tvorba video-klipu – UL
(Fajfr)
Rizika a doporučení
- představte studentům své oblíbené video-klipy a vysvětlete, proč jsou právě pro vás
tak zajímavé
- můžete si připravit inspirativní průřez tvorbou nějakého slavného tvůrce video-klipů
(např. Michel Gondry)
- se staršími studenty můžete v úvodu diskutovat o síle vizuality a přesvědčovací schopnosti obrazů
- bude zřejmě potřeba opět výrazně pracovat s motivací. Tvorba klipu je komplexní a
dlouhotrvající záležitost.
- studenty může rozhodně motivovat, pokud budou mít představu, co se s klipem bude
dít dál (soutěže amatérských či školních filmařů, školní akademie, umístění videoklipu na internet, pokud obsahuje původní hudbu apod.)
- studenty může odrazovat „kreslení“ storyboardu (protože jim pravděpodobně někdo
v dětství vštípil představu, že „kreslit se musí umět“); pokuste se jejich obavy rozptýlit tím, že storyboard musí být hlavně vzájemným ujasněním představ a že výsledkem
práce bude klip, nikoli storyboard
- práce je výrazně náročná na skupinovou spolupráci. Pravděpodobně se protáhne při
vzrůstajícím počtu lidí. Připravte se na řešení vzájemných sporů. Dbejte na to, aby
především zpočátku každý získal pokud možno stejnou představu o obecném směřování skupinového snažení. Na postupných detailech během dalšího vymýšlení klipu se
už všichni shodnout nemusí a můžete o nich třeba hlasovat (nebo na nich bude pracovat už jen část skupiny, viz níže)
- v některých skupinách by bylo dobré rozdělit studenty na dvojice či trojice.
- konfliktům by se dalo předejít, kdyby se ve větší skupině rozdělily role (ideálně ale až
v momentě, kdy jsou všichni srozuměni se základním obecným směřováním klipu);
role mohou být následující a může je zastávat také více lidí:
- scénáristé: v našem případě vymýšlí detailní storyboard
- produkční: v našem případě shání rekvizity, hledají lokace, vybírají herce
- režiséři: realizuje klip podle připraveného storyboardu přímo v lokacích s herci
- kameramani: umějí pracovat s kamerou, vědí, co se od nich očekává, natočené zálohují
- postproducenti, střihači: pracují s klipem po natočení záběrů, řadí a mění záběry tak,
aby odpovídaly storyboardu a zvuku připravené hudby.
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 77 -
(23)
CUBASE
(Šimánková)
1. Základní pojmy
1.1 Audio track
Základní stopou, kterou lze do Cubase přidat je audio stopa. Ta se dále dělí na mono a
stereo audio stopy. Obecně se jedná o stopu, kdy je zvuk nahráván z externího nástroje,
nejčastěji zapojeného do mikrofonového nebo audio vstupu počítače.
1.2 MIDI
S pojmem MIDI se při práci s Cubase setkáváme velmi často, proto rozhodně do výběru
základních pojmů patří. MIDI je mezinárodní standard používaný v hudebním průmyslu
používaný jako vysokorychlostní komunikační rozhraní mezi nástroji a počítači v reálném čase.
1.3 MIDI track
MIDI stopa (track) může být do programu nahrána přes připojený nástroj podporující MIDI (většinou přes rozhraní USB). Většinou to jsou elektrické klávesy, někdy se
ale setkáme i s MIDI kytarou. Druhým způsobem, jak MIDI stopu nahrát, je manuální vepsání všech not do stopy. Tento postup je časově náročnější, ale umožňuje nahrát zvuky i lidem, kteří neumějí hrát na nástroje podporující MIDI.
1.4 Instrument track
Doslovný překlad zní „nástrojová stopa“. Postup při jejím nahrávání je stejný jako u
MIDI stopy.
1.5 Loop track
Loop je stopa používaná pro vložení konstantního doprovodu během skladby, tedy
doprovod, který se neustále opakuje. V programu Cubase je na výběr nepřeberné
množství rytmů a doprovodů, které se dají použít.
2. Jak s Cubase začít
Po spuštění programu se objeví startovní stránka Cubase. Na ní je možno zvolit několik
různých variant.
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 78 -
Začneme výběrem karty [More] a následně volbou [empty], potvrdíme kliknutím na
[Continue].
Audio track
3.1 Přidání audio stopy
1. Audio stopu přidáme následující cestou: [Project] → [Add track] → [Audio…]
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 79 -
Pozn.: Audio stopu lze také přidat pomocí stisku pravého tlačítka myši na levou lištu
programu a výběrem [Add audio track…].
V okně, které se objeví, si vyberte své preference.
2. Zvolte Add track a stopa je přidána do vašeho projektu Cubase.
3.2 Nahrávání audio stopy
Posuňte posuvník na požadované místo a stiskněte tlačítko Record na virtuální klávesnici.
