Спектры звуковых колебании и тембр

     Как указывалось, натуральные звуки, с которыми мы сталки­ваемся в жизни, практически никогда не бывают чистыми синусоидальными тонами, а являются созвучиями. Это означает, что ис­точник вместе с основным колебанием излучает волны с частота­ми в 2, 3, 4, 5 раз и т.д. большими основной частоты. По принятой в музыкальной акустике терминологии эти колебания называются соответственно основным тоном и обертонами: l-м, 2-м, 3-м, 4-мИ Т.д. (В физике, хочу сразу оговориться, используется иная терми­нология: основной тон называют l-й гармоникой, а обертоны, начиная с первого - высшими гармониками: 2-й, 3-й, 4-й по порядку.) Основной тон определяет высоту звука, обертоны, на­кладываясь в определенных соотношениях, придают звуку специ­фическую окраску, или, иными словами, присущий данному ис­точнику тембр. Распределение элементарных тонов созвучия по частотам может не подчиняться какому-либо простому закону. Ха­рактерный пример - звук колокола. Но в большинстве случае в под определением «созвучие» мы понимаем комбинацию основ­ного тона с более или менее интенсивными естественными обер­тонами. От чистого тона созвучие отличается тем, что его времен­ная функция не является синусоидальной.

     Рассмотрим временную функцию созвучия скрипки (рис. 5,l а). Распознать по графику основной тон колебания очень трудно. Ни­чего не говорит он и о частотном составе созвучия. Для этого сле­дует представить данное колебание в иной плоскости, в виде спект­ральной характеристики, разложив его в так называемый гармони­ческий ряд Фурье. По оси частот в виде вертикальных отрезков откладываются уровни колебаний, составляющих созвучие. Спектр созвучия скрипки соответствует приведенной временной функции(рис. 5.16). Характерной чертой спектров струнных смычковых ин­струментов и, в частности скрипки, является наличие в них почти одинаковых по интенсивности первых восьми-девяти составляю­щих колебаний, величины которых медленно убывают с ростом их порядкового номера.

На рис. 5 приведены временная функция и спектр  гласного «и» певческого голоса. В отличие от спектра скрипки, в котором амплитуды составляющих тонов спадают почти равномерно, амплитуды спектральных составляющих гласного звука - это хорошо вид­но - подчиняются другому закону. Вокруг частот 200 и 3000 Гц

18.

     составляющие тоны достаточно интенсивны, в других интервалах они значительно слабее: огибающая спектра имеет два четких мак­симума. Для различных гласных эти максимумы находятся на раз­ных частотах и называются формантами.

Даже однотонные звуки, которые мы слышим в повседневной жизни, непостоянны по амплитуде и частоте. Если периодически изменяются амплитуды звукового давления (амплитудная модуля­ция), то это придает звуку характерную «тремолирующую» окрас­ку. Например, свистки регулировщиков уличного движения, спортивных судей издают тоны с частотой от 1 до 2 кГц. Но в зависимости от интенсивности потока вдуваемого воздуха эти тоны с помощью маленьких шариков меняют свою амплитуду с часто­тами примерно от 5 до 25 Гц. А при постоянной амплитуде быстроменяющаяся частота основного тона (частотная модуляция) на слух воспринимается как вибрато. При скрипичной игре основной тон может быстро, с частотой около 3 Гц, периодически меняться, то увеличиваясь, то уменьшаясь в пределах: + 10 Гц. И в том и в дру­гом случае спектры натуральных звучаний музыкальных инстру­ментов обогащаются новыми частотными составляющими, влия­ющими на тембр.

19.

      В музыке часто звучат два тона с почти одинаковыми уровнями и частотами. На слух они воспринимаются как один тон. Одна­ко из-за небольшого различия частот фазы тонов постоянно сме­щаются относительно друг друга. В моменты, когда они совпада­ют, громкость увеличивается; когда фазы расходятся, громкость становится слабее. Поэтому и воспринимаемый слухом суммар­ный тон периодически меняет громкость. Этот очень характерный эффект называется биениями. Конструкторы органов используют этот эффект для оживления звуков инструмента, устанавливая в нем дополнительный регистр, который отличается на несколько гeрц от строя других регистров и поэтому создает биения (унисон­ное звучание).

      И наконец, звуки почти всех музыкальных инструментов со­провождаются так называемыми узкополосными шумами. Шумами в акустике называют звуки, имеющие непрерывный спектр, в от­личие от синусоидальных тонов и созвучий, у которых спектры дискретны. Например, играя на флейте, музыкант возбуждает не только периодический музыкальный тон, но и шум от вдувания воздуха. Из этого шума флейта, как акустический резонатор, выделяет узкую полосу вблизи основного тона. Этот узкополосный шум смешивается с основным тоном, благодаря чему звук флейты приобретает присущую ему выразительность. Такие же шумы возникают при игре на смычковых инструментах, а также в речи и пении. На рис. 5 их можно заметить по незначительным различи­ям колебаний в разные периоды. Спектр при этом расширяется, интервалы между его отдельными составляющими также запол­няются.

      Итак, слушая музыку, мы воспринимаем не только громкость и высоту звука, но и нечто такое, что отличает звук от чистого тона. Этот признак - тембр. И если ощущение громкости или вы­соты имеет однозначные признаки, характеризующие данный звук: громче - тише или выше - ниже, то у тембра, напротив, бесчис­ленное множество характеристик, соответствующих многообразию состава тонов, которые образуют созвучие. Ни в одном языке мира, а также в научной и инженерной терминологии нет таких слов, которыми можно было бы точно охарактеризовать такие понятия, как, например, тембр скрипки или тембр голоса певца. Здесь часто прибегают к метафорам типа «жесткий тембр», «бархатистый тембр», «глухой тембр» и т.п.

      Объяснение причин такого многообразия тембров различных инструментов и человеческих голосов не будет исчерпывающим, если не затронуть процессы возникновения и нарастания звуков

20.

при их извлечении или затухании. Дело в том, что любой звук возникает и устанавливается на каком-то определенном «стацио­нарном» уровне не мгновенно и затухает он также постепенно, за определенный промежуток времени. Процессы нарастания звука до какого-то установившегося, стационарного режима и его затухания называают нестационарнымu процессамu. От продолжительно­сти нарастания «атаки») и затухания звука, а также от формы огибающей нестационарных процессов существенно зависит ок­раска звука, его тембр. А это, в свою очередь, определяется конст­рукцией инструмента, а также способом звукоизвлечения (сколь­жения смычка, щипка или удара молоточка по струнам, возбуж­дения колебаний столба воздуха, вдуваемого в корпус духового инструмента и т.п.).