Особенности речевых звучаний
Речевой аппарат человека имеет сложное устройство. Его голо-
совые связки под воздействием потока воздуха, идущего из легких,
создают периодические колебания звуковой частоты. Увеличивая
или уменьшая напряженность, длину и толщину связок, человек
может влиять на частоту возбуждаемых колебаний. Так созданные
колебания, проходя через изменяющиеся по фэрме и размерам по-
лости рта, носа, носоглотки, преобразуются в элементарные сигна-
лы.,
В русском, язык0 имеется несколько десятков простейших рече-
вых сигналов — фонем, из которых складывается множество звуков,
слогов, слов и фраз, определяющих все многообразие языка. Одни
звуки речи, обозначаемые гласными и согласными буквами (э, у,
ш, г и др.), состоят из одной, другие (е, ё, ю, я) —из двух фонем
(йэ, ив», йу, йа). , .
Встречаемость различных звуков в русской речи очень неодина-
кова. Из гласных чаще всего встречаются а, и, о, из согласных — и,
ту с. При этом вероятность появления в речи гласных а, и в 6-г-
10 раз больше, чем гласных у, э, а согласных тут*-—в Ю-г-70 раз
больше, чем ч или- ф.
Таким образом, речевой аппарат является акустической систе-
мой, состоящей из звукообразующего элемента (голосовых связок)
и ряда резонаторов с изменяющимися параметрами. Его упрощен-
> ная модель показана на рис. 2.1.
 |
Речь же, воспроизводимая этой
системой, представляет собой
Крайне сложное явление. Речевые»
сигналы являются нерегулярны-
| Ряс. 2.1. Механическая (а) и электриче- ская (б) модели речевого аппарата |
ми, и их особенности выражаются
тремя видами характеристик. Фо-
нетические характеристики опре-
деляют звуковой состав . речи.
Главная из них — частость встре-
чаемости различных звуков и их.
сочетаний. Фонетическая организация речи зависит также от удар-
ных и безударных звуков, мелодических интонаций, временных и
динамических характеристик речи. Акустические характеристики
определяют такие чисто физические параметры речевых сигналов,
как их мощность^ динамический и частотный диапазоны, формант-
ный состав, направленные свойства, длительность и др. Информаци-
онные характеристики позволяют разделить речевую информацию
на сигнальную, семантическую и эстетическую. Сигнальная инфор^
мация дает возможность опознать источник звука или определить
направление на него (выкрик) .Семантическая (смысловая) — пере-
дает содержание речи, заложенную в нее мысль. Эстетическая—
отражает эмоциональные переживания говорящего человека.
Использование электрического тракта для передачи, речевых
сигналов часто приводит к заметной трансформации их акустичес-
ких характеристик. Это не только снижает общее качество зву-
чания, но и сказывается на фонетических характеристиках речи,
изменяя характер мелодических интонаций и даже лексическое
значение звука. Изменение акустических характеристик сигнала
влияет и на информативные показатели речи, делая ее недостаточ-
но разборчивой и мало выразительной. Все это заставляет прежде
всего рассмотреть акустические характеристики речевых сигналов.
Мощность, динамический диапазон. Измерения показывают,
что звуки речи очень отличаются по мощности. Так, для гласных
звуков средняя мощность составляет 700 мкВт, т'огда как для со-
гласных она приближается к 0,7 мкВт. Такое^ большое различие в
мощностях гласных и согласных (30 дБ) приводит к снижению раз-
борчивости речи. Снижению способствует еще и то, что наибольшую
смысловую информацию в речи несут слабые согласные звуки. На-
пример, в слове «ракета» звуки р, к, т дают большее представление
о его смысле, чем звуки а\ е, а.
Средние мощности шепота, нормальной речи (при уровне интен-
сивности 50 дБ),-крика и пения соответственно близки к 0,01;
10; 1000 и 5000 мкВт. Отсюда предельный динамический диапазон
голоса составит 57 дБ, а диапазон нормальной речи — 30 дБ. Одна-
ко, учитывая практически редкие использование шепота, этот диа-
пазон для нормальной речи составляет. 25—30 дБ, а при пении (по-
прано) около 45 дБ.
