Тембр звука

Каждый звук, издаваемый различными музыкальными инструментами, голосами различных людей и т.п., имеет свои характерные особенности - своеобразную окраску или оттенок. Эти особенности звука называют тембром. показаны осциллограммы звуковых колебаний, создаваемых роялем и кларнетом для одной и той же ноты. Осциллограммы показывают, что период у обоих колебаний одинаков, но они сильно отличаются друг от друга по своей форме и, следовательно, различаются своим гармоническим составом. Оба звука состоят из одних и тех же тонов, но в каждом из них эти тоны - основной и его обертоны - представлены с разными амплитудами и фазами. Тембр (фр. timbre — «колокольчик», «метка», «отличительный знак») — (обертоновая) окраска звука; одна из специфических характеристик музыкального звука (наряду с его высотой, громкостью и длительностью). По тембру отличают звуки одинаковой высоты и громкости, но исполненные на различных инструментах, разными голосами, или же на одном инструменте, но разными способами, штрихами и т. п.
Тембр того или иного музыкального инструмента определяется материалом, формой, конструкцией и условиями колебания его вибратора, различными свойствами его резонатора, а также акустикой того помещения, в котором данный инструмент звучит. В формировании тембра каждого конкретного звука ключевое значение имеют его обертоны и их соотношение по высоте и громкости, шумовые призвуки, параметры атаки (начального импульса звукоизвлечения), форманты, характеристики вибрато и другие факторы. При восприятии тембров обычно возникают различные ассоциации: тембральную специфику звука сравнивают с органолептическими ощущениями от тех или иных предметов и явлений, например, звуки называют яркими, блестящими, матовыми, тёплыми, холодными, глубокими, полными, резкими, насыщенными, сочными, металлическими, стеклянными; применяются и собственно слуховые определения (например, звонкие, глухие, шумные). В строго научном отношении обоснованная типология тембра ещё не сложилась. Установлено, что тембровый слух имеет зонную природу. Тембр используется как важное средство музыкальной выразительности: при помощи тембра можно выделить тот или иной компонент музыкального целого, усилить или ослабить контрасты; изменение тембров — один из элементов музыкальной драматургии.

Это заключение является частным случаем общей математической теоремы, которую доказал в 1822 г. Жан Батист Фурье. Теорема Фурье гласит: всякое периодическое колебание периода Т может быть представлено в виде суммы гармонических колебаний с периодами, равными Т, T/2, T/3, T/4 и т.д., т.е. с частотами n=(1/T), 2n, 3n, 4n и т.д. Наиболее низкая частота n называется основной частотой. Колебание с основной частотой n называется первой гармоникой или основным тоном (тоном), а колебания с частотами 2n, 3n, 4n и т.д. называются высшими гармониками или обертонами (первым - 2n, вторым - 3n и т.д.). Тональная высота харакеризует восприятие изменения высоты тона в пределах октавы, а спектральная - особенности восприятия звуков как низких или высоких на всей шкале слышимых сигналов. Синтезируя тестовые звуки специальным образом, т. е. манипулируя соотношением амплитуд спектральных составляющих в сложном звуке, Ж. Риссе попытался экспериментально разделить эти компоненты восприятия высоты. Так, например, при постепенном увеличении амплитуды высокочастотных составляющих в спектре звука возникает впечатление возрастания общей высоты звучания. При этом абсолютная (тональная) высота звука остается в пределах октавы неизменной. Автор предполагает, что анализ этих двух типов высоты осуществляется различными механизмами. Возможно, это связано со специализацией деятельности двух полушарий головного мозга при восприятии сложного звука   Восприятие высоты оказалось сложно связано не только со спектром сигнала, но также и с темпом повторяющихся звуков. Так, при замедлении темпа звучаний, неизменных по спектру, возникает впечатление постепенного уменьшения высоты предъявляемых звуков. Это достаточно типичный пример того, что при анализе восприятия нельзя рассматривать воздействия как изолированные во времени и в пространстве явления, даже если при их физическом описании удается пренебречь возможной связью между различными элементами воздействия.

