Настало время поговорить нам и о тембре звука. Не сомневаемся, что каждый из вас легко различит голос мужчины от голоса женщины, звуки рояля от игры на скрипке. Вы, наверное, сможете отличить и голос нашего лучшего диктора Всесоюзного радио Ю. Левитана от голосов других дикторов-мужчин. Некоторые из вас, очевидно, смогут по звучанию одной и той же ноты (частота звука одинакова) различить, каким музыкальным инструментом она воспроизведена, например роялем, скрипкой или тромбоном. В чем же здесь дело? 

 Говоря о звуковых колебаниях, мы изображали их в виде синусоиды, то есть чистой тональности. В естественных условиях синусоидальные колебания встречаются очень редко. Их обычно создают искусственным путем при помощи механических или электронных генераторов, например камертона. 

Рис. 6. Так выглядит запись звуков одного и того же тона, извлеченных из кларнета (вверху) и рояля (внизу). Одинаковость тона воспринимается нами потому, что основная частота колебаний (их амплитуда максимальна) в обоих случаях одинакова.

 Реальный звук представляет собой сложное сочетание гармонических колебаний, которые мы называли тонами. Каждый тон характеризуется «высотой», то есть зависит от частоты колебаний. Чем больше частота, тем выше кажется нам звук. Тон, соответствующий наименьшей частоте сложного звука, называется основным тоном этого звука. В сложном звуке, кроме основного тона, всегда присутствуют еще и дополнительные тоны, которые называются обертонами. Если обертон в целое число раз выше по частоте основного тона, то его называют гармоническим обертоном, или просто гармоникой. Например, частоту, в два раза превышающую основной тон, называют второй гармоникой, в три раза - третьей гармоникой и т. д. Звуки с одним и тем же основным тоном могут различаться между собой по характеру звучания, который специалисты и музыканты называют тембром. Тембр звучания определяется составом обертонов - их частотами и амплитудами, а также характером нарастания амплитуд в начале звучания и их спадания в конце звучания. Вот почему мы узнаем по голосу знакомого человека, по характеру звучания - музыкальный инструмент. Л чтобы яснее себе это представить, посмотрите на рис. 6, где показана запись извлеченных из кларнета и рояля звуков одного и того же тона. Здесь ясно видно, каков из себя сложный звук. Несмотря на одинаковость в обоих случаях основного тона, количество и характер обертонов различны. Они-то и определяют тембр звучания, придают звучанию специфическую окраску. А музыканты даже считают, что чем больше инструмент возбуждает гармоник, тем богаче его тембр звучания. 

 Однако каждый сложный звук может быть представлен как результат сложения любого числа синусоидальных колебаний, имеющих различные частоты и амплитуды. Говоря иначе, сложный звук может быть разложен на составляющие его синусоидальные колебания и выделен основной тон. Именно этот процесс разложения звука на гармонические составляющие, то есть на основной тон и обертоны, является еще одной особенностью нашего слуха. Вот почему мы легко определяем, на каком музыкальном инструменте взята та или иная нота, отличаем голос знакомого человека от незнакомого. 

 В связи с этим возникает интересный вопрос. Иногда про того или иного человека, чаще о музыканте или певце, говорят, что он обладает абсолютным слухом. Многие считают абсолютным такой слух, когда человек слышит очень высокие частоты. Это неверно. Музыканты называют слух абсолютным в том случае, если по слышимому звуку или аккорду вы сможете определить, какие ноты были взяты. А это возможно только для тренированного человека, ухо которого способно и привыкло разлагать сложный звук на его составляющие. Заметим попутно еще одну способность нашего слуха: он легче обнаруживает нечетные гармоники, чем четные. 

 Задавались ли вы когда-либо таким вопросом: почему музыка, пусть даже громкая, не вызывает нашего раздражения, а шум, даже когда он не очень силен, действует на нас раздражающе? И ведь не секрет, что не каждая музыка доставляет удовольствие слушателю. Следовательно, не всякий набор звуков уже есть музыка. Специалисты установили, что приятные на слух ощущения вызывают только такие звуки, которые находятся между собой в простых отношениях, или, говоря иначе, частоты основных тонов которых находятся в отношении 2:1, 3:2, 4:3, 5:4 и т. д. Музыканты даже дали им свои названия. Например, отношение звуковых частот 2:1 называют октавой, отношение 3:2 - квинтой, 4:3 - квартой, 5:4 - большой терцией и т. д. Ну а если эти простые отношения между частотами нарушить? Оказывается, благозвучность нарушается, и музыканты называют это диссонансом. Наше ухо хорошо ощущает сочетания различных тонов потому, что, сравнивая между собой два звука, мы отмечаем не абсолютную разницу между ними, а относительную. Вот почему человек с нормальным слухом чувствителен к диссонансу. Теперь, надеемся, вам понятна разница между музыкой и шумом и почему шум действует на нас раздражающе? Ведь шум отличается от музыкального тона тем, что ему не соответствует какая-либо определенная частота колебаний и, следовательно, определенная высота звука. В шуме присутствуют колебания всевозможных частот. Правда, дотошный читатель может возразить, найдя некоторую «музыкальность» в шуме дождя или вое ветра. И, наоборот, испорченный музыкальный инструмент или заигранная граммофонная пластинка создают хриплые, дребезжащие звуки, неприятно действующие на слух. Но, говоря о шуме, мы имели в виду те шумы, которые возникают при работе двигателей, взрывах, скрипе несмазанных дверных петель и т. п. Такой шум, конечно, сравнивать с музыкальными звуками нельзя. И конечно, во всех наших рассуждениях мы имели в виду только основные тоны сложных звуков и не принимали во внимание обертоны. 

