Питання для самоперевірки

1. Дайте визначення поняттю “звукове поле”.

10. Дайте визначення швидкості розповсюдження звуку.

11. Дайте визначення звукового тиску.

12. Що таке акустичний опір?

13. Дайте визначення поняттям інтенсивності та рівня інтен-сивності звуку.

14. Які одиниці вимірювання інтенсивності звуку?

15. Які одиниці вимірювання рівня інтенсивності?

16. Яка сфера застосування критичних смуг?

17. Який діапазон частот звуків має найбільшу гучність при однаковій інтенсивності?

Завдання для самоопрацювання

1. Намалювати графік залежності величини смуги пропускання слухових фільтрів від їх центральної частоти

2. Порівняти звукові сигнали однієї інтенсивності, але з різними частотами: 100 Гц, 500 Гц, 1000 Гц, 5000 Гц, 10000 Гц. Описати слухові відчуття.

3. На вашу думку, чи однаково сприймають інтенсивність звуку різні люди?

4. Перерахувати прилади, в яких застосовуються рівні інтенсивності звуку.

5. Розрахувати результуючий рівень інтенсивності для двох діючих джерел звуку. Наприклад, для першого джерела L₁ = 40 дб та другого L₂ = 44 дб. Частоти звукових хвиль неоднакові: частота першої хвилі F₁ = 100 Гц, другої F₂ = 5000 Гц.

Тема 6. Сприйняття тембру

1. Поняття тембру.

2. Визначення тембру в музиці.

3. Характерні ознаки тембру.

4. Шум як тембр.

І.Алдошина визначає тембр звуку як “його особливу індивідуальну окраску, що дозволяє вирізнити даний звук від звуків такої ж висоти та гучності” та “як суб'єктивну якісну характеристику звуку” [2, 60].

Тембром звуку за Я.Вахітовим “називається особлива його окраска, яка дозволяє вирізнити даний звук від інших звуків такої самої висоти й гучності”. Зазначається також, що тембр є “суб'ктивною якісною характеристикою звуку”[5, 163].

Кількість обертонів та співвідношення їх амплітуд – перший фізичний фактор, що визначає тембр звуку [5,164].

Тембр за Л.Кузнецовим це “суб'єктивна характеристика якості звуку, завдяки якій звуки однієї й тієї ж висоти та інтенсивності можна вирізнити один від одного”[14,74]. Основними об'єктивними параметрами тембру є спектр і характер перехідного процесу основного тону й обертонів.

Тембром звуку за О.Радзішевським “називається така якість звуку, яка поза залежністю від частоти та амплітуди, дозволяє вирізнити одне звучання від іншого”. Отже, зазначається, що тембр не залежить від “висоти основного тону” і визначається “складом обертонів (їх частотами та амплітудами)”. [26,108–109].

Тембр звуку залежить від: спектрального складу; співвідношення амплітуд складових спектру; нарощення амплітуди на початку звучання та спаду у кінці звучання; різниці у формі кривої, що огинає у межах періоду коливання [26,108–109]. Також, визначає Л.Кузнецов є “додаткові параметри, такі як реверберація, вібрато, унісон, негармонічність обертонів, биття, відстань від джерела звуку, нелінійність кривих рівної гучності, нелінійність амплітудної характеристики звуку” [14,74].

Тембр також визначає, так звана, атака – “тривалість нарощування звуку і тривалість його затухання” [5,165]. Тут може створитися такий ефект, коли звуки основного тону й обертони одного складного звуку матимуть різні тривалості атаки та затухання. Наприклад, у фортепіано – коротка атака й тривале затухання; у органа – поступове нарощування й різке зникнення звуку.

Тембр (від фр. Timbre – забарвлення) – одна з властивостей звуку, за якою вирізняють звуки однакової висоти чи гучності, однак виконані на різних інструментах, різними голосами [20, т.5, 489].

Він залежить від багатьох факторів: конструкції інструмента, матеріалу, якості, способу звукоутворення, виконавця, середовища тощо.

Тембр, тобто забарвлення звуку, перш за все обумовлений яскравістю та приглушеністю окремих елементарних тонів [15,10]. Відомо, що перші вісім обертонів, зливаючись утворюють гармонічний комплекс, в основі якого лежить мажорний тризвук. Високі ж обертони (після 8 чи10) впливають на забарвлення звуку, тобто на його тембр.