Pozn.: Nahrávání je také možno spustit stiskem [NumPad]*. Pokud nemáte na obrazovce
virtuální klávesnici, přidejte ji stiskem Alt+K.
1. Začněte hrát na vámi připojené zařízení, vaše hra se bude zaznamenávat do projektu.
Pokud se vám nebude nahraný snímek zamlouvat, smažte jej (klikněte na stopu a stiskněte Delete) a celý postup opakujte.
Pozn.: Všechny nahrané stopy, včetně smazaných, jsou uchovávány v projektové složce,
která byla zvolena při vytváření projektu jako [Project folder]. (Automaticky je touto složkou C:/Users/uživatel/Documents/Cubase LE AI Elements Projects.) Při nahrávání nové
verze přes starou se stará verze automaticky přemazává v reálném čase.
4. Instrument track
4.1.1 Přidání instrumentální stopy
1. Instrumentální stopu přidáme následující cestou: [Project] → [Add track] → [Instrument track…]
Pozn.: Instrumentální stopu lze také přidat pomocí stisku pravého tlačítka myši na levou
lištu programu a výběrem [Add instrument track…].
2. Okno, které se objeví, nabízí velké množství výběrů, které lze zvolit. Pro začátek doporučujeme zvolit možnost Halion Sonic SE.
3. Zvolte Add track a stopa je přidána do vašeho projektu Cubase.
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 80 -
4.1.2 Nastavení instrumentální stopy
1. Zvolte MIDI nástroj, kterým se bude tato stopa ovládat.
2. Zvolte VST nástroj. Doporučujeme
zvolit Halion Sonic SE.
3. V nastavení VST nástroje zvolte
vámi požadované nastavení, např.
klasický klavír.
4. Zvuk můžete poté upravovat podle svých představ pomocí možností na záložce
[Edit] VST nástroje nebo přidáním různých efektů na záložce [Effects].
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 81 -
5. Po nastavení zvuku je možno editor VST zavřít.
4.2 Nahrávání instrumentální stopy
1. Posuňte posuvník na požadované místo a stiskněte tlačítko Record na virtuální klávesnici.
Pozn.: Nahrávání je také možno spustit stiskem [NumPad]*. Pokud nemáte na obrazovce
virtuální klávesnici, přidejte ji stiskem Alt+K.
2. Začněte hrát na vámi zvolené MIDI zařízení. Vaše hra se bude zaznamenávat do projektu.
3. Pokud se vám nebude nahraný snímek zamlouvat, smažte jej (klikněte na stopu a stiskněte Delete) a celý postup opakujte.
Pozn.: MIDI stopy je možno nahrávat „do sebe“, tzn., že při nahrávání další verze přes starou se budou nahrávky překrývat a hrát ve stejnou dobu. Pokud chcete nahrát novou
nahrávku, je potřeba starou smazat.
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 82 -
5. Možnosti nahrávání
Před a při nahrávání je možno zvolit několik variant různých služeb, které Cubase nabízí.
Především se jedná o měřítko skladby, tempo a předznamenání. Dále se jedná o vlastnosti projektu. Ty budou rozebrány podrobněji až v části návodu pro pokročilejší uživatele.
5.1 Měřítko
V projektu, který nahráváte, si můžete nastavit různé měřítko, ve kterém bude skladba
měřena. Toto můžete změnit kliknutím pravého tlačítka myši na horní lištu projektu.
Možnosti jsou: Bars+Beats (měřítko podle taktů a dob), Seconds (časové měřítko), Timecode a Samples.
5.2 Tempo
V projektu je možno nastavit tempo, ve kterém je nahrávaná skladba hrána. Tempo můžeme nastavit buď v režimu „Fixed“, nebo v režimu „Track“. Přepínání tempa mezi
oběma režimy provedeme kliknutím na příslušné tlačítko na virtuální klávesnici.
Pozn.: Pokud nemáte na obrazovce virtuální klávesnici, přidejte ji stiskem Alt+K.
5.2.1 Fixed tempo
Fixed tempo zvolíme tehdy, kdy jsme si jisti, že se v průběhu skladby nebude její tempo
měnit. Tempo skladby potom nastavíme na virtuální klávesnici dvojklikem na číslo pod
režimem tempa a následně přepsáním na tempo námi požadované.
Pozn.: Pokud nemáte na obrazovce virtuální klávesnici, přidejte ji stiskem Alt+K.
5.2.2 Track tempo
Track tempo použijeme tehdy, když předpokládáme nebo víme, že se tempo skladby
v jejím průběhu bude měnit. Práce s tímto tempem je obtížnější, ale nabízí mnohem větší
variabilitu v nahrávání. Track tempo upravíme v tzv. Tempo track, který zobrazíme stiskem Ctrl+T.
