Свойства музыкальных звуков

Понятие звука

Звук — это объективно существующее в природе физическое явление, вызываемое механическими колебаниями какого-либо упругого тела (туго натянутой струны или мембраны, голосовых связок, металлической или деревянной пластины, воздушного столба, заполняющего корпус духовых инструментов и т.п.), в результате чего образуются звуковые волны, воспринимаемые ухом и преобразуемые в нем в нервные импульсы.

Звуковыми волнами называются периодически чередующиеся сгущения и разрешения в окружающей упругой — например воздушной (то есть газовой) — среде (звукопроводящими средами являются также жидкости и твердые тела), вне которой, как, скажем, в вакууме, звук возникнуть вообще не может. Звуковые волны, распространяющиеся в атмосфере от источника звука равномерно во все стороны (подобно радиоволнам), воспринимаются органами нашего слуха и при помощи определенных участков нервной системы передаются в головной мозг, где и осознаются как конкретные звуки.

В окружающей нас природе существует огромное количество самых разнообразных звуков, которые распадаются на две группы: звуки с определенной высотой (так называемые музыкальные звуки) и с неопределенной высотой (шумы). Музыкальные звуки, имеющие определенную высоту, в отличие от шумовых, обладают еще целым рядом отличительных свойств и составляют основу (то есть звуковой фонд) музыки, использование же шумовых звуков ограничивается лишь эпизодическим применением некоторых из них в отдельных музыкальных произведениях для достижения тех или иных эффектов*. [Для этих целей служат, например, такие инструменты, относящиеся к семейству ударных, как тарелки, бубен, тамтам, большой и малый барабаны и другие, обычно входящие в состав как большого симфонического оркестра, так и оркестров иных профилей.]

 

Свойства музыкальных звуков

Любой музыкальный звук имеет четыре основных свойства, которые мы воспринимаем как проявления тех или иных качеств звука:

1) высота,

2) длительность,

3) громкость,

4) тембр.

Эти свойства обусловливаются различными физическими предпосылками*. [Кроме этих свойств при восприятии звука существенное значение имеет его пространственная локализация, то есть положение источника звука относительно слушателя (спереди или сзади, далеко или близко, в помещении или на открытой площадке и т.д.]. Иногда это фиксируется в нотной записи различными ремарками, как, например, «Песня певца за сценой» (см. оперу «Рафаэль» А. Аренского) и т. п.) Разберем свойства звука по порядку.

Высота звука определяется частотой колебаний звучащего тела и находится от нее в прямой зависимости: чем больше колебаний в единицу времени (за которую принимается секунда) делает источник звука, тем выше будет звук, и наоборот, при уменьшении количества колебаний звук понижается.

В свою очередь, число колебаний в секунду зависит от величины (длины и толщины) и упругости звучащего тела. Возьмем для примера струну. Чем она длиннее (при прочих равных условиях), тем реже ее колебания и, соответственно, тем ниже звук, издаваемый ею. И наоборот, чем струна короче, тем чаще колебания и тем выше звук. Такая же зависимость обычно наблюдается и в отношении поперечного сечения: чем оно больше (толще), тем реже будут производиться колебания и звук, соответственно, понизится, а чем меньше (тоньше) поперечное сечение, тем чаще возникают колебания и звук становится выше. Как видно, в обоих этих случаях обнаруживается обратная зависимость.

Что же касается влияния упругости (в данном случае — степени натяжения струны) на высоту звука, то здесь наблюдается прямая зависимость: чем сильнее натянута струна, тем выше звук, и наоборот, чем слабее натяжение, тем звук ниже.

Слуховой аппарат человека в состоянии воспринимать звуки в диапазоне частот приблизительно от 16 до 20 000 герц* [Герц (сокращенно Гц) — единица измерения частоты (в данном случае — колебаний в секунду), названная так по имени немецкого ученого-физика Генриха Герца.)], но верхние звуки этого диапазона люди слышат только в самом раннем детстве. С возрастом верхняя граница слышимых человеком звуков высокой частоты снижается примерно до 14000 колебаний в секунду. Однако наиболее точно и ясно человеческое ухо способно воспринимать высоту музыкального звука в более узких пределах — примерно от 16 до 4200 герц, и именно этот диапазон частот и используется в музыке*. (Если же говорить о вокальном искусстве, то общий объем диапазонов человеческих певческих голосов еще меньше — приблизительно от 60 до 1500 герц.]