Тембр характеризується такими ознаками:

• суб’єктивні асоціативні представлення;

• спектральний склад;

• кількість обертонів у складі звуку, їх співвідношення за висотою, сумарною гучністю; шумовими призвуками;

• резонанс та вібрація, що виникають, відповідно, у вібраторі та резонаторі; амплітудна та частотна модуляція;

• форманта – область посилених часткових тонів у спектрі звуку;

• регістр – високий, середній, низький;

• перехідні процеси: початкова стадія виникнення звуку – атака (різка, плавна, м'яка), стабільна фаза, кінцева стадія – процес затухання звуку;

• биття між звуками;

• співвідношення амплітуд частотних складових спектра – шуми.

Як правило, слухач характеризує тембр за допомогою суб'єктивних асоціативних уявлень. Визначення параметрів тембру в музиці представлені відповідними термінами чи літературними характеристиками тембру.

Наприклад, В.Кузнецов пропонує чотири групи тембрів, відповідно до діапазону частот: соковитість – 200–900 Гц, бархатистість – 800–2500 Гц, яскравість – 2500–8000 Гц, різкість – 3600–8000 Гц.

Параметри суб’ктивних оцінок тембрів майже відповідають акустичним фізичним параметрам інструментів. Так, В.Кузнецов надає такі приклади для струнних інструментів [14, 80-81]:

• при присутності в спектрах звуку нижнього регістру перших 4–5 обертонів тембр має повноту та соковитість. У високому регістрі доля енергії, що приходиться на обертони, зменшується, тому основна інтенсивність припадає на основний тон;

• у залежності від форми огинаючої спектра звуку в межах частот 220, 400, 700 Гц з’являються відтінки глибини та лункості;

• підйом огинаючої спектру в межах частот від 800–1000 до 2200–2500 при плавному підйомі – виявиться бархатистість, при різкому сплеску – гнусавість, підйом в межах 2500-300 – польотність;

• при відсутності чи недостатності обертонів у нижньому регістрі тембр визнається як тьмяний;

• при послабленні перших гармонік і їх підсилення, починаючи з шостої, збільшується різкість та тріскучість;

• присутність у спектрі звуку скрипки низького за частотою основного тону 220–257 Гц надає тембру глибину;

• пік спектрів скрипок на частотах 1500–2200 Гц – надає гнусавості.

Найвагомішою характеристикою є спектральний склад, який визначається кількістю та амплітудами компонентів, що в них входять. Він також залежить від складу компонентів та від фазових співвідношень між ними – “різниця фаз гармонік призводить до різних форм звукового сигналу”. Наприклад, форми звукових сигналів музичних інструментів різні і їм відповідають різні спектри [14,74].

Наявність у спектрі музичного звуку груп спектральних складових, які мають стійке положення максимуму їх огинаючої, тобто формантних груп, суттєво прикрашає тембр і надає йому особливої яскравості особливо у високочастотній частині спектра. Наприклад, у скрипок у високочастотній формантній групі (3000-4000 Гц).

Особливе значення для формування тембру має склад натурального звукоряду, особливо часткових тонів – обертони чи гармоніки. На тембр впливають, по-перше, кількість обертонів, що відчуваються, по-друге, розподілення гучності між окремими гармоніками складного музичного звуку, по-третє – інтенсивність різних обертонів.

І якщо основний тон визначає висоту звуку, то обертони, “накладаючись у відповідних співвідношеннях, надають звуку специфічну окраску, тобто наявний у даного джерела тембр” наголошує Б.Меєрзон [18,17].

Як зауважує музичний теоретик Б.Алексеєв, “якщо друга гармоніка буде гучнішою основного тону, третя – гучніше другої, а потім гучність буде знижуватись – виникає тембр близький до гобоя…, а якщо виділити непарні гармонічні тони – перший, третій та п'ятий – синтезується тембр кларнета”[3, 13].

За даними Л.Кузнецова [14,75–77] для спектрів струнних інструментів характерна залежність кількості обертонів від висоти тону причому у міру переходу від низьких до високих тонів спектри збіднюються обертонами.