Спектры и частотный диапазон. Звучание человеческого голоса
представляется в виде сигнала пилообразной формы, который кро^е
основной частоты содержит ряд гармонических составляющих. Наж-
низшая из основных частот/у отдельных людей лежит в пределах
70—450 Гц, другие располагаются выше, в связи с чем основные
частоты различных по типу голосов лежат в пределах: для баса
70-^400 Гц, баритона 110ч-440 Гц, тенора 130-^590 Гц, контраль-
то 175^780 Гц, меццо-сопрано 220-f-1050 Гц и сопрано 350-^-
1320 Гц. ,
При формировании звуков речи и пения, осуществляемом си-
стемой резонаторов речевого аппарата, подчеркиваются те или иные
группы их гармонических составляющих. Таких спектральных мак-
симумов в звуке может быть четыре и больше, однако распознава-
ние каждого звука связано с одним, двумя первыми усиленными
участками спектра, которые называются формантами. На рис. 2.2
заштрихованными полосками показано частотное размещение фор-
мантных областей ряда звуков. Кривая 1 показывает относительное
 |
Слоги соединяются в слова при помощи словесных ударений..
Единство слов в фразе достигается также ударением, сделанным на
последнем слове. Эти факторы, а также наличие пауз между слова-
ми и фразами определяют временную структуру речевых сигналов.
Рис. 2.2. Формантный состав "некоторых
звуков речи
Рис. 2.3. Спектральные кривые для
мужского (!,'8) и женского (2, 4)
голосов в нормальном (l, S) и уси-
ленном (3, 4) режимах
Рис. 2.4. Распределение динамических
уровней голоса в режимах дикторской
речи (1) и пения (2)
Рис. 2.5. Характеристики направлен-
ности речевого' аппарата
содержание формант (А %) в различных областях частотного диа-
пазона. Как видно из рис. 2.2, форманты лежат в области частот от
100 до 8000 Гц, концентрируясь в пределах 200-т-ЗООО Гц. Для глас-
ных звуков характерны форманты с дискретным спектром для со-
гласных, и особенно глухих с, ш, х — форманты со сплошным спект-
ром. Большую роль играет певческая форманта (2200-:-3200 Гц) #
характерная для хорошо натренированного голоса. Размещение
этой форманты в области наивысшей чувствительности слуха обес-
печивает повышенную громкость или «носкость» голоса.
Основные тона вместе с гармоническими составляющими, фор-
мантными и неформантными областями усиления создают полный
спектр речевого сигнала. Такие с^пектры для мужского и женского
голосов показаны "на-рис. 2.3 (кривые 1, 2). Максимальные мощнос-
ти для обоих голосов сосредоточены соответственно вблизи частоты
300 и 500 Гц, причем содержание низких частот в спектре :мужеко-
. го. больше, чем в спектре женского голоса. При усилении этих
голосов на 15 дБ (кривые 3, 4) содержание низкочастотных состав-
ляющих в спектрах заметно понижается при одновременном увели-
чении высокочастотных составляющих. С учетом такого изменения
спектра частотный диапазон для мужского голоса лежит в границах
70-ЬбООО Гц, а для женского — в границах 1504-9000 Гц.
. Временные характеристики. Длительность формант гласных зву-
ков и таких согласных, как л, м, н, р, больше, чем у согласных звон-
ких и глухих. Средняя длительность гласных составляет 150 мс с
колебанием в пределах от 120 мс (для неударных) до 210 мс (для
ударных звуков). Для согласных пределы изменения длительности
звуков еще больше и составляют 140-т-ЗОО мс.
Темп произношения слов и длительность пауз зависят от особен-
ностей языка, типа передачи и индивидуальных данных исполните-
ля. На общем темпе сказывается и то, что в помещении каждая
пауза сопровождается затуханием одного сигнала и нарастанием
следующего. Семантические паузы в программе Центрального ра-
диовещания занимают около 5% общего времени передачи. Дли-
тельность же их очень неодинакова. Паузы в 50-7-150 мс составля-
ют 44%, а до 300 мс — 15% от их общей долготы.
• Р (t\
Зависимости уровня текущей мощности N (t) = 10 lg ——
. * макс
от доли времени J!t, которая приходится на звучание данного уров-
- to ' • .
ня для дикторской речи и пения (кривые 1, 2 на рис. 2.4), показы-
,вают, что при дикторском чтении доля времени, приходящаяся на
тихие звучания, например с,уровнем 15 дБ, в 4-г-5 раз меньше^
:чем при пении. Это означает, что речевые сигналы в режиме пения
во времени более динамичны.