В крайних же регистрах (то есть за пределами указанного диапазона) музыкальная высота воспринимается менее точно. Например, если звуки обладают частотой, превышающей 4200 герц, то еще можно отличить на слух в этом регистре, какой звук выше, а какой ниже, но интервальные соотношения установить при этом трудно. В таком высоком регистре практически невозможно узнать даже хорошо известную мелодию. Именно этими особенностями восприятия высоты звуков в крайних регистрах и обусловлено ограничение музыкального диапазона звуками указанных выше частот. Способность человеческого слуха наиболее точно воспринимать звуки в среднем регистре связана, по-видимому, с практикой человеческой речи и пения.

Зависимость между частотой колебаний и высотой звука проявляется не в арифметической, а в геометрической прогрессии. Так, если увеличивать частоту на одну и ту же величину, например на 110 Гц (что практически соответствует укорочению длины струны в два раза), начиная от звука ля большой октавы, имеющего именно это число колебаний в секунду, то в данной последовательности звуков (считая от предшествующего тона) первым будет образовываться интервал чистой октавы, вторым — интервал чистой квинты, третьим — чистой кварты, далее — большой терции, малой терции, еще одной малой терции, а затем — несколько больших секунд и несколько малых. При дальнейшем увеличении частоты колебаний на одну и ту же величину, то есть при дальнейшем укорочении струны будут образовываться еще более узкие интервалы. Этот ряд звуков соответствует натуральному ряду чисел: один, два, три, четыре, пять, шесть и так далее. Именно во столько раз производится увеличение частоты колебаний (укорочение струны) по сравнению с первоначальной, поэтому такой звукоряд носит название натурального звукоряда. Его можно получить, если делить, например, струну на две, три, четыре, пять, шесть и более частей. Так, скрипачи и виолончелисты, балалаечники и домристы, короче — все играющие на струнных музыкальных инструментах пользуются этим при исполнении флажолетов. (Флажолетами называются частичные тоны натурального звукоряда, извлекаемые на струнных музыкальных инструментах посредством легкого прикосновения пальца к струне в тех местах, где она делится на две, три, четыре (и т.д.) части. При помощи флажолетов можно брать очень высокие звуки.)

Длительностью звука называется выраженное в ритмических единицах время, в течение которого совершаются колебательные движения звучащего тела: чем больше времени продлятся колебания, тем протяженнее будет звук, и наоборот.

Громкость звука находится в прямой зависимости прежде всего от амплитуды* [Амплитудой (то есть размахом) колебания называется наибольшее расстояние между крайними точками отклонения колеблющегося упругого тела от его первоначального спокойного положения.] колебаний источника звука: чем она больше, тем громче звук, и наоборот, чем меньше амплитуда, тем тише будет звук. Кроме того, на восприятие громкости влияет расстояние от источника звука и отчасти частота колебаний. Так, при одинаковых амплитуде и расстоянии от источника более громкими кажутся звуки среднего регистра.

Примечание к схеме № 1. Пунктиром обозначено первоначальное положение струны в спокойном состоянии, Кривыми линиями показаны положения струны при колебаниях во время звучания.

Поперечной двухсторонней стрелкой обозначена амплитуда колебаний.

Колебания бывают двух видов: затухающие (то есть с постепенно уменьшающейся за счет сопротивления воздуха и внутреннего торможения амплитудой, как, например, у струнных инструментов — рояля, арфы, балалайки, домры и др.) и незатухающие (с постоянной или произвольно меняющейся амплитудой, как, например, у органа или скрипки при игре смычком).

При затухающих колебаниях громкость звука постепенно уменьшается (хотя высота его и остается при этом практически неизменной) и наконец естественным путем угасает вовсе. При незатухающих колебаниях громкость звука на ряде инструментов и при пении можно варьировать: уменьшать, оставлять неизменной и увеличивать — в зависимости от художественных целей и задач.

Иногда громкость называют силой звука, но это неточно, ибо хотя по смыслу эти понятия и близки между собой и даже зависимы друг от друга, однако они отнюдь не адекватны по своему значению. Например, при увеличении объективной силы звука в 100 раз его громкость, то есть восприятие силы звука нашим слухом возрастет лишь в два раза, а тысячекратное увеличение силы звука даст лишь трехкратное увеличение громкости и т.д. Сила звука измеряется в децибелах (дб)* [Децибел — десятая часть бела, являющегося логарифмической единицей измерения силы звука; назван так в честь изобретателя телефона А. Г. Белла.) а громкость — в фонах (Фон (греч. — phone) — в буквальном переводе означает «звук». В музыкальной акустике — единица измерения, громкости звука.).]

