Компьютерные технологии и колокольный звон: моделирование звонов

Введение

В своей работе звонарь или группа звонарей управляют определённым набором колоколов. На колокольнях – сооружениях с выраженной вертикальной структурой звонарь, как правило в состоянии одновременно управлять всеми имеющимися колоколами (группами колоколов): в правой руке связка тросов управления зазвонными колоколами (наименьшими и с наиболее высоким основным тоном), под левой рукой тросы управления подзвонными колоколами средней величины и в ногах педали управления благовестниками – наибольшими колоколами с низким основным тоном. На звонницах с большим количеством колоколов или с несколькими ярусами основному звонарю помогают (дополняют звон) другие – как правило, на благовестниках.

Помимо звона, как такового, звонарь участвует в обучении менее опытных звонарей – на колокольне или в специальном учебном классе, а также на этапе формирования набора колоколов – в ответственной работе по подбору гармонически согласованного набора колоколов.

Данная работа посвящена решению следующих проблем, стоящих перед звонарём:

1. Звонницы предназначены для сопровождения служб в храмах, а не для светских концертов и учебных занятий. Поэтому при отсутствии специально оборудованной учебной звонницы в закрытом помещении звонарю сложно репетировать и расширять свой репертуар, а также заниматься обучением других звонарей.
2. Звонарям приходится звонить на разных звонницах. Каждая православная звонница уникальна по своему звучанию и составу колоколов. И даже при одинаковом количестве колоколов с идентичной системой управления один и тот же звон при переходе на другую звонницу будет звучать по-другому, что, значительно затрудняет работу звонаря. Таким образом, перед звонарём возникает задача адаптации своего репертуара к различным звонницам и колокольным наборам.
3. Православный колокол зв учит аккордом, состоящим из нескольких тонов и их обертонов первого порядка (гармоник), в котором в зависимости от силы удара, его резкости и от времени, прошедшего с момента удара доминирование того или иного тона аккорда меняется. Меняется и воспринимаемая на слух высота звучания колокола. Например, после удара в колокол буквально через секунду основной тон его звучания может понижаться на октаву и ниже.
   Данная специфика является причиной распространённого мнения, что запись колокольных звонов нотами невозможна, и, следовательно, инструмент нотной грамоты непригоден для работы звонаря. При этом имеется в виду невозможность передачи нотами адекватного звучания колокола.
4. Подбор гармонически согласованного набора колоколов является весьма непростой задачей, связанной с длительным натурным тестированием совместного звучания колоколов в месте их отливки/хранения и рядом других организационных и технических сложностей.

Задача данной работы - помочь звонарю такого уникального музыкального инструмента как русская православная звонница в повышении эффективности его повседневной деятельности.

(Кликайте на картинки, чтобы увеличить их и увидеть в лучшем качестве !)

Рис.1

Рассмотрим примеры спектров звучаний колоколов в звуковысотном представлении, так называемом spectral pitch display, но сначала в качестве примера посмотрим на спектр сыгранной на электронном фортепиано гаммы (рис. 1): тонкая синяя линия означает основной тон, а красные и оранжевые – обертоны. Чем насыщеннее и светлее цвет, тем чище звучание.

Рис.2

Теперь рассмотрим спектр лёгкого колокола1 (рис. 2): после удара основной тон резко понижается, но при этом обертоны сохраняют чёткое звучание аккорда.

Рис.3

Далее рассмотрим спектр колокола весом около двух тонн. Обратите внимание, что чистота звучания обертонов периодически пропадает и восстанавливается, причём, для разных обертонов периоды разные и не все они совпадают с периодом колебания силы звука, представленной спектром светло-зелёного цвета.

Возможно ли такое записать нотами, и уж тем более записать звучание одновременно звучащих полутора десятков колоколов?! И даже если мы предельно упростим задачу и представим колокола только в виде одного неизменного основного тона, то разбирать такие партитуры будет всё равно очень непросто. Казалось бы правы те, кто утверждает – нотная запись колокольного звона невозможна.
Однако попробуем проанализировать – много ли существует знакомых с нотной грамотой людей, которые, глядя в ноты, слышат записанную там музыку? Их абсолютное меньшинство. Тогда что же для остальных людей написано, скажем, в фортепианной партитуре? Правильно – когда какую клавишу и каким пальцем нажать! Трансформируем это утверждение для звонницы – если мы придумаем систему обозначений нотами звона так, чтобы партитура показывала нам за какой трос дёрнуть/ударить и на какую педаль нажать, мы приблизимся к решению задачи нотной записи колокольного звона.

