Музыкальные звуки. Частота и высота

Почему звуки музыкальных инструментов так отличаются друг от друга? Инструменты бывают разных типов: ударные, духовые, по иным двигают смычком, на других перебирают струны, извлекая многообразие звуков. Но чем же характеризуется их звучание?

Частота и высота. Звучание любого инструмента вызывают, заставляя в нем что-либо колебаться, причем частота колебаний соответствует высоте звучащей ноты. Если колебания происходят чаще, то частота (число колебаний в секунду) звуковой волны увеличивается и тон звука повышается, приближаясь к дисканту. Если же частота уменьшается, тон становится ниже, т. е. ближе к басу.

Частота звука измеряется в герцах (Гц). Наше ухо в среднем воспринимает звук в диапазоне частот 20-20000 Гц. Но некоторые животные, например летучие мыши и собаки, слышат звуки в значительно более широкой полосе частот.

Сравнивая звуковые волны, создаваемые двумя изображенными камертонами, мы видим, что первый камертон (А) имеет собственную частоту, равную удвоенной частоте второго камертона (Б). Наложение их (В) дает звук (зеленая кривая), частота которого равна разности частот. Две слабо отличающиеся по частотам волны при наложении дают медленно меняющийся (пульсирующий) звук.

Каждый инструмент создает определенный набор звуков в пределах некоторого интервала частот. На самом деле каждый звук состоит не из одной частоты, а из главного тона, называемого основным, и комбинации высокочастотных тонов, именуемых гармониками. Гармоники возникают потому, что колебания объекта, вызывающего звук, происходят на нескольких частотах одновременно, и эти дополнительные частоты являются просто целыми кратными основной.

На некоторых музыкальных инструментах высокочастотные гармоники можно получать специально: на духовых -сильно дуя в них, на струнных-определенным движением пальцев, но обычно они не слышны по отдельности. Благодаря их наличию каждый звук инструмента звучит как целый хор. Гармоники вместе с основной нотой образуют звуковую волну сложной формы. Каждый инструмент порождает волну своей особой формы, поскольку относительная величина разных гармоник различна. Современный электронный музыкальный синтезатор генерирует электрические колебания различных видов: синусоидальные, треугольные и ступенчатые, а затем, комбинируя их, воспроизводит практически любые звуки.

Не все инструменты создают тон определенной высоты. Некоторые, например ненастроенные барабаны и цимбалы, излучают широкий спектр звуковых частот (шум) без какой-либо доминирующей частоты.

Формы звуковых волн флейты (А), гобоя (Б) и кларнета (В) отражают различия в звучании этих инструментов. Округлая форма волны флейты говорит о ее изысканном плавном звуке. Аналогичная форма волны кларнета, имеющая «весёлинки», отражает более пронзительный звук инструмента. Зубчатая форма волны гобоя свидетельствует о том, что его звук еще более резок. Каждая нота инструмента характеризуется основной частотой и, кроме того, целым спектром гармоник, являющихся кратными основной частоты. Например, нота «соль» в октаве, расположенной ниже среднего «до», имеет основную частоту 196 Гц гармониками 392 Гц, 588 Гц и т. д. Гармоники придают основной ноте «окраску» и вместе с ней создают звуковую волну сложной формы.

Эффект громкости. Другой характеристикой музыкальных звуков является мощность, или громкость. Композиторы широко пользуются этим свойством звуков: постепенное нарастание мощности звучания инструментов придает музыкальному произведению драматический накал. Однако резкое изменение громкости в самом начале звучания ноты также существенно отражается на характере ее восприятия. Начальные характеристики, называемые также переходными, определяют, будет ли нарастать громкость звучания ноты быстро или это займет некоторое время. Переходные характеристики сложны и включают как изменение формы волны, так и громкости издаваемого инструментом звука. Они помогают распознавать тот или иной музыкальный инструмент, и если, например, при записи игры гобоя эти характеристики искажаются, то характер издаваемого им звука может измениться настолько, что будет напоминать звук губной гармошки.

Чтобы распознать звук того или иного инструмента, необходимо слышать, как он возникает. График показывает, что, например, фортепьянная нота достигает пика громкости почти сразу после удара по клавише (А), быстро спадает, а затем постепенно затихает в течение нескольких секунд. Это придает инструменту «напористый» звук. Та же нота, извлеченная из гонга, нарастает сравнительно медленно и, хотя она имеет ту же высоту, звучит совершенно иначе. Фортепьянная музыка, проигранная на магнитофоне в обратном направлении (Б), нарастает по громкости медленно, а затем внезапно обрывается. Если начало звука фортепьяно при записи обрезать, то он будет скорее напоминать звук органа.

Два других часто используемых в музыке свойства звука-это реверберация и вибрато. Реверберация обычно придает насыщенность музыкальному звуку. Она обусловливается отражением звука от стен концертного зала или искусственно создается при звукозаписи. Вибрато представляет собой легкое дрожание тона, его любят использовать многие музыканты и певцы.

Инструменты принято объединять в семейства по признаку общей природы звучащих объектов. В струнных инструментах (скрипка, виолончель, альт, контрабас, гитара, пианино, клавикорды и клавесин) натянутые струны колеблются в результате движения смычка, перебирання их пальцами или плектром или под ударами мягкого молоточка. Длинная струна дает более низкий звук, высота звука изменяется при прижимании струны к грифу (поскольку это изменяет ее длину) или при игре на струнах разной длины. Натяжение и толщина струны тоже влияют на звук; чем сильнее натянута струна и чем она тоньше, тем выше звучание.

Виды музыкальных инструментов. Духовые инструменты издают звуки благодаря колебаниям столба воздуха в них. Так, например, играя на флейте, исполнитель дует сквозь отверстие, заставляя столб воздуха в инструменте колебаться. Нажимая на клавиши или клапаны, он изменяет высоту столба воздуха и получает ноты разной высоты. Таким путем он может, помимо основной частоты, получать также некоторые гармоники.

Ударные инструменты звучат вследствие упругих колебаний поверхности, возникающих при ударе по натянутой коже (барабан) или по твердому телу (металлический диск в тарелках). Настроенные ударные инструменты дают звук определенной высоты. К ударным относятся также виброфон и ксилофон, в которых металлические или деревянные полоски разной длины при ударе звучат на разных тонах.

Электрические инструменты преобразуют колебания струны (электрогитара) или стержня (электропианино) в электрический сигнал, который через усилитель поступает в громкоговоритель, где и создает звук. К электромузыкальным инструментам относятся электроорган и синтезатор; в них электрические сигналы требуемой формы создают специальные электрические схемы.

Резонанс является одной из важнейших особенностей музыкальных звуков. Его можно продемонстрировать, взяв бутылку и камертон. Ударьте по камертону и поднесите его к горлышку бутылки. Она может зазвучать, при этом частота звука зависит от высоты столба воздуха внутри бутылки. Ее можно «настроить», добавляя жидкость до тех пор, пока оставшееся воздушное пространство не начнет резонировать на частоте камертона. Тогда звук камертона усилится. Многие музыкальные инструменты используют резонанс. Звук скрипки или гитары значительно усиливается благодаря резонансу воздуха, заключенного внутри корпуса инструмента, имеющего строго определенную форму.