В музыкальной практике громкость звука обозначается различными терминами: громкое звучание — forte (ит. — громко), fortissimo (превосходная степень от forte) и forte fortissimo (еще более громко, чем fortissimo); этому соответствуют знаки f, ffffff. В более редких случаях очень громкая звучность обозначается четырьмя знаками forte (ffff), а иногда и пятью (fffff). Аналогично обозначается и тихое звучание — p, pp, ррр (начальные буквы итальянского слова piano — тихо). Количество знаков р также может доходить изредка до четырех, даже пяти. (Обозначение ррррр можно найти, например, в партитуре Шестой симфонии П. Чайковского перед началом разработки первой части.)

Кроме основных обозначений можно встретить и производные: mf, mp (mezzo forte, mezzo piano), означающие, соответственно, — не очень громко, не очень тихо; sf, sp (subito forte, subito piano), чему соответствует: внезапно громко, внезапно тихо.

Для обозначения постепенного нарастания или ослабления звучания используются термины crescendo и diminuendo, заменяемые часто «вилками»:  и . Иногда к словам crescendo и diminuendo добавляется обозначение росо а росо, что означает — постепенно, понемногу. Если термин crescendo (аналогично и diminuendo) должен действовать в течение нескольких тактов, обозначение пишется по слогам, разделенным пунктирными линиями: cre - scen - do, или к слову crescendo добавляется слово sempre (sempre crescendo — все время усиливая, вплоть до следующего обозначения).

Тембр. Тембром называется характер звучания, или окраска тука. Тембр зависит от многих причин, как объективного, так и субъективного свойства: конструкции инструмента, материала, из которого он сделан, и его качества (например, сорта дерева, состава металлического сплава и т. п.), способа звукоизвлечения и мастерства исполнителя, среды, в которой распространяется звук, и расстояния от его источника. Но особенно большое значение для формирования тембра музыкальных звуков имеет натуральный звукоряд.

Известно, что каждый звук является сложным, то есть состоит из нескольких одновременно звучащих тонов*. [В этом смысле звук можно сравнить с лучом света, который, преломляясь при прохождении через прозрачную призму, разлагается на различные цветовые полосы, образующие спектр, состоящий из семи видимых цветов радуги: красно-оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего и фиолетового.] Звучащая струна, например, делится одновременно на свои половины, трети, четверти, пятые, шестые части и так далее, которые будут колебаться самостоятельно. Ниже приводятся схемы колебаний струны:

а) схема колебаний струны целиком и отдельными ее частями (половинами, третями, четвертями и т.д.);

б) общая схема колебаний в одновременности (сложная форма)*. [Сложную форму колебаний струны (как и другого звучащего тела) точно изобразить графическим способом довольно трудно, и всякий чертеж, абстрактно показывая само явление, будет всего лишь более или менее удачным приближением к действительной картине. При этом следует иметь в виду, что отмеченные в схеме колебания совершаются в течение всего времени звучания при любом отклонении колеблющегося тела (в данном случае — струны) от своего первоначального спокойного состояния.]

Графическое изображение колебаний струны:

Человек слышит один звук, обладающий определенной высотой, соответствующей частоте колебаний целой струны. Частоты же колебаний частей струны, издающих так называемые частичные тоны, не воспринимаются слухом как отдельные самостоятельные звуки. Тоны, соответствующие этим частотам, сливаются с основным, придавая звуку определенный колорит.

Тоны, входящие в состав сложного звука, принято называть гармоническими составляющими тонами или просто гармониками. Первый из них, возникающий от колебаний всей струны, называется основным тоном (что соответствует первому частичному тону), следующие далее называются обертонами, то есть тонами, лежащими выше основного. Например, натуральный обертоновый звукоряд от звука до имеет следующую структуру:

Примечание: Седьмой, одиннадцатый, тринадцатый и четырнадцатый звуки этого ряда не находятся в точном соответствии с обозначенной по темперированному строю высотой, поэтому в примере их ноты заштрихованы, а сверху выставлены вертикальные стрелки, указывающие направленность этого несоответствия: — несколько ниже, — несколько выше обозначенного звука.

На характер тембра влияют и количество слышимых обертонов,, и то или иное распределение громкости между отдельными гармониками сложного музыкального звука. Если, например, вторая гармоника будет громче основного тона, третья — громче второй, а затем громкость будет снижаться, то возникнет тембр, близкий тембру гобоя. На некоторых электрических музыкальных инструментах можно подобрать любую интенсивность различных обертонов и, составляя таким образом из отдельных простых тонов сложный звук, имитировать тембры различных музыкальных инструментов. Так, например, если выделить нечетные гармонические тоны — первый, третий и пятый, — то в результате синтезируется тембр кларнета (Тембровая сторона музыки (и все, что связано с ней) специально и подробно изучается на более поздних этапах обучения — в курсах инструментоведения и оркестровки.)