Естественные тембры источников звука. тембр и спектр

Сразу же надо условиться, что под естественным тембром мы будем понимать тот характерный признак музыкального инструмента или человеческого голоса, который своим суще­ствованием обязан только собственной акустической при­роде источника, независимо от наличия или отсутствия диффузной (реверберационной) окраски. Так, например, ши­пение рассекаемой лабиальным духовым инструментом струи воздуха или слуховое ощущение канифоли на скрипичном смычке — это объективные специфические тембральные ком­поненты.

Рис.6-1

Тембр часто ассоциируют со спектром сигнала. Напом­ним, что это понятие означает то или иное множество про­стых (тональных) колебаний, которые в своей совокупности образуют сложный акустический или электроакустический

продукт (рис. 6-1). Соответственно, ведётся речь о частот­ных компонентах спектра, и о спектральной плотнос­ти, то есть количестве частотных компонент, приходящихся на тот или иной участок спектра. Существуют попытки с по­мощью аппаратных средств, дающих изображение огибаю­щей спектральной плотности (интеграла Фурье) принимать решения по коррекции звучания. Однако, тщетно искать за­кономерные соответствия между слуховыми впечатлениями и картинкой на экране спектроанализатора, не учитывая влияния временной нестационарности звуков.

Устройство музыкального инструмента и принципиаль­ный способ звукоизвлечения характеризуют его априорный натуральный тембр. Удар молоточка по струнам фортепиа­но, щипок у арфы, резонанс воздушного столба в объёме мен­зуры или её части у духового инструмента, периодический отрыв струны от смычка и последующее их сцепление, — всё это определяет те тембральные качества, что позволяют слу­шателю уверенно отличать, скажем, тромбон от виолончели, независимо от сходных регистров, реверберационной окрас­ки, частных особенностей конструкции и индивидуальной тонкости исполнителей.

Средоточием тембральной идентификации является ата­ка звука. Не нужно обладать богатым воображением, чтобы представить себе, насколько неразличимыми могут быть, предположим, трезвучия, сыгранные в одном случае флей­тами, а в другом — на органе (в том же регистре и обраще­нии, и при равной диффузной окраске), если мысленно «от­сечь» звуковую атаку. Можно привести подобные примеры, сравнивая даже музыкальные инструменты, совершенно раз­нородные по своей акустической природе. Так, протяженные одноголосные звуки малой октавы рояля (не ниже ре) могут восприниматься, если абстрагироваться от атаки, как ана­логичные звуки кларнета (без vibrato).

Казалось бы, к чему эта софистика? Ведь, по логике ве­щей, атака звука существует, как объективная реальность, и никто не собирается от неё избавляться. Но в том-то и дело, что при определённых условиях микрофонного приёма либо электроакустической обработки атака может быть сильно нивелирована, а в совокупном звучании ансамбля или орке­стра тем более замаскирована, отчего априорный тембр утратит свою индивидуальную принадлежность. Или же, нао­борот, искусственная гипертрофия звуковой атаки превратит

в solo голос, который должен быть лишь составной частью гомофонной структуры.

С точки зрения спектрального состава электроакустичес­кого сигнала к атаке звука следует относиться как к импуль­сной составляющей с той или иной длительностью передне­го фронта. Из радиоэлектроники известно: чем быстрее нарастает импульс, тем дальше его спектр простирается в высокочастотную область. Аналогичные закономерности на­блюдаются и в психоакустике: яркие атаки звуков всегда ас­социируются у слушателей с высокочастотными спектраль­ными компонентами. Следовательно, в фонографической практике полноценная передача атаки звукоизвлечения, осо­бенно у ударных инструментов (в том числе и фортепиано) возможна только в случае отсутствия потерь сигнала на вы­соких частотах. Соответственно, любые, в том числе и искус­ственные колористические подчёркивания в этой спектраль­ной зоне приведут к усиленному слуховому ощущению звуковых атак. Так может быть создано впечатление испол­нительской активности, хотя далеко не все музыкальные и фонографические жанры располагают к такой искусственной подмене; естественные проявления всегда лучше.