Пространственные характеристики. Дифракция звука вокруг
головы заметно сказывается на характеристиках, направленности
человеческого голоса. Это подтверждается кривыми, построенными
в горизонтальной и вертикальной плоскостях (рис. 2.5, а и б). Изме-
нение горизонтального угла приема в пределах^ ±45° и дальше'
до ±90° приводит к относительному уменьшению уровня высокочас-
тотных составляющих сигнала соответственно на З-т-5 и 6-ь8 дБ^
Несколько меньше на передачу высокочастотных-составляющих ре-
чевого сигнала влияет изменение угла в вертикальной плоскости*
_ (рис. 2.5, б). Кроме того, в этом случае относительное изменение-
уровней высокочастотных сигналов при одинаковом изменении уг-
да в положительном направлении заметно больше, чем в отрица-
тельном. Частотный спектр сигнала в различных направлениях от
его источника претерпевает изменение, связанное со все более за-
метным уменьшением уровня гармонических составляющих по ме-
ре повышения их частоты.
Таким образом, речевой аппарат, будучи сложной системой, опре-
деляет не только громкость, тональность, тембр речевого звучания,
но и сильно влияет на фонетические и информационные его пока-
затели.
2.3. Акустические характеристики струнных
музыкальных инструментов
Струнные музыкальные инструменты представляют собой акус-
тические системы, в которых звукообразующими элементами (ви-
браторами) являются туго натянутые струны, а резонаторами — де-
ки и объем корпуса инструмента. По методу возбуждения вибрато-
ров они делятся па смычковые (скрипка, виолончель и др.), щип-
ковые (арфа, гитара и др.) и ударные (фортепьяно и др.)'.
Смычковые инструменты. Эти инструменты обладают средней
мощностью. Для скрипки она изменяется"от 0,06 до 900 мкВт. Мак-
симальный уровень звукового сигнала этого инструмента достигает
75 дБ, а минимальный — 35 дБ. Отсюда динамический диапазон его
составляет 40 дБ. Наименьший диапазон из инструментов этой
группы имеет контрабас, для которого он равен 35 дБ.
Как известно, решение уравнения одномерной колебательной си-
стемы (струны) имеет вид:
 |
(2.1)
| Из него следует, что колебания струны гармонических колебаний, амплитуды |
 |
складываются из суммы п
| правлении длины струны изменяются по закону Частоты этих колебаний . |
которых в на-
стоячей волны.
 |
(2.2)
зависят от плотности материала — р, длины — /, диаметра — d и
силы натяжения — t струны. Путем подбора этих параметров каж-
дую из четырех с/грун скрипки настраивают соответственно на
частоты 196, 294, 440 и 659 Гц. Кроме того, уменьшение длины
струны путем прижатия ее к грифу позволяет получить более вы-
сокие основные тона. В результате этого все они располагаются в
частотной области от 196 до ^200 Гц, а вместе с гармоническими со-
ставляющими частотный диапазон скрипки расширяется, как это
видно из рис. 2.6, до 8000 -*-10 000 Гц. При возбуждении струн
смычком создаются пилообразные колебания почти постоянной18
амплитуды, происходит перераспределение амплитуд и частот, со-
ставляющих звучание.
 |
Воздействие резонатора сказывается в подчеркивании некоторых
частотных областей. Эти области (форманты) для скрипки лежат
вблизи частот 400, 800 и в полосах 2000-f-2600 и 3000-4-4000 Гц.
По мере смещения главной форманты к частоте 4000 Гц качество
| Рис. 2.7. Спектры первых струн скрип- ки (1, 1' )и виолончели (2, 2') |
Рис. 2.6. Обобщенные спектральные кри-
вые звучания контрабаса (1), виолонче-
ли (2),^скрипки (3), арфы (4), форте-
пиано (5), челесты (6)
звучания скрипки возрастает до наивысшего. Все это приводит к
усложнению частотных спектров струн скрипки (рис. 2.7), с чем
связаны богатство тембра, певучесть и звучность этого инструмента.
Основные частоты альта и виолончели соответственно ниже
скрипичных на квинту и на октаву с квинтой, в связи с чем для
первого из инструментов равны 131, 196, 294 и 440 Гц, а для второ-
го— 65, 98, 147 и 220 Гц. При сравнении огибающих частотных
спектров, струн скрипки и виолончели (см. рис. 2.7) обнаруживает-
ся, что последние из них более спокойны. .Однако и они имеют фор-
мантные выбросы и в области частот 250 -г- 300, 400-=-500 и 1500 Гц.