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 83 -
Zde už jde pouze o přesouvání nakreslené tempové linie nahoru nebo dolů v určitém
místě, kde chceme skladbu zpomalit, nebo zrychlit. Práce s track tempem je více rozebrána v návodu pro pokročilejší uživatele.
5.2.3 Metronom
Důležitým pomocníkem v nahrávání je metronom. Jeho zvukovou odezvu je možno si zapnout na virtuální klávesnici.
Pozn.: Pokud nemáte na obrazovce virtuální klávesnici, přidejte ji stiskem Alt+K.
5.3 Předznamenání
Každý hudebník ví, že každá skladba má své taktové předznamenání. V Cubase je možno
toto předznamenání nastavit a tím si usnadnit postup nahrávání. Předznamenání je
možno změnit přepsáním základní hodnoty (4/4) na virtuální klávesnici.
Pozn.: Pokud nemáte na obrazovce virtuální klávesnici, přidejte ji stiskem Alt+K.
Taktové předznamenání je možno měnit každý takt, hudebním nápadům se tedy meze
nekladou.
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 84 -
(24)
Úvod do natáčení nástrojů ve studiu
(Brom)
1. Úvod. První zvukové záznamy
První záznamy zvuků se datují do konce
19. století. V roce 2008 objevili američtí
badatelé papírový válec s mechanickým
přepisem akustických vibrací, ze kterých
se k překvapení odborníků vyklubal historicky první záznam lidského hlasu! Až do
té doby měli všichni za to, že prvenství v
této oblasti patří Edisonovi. Pařížský typograf, knihovník a vynálezce Édouard-Léon
Scott de Martinville, však svůj zápis (začerněný dýmem a fixovaný v šelakovém
roztoku) pořídil už 9. dubna 1860, tedy
skoro tři desetiletí před Edisonem. Přístroj, který k tomu použil, se nazýval fonoautograf a připomínal hlásnou troubu.
Fonoautograf
Proces natáčení
Vznik zvukové nahrávky má tři základní části: Točení, Míchání, Mastering
Točení: Při natáčení musíme natočit všechny potřebné nástroje či zpěvy, které v nahrávce chceme mít. Můžeme to natočit najednou, dohromady do dvou stop, nebo do více
stop. Můžeme ale točit i postupně. Nynější digitální nahrávací zařízení dovolují v podstatě natočit neomezené množství stop.
Zvuk vedeme přes mikrofony do předzesilovačů, pak přes různé zvukové procesory
(ekvalizéry, kompresory apod.) do záznamového zařízení. To může být buď analogový
magnetofon, nebo dnes již více používaný počítač.
Míchání: Pokud máme vše natočeno, přichází tzv. míchání. Máme danou hudební
skladbu, a chceme, aby se posluchačům líbila. Musíme tedy opět použít zvukové procesory, panorama sterea, hlasitost jednotlivých nástrojů, či zpěvů. Použijeme různé zvukové efekty a dozvuky k dosažení atmosféry. Výsledkem je stereo nahrávka dané písně
nebo skladby.
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 85 -
Mastering: Při masteringu projde smíchaná nahrávka dalšími zvukovými procesory.
Důležitý je ekvalizér a pak se používá vícepásmový kompresor. Tím dosáhneme, že nahrávka je hlasitější a „nadupanější“, tedy jasnější a čitelnější.
Po masteringu může jít nahrávka přímo na zvukový nosič, nebo do médií.
3. Mikrofony. Vznik a typy mikrofonů
Počátky vzniku mikrofónů leží ve stejném období jako velké množství dalších převratných vynálezů - v 19. století. A stejně jako u jiných zařízení i vlastní prvenství vynálezu
mikrofonu je zahaleno dohady a nejasnostmi. První pokusy o výrobu mikrofonu jsou jednoznačně spojeny s přenosem hlasu a postupným vznikem „mluvícího telegrafu“ - telefonu. Jen stručně:
* Německý fyzik Johann Philipp Reis navrhl membránu s přiloženou kovovou páskou,
která propojovala elektrický obvod;
* Americký vynálezce a zakladatel budoucí Western Electric Company, Elisha Gray doplnil k membráně kovovou tyčinku ponořenou do kyselého roztoku. Ta při kmitech membrány měnila svou hloubku ponoření, a tím i elektrický odpor, a tak regulovala procházející proud.
* Alexander Graham Bell použil v roce 1876 podobný princip ve svém prvním modelu telefonického systému. Následoval dlouhý patentový spor mezi Bellem a Grayem, kde zvítězil A. G. Bell, jenž měl svůj patent doručit o několik hodin (!) dříve než Elisha Gray.