Спектри струнних смичкових

Скрипка

Альт

Віолончель

Контрабас

Рис.6.1

Для струнних щипкових і смичкових також характерна залежність від місця збудження струни. Наприклад, при збудженні струни арфи на її кінці створюється спектр звуку, багатий обертонами, а при збудженні струни у центрі практично зникають усі непарні обертони.

Духові інструменти мають інші спектри: у кларнета спектр бідний непарними обертонами. Бідні на обертони й спектри звуків флейти, а спектри ударних мають значні шумові компоненти.

Спектри духових інструментів:

Флейта Англійський ріжок

Кларнет in A Альтовий саксофон

Фагот Труба

Гобой

Валторна

Рис.6.2.

Тембр у музиці також визначають дві складових: вібратор і резонатор випромінювача звуку. Особливо важливим тут є матеріал та форма цих частин джерела звуку та способи їх збудження.

Вібрація (від лат.vibratio – коливання, дрижання) – коливання джерела звуку, а також пов'язаного з ним резонатора, характеризується амплітудою та частотою.

Резонанс (від фр. Resonance, від лат. resono – відгукуюсь, звучу у відповідь) – акустичне явище, коли в результаті впливу коливання одного тіла (вібратора) у другому тілі (резонаторі) виникають аналогічні за частотою й близькі за амплітудою коливання [20,т.4., 586].

Вібратор (від. лат. vibrare – коливатись) – це тіло, яке збуджує звукові хвилі в навколишньому середовищі.

Резонатор – підсилювач гучності вібратора, який випромінює його звукову енергію.

Коливання вібратора передаються іншому тілу – резонатору, який має більший об’єм чи більшу поверхню. Особливо важливим тут є матеріал, форма джерела звуку та способи його збудження. Резонатори беруть участь у створенні тембру звуку, оскільки їх фізичні властивості впливають на форму звукової хвилі, яку випромінюють вібратори [19, 34–35].

Вібрато – невелика періодична зміна висоти (частотне вібрато) – частотна модуляція або амплітуди (амплітудне вібрато) – амплітудна модуляція музичного звуку. Тобто відбувається частотна та амплітудна модуляція основного тону та обертонів з частотою не вище 10-12 Гц. Обидва види модуляції збагачуються частотними складовими, які й впливають на тембр.

На думку Л.Кузнецова "вібрато живить звук: найбільш приємне враження справляє частотне вібрато в діапазоні від 5 до 7 Гц." [14,78].

Форманта (від лат. formantis – створюючий) – зона посилених часткових тонів у спектрі музичних звуків, звуків мови тощо [20, т.5.,907]

Формантою ще називають "значно підсилену область частотного спектру звукового коливання" [30,44].

Форманти залежать від того, які “обертони супутні основному тону, яка інтенсивність кожного з них і в яких областях звукових частот відбувається їх скупчення” [16,132]. Частота форманти завжди вище основного тону – "якщо частота основного тону перевищує частоту форманти, то остання випадає по завершенню коливального процесу”, – пише А.Севашко [30,44].

Форманти є у всіх музичних інструментів: для флейти характерні форманти у межах частот від 1400 до 1700 Гц, гобоя – 1600–2000 Гц, фагота – 450–500, у спектрі якісних скрипок – 240–270, 500–550, 3200–4200 Гц.

Дослідники також зауважують, що у музичних інструментів “форманти виникають не скільки за рахунок тіла, що коливається, скільки незалежно від нього – завдяки коливанням резонатора” [30,44].

Поняття форманти більше вживається у фонетиці, де воно визначає акустичну характеристику звуків мови. У спектрі звуку виявлено декілька формант, наприклад, 500 Гц, 1500 Гц і т.д. У людини розрізняють чотири форманти – для розрізнення голосних звуків достатньо двох перших.

При співі, крім мовних формант, виникають характерні співочі форманти у відповідних частотних смугах: висока – в області 2100-2500 Гц – у басів; 2500–2800 Гц – у тенорів; 3000 – 3550 Гц – у сопрано. У цих частотних смугах звук, наприклад, у оперних співаків має яскравий, сріблястий тембр; низька співоча форманта знаходиться у зоні 500 Гц і вирізняється м'якістю.

Відносно великі частини музичного діапазону, звуки якого близькі за висотою і тембром, називаються регістрами [31,17].

