Свойства звука: Тембр

Как известно из курса теории музыки и акустики, есть четыре свойства звука: эта высота, длительность, громкость и тембр

Тембр самый загадочный из этой четверки, так как он до сих пор еще находится в стадии изучения и наука формируют о нем свое мнение. Понимание тембра, того как он работает вызывает множество вопросов у музыкантов, которые занимаются созданием, аранжировкой музыки и  всем, что касается работы со звуком.

Что такое тембр?

Американское акустическое общество (ASA) дает такое определение: Тембр это атрибут слухового восприятия, который позволяет слушателю судить о том, что два звука имеющие одинаковую высоту и громкость различаются друг от друга

В учебниках по теории музыки тембр описывается как характер звучания, который формируется количеством слышимых обертонов и распределением громкости между отдельными гармониками сложного музыкального звука.

Напомню, что обертона это призвуки, которые входят в спектр музыкального звука.

Наличие обертонов обусловлено сложной картиной колебаний звучащего тело, а частоты обертонов соответствует частотам колебаний его частей, то есть струна колеблется целой частью, половиной, третью, четвертью и так далее.

Соответственно у каждого инструмента соотношение громкости обертонов разное, что и влияет на его тембр.

Первым взаимосвязь между тембром и обертонами описал Гельмгольц в своей классической работе “Учения о слуховых ощущениях как физиологическая основа для теории музыки”.

Понимание, которое он сформировал и его определение тембра долгие годы было доминирующим и определяющим, но сегодня мы имеем более сложную картину причин того, почему мы воспринимаем тембр, как он возникает.

Наша задача разобраться с тем, что же такое тембр и как он действительно формируется и работает. Начнем с рассмотрения точки зрения Гельмгольца.

Проще всего его понимание тембра иллюстрируется тем, как описывается тембр инструментов например в учебниках по инструментовке.

К примеру, когда говорят о флейте подразумевают, что флейта используют в качестве резонатора открытую с двух сторон трубу, поэтому в ее спектре мы можем слышать все гармоники и четные и нечетные.

У кларнета в свою очередь используется в качестве резонатора труба, которая закрыта с одного конца поэтому в спектре в основном преобладают наоборот нечетные гармонии.

Для того чтобы ответить на вопрос, что же влияет на формирование инструмента тембра кроме гармоник давайте проведем с вами простой эксперимент.

Давайте посмотрим на звук кларнета через спектранализатор:

3 гармоника громче второй, 5 громче 4, 7 громче 6 и т.д.

Это влияет на тембр.

Если вырезать эти гармоники из звука, то тембр поменяется достаточно сильно, но мы все равно сможем узнать в этом звуке кларнет. Если мы сделаем то же самое с синусоидальной волной:

Возьмем волну на 220 герц и дальше синусоидальные ноты сгенерированные по обретоновому звукоряду 440 660 880 и так далее.

Cинусоидальная волна является интересной с точки зрения рассмотрения тембра поскольку она лишена гармоник. Фактически мы слышим только основной тон и все, что мы подразумеваем, все гармоники возникают только у нас внутри слуховой улитки

Сам по себе тон является простым и по этой причине, так как синусоидальная волна не содержит гармоник, закономерно предположить, что при изменении частоты также будет меняться тембр, так как самих высоких гармоник в составе звука нет и мы можем это хорошо услышать просто разные частоты синуса.

Однако при изменении высоты меняется тембр синуса это усложняет понимание тембра, так как при отсутствии спектрального состава синусоидальная волна меняет тембр, что противоречит определению тембра, как характеристики связанной с составом обертонов.