* Ital Antonio Meucci konal pokusy s elektroléčbou, kde téměř nedopatřením nepřímo
objevil elektromagnetickou indukci. Zdá se, že předběhl ostatní až o desítky let a jen vlivem nešťastných událostí nemohl své objevy patentovat. Kongres Spojených států, u příležitosti výročí dvoustých narozenin v roce 2002, Antonia Meuccia uznal vynálezcem telefonu před Grahamem Bellem.
* Emile Berliner, vylepšil Bellův vynález do podoby, která se poté používala jako mikrofon v prvních telefonech. Nebyl však sám, z mnoha ostatních byl asi nejúspěšnějším David Edward Hughes, který v roce 1878 navrhl zcela nový typ uhlíkového mikrofonu.
Hlavní částí uhlíkového (carbon) mikrofonu byl
uzavřený prostor s membránou, plný uhlíkových zrnek. Akustický signál pohybující membránou stlačoval zrnka, čímž měnil jejich odpor a tím procházející proud mezi napájecí a
výstupní elektrodou. Ačkoliv na dnešní standardy byl výkon takového mikrofonu velmi
špatný, zkreslený a s vysokým obsahem šumu,
v době svého vzniku se jednalo o významný
krok kupředu, který umožnil praktickou použitelnost telefonu pro srozumitelný přenos artikulované řeči. Hugheovu práci zdokonalil
Thomas Alva Edison, který použil jemnější zrnka a umístil je do robustní konstrukce mezi
dvě kovové destičky.
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 86 -
Vznikla tak po desetiletí používaná konstrukce uhlíkového „button“ mikrofonu (elektrický odpor stlačovaných zrnek je nepřímo úměrný tlaku). Další výhodou uhlíkové konstrukce je její současné využití jako zesilovacího prvku - první polovodičový zesilovací
prvek byl vynalezen až v roce 1956. V kamenných dobách zvukové techniky tak mikrofonem přímo procházel výkonový signál, a tedy poměrně vysoký proud. Mikrofony se tím
mimo jiné podstatně zahřívaly.
Hlavní nevýhodou Hughesovy a později Edisonovy konstrukce byla (kromě již zmíněné z
dnešního pohledu nevalné kvality) velká citlivost na otřesy. Mikrofony používané později ve studiích apod. byly tehdy umístěny v poměrně těžkých pouzdrech a pružinami
upevněny do pevných stacionárních rámů.
Nedlouho po rozšíření uhlíkového mikrofonu se začaly
(jako ostatně u všech technických novinek) objevovat
nejrůznější vylepšení. Tento proces byl ještě podpořen
na začátku dvacátých let minulého století rozvojem
rozhlasového vysílání a technologií elektrického záznamu zvuku, kdy velká nahrávací studia začala využívat první elektrické mixážní pulty a výrazně tím zlepšila kvalitu produkovaných gramodesek.
Mezi prvními komerčně dostupnými modely mikrofonů, používaných zpočátku takřka
výhradně v telefonních přístrojích, byl Blakeův vysílač (vyráběný Western Electric)
v Bellově telefonu z roku 1882. Celý přístroj měřil na výšku téměř jeden metr - kvůli rozměrům jednotlivých komponent. Černý telefonní vysílač Solid Black společnosti Western
Electric byl patentován v roce 1892 a byl v obměnách používán po následujících několik
desetiletí. Další významné modely mikrofonů Western Electric číslo 229 z roku 1895 či
323 z roku 1917 měly lepší citlivost a nižší zkreslení. Všechny mikrofony této konstrukce však trpěly vnitřní rezonancí obvykle v oblasti kolem 1 kHz, která způsobovala
zvuk jako z megafonu. To však nebylo v případě telefonování nutně nežádoucí, neboť
tento jev mohl v mnohých případech zlepšit srozumitelnost mluvené řeči. Pro potřeby
přenosu či záznamu hudby však kvalita stále nebyla dostatečná.
Zajímavostí související s počátky přenosu
hlasu jsou mikrofonové náustky. Ty byly obvykle kovové či plastové (vyráběné často
z tehdy rozšířeného druhu vulkanitu, podobně jako gramofonové desky). Během let
se však objevilo mnoho druhů a typů náustků měnitelných, či dokonce jednorázových. To bylo způsobeno hygienickými požadavky na jejich čistotu z důvodu přenosu
bakterií tuberkulózy. Proto byla tato „mluvítka“ pravidelně desinfikována, vyvařována
či zakryta různými jednorázovými rouškami.
Jeden z nejlepších mikrofonů z počátků rozhlasového vysílání byl vyroben v Německu
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 87 -
firmou Reisz, respektive jejím tehdejším zaměstnancem Georgem Neumannem, který se
později osamostatnil a začal vyrábět mikrofony pod svým vlastním jménem. Dodnes
existující společnost Georg Neumann GmbH, založená v roce 1928 v Berlíně, je předním
světovým výrobcem špičkových studiových mikrofonů.