Моделирование колокольных звонов

Современная компьютеризация всех сфер жизни коснулась и творчества музыкантов. Существуют достаточное количество музыкальных редакторов партитур с возможностью их проигрывания с помощью библиотек звуков. И сейчас мы реализуем высказанную выше идею об автоматизации труда звонаря, рассматривая возможные решения и последовательно их улучшая до наилучшего пригодного на практике. Для этого используем бесплатный редактор c открытым кодом MuseScore[1].

Как было показано выше, звуковысотная система записи звучания колокольного звона практически нереализуема. Поэтому давайте рассмотрим возможности записи, которую назовём «линейной». Принципы записи:

1. каждому колоколу отводится своя линейка на нотном стане, которая фактически символизирует трос/педаль управления, ноты располагаются только на линейках, иное расположение является ошибкой;
2. знаки аллитерации и понятие тональности отсутствуют;
3. количество нотоносцев равно количеству групп колоколов звонницы;
4. количество линеек в нотоносце равно количеству колоколов в группе.

Моделирование, шаг первый

На изображении пример такой линейной записи набора колоколов Китайского подворья при храме святителя Николая в Голутвине г.Москвы. Набор состоит из трёх групп: три зазвонных колокола, 6 подзвонных и три благовестника. Назовём  приведённую ниже партитуру, где последовательно записаны все колокола звонницы снизу вверх, и ноты колоколов располагаются на отдельных линиях нотного стана, линейным шаблоном.

рис.4

На звоннице 12 колоколов, но в данной партитуре третий благовестник представлен дважды – ноты 3 и 4, поскольку управляется как педалью, так и тросом, поэтому в партитуре на нотном стане подзвонных семь линеек, а не шесть. Коль скоро нам необходимо озвучить партитуру, и, следовательно, назначить нотоносцам конкретный инструмент из библиотеки звуков, необходимо распределить колокола так, чтобы их звучание хотя бы грубо соответствовало их основным тонам. Но гораздо более важно, чтобы разные колокола не оказались одинаковыми нотами - поэтому мы будем вынуждены использовать редко используемые ключи, которые потом, чтобы не смущать пользователей, можно будет скрыть.

Из имеющихся инструментов библиотеки MuseScore выберем Tubular Bells из группы «ударные инструменты с определённой высотой звучания». При проигрывании данная партитура прозвучит присущим MIDI-библиотекам звуков синтетическим звуком, чрезвычайно слабо соответствующим реальному звучанию колоколов – как по звуковысотным характеристикам, так и по тембральной окраске [3].

Аналогично прозвучит и простейший звон [4], записанный по таким же правилам, который нам потребуется в дальнейшем (рис. 5).
Полученное звучание нельзя признать удовлетворительным, поэтому перейдём к шагу 2.

рис.5

Моделирование, шаг второй

Давайте взглянем на пример записи основных тонов колоколов (рис. 6). Такую запись мы ранее назвали звуковысотной. Сразу становится понятно, что любая раскладка колоколов в линейном шаблоне окажется чрезвычайно грубой, а записанный и воспроизводимый звон будет напоминать оригинальное звучание в основном лишь ритмическим рисунком.

рис.6

Чтобы преодолеть подобное препятствие, нам нужно заставить наш линейный шаблон зазвучать максимально близко к значениям экспериментально установленных основных тонов колоколов. Для этого необходимо выполнить подстройку партитуры линейного шаблона таким образом, чтобы ноты звона в линейной записи звучали как соответствующие ноты шаблона звуковысотного. И редактор MuseScore предоставляет такую возможность. Для этого нам надо написать плагин соответствующей функциональности, задав ему следующие параметры:

• Линейная запись последовательности колоколов (линейный шаблон);
• Соответствующая запись последовательности основных тонов колоколов от нижних (больших) к верхним (малым) в стандартной форме (звуковысотный шаблон);
• Партитура звона, записанная в линейной форме, звучание которой мы хотим приблизить к оригиналу.