В синусоидальной волне их нет, но тембр меняется

Альберт Бергман в своей книге Auditory Scene Analysys the perceptual organization of sound пишет: “определение тембра данное ASA, конечно не является определением в принципе например оно допускает, что существуют некоторые звуки, для которых мы не можем решить: имеют ли они тембр или нет

Чтобы это определение было верным два звука должны быть представлены с одинаковой высотой, но есть звуки такие как скрежет лопаты по кучек гравия, которые вообще не имеют высоты тона. Мы явно столкнулись с проблемой: либо мы должны утверждать, что только звуки с высотой тона могут иметь тембр, что означает что мы не можем обсуждать тембр бубна или музыкальные звуки многих африканских культур, либо с определением что-то явно не так.”

В исследовании methodological issues in timbre research (doi 10.4324/9780203344262-23) авторы выделяют две характеристики тембра

1 передает идентичность инструмента

2 может быть представлена как палитра или семейство палитр, в которых тоны разного типа могут быть связаны по воспринимаемым параметрам, то есть по первой характеристике мы можем сказать, что кларнет имеет определенный тембр и независимо от высоты и громкость звука тембр остается узнаваемым по 2 тембр кларнета является не назальным, поэтому он отличается от гобоя тембр, которого является назальным. Параметры сигнала спектра связанные с мембранным сходством – различием определенные в ряде исследованиям были описаны как:

 1) изменение сигнала во времени или, так называемая, огибающая громкости

возникновение сигнала и наоборот исчезновение, синхронность атаки и спада, синусоидальные компоненты сигнала, наличие или отсутствии высокочастотной негармонической энергии в области атаки сигнала, распределение спектральной энергии, частота амплитуда и фаза синусоидальных составляющих сложного сигнала может меняться с изменением интенсивности регистра даже для данного конкретного инструмента и изменение во времени структуры распределения спектральной энергии, также это называется по английски spectral flux или джиттер.

Распределение спектральной энергии может быть описано в терминах следующих акустических параметров:

1. это спектральный центроид центр амплитудно взвешенного распределения частот, указывает на какой частоте сосредоточена энергия спектра или другими словами указывает где расположен центр масс для звука.
2. Спектральная полоса ширина частотного диапазона
3. Спектральная плотность общая энергия на критическую в полосу и
4. Спектральная не гармоничность отклонение реального звучания от математической системы гармоник

Мы знаем, что у нас есть система гармоник, в которой нота 220Hz порождает гармонику с частотой 440Hz далее 660Hz, 880Hz и так далее. Однако известно, что наличие изгибной жесткости отличающий реальную струну от идеальный приводит к тому, что в результате поперечные волны различной длины распространяются вдоль струны с различными скоростями, поэтому обертоны высших порядков имеют частоты прогрессивно завышенные относительно гармонического ряда.

Также важным качеством тембра является назальность и яркость, потому что многие исследователи рассматривают степень назальности звука, как основное свойство тембра и, конечно же, важно помнить о том, что есть форманты – секретное оружие звукорежиссера и комбинационные тоны, про которые у меня есть отдельное видео.

Перейдем к огибающей сигнала, которая очень сильно влияет на формирование тембра звука.

Что такое огибающая сигнала?

Любой звук имеет атаку, время звучания, оно может называться по-разному и время затухания, то есть звук возникает, затем он длится и затухает.

Множество экспериментов и практических действий, которые вы можете провести в любом синтезаторе, который содержит огибающие громкости показывает то, что изменение любого параметра очень сильно влияет на тембр звука.

Например, мы можем убрать атаку или проиграть звук задом наперед и это очень сильно повлияет на восприятие тембра. (в этой статье мы опустим параметр Decay так как он влияет скорее на восприятие звука в целом и на управление атакой)

Давайте кратко поговорим о том, как каждый из параметров влияет на тембр,например, процесс атаки у инструмента, как правило длится от нескольких миллисекунд до нескольких десятков миллисекунд, так как в процессе атаки в составе звука появляются новые гармоники, то есть мы не слышим сразу весь набор звуков мы слышим сначала ну какую-то определенную гармонику и чаще может даже более высокая гармоника, чем основной тон преобладать. В процессе атаки появляются важные гармоники, на основе которых мы идентифицируем тембр. На этот процесс распознавания оказывает влияние также многочисленные другие признаки кроме атаки. Если мы возьмем допустим скрипку это звук смычка или для начала ноты на медном инструменте какие-то шорохи, призвуки. Всё это живые акустические признаки идентификации тембра, которые наш слух использует, для того, чтобы определить какой инструмент звучит.