Během dvacátých let však uhlíkovým mikrofonům začal docházet dech a omezení této
konstrukce přestalo být dostačující pro využití
jinde než v telefonii. Vysoký šum, úroveň zkreslení a v neposlední řadě také problémy s „přesýpáním“ zrnek v pouzdře způsobující nestabilní a
nekonzistentní vlastnosti odstartovaly rozsáhlý
výzkum alternativních řešení.
Jedna z větví výzkumu byla založena na poznatcích bratrů Curieových (Jacques a Pierre Curie)
z konce 19. století. Konstruktéři se snažili využít
vlastností piezoelektrických materiálů postavených na krystalech křemene či Seignettovy soli.
Na rozdíl od dnes využívaných piezoelektrických snímačů však byla kvalita tehdejších
mikrofonů velmi špatná a mikrofony proto nebyly pro hudbu prakticky použitelné.
Další nalezená cesta ke snímání zvuku využívala proměnné kapacity kondenzátoru, jehož jedna elektroda byla tvořena pružnou kmitající membránou. Změnou vzdálenosti
mezi plochami kondenzátoru se tak měnila jeho vnitřní kapacita, která byla následně
převáděna aktivním elektrickým obvodem na napětí. První kondenzátorový mikrofon
byl sestaven roku 1917 v Bellově laboratoři v USA jako laboratorní měřicí pomůcka.
Praktického využití se tato technologie dočkala až v průběhu dvacátých let, ale první
skutečně masově vyráběný a rozšířený kapacitní mikrofon byl vyroben již zmíněným
Georgem Neumannem v roce 1928. Model CMV 3 svými kvalitami zdaleka převýšil
všechny doposud vyráběné uhlíkové mikrofony a na dlouhá desetiletí se stal standardem pro nahrávací studia.
Typy mikrofonů:
Mikrofony jako prvek sloužící ke snímání primárního akustického signálu rozhodují
svými vlastnostmi o kvalitě přenášeného či zaznamenávaného akustického signálu. Mikrofon jako elektroakustický převodník přeměňuje akustickou energii, která na něj dopadá, na energii elektrickou.
UHLÍKOVÝ MIKROFON
Uhlíkový mikrofon vynalezl Edison. Objevil, že uhlíková zrnka, stlačená mezi kovové
desky, mají elektrický odpor nepřímo úměrný tlaku. Pokud na jednu z desek dopadá
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 88 -
zvukové vlnění, mění se patřičně i proud protékající zrnky mezi deskami. Kvalita přeneseného zvuku je dostačující pro hovor a hlavně takový mikrofon funguje jako elektromechanický zesilovač
(energie proudových změn může být podstatně větší, než byla energie dopadajících zvukových vln).
Uhlíkový mikrofon byl zřejmě první prakticky použitelný mikrofon. Mezi dvěma elektrodami, z nichž jedna je pevná a druhá pohyblivá (spojená s membránou), je umístěn uhlový prach, jehož odpor se mění se změnou tlaku. Jde tedy o měnič výchylkový. Konstrukce podle obrázku a) je běžná u mikrofonů používaných v telefonii, uspořádání
podle b) bylo běžné u Reissova mikrofonu, používaného v začátcích rozhlasu.
Tento typ mikrofonů je ještě stále rozšířen v telefonii. Kónická membrána zhotovená z
hliníkové fólie je ve svém středu opatřena pozlacenou elektrodou, která zasahuje do prachové komůrky. Mikrofon se dodnes vyrábí v podobě těchto mikrofonních vložek pro telefonní přístroje. Má poměrně omezený kmitočtový rozsah (200 Hz – 3 400Hz). Jeho výroba je však velmi jednoduchá a levná.
Nevýhoda tohoto mikrofonu, kromě omezeného kmitočtového rozsahu, je vysoká náchylnost na otřesy, kdy přesýpání uhlíkových zrnek vyvolává značný hluk. Proto některé
typy byly velmi robusní, hmotné a usazené na pružinách.
ELEKTRODYNAMICKÝ (DYNAMICKÝ) MIKROFON CÍVKOVÝ
Principem je cívka pohybující se v magnetickém poli permanentního magnetu. Cívka je
spojena s membránou, která ji mechanicky rozkmitává. Magnetický obvod je řešen podobně jako u reproduktorů. Cívka se u levných mikrofonů vine na papírovou kostru, u
jakostních mikrofonů bývá cívka samonosná, a to vinutá buď z měděného, anebo hliníkového drátu, popř. fólie vinuté na výšku. Také se používají eloxované hliníkové fólie vinuté naplocho.
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 89 -
V magnetovém systému se volí
velmi malá vzduchová mezera.