Правило подготовки шаблонов для настройки по основному тону

• звуковысотный шаблон записывается так, чтобы
• последовательно от самого большого и низко звучащего колокола были записаны основные тона звучания всех колоколов звонницы в той последовательности, как принято нумеровать колокола на данной звоннице с учётом дополнительных тросов управления;
• первая нота считается первым колоколом, вторая - вторым и т.д.
• запрещается использование знаков повышения/понижения тона на октаву, но можно использовать любые доступные в редакторе ключи;
• допустимо использование микрохроматических знаков аллитерации в соответствии с описанием редактора партитур.
• линейный шаблон записывается подобно звуковысотному - от первого (самого нижнего) колокола до последнего. Правила записи:
• количество нотоносцев равно количеству групп колоколов, как их принято делить/классифицировать на конкретной звоннице.
• нота-колокол записывается на линейке, общее количество линеек всех нотоносцев равно количеству колоколов звонницы с учётом дополнительных тросов управления;
• использование знаков альтерации не допускается и считается ошибкой;
• запись двух различных колоколов на одной линейке или запись колокола между линеек считается ошибкой;
• Запрещается использование знаков повышения/понижения тона на октаву, но можно использовать любые доступные в редакторе ключи.

Фраза «с учётом дополнительных тросов управления» означает, что если один колокол управляется разными способами, как, например, третий благовестник в примере рис. 4, то он представляется как разные колокола с одинаковым основным тоном.
Логика работы плагина чрезвычайно проста: вычисляется разница высот в центах2 аналогичных нот линейного и звуковысотного шаблона и на это значение осуществляется подстройка соответствующих нот линейной записи звона. На рис. 7 в сокращённом виде представлен протокол работы плагина, в котором, в частности, отражается сколько и каких нот было обработано, на какую величину выполнена подстройка и по какой формуле эта величина рассчитывалась.

рис.7

После обработки партитуры примера рис. 5 она будет звучать в соответствии с основными тонами колоколов [5], что гораздо ближе реальности? чем без подстройки [4]. Однако, это всё же очень далеко от того, как звучит звон в реальности [6].

Поэтому перейдём к следующим шагам.

Моделирование, шаг третий

Ещё мы можем повысить качество звучания, разработав собственные инструменты для использования в редакторе.
В редакторе партитур для обеспечения воспроизведения используются библиотеки звуков - SoundFonts, cодержащие в себе такие объекты, как пресеты, привязанные к инструментам, а инструменты формируются на основе библиотеки сэмплов – один сэмпл на определённый диапазон MIDI-тонов (нот). Поэтому дополнительно для обеспечения наилучшего звучания можно подготовить библиотеки сэмплов на основе записей реально звучащих колоколов конкретной звонницы и на основе этих записей сформировать SoundFont с новым инструментом, например “Колокола звонницы св.Николая», который затем использовать в партитурах.

То есть, теперь мы сможем подключить не стандартный midi-инструмент (в нашем случае Tubular Bells), а инструмент, сгенерированный на основе записей реальных звучаний колоколов.
Процесс генерирования таких инструментов и включения их библиотеку – чисто техническая задача и специфичен для конкретного редактора, поэтому мы не будем на этом останавливаться и пойдём дальше. Но сначала остановимся на методических рекомендациях по использованию полученных результатов. Итак, для использования полученных нами результатов, звонарь для каждой звонницы, где он звонит или собирается звонить, должен:

• Иметь значения основных тонов колоколов;
• Подготовить две партитуры-шаблона - линейную и звуковысотную;
• В линейных партитурах звонов использовать либо стандартные инструменты-колокола, либо изготовленные на основе записей реальных колоколов;
• Каждую партитуру, которую он использует в работе, подстраивать с помощью плагина.

Всё перечисленное даёт звонарю возможность моделировать звоны и репетировать их без колоколов, например, в домашних условиях посредством дирижирования, под звук проигрываемых в различных темпах партитур. И тем не менее, мы всё ещё имеем возможность улучшить нашу технологию!

Моделирование, шаг четвёртый (и основной!)

Всё-таки моделирование звонов, адаптация их к различным звонницам и сочинение новых на данном этапе затруднительно, потому что midi-инструменты не дадут нам адекватного воспроизведение звучания колоколов. К тому же звонарю может оказаться затруднительно специализироваться в области midi-технологий. Значит нужно найти более простое и эффективное решение – и оно лежит на поверхности! Нужно просто использовать оригинальные записи колоколов! Для этого для формирования библиотек звуков существует SoundFont формата sfz [2], а выбранный нами редактор MuseScore поддерживает использование такого формата. Для создания библиотеки инструментов sfz достаточно простого текстового редактора. Вот пример записи звучания одного колокола:

sample=samples\bell-01.wav
lokey=38 hikey=38
pitch_keycenter=38
volume=13
offset=0
end=959519

Для озвучивания ноты клавиатуры №38 используется запись sample, звучать она должна с уровнем громкости 13 и т.п. Настройка параметров звучания, равно как и особенности звукозаписи и обработки записей выходит за рамки данной работы, к тому же набор обрабатываемых параметров sfz для различных редакторов партитур может существенно отличаться.

