Настав час поговорити нам і про тембрі звуку. Не сумніваємося, що кожен з вас легко розрізнить голос чоловіка від голосу жінки, звуки рояля від гри на скрипці. Ви, напевно, зможете відрізнити і голос нашого кращого диктора Всесоюзного радіо Ю. Левітана від голосів інших дикторів-чоловіків. Деякі з вас, очевидно, зможуть за звучанням однієї і тієї ж ноти (частота звуку однакова) розрізнити, яким музичним інструментом вона відтворена, наприклад роялем, скрипкою або тромбон. У чому ж тут справа?

Говорячи про звукових коливаннях, ми зображували їх у вигляді синусоїди, то є чистої тональності. У природних умовах синусоїдальні коливання зустрічаються дуже рідко. Їх зазвичай створюють штучним шляхом за допомогою механічних або електронних генераторів, наприклад камертона.

Рис. 6. Так виглядає запис звуків одного і того ж тону, витягнутих з кларнета (вгорі) і рояля (внизу). Однаковість тони сприймається нами тому, що основна частота коливань (їх амплітуда максимальна) в обох випадках однакова.

Реальний звук являє собою складне поєднання гармонічних коливань, які ми називали тонами. Кожен тон характеризується «висотою», тобто залежить від частоти коливань. Чим більше частота, тим вище здається нам звук. Тон, що відповідає найменшій частоті складного звуку, називається основним тоном цього звуку. У складному звуці, крім основного тону, завжди присутні ще й додаткові тони, які називаються обертонами. Якщо обертон в ціле число разів вищі за частотою основного тону, то його називають гармонічними обертоном, або просто гармонікою.Наприклад, частоту, в два рази перевищує основний тон, називають другою гармонікою, в три рази - третьою гармонікою і т. д. Звуки з одним і тим же основним тоном можуть розрізнятися між собою за характером звучання, який фахівці і музиканти називають тембром. Тембр звучання визначається складом обертонів - їх частотами і амплітудами, а також характером наростання амплітуд у початку звучання і їх спадання в кінці звучання. Ось чому ми дізнаємося по голосу знайомої людини, за характером звучання - музичний інструмент. Л щоб краще собі це уявити, подивіться на рис.6, де показано запис витягнутих з кларнета і звуків рояля одного і того ж тону. Тут ясно видно, який з себе складний звук. Незважаючи на однаковість в обох випадках основного тону, кількість і характер обертонів різні. Вони-то і визначають тембр звучання, надають звучанню специфічну забарвлення. А музиканти навіть вважають, що чим більше інструмент збуджує гармонік, тим багатше його тембр звучання.

Однак кожен складний звук може бути представлений як результат додавання будь-якого числа синусоїдальних коливань, які мають різні частоти і амплітуди. Інакше кажучи, складний звук може бути розкладений на складові його синусоїдальні коливання та виділено основний тон. Саме цей процес розкладу звуку на гармонійні складові, тобто на основний тон і обертони, є ще однією особливістю нашого слуху. Ось чому ми легко визначаємо, на якому музичному інструменті взята та чи інша нота, відрізняємо голос знайомої людини від незнайомого.

У зв'язку з цим виникає цікаве питання. Іноді про того чи іншої людини, частіше про музиканта або співака, кажуть, що він володіє абсолютним слухом. Багато вважають абсолютним такий слух, коли людина чує дуже високі частоти. Це невірно. Музиканти називають слух абсолютним у тому випадку, якщо за слышимому звуку або акорду ви зможете визначити, які ноти були взяті. А це можливо тільки для тренованої людини, вухо якого здатне і звикло розкладати складний звук на його складові.Зауважимо принагідно ще одну здатність нашого слуху: він легше виявляє непарні гармоніки, ніж парні.