Cívka je přitmelena k membráně z
dostatečně tuhého materiálu, na
kterém nesmějí vznikat parazitní
nežádoucí druhy kmitů. Přitom
ovšem vzhledem k citlivosti a hornímu meznímu kmitočtu musí mít
celý kmitací systém minimální
hmotnost.
Pokud má mít takový elektrodynamický měnič požadované vyhovující vlastnosti, je výrobně velmi složitý. Musí být velmi přesně dodržena tuhost, hmotnost a poddajnost
membrány.
Aby se zmenšila citlivost tohoto druhu mikrofonu na cizí magnetická
pole, opatřuje se u některých výrobků celý systém pomocným vinutím
upraveným na vnější straně magnetického obvodu. Vinutí je zapojeno
s kmitací cívkou do série s takovou polaritou, aby se napětí indukované v obou cívkách navzájem rušila.
Mikrofon v tomto provedení má omezený kmitočtový rozsah a směrová charakteristika je v oblasti nízkých kmitočtů kulová. Pro kmitočty, při kterých nastává deformace akustického pole tělesem mikrofonu (délka vlny
srovnatelná s rozměrem mikrofonu), přechází charakteristika na směrovou.
Pro rozšíření kmitočtové charakteristiky a pro její změnu na směrovou se používají
různé pomocné akustické obvody:
ELEKTRODYNAMICKÝ MIKROFON PÁSKOVÝ
Je to nejjednodušší typ elektrodynamického mikrofonu, u něhož elektromechanický měnič tvoří zvlněný hliníkový pásek umístěný v magnetickém poli. Předností tohoto druhu
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 90 -
měniče je jeho jednoduchost z hlediska montážního i výrobního a vynikající vlastnosti
z hlediska elektrického.
Vzhledem k tomu, že impedance pásku je
velmi malá (0,2 Ω až 0,3 Ω), je v tělese mikrofonu zabudován přizpůsobovací transformátor.
V základním provedení se jedná o měnič
rychlostní s osmičkovou snímací charakteristikou. Pro úpravu kmitočtové charakteristiky se zadní strana systému uzavře
dlouhým utlumeným zvukovodem (labyrintem) – tlakový mikrofon s kulovou charakteristikou, nebo se uzavře zvukovodem část
zadní strany – mikrofon s kardioidní charakteristikou, případně se zvukovod opatří otevíratelnou clonou – mikrofon s proměnlivou snímací charakteristikou.
ELEKTROSTATICKÝ KONDENZÁTOROVÝ MIKROFON
Signál z mikrofonu je zesílen předzesilovačem s vysokým vstupním odporem, který je
většinou součástí korpusu mikrofonu. Zvláštní skupinou v předzesilovačích tvoří vysokofrekvenční RF (radio frequency) předzesilovače, kdy místo stejnosměrného polarizačního napětí je použit vysokofrekvenční oscilátor.
Kondenzátorový mikrofon pro svou funkci potřebuje poměrně vysoké polarizační napětí. V praxi je to většinou externí napaječ, který toto napětí poskytne a také zajistí napájení mikrofonního předzesilovače.
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 91 -
Moderní kondenzátorové mikrofony jsou většinou napájeny fantomovým způsobem. Potřebné polarizační napětí je pak realizováno
interním měničem.
Tlakové mikrofony s elektrostatickým měničem se vyznačují plynulou kmitočtovou charakteristikou bez prudkých zlomů a náhodného zvlnění. Pokud je mikrofon tohoto
druhu pečlivě zhotoven, vyniká stabilitou,
takže ho lze použít i pro měřící účely.
ELEKTRETOVÝ MIKROFON
Elektretový mikrofon je typ kondenzátorového mikrofonu, kdy polarizace není realizována externím polarizačním napětím, ale je tvořena elektretem - nevodivou hmotou
která zůstává permanentně elektricky nabitá; z ní je vyrobena membrána. Přímo v mikrofonní kapsli je umístěn předzesilovač FET s vysokým vstupním odporem, který vyžaduje napájení řádově voltů.
Nevýhodou elektretového mikrofonu je
velká hmotnost membrány nesoucí
elektretový náboj. Proto byl vyvinut
tzv. back-elektretový typ mikrofonu,
kdy elektretová vrstva je součástí
pevné elektrody.
Tento typ mikrofonů se již kvalitou přibližuje kondenzátorovým mikrofonům
při nízkých výrobních nákladech.
Vlastnosti mikrofonů
Směrové charakteristiky
V závislosti na velikosti a konstrukci pouzdra mikrofonu může tento přijímat zvuk z různých směrů v různé intenzitě. Konstruktéři mikrofony záměrně navrhují s různými charakteristikami v závislosti na předpokládaném použití. Směrová charakteristika je frekvenčně závislá – projevuje se zpravidla u vysokých tónů, zatímco hluboké zůstávají nepoznamenány.