Теперь нам уже НЕ НУЖНЫ плагин-настройщик и звуковысотный шаблон, просто мы пишем наши партитуры в соответствии с правилом, зафиксированным в линейном шаблоне, под который подстроена наша библиотека оригинальных звуков колоколов! И после подключения библиотеки оригинальных звучаний наши звоны будут максимально близко соответствовать реальному звучанию звонницы [6]!

Итак, при использовании технологии, предложенной на этом шаге, рабочий процесс звонаря значительно упростился. Теперь звонарь

• записывает примеры звучаний всех колоколов звонницы (звонниц);
• для каждой звонницы подготавливает линейный шаблон, в соответствии с которым записывает свои звоны;
• в соответствии с шаблоном с помощью текстового редактора делает soundFont формата sfz, который подключает к редактору партитур и партитурам.

* * *

Естественен вопрос - есть ли альтернативы предлагаемому решению с использованием бесплатного редактора Musescore? Можно предположить, что с помощью других коммерческих редакторов партитур возможно повторить предлагаемую технологию. Что на мой взгляд совершенно неприемлемо - разработка собственных специализированных редакторов и вот почему: я всю жизнь занимался разработкой сложных программно-аппаратных комплексов и могу сказать, что даже очень сложные программы могут быть разработаны небольшим количеством профессионалов, однако если программа не совершенствуется постоянно, если разработчики и служба поддержки не занимаются исправлением ошибок, которые есть всегда, то программа быстро умирает совсем или ей приходят на смену другие. Для решения нашей задачи трудно рассчитывать на квалифицированный коллектив разработчиков-программистов, поэтому необходимо использовать универсальные решения, что я и сделал. Musescore - бесплатная динамически развивающаяся разработка с хорошей поддержкой и высокопрофессиональными разработчиками.

Поэтому следует признать, что технология, описанная на шагах 1 и 4, при максимальной простоте
даёт наилучший результат по записи и озвучиванию партитур, и именно её и следует рекомендовать для повседневной деятельности звонаря.
На этом работу по обеспечению моделирования православных колокольных звонов на компьютере можно считать завершённой.

* * *

И напоследок немаловажное замечание. Когда-нибудь обязательно найдётся человек, который спросит: "А не является ли эта технология прямой дорогой к электронному звонарю?" Вопрос на вопрос - а не является таковой представленный в редакторе партитур сборник сюит И.С.Баха? Компьютер вошёл во все сферы жизни человечества, и как его использовать зависит от нас. Молотком ведь тоже можно бить себя по голове, кричать "ай, больно!", - и проклинать его создателя, первобытного человека. Формализованная запись музыки в виде нот используется с незапамятных времён, а редакторы партитур используются в наше время практически всеми музыкантами, как профессионалами, так и любителями. К тому же предложенная технология никак не связана с важнейшим компонентом эл.звонаря - передачи механического воздействия на компоненты управления колоколами на основе формализованой записи звона, что гораздо сложнее, чем простое озвучивание партитуры.

Замечания по записи звучаний колоколов и их обработке для озвучивания партитур

1. Если запись производится не в Светлую седмицу, необходимо получить разрешение настоятеля храма.
2. Запись должна выполняться желательно в безветренную погоду на устройство (диктофон), обладающее возможностью стерео записи и ручной настройки уровня записи.
3. Для каждого колокола методом проб и ошибок настроить уровень так, чтобы индикатор уровня (максимальная громкость на записи) не превышал значение -3дб (рис.8).
4. При этом очень важно, чтобы был отключен автоматический ограничитель уровня, который при превышении уровня выше -6дб (значение может зависеть от диктофона) обрезает уровень. Получается картинка как на рис.9 – формально уровень не выходит за -6дб, однако запись выполнена с перегрузками и большим превышением допустимого уровня записи.
5. Cледует выполнить и записать несколько ударов в каждый колокол, дожидаясь полного затухания колокола. Это нужно для того, чтобы на последующий удар не накладывался звук предыдущего. Несколько ударов нужны потому, что во время записи удары в колокол неизбежно будут различаться и давать различное звучание (резкое/мягкое), кроме того, на записи могут оказаться не замеченные посторонние шумы и порывы ветра - при обработке следует выбрать наилучшую запись.
6. Также дожидаться полного затухания важно для того, чтобы при моделировании звонов звуки затухали также, как в реальности. В противном случае время и последовательность затухания разных колоколов будет определяться временем записи.
7. Для записи следует выбирать время, когда вероятность попадания в запись посторонних звуков – шума ветра, проезжающих машин, голосов людей и т.п. – минимальна. Во время записи не производить никаких шумов – глубокий вздох, переминание с ноги на ногу и т.п. могут испортить запись.