Общие^ частотные диапазоны альта и виолончели укладываются в
пределах 131-^9000 и 65-7-8000 Гц* (см. рис. 2.6). В отличие от них
основные частоты контрабаса еще более смещены в низкочастотную
область и равны 41Г 56, 73 и 98 Гц. Звучание этого инструмента
богато обертонами в низкочастотной области и сравнительно бед-
но — в высокочастотной. Форманты лежат в полосах 70-7-250 и 400-т-
500 Гц, а полный диапазон занимает область от 41 до 5000 Гц.
Длительность непрерывного звучания струн, возбуждаемых дви-
жением смычка, зависит от характера музыкального произведения
и метода звукоизвлечения. Так, при игре «легато» эта длительность
может достигать З-т-5 с, тогда как при игре «пиццикато» создается
пульсирующее звучание с длительностью отдельных импульсов око-
ло 0,2 с. Разнообразие методов звукоизвлечения заметно влияет и
на время возникновения (атаки) звуков смычковых инструментов,
которое изменяется в пределах 154-500 мс. Интересно, что тембр
звучания скрипки определяется не только составом обертонов, но
•;• 19
еще и тем, что во время атаки наиболее высокие из них (5, 4) и
вслед за ними низкие - (3, 2) заметно опережают звучание основного
тона (рис. 2.8). Х_
 |
Для смычковых инструйентов характерна ярко выраженная не-
равномерность пространственного распределения излучдемой ими
энергии. В направлении, совпадающем с нормалью к резонаторным
для гитары (рис. 2.10) границы у частот 70 и 9000 Гц, причем чийе-
ло формант, расположенных в области низких и средних частот, не-
велико. Основная из них совпадает с резонансной частотой объема
V воздуха в корпусе. Рассматривая- корпус, как резонатор Гельм-
Рис. .2.10. Спектры звучания струн ги-
тары (1, S) л банджо (3, 4)
| Рис. 2.8. Опережающее возникновение обертонов скрипки. Основной тон (1) — /,-435 Гц. |
Рис. 2.9. Характеристики на-
правленности звучания скрип-
ки при частоте основного тона •
500 Гц (1), 2000 Гц (2) и
4000 Гц (3)
отверстиям деки (эфы), уровень сигнала наибольший. При измене-
нии же угла вправо и; влево от нормали уровень сигнала заметно
падает. Степень падения, как видно из характеристик направленнос-
ти скрипки (рис. 2.9), зависит от частоты сигнала и маскирующего
влияния тела исполнителя. Очевидно, направленные свойства альта,
виолончели и особенно контрабаса будут менее ярко выраженными,
так как их частотные спектры значительно смещены в сторону низ-
ких частот. .
Щипковые инструменты делят на группы грифовых и безгрифо-
4ых. У инструментов первой группы (гитара, мандолина и др.)
каждая струна в зажатом состоянии создает ряд основных тонов, а
все струны (З-т-7) вместе обеспечивают достаточно широкий частот-
ный диапазон. К второй группе относятся инструменты, струны ко-
торых не изменяются по длине в процессе игры (арфа, цитра), по-
этому для создания звучаний в широком частотном диапазоне число
«струн у них должно быть большим.
Струны инструментов этого типа при возбуждении их щипком
совершают собственные затухающие колебания. Мощность таких
колебаний невелика, а уровни тихих и громких звучаний равны
•42 и 56 дБ. J3oT почему динамический диапазон этих инструментов
зне превышает 20 дБ. Особенно он мал у арфы, для которой ис-
пользуются струны малой массы и резонатор небольших размеров.
Струны гитары.настраивают на частоты 73, 98,, 124, 146, 196,
246, 294 Гц. Путем укорочения их можно получить ряд основных то-
нов до 1200 Гц4. Общий же частотный диапазон с обертонами, имеет
2Q
Рис. 2.11. Спектры звучания струн арфы при.
щипке на '/2 (о) и V» (б) их длины
Рис. 2.11. Спектры звучания струн арфы при.
щипке на '/2 (о) и Ч» (б) их длины - . ' • '
гольца без горловины, эту частоту можно определить по известной
формуле: " • • . ,.
 |
(2-3)
где г — радиус отверстия резонатора, м; А — толщина деки, мм;
cq — скорость распространения зву;ка в воздухе, м/с.
Различие в характере щипка (мякотью пальцев, ногтями или'
медиатором) приводит к изменению частотного состава звучания.