 Многие из вас знают, что музыкальные произведения записывают с помощью нот, созданных еще в начале 11 века нашей эры. Ноты сгруппированы в октавы. Одинаковые ноты в соседних октавах отличаются по частоте основного тона в два раза. Поэтому мы можем начать играть любую мелодию с одной ноты любой октавы, и характер мелодии от этого не изменится; изменится лишь, как говорят, ее тональность. Чтобы обеспечить это, нужно промежуточные тоны внутри октавы составить таким образом, чтобы, во-первых, интервалы между частотами были равны и, во-вторых, чтобы сами частоты находились в простых отношениях. 

 Вспомните клавиатуру рояля. Каждая его октава имеет семь белых клавишей и пять черных, то есть октава разделена на двенадцать интервалов. При этом отношение двух соседних тонов будет равно 2^1/12 = 1,059. Отношения последующих тонов выразятся числами 2^2/12 = 1,122; 2^3/12 = 1,189 и т. д. до отношения 2^12/12 = 2. 

 Если бы вы занялись математикой и просчитали все двенадцать интервалов между нотами, то без труда обнаружили бы среди них и квинту, и кварту, и большую терцию. Но среди них оказался и интервал, равный 1,059, который не представляет собой простого отношения. Получился явный диссонанс. Как тут быть? Оказывается, и здесь есть выход. Наше ухо не «замечает» небольшого отклонения от так называемого чистого строя музыкального инструмента. Поэтому все интервалы чуточку изменены, чтобы получались простые отношения между ними. Такой музыкальный строй получил название темперированного. 

 Музыкальные инструменты могут быть струнные, духовые, ударные и т. д. Струнные музыкальные инструменты, например, также можно разделить на смычковые (скрипка), щипковые (гитара), ударные (рояль) и т. д. Оркестр представляет собой сочетание тех или иных музыкальных инструментов. В зависимости от такого сочетания оркестр называют симфоническим, струнным, народных инструментов, джазовым и т. д. Наиболее широким диапазоном звучания, то есть спектром воспроизводимых основных тонов, обладает симфонический оркестр, музыкальные инструменты которого воспроизводят звуковые колебания с частотами примерно от 60 до 8000 Гц. Из музыкальных инструментов наиболее широкий диапазон воспроизводимых частот имеют рояль (примерно от 35 до 4000 Гц) и арфа (примерно от 60 до 5000 Гц). Другие музыкальные инструменты имеют более узкий спектр частот, зачастую располагаемый в области нижних, средних или высоких звуковых частот. Например, скрипка воспроизводит частоты примерно от 400 до 7000 Гц, труба - от 60 до 700 Гц, литавры - от 80 до 200 Гц, гитара - от 150 до 2500 Гц и т.п. Как видно из этого перечня, диапазон звучания музыкальных инструментов занимает примерно половину спектра слышимых человеком звуков. На другую - высокочастотную - половину приходятся обертоны музыкальных инструментов, создающих тембр звучания. Вот почему звуковоспроизводящая аппаратура должна обеспечивать пропускание широкой полосы частот. Только в этом случае может быть сохранен естественный тембр звучания. 

 По этому поводу хотелось бы сделать небольшое техническое отступление. Часто приходится слышать, как некоторые любители магнитной записи звука хвастаются своими магнитофонами, говоря, что их аппарат воспроизводит частоты вплоть до 20 000 или даже до 22 000 Гц. Да, некоторые зарубежные фирмы, зачастую в рекламных целях, сообщают в проспектах о такой возможности их продукции. Но нужно ли это? Слышит ли владелец такого магнитофона частоты до 20 000 - 22 000 Гц? Конечно, нет! Исследования многих ученых показывают, что наиболее целесообразным для звуковоспроизводящей (и звукозаписывающей) аппаратуры является диапазон частот от 40 - 60 до 12000 - 16000 Гц. Расширение диапазона воспроизведения в области верхних звуковых частот не только нежелательно, но и иногда бывает даже вредно, так как на эту часть звукового спектра приходятся шипы, хрипы, свисты и другие паразитные явления, раздражающе действующие на слуховое восприятие.