Главный вывод, сделанный в работе Ж. Риссе, заключается в том, что при восприятии сложного звука связь между изменениями физической частоты сигнала и воспринимаемой высотой может быть совершенно неожиданной; т. е. воспринимаемая высота не так жестко зависит от физической частоты, как это следует из классических психоакустических исследований. Автор придерживается мнения, согласно которому в основе восприятия звука лежит восприятие тембра, а высота является одним из измерений этого более целостного качества. Детальный анализ различий в представлениях о высоте и тембре звука дается в работе Ж. Риссе . Проведя анализ существующих определений тембра и найдя эти определения явно недостаточными для объяснения многих феноменов слухового восприятия, он пытается выявить специфические особенности восприятия тембра и высоты сложных звуков. Разводя понятия высоты и тембра звука, Ж. Риссе предполагает следующие объективные основания этих качеств: составляющие спектра сложного периодического звука имеют некоторое распределение; высота характеризует фокусировку этого распределения, а тембр - распределение в целом. В то же время представления о тембре как о субъективном качестве, отражающем частотный спектр звучания, явно не достаточно. Ведь человек легко распознает тембр звуков несмотря на многочисленные искажения в спектре сигнала, возникающие, например, при плохом качестве звуковоспроизводящей аппаратуры. Кроме того, спектр звука подвержен многообразным изменениям даже в процессе прохождения от источника до слушателя (в воздухе). Точно так же спектр связан с направленностью излучения звука: звуковое поле, например, музыкальных инструментов анизотропно, т. е. при движении вокруг инструмента спектр поступающих звуков сильно изменяется. Однако все эти изменения не мешают адекватному восприятию звука (как предметного звука конкретного источника). Так же не мешают правильно воспринимать тембр звучания многочисленные отраженные звуки - реверберация, изменяющие до неузнаваемости спектр приходящего звука.

В то же время достатотчно сменить направление движения магнитофонной ленты, на которой записаны звуки рояля, чтобы сделать тембр звучания совершенно неузнаваемым, несмотря на то, что спектральные компоненты остаются прежними, т. е. для восприятия тембра оказываются весьма существенными временные характеристики процесса звучания. В целом ряде исследований показано, что для создания тембра звука, соответствующего заданному, важно не столько сохранить величину того или иного параметра, сколько обеспечить сохранение взаимосвязи между разными параметрами. Именно эта информация является наиболее важной для человека, характеризующей состояние окружающей среды. Ж. Риссе выявил в своей работе, что как раз тембр обеспечивает возможность узнавания источника звука (т. е. его опредмечивание), а также правильной ориентировки в пространстве звуков. Что касается особенностей восприятия высоты, то здесь существенно влияние контекста звуков и опыта человека на оценку параметров звучания конкретного сигнала. Даже в простейшем случае восприятия высоты не осуществляется пассивно: это восприятие связано как с различными признаками, характеризующими природу сигнала, так и с состоянием индивида и его "историей". Музыкант оценивает отношения между высотами, вырабатывая (обычно бессознательно) стратегии оценок в соответствии со своим образованием. Так, представитель "западной" цивилизации пытается привести в соответствие с хроматической гаммой звуковые интервалы, созданные на "востоке", принципы формирования которых подчиняются иным пропорциям. При этом в зависимости от контекста одни и те же физические воздействия могут вызывать различные стратегии идентификации интервала. Тембр же звука как более целостная его характеристика гораздо менее зависит от контекста звучаний, а в большей степени определяется особенностями прошлого опыта индивида по восприятию натуральных звуков.

Исследованию натуральных тембров звучаний посвящено множество работ. Особый интерес к этой области исследований связан с развитием средств электронного синтеза звуков. Для создания искусственных звучаний, по своим характеристикам сходным с натуральными звуками, необходимо выявить систему физических характеристик натурального звука, которая обеспечивает определенный образ восприятия звука. Поэтому много работ было направлено на изучение параметров натуральных звуков (как правило, музыкальных инструментов). В русле этих работ проведено исследование Д. Моррила , показавшее недостаточность существующих описаний физических характеристик натуральных звуков для синтеза аналогичных сигналов. Так, обнаружилось, что даже если тембр одиночного синтезированного звука воспринимается как совершенно идентичный тембру натурального музыкального инструмента, то эти же звуки, скомбинированные во фразу или в мелодию, уверенно воспринимаются как искусственные. Проведя исследование натуральных звуков, получаемых при игре на трубе, Д. Моррил обнаружил существование важных динамических нюансов звучаний при исполнении мелодии, отличных от звучаний отдельно воспроизводимых нот. Введя в программу синтеза обнаруженные динамические параметры, такие, как максимальная амплитуда музыкальной фразы, длительность каждой ноты и особенности изменения огибающей сигнала при игре музыканта, ему удалось создать синтетические музыкальные фразы, достаточно сходные по тембру звучания с натуральными звуками.Исследование пространства тембров музыкальных звуков с целью выявления необходимой для их синтеза структуры проведено также в работе Д. Вессела Автор использовал данные, полученные при субъективном шкалировании параметров звукового объекта для создания компьютерных программ синтеза музыкальных звуков заданного тембра. Позднее Д. Вессел и Ж. Риссе обобщили результаты проведенных ими исследований, предложив описание процессов восприятия тембра на основании разработанных ими моделей синтеза звуков.