При щипке с помощью ногтей или медиатора атака получается бо-
лее жесткой, а звуковой сигнал приобретает дополнительное число
гармонических составляющих. Как видно из сравнения огибающих
спектров струн банджо, возбуждаемых медиатором, и струн гита-
ры, возбуждаемых мякотью пальцев (рис. 2.10), в первом случае
не только увеличивается содержание обертонов, но и появляются:
шумовые призвуки (заштрихованная зона). Влияние выбора точки
приложения силы очень заметно на примере арфы. На рис. 2.11 по-
казаны спектры ее струн С (131 Гц), С\ (262 Гц), С2 (523 Гц) и
Сз (1047 Гц) при возбуждении их на середине (а) и на */з длины
(б). В первом случае с, пучностью смещения основной частоты сов-
падают пучности нечетных гармонических составляющих, имеющих:
сравнительно малые амплитуды, тогда как во втором — такое совпа-
дение имеет место для четных более сильных и ярких гармоник,,
что заметно обогащает спектр. Вообще же амплитуды гармоничес-
ких составляющих звучания арфы малы, потому что резонатор ра-
ботает малоэффективно. Ее единственная форманта вблизи частоты
250 Гц заметно маскируется шумами. Из рис. 2.6. следует, что из-
лучаемая арфой энергия сосредоточивается в области 100 -г-
1250 Гц, а ее общий частотный диапазон укладывается в пределах:
36-7-15000 Гц.;
Щипковые инструменты создают ряд импульсных свободно зату-
хающих сигналов, следующих друг за другом. Время нарастания
сигнала невелико,. оно, как и время затухания, зависит от силы
щипка, толщины и длины струны. Уменьшение этих параметров со-
кращает время послезвучания, что особенно характерно для звуков
высокого регистра.
Струнные ударные инструменты. Наиболее часто используемый?
инструмент с ударным методом возбуждения струн — фортепиано.
Будучи безгрифовым, этот инструмент для создания широкого зву-
коряда .должен иметь большое количество струш
Сила звука струн невелика и все уменьшается по мере повыше-
ния частоты собственных колебаний. Чтобы выравнить интенсив-
ность звука по всему частотному диапазону, звуковые колебания
первых Ю-г-12 низких тонов создаются одиночными струнами, сле-
дующие 14-7-16 — двойными, а все остальные — тройными в унисож
настроенными струнами. Для усиления сигналов под струнами раз-
мещается резонансная дека, обладающая большим числом собствен-
ных частот. Эти меры, а также большая масса низкочастотных струне
позволяют при большой силе удара повысить уровни тонов с часто-
тами ниже 500-т-600 Гц до 80-7-85 дБ (ff), тогда как наименьший
уровень, характерный для высокочастотных тонов, цё превышает
35-7-37 дБ (рр). Следовательно, динамический диапазон этого ин-
струмента достигает 45-Г-50 дБ. Такого широкого диапазона не име-
ет ни один из существующих музыкальных инструментов.
Фортепиано позволяет извлекать 88 основных тонов. Самый
низкий из них имеет частоту 27,5 Гц (ля субконтроктавы). Часто-
ты всех последующих звуков увеличиваются в 1,059 (на полтона)
или в 1,122 (на тон) раза. Учитывая это, самый высокий из основ-
ных звуков имеет частоту 4186 Гц (до пятой октавы). Частоты и
амплитуды гармонических составляющих, так же как и основных,
тонов, зависят от материала и размеров струн и силы их натяжения,
места, длительности и силы удара молоточков по струне. Наиболь-
шее число этих составляющих сосредоточивается в области низких
частот и усиливается резонатором особенно в пределах 100-г-
1200 Гц, Это видно по кривой 5 рис. 2.6, которая позволяет считать,
что частотный диапазон фортепиано лежит в интервале частот
284-6000 Гц.
 |
| Рис. 2.12. Характеристики на- правленности фортепиано |
Временные процессы для фортепиано имеют важное значение.
Нарастание уровня звука при ударе молоточка по струне и почти
сразу же следующее за ним затухание
влияют на изменение частотного соста-
ва звучания и придают ему новые каче-
ственные особенности. Так, короткое
время нарастания, равное примерно
10 мс для высокочастотных и 20 мс
для низкочастотных сигналов, обеспе-
чивает , большую четкость и раздели-
мость отдельных тонов в музыкальных
пассажах. Длительный процесс затуха-
ния, достигающий из-за большой массы
струны многих секунд, делает звучание
фортепиано близким по мелодичности
к стационарному звучанию скрипки.
Учитывая, что быстрее всего затухают
слабые высокочастотные составляющие, обогащенный обертонами
сигнал к концу процесса принимает вид гармонического. Время по-
слезвучания можно регулировать с помощью педали.