Všesměrová neboli omnidirekcionální neboli kulová charakteristika je taková, při
které mikrofon přijímá zvuk stejně kvalitně ze všech stran. Je dosahována nejjednodušeji a je typická pro levné elektretové mikrofony, velké jen několik milimetrů.
Kardioidní neboli ledvinová charakteristika potlačuje příjem zvuku „zezadu“ mikrofonu. Diagram připomíná Němcům a Čechům tvar ledviny (německé označení je Niere),
Anglosasům srdce. Jde o typickou charakteristiku dynamických mikrofonů pro zpěváky,
neboť potlačuje zpětnou vazbu.
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 92 -
Hyperkardioidní (nikoliv hyperledvinová) charakteristika je více směrová než charakteristika kardioidní.
Osmičková neboli bidirekcionální charakteristika je taková, při které mikrofon přijímá
zvuk pouze zepředu a zezadu, nikoliv však ze stran. Používá se především při některých
metodách snímání stereofonního zvuku.
Úzce směrová charakteristika má výrazně oslaben příjem zvuku zezadu, čehož bývá z
fyzikálních důvodů dosaženo za cenu délky mikrofonu až 1 metr. Používá se pro speciální aplikace (příjem pomocného zvuku při filmování). Úzce směrová charakteristika mikrofonu je dosahována za cenu zřetelného zhoršení frekvenční charakteristiky, nebo je
úzce směrová jen v části akustického spektra.
Kulová
Kardioidní
Hyperkardioidní Osmičková
Úzce směrová
Frekvenční charakteristiky
Kmitočtové charakteristiky mikrofonů, nahoře Oktava 319 (studiový), dole Shure SM58
(zpěvový)
Fyzikálním ideálem by byl mikrofon, který
by akustický podnět přeměnil vždy na odpovídající elektrický signál bez ohledu na
jeho frekvenci. Tak tomu však není a nejen
proto, že by takový mikrofon byl mj. současně i barometrem. Dosažení vyrovnané
charakteristiky alespoň ve slyšitelné oblasti vyžaduje nákladná opatření, např.
velmi malé rozměry mikrofonu. Z nedostatku se však časem stala ctnost a frekvenční nevyrovnanosti jednotlivých výrobků začaly být využívány tak, aby pomohly vyzdvihnout či potlačit některé charakteristické zvukové odstíny snímaných objektů. Např. všechny mikrofony kromě kulových pracují jako převodníky gradientu
tlaku, s přibližováním ke zdroji signálu zesilují hluboké kmitočty – tzv. proximity efekt.
Toho využívají někteří zpěváci k dosažení teplé barvy hlasu v některých pasážích zpěvu
přibližováním a oddalováním mikrofonu.
Pro speciálnější účely se vyrábějí mikrofony s potlačenou částí kmitočtové charakteristiky (např. pro reportážní snímání řeči nebo pro komunikační zařízení v hlučném prostředí). V některých případech jsou vybaveny i přepínatelnými korekcemi přímo ve
vlastním tělese mikrofonu, nebo mají zdůrazněnu určitou část spektra, a jsou určeny
třeba ke snímání určitých hudebních nástrojů.
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 93 -
Použití mikrofonů ve studiu
Výběr mikrofonu ve studiu závisí především na tom, kolik peněz jsme ochotni investovat. Dynamické mikrofony se pohybují od několika set korun až ke dvaceti tisícům korun. Kondenzátorové mikrofony můžeme pořídit od několika tisíc až vysoko nad sto tisíc
korun za jeden vynikající mikrofon.
Obvyklé volby mikrofonů pro jednotlivé aplikace:
Zpěv
Nejčastěji se na zpěv používají velkomembránové mikrofony; v případě, kdy je třeba odstínit špatnou akustiku místnosti, pak směrové. Nicméně není žádný důvod, pokud už
máte malomembránový mikrofon, proč s ním nezkusit nahrát zpěv. Malá membrána
v žádném případě neznamená malý zvuk. Podobně, pokud na to máte prostor, zkuste
na zpěv použít všesměrový mikrofon. Ten zní obvykle přirozeněji a není tak náročný
na dobré umístění. V každém případě pokud ale nahráváte zpěv, nezapomeňte použít
pop-filter.
Akustická kytara
Na kytaru se obvykle používají malomembránové tužky. A opět, pokud je třeba se vyvarovat odrazů z místnosti, tak kardioidní (směrové). Nicméně pokud to podmínky dovolí,
i tady se dají použít všesměrové mikrofony, které nejsou tak kritické k umístění a znějí
velmi přirozeně. Rovněž můžete zkusit použít klasický velkomembránový mikrofon
nebo dokonce velmi teple znějící mikrofon páskový (ty obvykle mívají méně výšek, což
je však v některých hudebních stylech nebo u některých nástrojů žádoucí).