Несколько меньшего внимания к высокочастотной об­ласти спектра требуют атаки духовых и смычковых струн­ных инструментов, разве что если речь не идёт о sforzando или акцентах иного рода. Однако, это вовсе не означает, что у данных источников можно вообще игнорировать вы­сокочастотные спектральные компоненты. Они несут дру­гую важную колористическую нагрузку, о чём будет сказа­но ниже.

Большое влияние на априорный тембр музыкальных ин­струментов, особенно щипковых и ударных струнных, а так­же настраиваемых или неинтонирующих ударных оказыва­ет ещё и затухание звука. Его процесс обладает такой яркой характерной зависимостью от акустического механизма, что по этой стадии даже ухо нетренированного слушателя легко отличит инструменты одного семейства от другого.

Но если попытаться взглянуть на процесс затухания с точ­ки зрения практического спектрального анализа, то одна только картина фазовой динамики частотных компонент при затухании, к примеру аккорда рояля или гитары даст понять, насколько неадекватными могут быть слуховые ощущения тембра и, казалось бы, объективные, индикации.

Заметим, что все естественные акустические явления ха­рактеризуются незначительными флуктуациями, то есть от­клонениями от закономерного течения того или иного про­цесса (см. рис.6-2). Сказанное в полной мере относится, в частности, к затуханию звука. Разумеется, редкий прибор покажет наличие этих флуктуации, хотя, в огромном ряду других причин, именно они, едва обнаруживаемые челове­ческим слухом, создают тонкое ощущение тембрального от­личия натуральных звучаний от синтезированных.

Рис. 6-2

Кроме атаки и затухания, огромную роль в темброобразо-вании играют так называемые форманты. Это — спект­ральные компоненты или более-менее явно выраженные спектральные области, обязанные своей природой наличию в конструкции инструментов (и в анатомии певцов) тех или иных акустических резонаторов.

Различают одноформантные и многоформантные музы­кальные инструменты и человеческие голоса. Локальные ана­томические или сконструированные резонаторы источников звука, в зависимости от их акустической добротности генерируют спектральную полосу той или иной ширины, иногда близкую к тону, который по своим амплитудным свой­ствам тесно коррелирован с порождающим его основным сиг­налом. В акустическом обиходе, применительно к певческим формантам существует даже такое понятие, как «артикули­рующий синус».

Многие эксперты— акустики считают, что форманты сообщают звучанию так называемую полётность. Такая

оценка в особенности справедлива по отношению к высоко­частотным или, как их называют, верхним формантам, рас­положенным, в основном, в той части спектра, где чувстви­тельность слуха повышена, следовательно, усиливается восприятие источника, будь он даже значительно удалён. Отсюда, наверное, и произошел этот ассоциативный термин: звук «летит» на большое расстояние.

Впрочем, будем осторожны с терминологическим разбо­ром. Слово «полётность» можно встретить и применительно к певческому или инструментальному vibrato, и примени­тельно к реверберационной картине. В данном контексте оно также уместно, не более.

Если лежащие за спектральными пределами основных звуков высокочастотные форманты, промодулированные главными тонами, создают колористическую энергичность, то низкочастотные, аналогичные по своей природе, но рас­положенные в той же части спектра, где ещё существуют ко­лебания основных тонов, соединяются с последними слож­ным образом, уплотняя спектр в среднечастотной зоне, и частично «перенося» его, за счёт биений, как в спектральную зону, лежащую приблизительно вдвое выше частоты нижней форманты, так и чуть ли не в инфразвуковую область. Этот перенос происходит при любых нелинейностях: тракта ли звукопередачи, свойств реверберирующего помещения или субъективной нелинейности человеческого слуха.

Когда говорят о низкочастотных формантах, то имеются в виду не только они сами, как спектральные компоненты, а результат указанной интермодуляции, сообщающей звуча­нию мягкость, теплоту, тембральную объёмность.