Особое расположение струн и деки, форма корпуса фортепиано,
наличие верхней крышки, отражающей звуковые волны, придают его
характеристикам направленности специфический вид. Как следует
из рис. 2.12, на котором показаны эти характеристики для сигналов
с основными частотами 130 Гц (до малой октавы) и 880 Гц (ля вто-
рой ^октавы), их интенсивности, будучи максимальными в направ-
лении клавиатуры и узкого закругленного конца инструмента, рас-
пределяются крайне неравномерно. Эта неравномерность зависит от
частоты основного сигнала.
2.4. Акустические характеристики духовых
музыкальных инструментов
В духовых инструментах звукообразующим элементом является
объем воздуха, заключенного в трубе и совершающего колебания
под воздействием воздушной струи, вдуваемой через отверстие. Уси-
ление потока вдуваемого воздуха (передувание) вызывает повыше-
ние частоты колебаний. Изменить частоту сигнала можно еще пу-
тем изменения мензуры — отношения диаметра трубы к ее длине.
^ флейты это достигается изменением ее эффективной длины пу-
тем открытия и закрытия боковых отверстий, у органа же— сме-
ной труб, различающихся по длине или диаметру. По способу воз-
буждения духовые инструменты делят на-три группы.
Дульцевые-(лабиальные), в которых возбуждение звуковых ко*-
лебаний происходит при ударе вдуваемого потока воздуха о края
отверстия, имеющегося в трубе (флейты, органные трубы).
Язычковые (тростевые), звук в которых возбуждается благодаря
периодическому колебанию одной-двух пластинок, перекрывающих
отверстие для вдувания воздуха {кларнет, гобой и др.).
Язычковые с амбушюром, в которых роль пластинок выполняют
губы исполнителя, прижатые к мундштуку (труба, валторна и др.).
Как известно, в трубе при передувании возникает ряд стоячих
волн с пучностями колебательной скорости в ее начале. Если труба
закрытая, то в конце всегда будут узлы колебательной скорости,
если открытая, то пучности. Это возможн^ только когда- на длине
трубы / укладывается соответственно нечетное или четное число-
четвертей ДЛИНЫ ВОЛНЫ Яп, Т. 6. При
 |
(2.4)
 |
(2.5)
 |
него звуки очень большой длительности. Это придает его звучанию
исключительную певучесть. Так как трубы у органа много больше,
чем у флейты, процесс нарастания сигнала в них протекает мед-
леннее и занимает время до §00 мс, что видно из рис. 2.14, на кото-
ром показаны кривые нарастания сигнала основной частоты
(131 Гц) и трех его гармоник '(кривые 1, 2, 3 и 4). Замедленный
Дульцевые инструменты, Флейты и некоторые из труб органа
относятся к группе открытых труб этого типа. Как видно из равен-
ства (2.5), их основной тон будет в два раза (на октаву) выше, чем
у закрытых труб такой же длины, а возникающие обертоны будут
как четными, так и нечетными.
Уровни наименьших и наибольших сигналов большой флейты
на средних частотах составляют соответственно 50 дБ (рр) и
85 дБ (//). Следовательно, в этой области частот динамический диа-
пазон флейты равен 35 дБ, а амплитуда звукового давления, изме-
няется в 50 раз. На низких и высоких частотах вследствие повыше-
ния наименьшего уровня диапазон суживается до 20 дБ. У флей-
ты-пикколо по этой же причине диапазон на высоких, частотах
уменьшается до 15 дБ. Более широкий динамический диапазон,
равный 35 дБ, характерен для органа.
Основные тоны звукоряда большой флейты лежат в пределах
286-ь 1200 Гц, а флейты-пикколо — в -пределах 576^-2500 Гц.
Огибающие спектров ряда .основных звуков этих инструментов, при-
веденные на рис. 2.13, показывают малое содержание в них гармо-
нических составляющих, вместе с которыми диапазоны расширяют-
ся соответственно до частот 9000 и 12000Гц. Низкочастотные
трубы органа, имеющие по сравнению с флейтой большую длину и
мензуру (порядка ОД), создают звучания очень низкой частоты, на-
чиная с 16 Гц. Спектр их не очень богат, однако, управляя регист-
рами, его можно изменять. Верхняя граница диапазона— 16000 Гц.
