Растягиваем сэмплы

Раз уж теперь мы умеем играть на разнообразных синтах и воспроизводить всевозможные сэмплы, пришло время научиться управлять ими обоими, чтобы музыка получалась ещё более уникальной и интересной. Вначале, давайте рассмотрим возможность растягивать и сжимать сэмплы.

Представление сэмпла

Сэмплы - это предварительно записанные звуки в виде чисел, описывающих, как колеблется мембрана динамика, чтобы воспроизвести звук. Мембрана движется внутрь и наружу, так что числами всего лишь нужно задать насколько втянутой или выпуклой она должна быть в каждый момент времени. Для правдоподобного воспроизведения звука, обычно сэмпл хранит много тысяч чисел для каждой секунды! Sonic Pi берет список этих чисел и передаёт их с нужной скоростью, чтобы двигать мембраной динамика наружу и внутрь так, чтобы получился нужный звук. Но можно неплохо поразвлечься, меняя звук за счет изменения скорости, с которой числа идут в динамик.

Меняем скорость

Попробуем проверить это на одном из природных звуков: :ambi_choir. Чтобы воспроизвести его с обычной скоростью, можно передавать команде sample настройку rate::

sample :ambi_choir, rate: 1

Этот пример воспроизводит сэмпл с нормальной скоростью (1). Пока что ничего особенного. Однако, мы можем свободно изменить это число на что-то другое. Как насчет 0.5:

sample :ambi_choir, rate: 0.5

Ого! Это что такое происходит? Ну, две вещи. Во-первых - сэмпл воспроизводится в два раза дольше. Во-вторых - звук стал ниже на октаву. Давайте разберём это более детально.

Давайте растянем

Сэмпл, который забавно растягивать и сжимать, - это амен-брейк. С нормальной скоростью мы можем легко себе представить его в составе трека драм-н-бейс:

sample :loop_amen

Но, задавая скорость, можно переключать и жанры. Попробуй половинное значение, чтобы получить старый-добрый хип-хоп:

sample :loop_amen, rate: 0.5

А если ускориться, то мы попадаем на территорию джангл:

sample :loop_amen, rate: 1.5

А теперь гвоздь программы - проверим, что произойдет, если мы зададим отрицательную скорость:

sample :loop_amen, rate: -1

Ничего себе! Он стал играть задом-наперёд! Попробуйте воспроизвести разные сэмплы на разных скоростях. Попробуйте очень быстрые скорости. Попробуйте несуразно медленные. Узнайте, какие интересные звуки можно создать.

Простое объяснение скорости сэмпла

Полезная мысленная аналогия сэмплам - пружина. Темп воспроизведения - это как сжатие и растягивание пружины. Если воспроизводить сэмпл со скоростью 2, то вы будете сжимать пружину до половины ее нормальной длины. Следовательно, воспроизведение сэмпла займёт половину времени, ведь он стал короче. Если играть сэмпл на половине обычной скорости, то вы растягиваете пружину в два раза. Поэтому сэмпл длится в два раза дольше, ведь он стал длиннее. Чем больше вы сдавливаете, тем короче он получается (скорость выше), а чем больше вы растягиваете, тем длиннее он становится (скорость ниже).

Сжатие пружины увеличивает ее плотность (число витков на сантиметр) - это совпадает с тем, почему сэмпл начинает звучать с высокой частотой. Растягивание пружины снижает ее плотность, и это похоже на то, как частота звука понижается.

Математика, объясняющая скорость сэмпла

(Эта часть приведена для тех, кому интересны детали. Всем остальным её можно пропустить…)

Как мы видели раньше, представление сэмпла - это очень длинный список чисел, которые описывают движение мембраны динамика во времени. Можно взять эту последовательность чисел и нарисовать по ней график, который будет выглядеть примерно так:

граф сэмплирования

Вы могли видеть похожие картинки до этого. Они называются волновой формой сэмпла. Это просто числовой график. Обычно подобные формы включают 44100 точек с данными на каждую секунду времени (из-за теоремы сэмплирования Найквиста-Шэннона). Итак, если сэмпл длится две секунды, то форма волны будет состоять из 88200 чисел, которые мы бы передавали динамической головке со скоростью 44100 значения в секунду. Конечно, мы могли бы удвоить темп передачи, тогда воспроизведение бы заняло всего одну секунду. А еще мы могли бы проигрывать его в два раза медленнее, что означало бы 22500 точек в секунду, и весь процесс бы занял четыре секунды.

На длительность сэмпла влияет скорость воспроизведения:

Мы можем представить это отношение формулой:

новая_длительность_сэмпла = (1 / скорость) * длительность_сэмпла

Изменение темпа воспроизведения, к тому же, влияет на высоту сэмпла. Частота формы сигнала и высота звука определяются тем, как часто сигнал движется вверх и вниз. Наш мозг каким-то образом превращает быстрые перемещения мембраны в высокие ноты, а медленные - в низкие. Именно поэтому иногда вы можете видеть вибрации большого басового динамика, когда он издает чрезвыйчайно низкие звуки. На самом деле он перемещается намного медленнее внутрь и наружу, чем динамик, воспроизводящий высокие ноты.

Если взять форму сигнала и сжать ее, то она будет колебаться вверх и вниз большее количество раз за секунду. За счет этого звук получится более высоким. Выходит, что удвоение движений вверх-вниз (колебаний) удваивает частоту. Поэтому проигрывание сэмпла на удвоенной скорости удваивает его слышимую частоту. Точно так же половинная скорость уменьшает частоту вдвое. Другие значения скорости влияют на частоту соответствующим образом.