Bicí overheady
Overheady se většinou osazují malomembránovými kondenzátory, ačkoli ani tady
se to nedá považovat za pravidlo. Je řada zvukařů, kteří používají velkomembránové modely nebo dokonce dvojici páskových mikrofonů, protože znějí tepleji a jemněji, a činely
pak nezní tak agresivně. Bicí sada je navíc poměrně hlasitý nástroj, takže tu není na závadu ani nižší citlivost páskových mikrofonů daná jejich konstrukcí.
Bubínek, kotle
Dnešní klasikou na bubínku či kotlích jsou dynamické nebo elektretové kardioidy, ačkoliv i v tomto případě záleží hodně na stylu hudby a zamýšleném zvuku. Pro jemnější hudební styly (jako například jazz) lze s výhodou použít směrové kondenzátorové mikrofony, a to jak malomembránové, tak i velkomembrány. Důležité ale je, aby příslušný mikrofon byl schopen zvládat relativně vysoké hladiny akustického tlaku, které bubínek
nebo kotle produkují.
Kopák (basový buben)
V našich zemích se zvukaři u kopáku často spoléhají na jeden mikrofon, zpravidla dynamický s kardioidní nebo hyperkardioidní směrovou charakteristikou a dobrým přenosem hlubokých kmitočtů (obvykle se tedy nedají použít dynamické zpěvové mikrofony,
neboť většinou - coby kompenzaci proximity efektu - mají vestavěný útlum na nízkých
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 94 -
kmitočtech). Nebývá ale od věci použít k tomuto mikrofonu do páru ještě druhý, kondenzátorový a to buď PZM nebo klasický (ovšem tady obzvlášť apeluji na fakt, že musí umět
zvládat vysokou hladinu akustického tlaku).
Basa a elektrická kytara
Kytara nebo basa se dá nahrávat prakticky s čímkoliv, tady víc než kdekoliv jinde záleží
na tom, jaký zvuk z těchto nástrojů chcete v nahrávce mít. V případě basy (odhlédněme
na chvilku od mikrofonů) mám nejlepší zkušenosti s nahráváním linkového výstupu basového předzesilovače nebo případně s odbočením čistého zvuku přes kvalitní DI box.
Na kytaru se obvykle používá jako základ směrový dynamický mikrofon několik málo
centimetrů od bedny, ačkoliv (pokud se o něj nebojíte) můžete použít i kondenzátorový
model (i s tím mám velmi dobré zkušenosti). A pokud máte páskový mikrofon, můžete
jej také vyzkoušet. Elektrické kytary (možná díky silnému proximity efektu) obvykle
znějí po nahrání přes páskové mikrofony velmi dobře. Do páru se základním mikrofonem pak můžete použít i další (zpravidla kondenzátorové) mikrofony, jejich umístění
a použití při mixu je ale otázkou velkého experimentování.
Žestě
Pokud chcete snímat zvuk blízko korpusu, budete potřebovat mikrofon schopný snášet
velmi vysoké hladiny akustického tlaku (více než 135 dB SPL). Na to se obvykle používají buď směrové dynamické mikrofony, nebo malomembránové tužky, ovšem (opět pokud se o něj nebojíte) můžete zkusit použít i velkomembránový model. Při snímání
z větší dálky bude (za předpokladu dobré akustiky) nástroj znít přirozeně a není zapotřebí mikrofonů s tak velkým číslem SPL. Na sekci se obvykle používají směrové mikrofony, na jednotlivý nástroj můžete (opět pokud to akustika dovolí) zkusit použít mikrofon s kulovou směrovou charakteristikou.
Perkuse
Zpravidla se snímají dvojicí malomembránových kondenzátorů kulové nebo kardioidní
směrové charakteristiky, ovšem i s velkomembránovými mikrofony se dá pořídit velmi
dobrá nahrávka. Pokud použijete směrové kondenzátorové mikrofony, je dobré si ohlídat, nakolik se ve zvuku projevuje proximity efekt, protože například konga mají při snímání zblízka tendenci znít hučivě a nekonkrétně. Dají se použít i směrové dynamické mikrofony, které tento problém nemívají tak výrazný, na druhou stranu často nezní tak přirozeně, jako kondenzátorová dvojice.
Závěr
Natáčení je velmi dlouhý proces a podobně jako ve filmu nebo na divadle je při něm důležitá každá jednotlivá část. Jen v případě, že bude v každé chvíli točení stoprocentní
koncentrovanost, že budeme přemýšlet, jaký mikrofon použijeme, jaký procesor je ten
nejvhodnější, že se budeme přít i přemýšlet spolu s ostatními, pak můžeme odevzdat posluchačům nahrávku, kterou budou moci sdílet s muzikantem.
Evropský sociální fond
Praha a EU – Investujeme do vaší budoucnosti
- 95 -
Download

Skripta Hudební akustika