Процесс нарастания низко- и среднечастотных сигналов, созда-
ваемых флейтой, занимает около 50 мс, и, так как запас воздуха в
легких исполнителя мал, длительность нарастания сказывается на
длительности следующего за ним стационарного сигнала. Большой
запас воздуха, подаваемого к трубам оргайа, позволяет извлекать из
24 .
| Рис. 2.14. Время установления ос- новного тона и обертонов органа |
Рис. 2.13. Спектральные кривые флейты
(а) и флейты-пикколо (б) для тонов
285 Гц U), 576 Гц (2), 1150 Гц (*, 4),
2300 Гц (5) ,
темп нарастания сигнала украшает звучание органа, а подключение
к трубам различных резонансных систем еще и разнообразит этот
процесс как по амплитудам сигнала, так и по времени возникнове-
ния его частотных составляющих. В этом легко убедиться при срав-
нении групп кривых 1, 2, В, 4 и 1а, 2а, За, 4а (рис. 2.14), каждая
из которых построена для случая использования одного* из резона-
торов (тонального или регистрового). Кроме того, переходные про-
цессы органа, складываясь с реверберационным процессом зала,
придают звучанию инструмента особую выразительность. Это .объяс-
няет, почему для хорошего звучания органа необходимо помещение
со значительным временем реверберации.
Язычковые инструменты. К ним относятся одноязычковые (клар-
нет и Ьаксофон) и двухъязычковые (гобой, фагот и некоторые дру-
гие).
Кларнет на средних частотах (500-7-1000 Гц) способен, создавать
звуки, едва поднимающиеся над уровнем собственного шума зала.
Самые же громкие его звуки превышают тихие на 48 дБ. Такой
широкий динамический диапазон выделяет кларнет из* всей группы,
так как для саксофона он не более 38 дБ, а для гобоя и фагота
равен только 30 дБ.
Из-за большой длины трубы кларнет на низких частотах ведет
себя почти как закрытая труба. Это проявляется в подчеркнутоеш
нечетных гармонических составляющих. Большое число голосовых
отверстий (до 23) и возможность передувания позволяют возбудить
на нем ряд тонов, которые вместе с гармоническими составляющими
лежат в широком диапазоне от 140 до 9000 Гц. Гобой и фагот
обладают большим числом четных и нечетных составляющих, сосре-
доточенных в низкочастотной области. Как показывают кривые
рис. 2.15, для первого из них характерны две форманты вблизи
частот 1100 и 3200 Гц. Для второго сильные форманты располага-
ются у частот 500 и 1500 Гц. Полный частотный диапазон для гобоя
 |
укладывается в пределах 230 Ч-
-7-8500 Гц, для фагота — в пре-
делах 604-2500 Гц.
| Рис. 2.15. Спектральные кривые звуча- ний гобоя (а) для основных тонов 240 (J), 435 (г), 1365 Гц (3) и фагота (б) Для'тонов 64 (1), 128 (2), 512 Гц (3) |
Для кларнета — инструмен-
та с малым объемом воздуха —
время нарастания сигнала при
острой атаке на всех частотах ^
почти одинаково и равно 15 -f-
-f-20 мс, при мягкой атаке оно
возрастает до 50 мс. Для гобоя
и фагота., имеющих большие
объемы, нарастание при ост-
рой и мягкой атаке на низких
частотах длится соответственно
20 и 100 мс, на высоких же —
в два раза меньше. Такая дли-
тельность переходных процес-
сов не позволяет получать при игре быстрое и четкое чередования
отдельных тОнов.
Язычковые инструменты с амбушюром. Эта группа инструмен-
тов отличается от предыдущей большой массой и гибкостью
«язычков», роль которых выполняют губы музыканта, малой мензу-
рой и, главное, наличием небольшого резонатора. Таким резонато-
ром является амбушюр (мундпггук). Чашкообразный мундштук,
применяемый при игре на трубе и тромбоне, подчеркивает высоко-
частотные составляющие, а воронкообразный, как у валторны, ослаб-
ляет их. Применение дополнительных резонаторов (сурдин) еще
больше изменяет спектр, внося новые форманты;
Уровни интенсивности трубы на низких частотах изменяются от
53 дБ до 88 дБ. На высоких частотах изменения меньше, и дина-
мический диапазон сокращается с 35 дБ до 15 дБ. У валторны ди-
намический диапазон больше. Для низкочастотных сигналов он
равен 40 дБ, а для высокочастотных — 20 дБ. Для тромбона воз-
можно изменение амплитуды звукового давления в 60 раз, что от-
вечает динамическому .диапазону в 36 дБ. Самый большой динами-
. ческий диапазон, около 42 дБ, характерен для трубы; и, так как ее
спектр заметно смещен в низкочастотную область, этот диапазон
мало зависит от частоты.