Множественными формантными зонами обладают струн­ные инструменты со сложной геометрией дек и корпусов. Кроме формант, частоты которых совершенно не зависят от высоты извлекаемого звука (они называются негармоничес­кими), у них существуют ещё так называемые гармоничес­кие форманты, физика которых в простейшем рассмотрении объясняется наличием широких квазирезонансных областей, возбуждающихся от тех или иных гармоник колеблющихся струн. Гармонические форманты обусловливают постоянство относительного обертонового состава акустического спектра при извлечении звуков разной высоты.

С точки зрения тембральных впечатлений негармоничес­кие форманты, например, у струнных смычковых инструмен-

тов или вокалистов, обеспечивают константное окрашивание звука в одних и тех же спектральных зонах, сообщают звуку колористическую индивидуальность, хотя внимательное про­слушивание позволяет заметить некоторую тембровую дина­мику самих формант в зависимости от высотного регистра.

Напротив, гармонические форманты, например, у роялей или хороших концертных гитар, поддерживают неизменным общий тембральный характер звучания, колористическую однородность музыкального инструмента, дополняя действие негармонических формант.

Тембр большинства духовых инструментов напрямую свя­зан с анатомическими особенностями исполнителей. Звуча­ние приобретает дополнительную окраску формантного свой­ства из-за акустического подключения резонансных полостей играющего, как это происходило бы, если бы он пел.

Резюмируя, отметим, что наличие в сигнальном спектре, наблюдаемом в течение большого промежутка времени, час­тотных зон, «изломанных» хоть немного в сравнении с сосед­ними, иными словами, нарушающих монотонность огибаю­щей спектральной плотности, в той или иной степени соответствует наличию звуковой окраски. И наоборот, устра­нение этих экстремумов приводит к обесцвечиванию звука, нивелированию тембра.

Занимаясь практическим спектроанализом, высокочас­тотные формантные области следует искать, как правило, за верхними пределами инструментальных или вокальных ди­апазонов, а низкочастотные — в тех участках спектра, где, как было сказано выше, проявляется их действие.

Дисплеи спектроанализаторов отчётливо показывают, ка­кие области отвечают основным тонам музыкальных инст­рументов и их гармоникам, а какие соответствуют формант-ным образованиям. Первые выглядят резко выраженными экстремумами, чаще всего одиночными, тогда как вторые представляют собой то или иное число изломов спектраль­ной характеристики, незначительно отличающихся по вели­чине от соседних плавно изогнутых, а то и вовсе монотонных участков. Это иллюстрируется нижеприведенными статис­тическими спектрограммами звуков кларнета, фагота и вио­лончели. Кружочками отмечены зоны основных тонов, а тре­угольниками — области формант, актуальных с точки зрения их восприятия.

15 Заказ .Nq 820

Среднестатистическая спектрограмма звуков кларнета

Данные о формантах музыкальных инструментов и пев­ческих голосов можно без труда отыскать в литературе по музыкальной акустике. Приведём некоторые из них. Соглас­но исследованиям Германна-Гольдапа и Э. Мейера:

Форманты:

скрипок— 2800-4200 Гц, + 800-1000 Гц,

струнных альтов— 1800-2800 Гц, + 500-600 Гц,

виолончелей-----1400 Гц, + 400-500 Гц.

поперечных флейт— 1400 Гц-1760 Гц, (что особенно вы­является при извлечении звуков d второй октавы — cis тре­тьей октавы).

кларнетов— 1400-2000 Гц.

гобоев— 1600-2000 Гц.

английских рожков— 1000-1300 Гц.

фаготов— 450-500 Гц.

контрафаготов— 200-250 Гц.

валторн— 465-1000 Гц.

Среднестатистическая спектрограмма звуков фагота

тубы—100-250 Гц.

у труб— широкая формантная область, соответствующая всему регистровому (нотируемому) диапазону, независимо от извлекаемых звуков (b — с4).

тромбонов— 465-590 Гц.

кастаньет— 2000 Гц и 6000 Гц.