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.