У трубы, как и у любого другого открытого инструмента, измене-
ние эффективной длины и скорости воздушного потока приводит к
созданию ряда основных тонов. У обычной трубы эти сигналы ле-
жат в границах 230-7-1180 Гц. Наличие в ее спектре 25 гармоничес-
ких составляющих расширяет частотный диапазон до 9000 Гц.
 |
Валторна позволяет извлекать основные тоны, частоты которых
лежат в пределах 55-7-700 Гц (рис. 2.16,а). Около десяти ее оберто-
нов располагаются вблизи частоты 800 Гц. Такая бедность высоко-
частотных составляющих связана с конусообразной формой мунд-
жптука. Правда, частотный спектр валторны сильно зависит от уров-
| Рис. 2.17. Время установления основно-, го тона (1) и обертонов (2—S) для тру- бы |
Рис. 2.16. Спектральные кривые звучаний
валторны для тонов 80, 240, 288 и 426 Гц
(1, г, 8, 4) (а) и ее полный спектр (б)
при различных уровнях (рр, mf и Я)
«сигнала
ня сигнала (рис. 2.16, б). Когда уровень мал (рр), спектр получает-
ся редким и заканчивается у частоты 2000 Гц. При среднем уровне.
{mf) диапазон расширяется до 4000-^-5000 Гц, а при наибольшем
М-до 7000 Гц, •
Основные тоны тромбона лежат*в пределах между частотами 50
и 580 Гц. Он имеет много обертонов (до'40), первые 20 из которых
очень велики по амплитуде. Его частотный диапазон вместе с обер-
тонами занимает область 50-7-8000 Гц. Спектр трубы много беднее.
Ряд ее основных тонов начинается частотой 33 Гц и кончается —
320 Гц, а-12-7-15 обертонов размещаются в области до 4000 Гц, при-
чем нечетные составляющие выражены более ярко, ;чем четные.
Время жесткой атаки для трубы (рис. 2.17) 'равно примерно
10-7-20 мс. Как можно заметить, сравнивая кривые этого рисунка с
кривыми рис. 2.8, полученными для скрипки, возникновение гар-
моник у трубы происходит не с опережением основного тона, а
вслед за ним. Длительность процесса нарастания для всех гармо-
ник одинакова, кроме третьей, для которой она в 2—3 раза боль-
ше. Для валторны процесс нарастания при мягкой атаке занимает
50 мс, что снижает ритмическую четкость звучания этого инстру-
мента. Переходные процессы для тромбона и трубы очень похожи,
но время нарастания сигнала у тромбона несколько больше и со-
ставляет 20 мс. '
Голосовой аппарат человека в режиме пения во многом сходен
с музыкальными духовыми инструментами. В нем подача воздуха
осуществляется так же, как у органа, а способ' возбуждения колеба-
ний такой же, как у язычковых инструментов с амбушюром. Управ-
 |
| а частота колебаний определится равенством: |
дение интенсивностью и частотой сигнала происходит также путем
- изменения ряда физических параметров, осуществляемого, правде,
под психофизиологическим воздействием.
Частотный спектр голоса у рядового и опытного певца очень
неодинаков. Если у первого из них спектральная кривая быстро
спадает после частоты 20004-3000 Гц, то у второго наличие сильных
 |
| Рис. 2.18. Время установления основного тона до (1) и обертонов (2, з, 4, 5,~б) • для певческого голоса |
гармонических составляющих рас-
ширяет его до 5000 и даже 7000
Гц. В спектре ярко выделяется
певческая форманта вблизи часто-
ты 20004-3000 Гц. Для голоса ха-
рактерно также специфическое
распределение гармонических со-
ставляющих в начальный период
звучания. Как видно из рис. 2.18,
одни из гармонических составляю-
щих опережают основной тон,
другие отстают от него, и время
их нарастания изменяется от 10
до 150 мс. В широких пределах*
изменяются и амплитуды гармо-
. ".. ник. Так, наиболее запаздываю-
щая третья гармоника по амплитуде оказывается в 44-5 раз больше
основного тона.
2.5. Акустические характеристики ударных *
музыкальных инструментов и шумовых источников
В инструментах ударного типа в качестве звукообразующего эле-
мента используются бруски, пластины или мембраны, а их возбуж-
дение осуществляется ударом пластин друг о друга, 1(тарелки) или
ударом колотушки (ксилофон, челеста; и др.). Очень тонкие,гибкие
пластины {мембраны) натягиваются на жесткие каркасы (литавры,
.барабаны).