Процесс атаки особенно важен для распознавания звука еще потому,что он является устойчивой характеристикой звучания инструмента и он менее подвержен окрашиванию со стороны помещения. Если вы занимаетесь звукорежиссурой и сведением, то можете вспомнить первые ранние отражение поступают к слушателю с определенным запаздыванием, после того как фаза атаки звука уже завершена, поэтому атаку мы слышим неокрашенной и она является фактически прямым звуком, по которому и мы определяем тембр.

Следующая часть огибающие это стабильное состояние или sustain. В течение этой фазы огибающая остается постоянной. Это результат непрерывного потока энергии в колебательной системе:  это может быть, например, смычок или мы дыхание исполнителя, вокалиста. Здесь многое зависит от физических свойств инструмента: если мы говорим про реальный инструмент или про настройку синтезатора.

И последняя часть огибающей это затухание, когда энергия перестает поступать и звук затухает.

Эта фаза зависит от резонантных характеристик и от наличия обратной связи. Инструменты с узко настроенными резонаторами затухают быстрее, широкополосные затухают медленнее.

И, конечно же, это зависит от среды, в которой мы слышим звук, то есть от способности поглощать звук: например, каменные стены или наоборот заглушенное помещение будут по разному влиять на восприятие одного и того же звука.

Проиллюстрировать то, как огибающая влияет на тембр очень легко. Например, развернув звук задом наперёд, то есть мы поменяем время атаки и затухания

Звучание долгой части звука, то есть sustain,останется той же, но все равно это очень сильно повлияет на восприятие тембра.

Основываясь на форме огибающей, мы можем классифицировать все звуки на две очень большие категории:

1. это непрерывные сигналы, где большая часть энергии сосредоточена в устойчивой части

В огибающей, например, звука скрипичной струны или духового инструмента или голоса, который поет долгу ноту

• импульсные сигналы, которые не имеют фактически долгой части, устойчивого состояния. У них важна атака и фаза затухания. Например, атака при ударе по ксилофону или малому барабану. Атака влияет на тембр любого инструмента, но значительное влияние она оказывает конечно же на инструменты импульсного характера, у которых нет фактически сустейна, фазы стабильного звучания.

Как я уже говорил, эксперименты, которые проводили среди музыкантов и не музыкантов убедительно показывают, что если в любом звуки поменять, убрать атаку или поменять атаку и затухание местами, то тембр становится практически неузнаваемым и многие инструменты, которые относятся к разной группе, например, смычковые, духовые, клавишные по тембру становятся максимально близкими.

Несмотря на то, что разные современные науки и теория музыки и акустика и психоакустика продолжают изучать тембр, современный музыкант должен понимать то, что тембр это не только набор гармоник, но это во многом огибающая, то есть атака, сустейн фаза стабильности, decay фаза затухания.

Кроме того тембр – это расположение спектрального центроида, назальность звука, это его яркость, то есть многие многие составляющие, которые определяют звучание инструмента

Если вы работаете с тембрами в аранжировке, в композиции, с оркестровым, синтезаторными, то огромное значение в сочетании этих инструментов и в том, как мы их разделяем и наоборот воспринимаем вместе, имеет тембр, его составляющие, о которых я сказал, в частности, например можете поискать исследования о том как положение спектрального центроида или центроида спектра как он называется в русской традиции, влияет на смешивание звуков.

В этих исследованиях и научных разработках и лежит ключ к пониманию того, как инструменты дружат или не дружат в аранжировке. Именно здесь наука нам помогает работать над музыкой

и упрощает понимание того, как устроен звук.