Рис. 7. Между порогом слышимости и порогом болевого ощущения лежит область слышимости нормального человека. Динамический и частотный диапазоны музыки и речи расположены внутри области слышимости и составляют область слуха. 

 Однако не только диапазоном звуковых частот характеризуется музыкальное произведение, звучание оркестра или речь диктора. Исполнение музыкального произведения может быть, например, громким или тихим. Иногда композитор в нотной партитуре сам указывает, как следует исполнять то или иное произведение или каждую его часть. Музыканты для этого используют итальянские слова: форте - громко, пиано - тихо, фортиссимо - очень громко, пианиссимо - очень тихо и т. д. Следовательно, если говорить о музыкальном произведении, оно может в одной какой-то своей части звучать тихо, а в другой - громко. Отношение максимальной интенсивности звучания к минимальной интенсивности принято называть диапазоном звучания или динамическим диапазоном. Это очень важная характеристика, и не только музыкального произведения или характера исполнения, но и звукозаписывающей и звуковоспроизводящей аппаратуры. Для таких устройств динамический диапазон показывает отношение эффективного напряжения полезного сигнала на выходе аппарата к напряжению паразитных (собственных) шумов и всегда бывает меньше динамического диапазона естественного звучания. 

 Динамический диапазон при естественном звучании зависит от характера и состава музыкальных инструментов в оркестре, от количества исполнителей, их эмоционального настроя и т. п. Наименьшим динамическим диапазоном обладает мужская речь (всего 20 - 25 дБ). Динамический диапазон драматического спектакля доходит до 40 дБ. Наибольшим динамическим диапазоном обладает симфонический оркестр, когда разница между тихими и громкими частями музыкального произведения может достигать 70 дБ. Чтобы наглядно представить себе уже известные нам сведения об ограниченности диапазона слышимых звуковых частот и восприятия тихих и громких звуков, мы нанесли на диаграмму слышимости (кривые равной громкости) частотный и динамический диапазоны музыки и речи. Кроме этого, динамический диапазон некоторых технических устройств мы свели в таблицу. 

Таблица 1 Динамический диапазон некоторых музыкальных источников звука

 А теперь давайте представим себе, что сидим мы в театре и смотрим спектакль. Голоса актеров звуковыми волнами будут доходить до нас как непосредственно со сцены (прямым путем), так и отразившись один или несколько раз от потолка, стен, пола и других «препятствий», находящихся в зрительном зале. Появится так называемое послезвучание, когда слышимый звук как бы «затягивается» и слышен еще некоторое время после прекращения поступления звуковых волн. Объясняется это тем, что отраженные звуковые волны доходят до нас значительно более длинным путем, иногда в несколько раз превосходящим прямой путь звуковых волн. Это остаточное послезвучание, образующееся только в закрытых помещениях вследствие многократного отражения от поверхностей и одновременного поглощения ими звуковых волн, носит название реверберация и характеризуется промежутком времени (в секундах), в течение которого сила отраженного звука уменьшается в миллион раз (60 дБ). Этот отрезок времени называется временем реверберации. 

 Время реверберации представляет собой очень важную характеристику помещения, особенно зрелищных залов, ибо от него непосредственно зависит художественное восприятие музыки или речи. Действительно, когда время реверберации больше оптимального, зал становится гулким, речь - неразборчивой, а музыка значительно искажается. Наоборот, при слишком малом времени реверберации тембровая окраска музыки и речи изменяется, они теряют свою живость и приятность. Оптимальное время реверберации для большинства помещений, в том числе и зрительных залов,- около одной секунды. Это время выбирают для почти заполненного зала. Естественно, когда зрительный зал пуст или заполнен менее чем на половину, время реверберации еще велико и голоса зрителей звучат гулко. Стоит зрителям заполнить зал и занять свои места, как время реверберации уменьшается, приближаясь к оптимальному. От времени реверберации в большой степени зависит артикуляция (разборчивость речи). С этой точки зрения большую ценность для инженеров и архитекторов представляют старинные соборы. Например, в Софийском соборе Киева в стены вделаны специальные ниши - голосники, которые реагируют на определенные частоты, или, как говорят, резонируют на определенных частотах. В результате время реверберации оказывается наиболее оптимальным для речи и она одинаково хорошо слышна и разборчива как внизу, так и на хорах. К акустике жилого помещения нам еще придется вернуться, когда мы будем говорить о домашних записях. Реверберацию не следует путать с эхом, возникающим в природных условиях, например в горах, лесу и т. п. Эхо, как правило,- это однократное отражение звука. При однократном отражении звука от нескольких объектов может возникнуть слуховое ощущение, похожее на реверберацию. Однако при эхе всегда различимо на слух четкое повторение звука, в то время как реверберация как бы увеличивает объем помещения, делает его более гулким. 

 Вот, пожалуй, и все, что мы хотели рассказать вам о звуке и его восприятии. Так как вопрос этот очень важен для практической работы с магнитофоном, нам хотелось бы еще вернуться к разговору об особенностях слуха человека.