Чи задавалися ви коли-небудь таким питанням: чому музика, нехай навіть гучна, не викликає нашого роздратування, а шум, навіть коли він не дуже сильний, діє на нас дратівливо? І адже не секрет, що не кожна музика приносить задоволення слухачеві. Отже, не всякий набір звуків вже є музика. Фахівці встановили, що приємні на слух відчуття викликають тільки такі звуки, які знаходяться між собою в простих відносинах, або, інакше кажучи, частоти основних тонів яких знаходяться у відношенні 2:1, 3:2, 4:3, 5:4 і т. д. Музиканти навіть дали їм свої назви.Наприклад, відношення звукових частот 2:1 називають октавою, відношення 3:2 - квінтою, 4:3 - квартою, 5:4 - великий терцією і т. д. Ну а якщо ці прості відносини між частотами порушити? Виявляється, благозвучність порушується, і музиканти називають це дисонансом. Наше вухо добре відчуває поєднання різних тонів тому, що, порівнюючи між собою два звуку, ми відзначаємо не абсолютну різницю між ними, а відносну. Ось чому людина з нормальним слухом чутливий до дисонансу. Тепер, сподіваємося, вам зрозуміла різниця між музикою і шумом і чому шум діє на нас дратівливо?Адже шум відрізняється від музичного тону тим, що йому не відповідає яка-небудь певна частота коливань і, отже, певна висота звуку. В шумі присутні коливання різних частот. Правда, допитливий читач може заперечити, знайшовши деяку «музичність» в шумі дощу або ше вітру. І, навпаки, зіпсований музичний інструмент або заграна грамофонна платівка створюють хрипкі, дребезжащие звуки, неприємно діють на слух. Але, говорячи про шумі, ми мали на увазі ті шуми, які виникають при роботі двигунів, вибухи, скрипе незмащені дверних петель і т. п. Такий шум, звичайно, порівнювати з музичними звуками не можна. І звичайно, у всіх наших міркуваннях ми мали на увазі тільки основні тони складних звуків і не брали до уваги обертони.

Багато хто з вас знають, що музичні твори записують за допомогою нот, створених ще в початку 11 століття нашої ери. Ноти згруповані у октави. Однакові ноти в сусідніх октавах відрізняються по частоті основного тону в два рази. Тому ми можемо почати грати будь-яку мелодію з однієї ноти будь октави, і характер мелодії від цього не зміниться; зміниться лише, як кажуть, її тональність. Щоб забезпечити це, потрібно проміжні тони межах октави скласти таким чином, щоб, по-перше, інтервали між частотами були рівні і, по-друге, щоб самі частоти перебували в простих відносинах.

Згадайте клавішами рояля. Кожна його октава має сім білих клавішів і п'ять чорних, тобто октава розділена на дванадцять інтервалів.При цьому відношення двох сусідніх тонів буде 2^1/12 = 1,059. Відносини наступних тонів виразяться числами 2^2/12 = 1,122; 2^3/12 = 1,189 і т. д. до відносини 2^12/12 = 2.

Якщо би ви зайнялись математикою і прорахували всі дванадцять інтервалів між нотами, то без праці виявили б серед них і квінту, і кварту, і велику терцію. Але серед них виявився і інтервал, рівний 1,059, який не являє собою простого відносини. Вийшов явний дисонанс. Як тут бути? Виявляється, і тут є вихід. Наше вухо не «помічає» невеликого відхилення від так званого чистого ладу музичного інструменту. Тому всі інтервали трішки змінені, щоб виходили прості відносини між ними. Такий музичний лад отримав назву темперованого.

Музичні інструменти можуть бути струнні, духові, ударні і т. д. Струнні музичні інструменти, наприклад, також можна розділити на смичкові (скрипка), щипкові (гітара), ударні (рояль) і т. д. Оркестр являє собою поєднання тих чи інших музичних інструментів. В залежності від такого поєднання оркестр називають симфонічним, струнних народних інструментів, джазовим і т. д.Найбільш широким діапазоном звучання, тобто спектром відтворюваних основних тонів, має симфонічний оркестр, музичні інструменти якого відтворюють звукові коливання з частотами приблизно від 60 до 8000 Гц. З музичних інструментів найбільш широкий діапазон відтворюваних частот мають рояль (приблизно від 35 до 4000 Гц) і арфа (приблизно від 60 до 5000 Гц). Інші музичні інструменти мають більш вузький спектр частот, найчастіше розташовується в області нижніх, середніх або високих звукових частот.Наприклад, скрипка відтворює частоти приблизно від 400 до 7000 Гц, труба - від 60 до 700 Гц, литаври - від 80 до 200 Гц, гітара - від 150 до 2500 Гц і т. п. Як видно з цього переліку, діапазон звучання музичних інструментів займає приблизно половину спектру чутних людиною звуків. На іншу - високочастотну - половину припадають обертони музичних інструментів, що створюють тембр звучання. Ось чому звуковідтворювальна апаратура повинна забезпечувати пропускання широкої смуги частот. Тільки в цьому випадку може бути збережений природний тембр звучання.