При обработке записей следует:

• обрезать начало записей так, чтобы у всех записей от начала записи до удара в колокол был одинаковый незначительный интервал, порядка 1-2 сотых секунды (рис.10);
• устранить возможные погрешности записи, в основном связанные с неточной установкой уровня записи, при этом помимо простого изменения уровня использовать средства диагности типа Declipper/Declicker - в первую очередь следует использовать Declipper (рис.11 и 12 - на примере программы Adobe Audition).

рис.8

рис.9

рис.10

рис.11

рис.12

Дополнительно необходимо сделать фотографию системы управления колоколами, вид сверху, на которой должны быть видны все педали и тросы управления, и по возможности колокола, например как на этом фото:

Для удобства работы с партитурой следует также подготовить описание специфики/сложностей управления колоколами данной звонницы, которое поместить в начало или конец партитуры.

Продолжение темы - использование предлагаемой технологии в адаптации звонов для разных наборов колоколов,
обучении колокольному звону
и подбору гармонически согласованных комплектов колоколов.

Список Источников

1. MuseScore Handbook // Free Music Composition and Notation Software – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://musescore.org/en/handbook (дата обращения 07.06.2017).
2. Cann S. Cakewalk Synthesizers: From Presets to Power User. – Boston: Cengage Learning PTR. – 2006, 480 c.
3. Звучание линейного шаблона (tubular bells) // Vimeo – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://vimeo.com/220701761 (дата обращения 07.06.2017).
4. Звучание звона в линейной записи (tubular bells) // Vimeo – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://vimeo.com/220703960 (дата обращения 07.06.2017).
5. Звучание звона в линейной записи с программной подстройкой (tubular bells) // Vimeo – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://vimeo.com/220703967 (дата обращения 07.06.2017).
6. Звучание звона в линейной записи с библиотекой оригинальных звучаний колоколов // Vimeo – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://vimeo.com/220704828 (дата обращения 07.06.2017).
7. Видеозапись реального исполнения звона // Vimeo – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://vimeo.com/220448999 (дата обращения 07.06.2017).

References

1. MuseScore Handbook. Available at: https://musescore.org/en/handbook (accessed 07 June 2017).
2. Cann S. Cakewalk Synthesizers: From Presets to Power User. Boston, Cengage Learning PTR, 2006, 480 p.
3. Sound of a Linear Pattern (Tubular Bells) [Zvuchanie lineynogo shablona (tubular bells)]. Available at: https://vimeo.com/220701761 (accessed 07 June 2017).
4. Sound of Bell Ringing in Linear Notation (Tubular Bells) [Zvuchanie zvona v lineynoy zapisi (tubular bells)]. Available at: https://vimeo.com/220703960 (accessed 07 June 2017).
5. Sound of Bell Ringing in Linear Notation with Software Adjustment (Tubular Bells) [Zvuchanie zvona v lineynoy zapisi s programmnoy podstroykoy (tubular bells)]. Available at: https://vimeo.com/220703967 (accessed 07 June 2017).
6. Sound of Bell Ringing in Linear Notation with a Library of Original Sounds of Bells [Zvuchanie zvona v lineynoy zapisi s bibliotekoy originalnykh zvuchaniy kolokolov]. Available at: https://vimeo.com/220704828 (accessed 07 June 2017).
7. Video Recording of Real Bell-Ringing Performance [Videozapis realnogo ispolneniya zvona]. Available at: https://vimeo.com/220448999 (accessed 07 June 2017).

* * *

Публикация подготовлена по материалам моей статьи:
Иванов О. И. Использование компьютерных технологий для моделирования православных колокольных звонов, обучения колокольному звону и подбору гармонически согласованных комплектов колоколов // Философия и гуманитарные науки в информационном обществе. – 2017. – № 3. – С. 101–114.
и доклада на Международной научно-практической конференции "Кампанология и звонарское искусство", прошедшей 25 января 2020г. в рамках XXVIII Международных Образовательных Рождественских чтений.

1 Здесь и далее используются колокола храма святителя Николая в Голутвине производства АМО ЗиЛ общим весом 5 тонн, г.Москва.
2 Цент равен 1/100 полутона равномерно темперированного строя