З цього приводу хотілося б зробити невеликий технічне відступ. Часто доводиться чути, як деякі любителі магнітного запису звуку хваляться своїми магнітофонами, кажучи, що їх апарат відтворює частоти аж до 20 000 або навіть до 22 000 Гц. Так, деякі зарубіжні фірми, часто в рекламних цілях, повідомляють у проспектах про таку можливість їх продукції. Але чи потрібно це? Чує чи власник такого магнітофона частоти до 20 000 - 22 000 Гц? Звичайно, ні!Дослідження багатьох вчених показують, що найбільш доцільним для звуковідтворювальної (і звукозаписної) апаратури є діапазон частот від 40 - 60 до 12000 - 16000 Гц. Розширення діапазону відтворення в області верхніх звукових частот не тільки небажаною, але й іноді буває навіть шкідливо, так як на цю частину звукового спектру припадають шипи, хрипи, свисти і інші паразитні явища, дратівливо діють на слухове сприйняття.

Рис. 7. Між порогом чутності і порогом больового відчуття лежить область нормальної чутності людини. Динамічний і частотний діапазони музики і мови розташовані всередині області чутності і складають область слуху.

Однак не тільки діапазон звукових частот характеризується музичний твір, звучання оркестру або мова диктора. Виконання музичного твору, наприклад, може бути голосним або тихим. Іноді композитор у нотній партитурі сам вказує, як слід виконувати той чи інший твір або кожну його частину. Музиканти для цього використовують італійські слова: форте - голосно, піано - тихо, фортіссімо - дуже голосно, піаніссімо - дуже тихо і т. д. Отже, якщо говорити про музичному творі, воно може в одній якійсь своїй частині звучати тихо, а в іншій - голосно.Відношення максимальної інтенсивності звучання до мінімальної інтенсивності прийнято називати діапазоном звучання або динамічним діапазоном. Це дуже важлива характеристика, і не тільки музичного твору або характеру виконання, але і звукозаписної і звуковідтворювальної апаратури. Для таких пристроїв динамічний діапазон показує відношення ефективного напруги корисного сигналу на виході апарату до напруги паразитних (власних) шумів і завжди буває менше динамічного діапазону природного звучання.

Динамічний діапазон при природному звучанні залежить від характеру і складу музичних інструментів в оркестрі, від кількості виконавців, їхнього емоційного настрою і т. п. Найменшим динамічним діапазоном володіє чоловіча мова (всього 20 - 25 дБ). Динамічний діапазон драматичного спектаклю доходить до 40 дБ. Найбільшим динамічним діапазоном має симфонічний оркестр, коли різниця між тихими, і голосними частинами музичного твору може досягати 70 дБ.Щоб наочно уявити собі вже відомі нам відомості про обмеженість діапазону чутних звукових частот і сприйняття тихих і гучних звуків, завдали на діаграму чутності (криві рівної гучності) частотний і динамічний діапазони музики і мови. Крім цього, динамічний діапазон деяких технічних пристроїв ми звели в таблицю.

Таблиця 1 Динамічний діапазон деяких музичних джерел звуку

А тепер давайте уявимо собі, що сидимо ми в театрі і дивимося виставу. Голоси акторів звуковими хвилями будуть доходити до нас як безпосередньо зі сцени (прямим шляхом), так і відбившись один або кілька разів від стелі, стін, підлоги та інших «перешкод», що знаходяться в залі. З'явиться так зване послезвучание, коли чутний звук як би «затягується» і чути ще деякий час після припинення надходження звукових хвиль.Пояснюється це тим, що відображені звукові хвилі доходять до нас значно більш довгим шляхом, іноді в кілька разів перевершує прямий шлях звукових хвиль. Це залишкове послезвучание, утворюється тільки в закритих приміщеннях внаслідок багаторазового відбиття від поверхонь і одночасного поглинання ними звукових хвиль, носить назву реверберація і характеризується проміжком часу (в секундах), протягом якого сила відбитого звуку зменшується в мільйон разів (60 дБ). Цей відрізок часу називається часом реверберації.