Регістр – ряд звуків діапазону співочого голосу чи музичних інструментів, що характеризуються єдиним тембром. Весь діапазон інструментів чи голосу ділиться на три регістри: низький, середній, високий

Тембр також значно впливає на звуковисотну інтонацію окремого звуку (звуки низького регістра з малою кількістю обертонів відносно висоти часто здаються розпливчастими); на розбірливість голосних і приголосних у вокальному виконанні [20, т.5.,489].

Розрізняють три стадії перехідних процесів: початкова – атака, середня та кінцева – затухання.

Атака ( від італ. attaccare – нападати) – перехідний процес, що характеризує становлення музичного звуку. Звукова атака це “початок звуку” [19,147] – короткий (від доль до десятків мс.), але найважливіший етап звучання, який значною мірою визначає розпізнавання джерела звуку. У момент атаки, пише Л.Кузнецов, в "результаті ускладнення спектру звук набуває характерного для відповідного інструмента тембру" [14, 78].

Важливим фактором тут є тривалість нарощування звуку, тобто атака й тривалість його затухання. Водночас, як пише І.Алдошина "обертони й основний тон можуть мати різні тривалості атаки і затухання", що великою мірою характеризує тембр окремих інструментів та голосів [21,60].

Атака – перехід голосового апарата людини від стану дихання до мови чи співу. Розрізняють тверду атаку, коли голосові зв'язки зімкнені і повітря пробивається через них з силою, під напором, і м'яку, коли голосові зв'язки не напружені [20,т.1., 241].

Перехідні процеси розглядаються для кожного обертону окремо, оскільки тембр звуку залежить від характеру нарощування чи затухання кожного компонента.

Процес нарощування звуку скрипки (цифри – номери обертонів), перехідні процеси у звуків струнних щипкових інструментів [14,77] показані на рис. 6.4:

Рис.6.4.

Приблизний час протікання різних стадій перехідних процесів у різних інструментів:

Інструменти	Атака, мс	Середня постійна часу затухання,с	Заглушування
Клавішні: фортепіано	0,5-3	0,05-2	0,2-1
Щипкові	1-5	0,02-1	0,2-1
Смичкові	30-120	-	0,15-0,5
Духові: язичкові мідні	10-200 20-100	- -	0,1-0,5 0,05-0,5
Орган	50-1000	-	0,2-2
Ударні: Барабан Ксилофон	0,4-15 0,4-4	0,03-0,3 0,03-0,25	- -

Рис.6.5. Час протікання перехідних процесів

Биття – періодична зміна гучності “тонів з однаковими амплітудами і частотами, але зі змінними фазами” [2, 41]. Поняття биття “характеризує слухове сприймання двох одночасно звучащих тонів з близькими частотами". [4, 60].

Таке періодичне послаблення чи підсилення гучності відчувається при одночасному звучанні двох або декількох звуків, близьких за частотою, яке не може бути сприйнято вухом роздільно. Биття виникає не тільки між основними тонами, але й між обертонами.

Биття звуку характеризується хвильоподібною, періодично затухаючою чи зростаючою зміною сили звуку, що пояснюється складанням коливань близьких частот. Частота биття результуючого тону рівна різності частот сполучених звуків. Наприклад, два звуки “ля” першої октави з частотою 440 Гц та 435 Гц дають биття з частотою 5 Гц [20, т.1, 473].

Цей, так званий, "унісон фізіологічний", на думку Л.Кузнецова живить звук: збільшується польотність і розбірливість звуку, зменшуються дисонансні явища та комбінаційні викривлення – "якщо ж частота биття є великою (за межами фізичного унісону), то тембр стає дисонасним та шершавим" [14,79].

Шум як тембр

У відповідності до співвідношення амплітуд частотних складових спектра звук сприймається як музичний звук чи як шум. За періодичністю спектру їх умовно можна поділити на: тональні й нетональні.

Якщо звук має “лінійчатий дискретний частотний спектр” – звук сприймається як музичний, тональний [26,131]. Якщо звук має безперервний частотний спектр (тобто коли амплітуди частотних складових спектру приблизно рівні) – то звук сприймається як шум [26, 105].

Отже, "звуки, спектр яких є безперервним, називаються шумами" – пишуть І.Алдошина та Б.Меєрзон, а Н.Гарбузов наголошує, що шуми це “складні звуки з невизначеною висотою, але з відповідним тембром та гучністю” [19,7]. Дійсно, шум характеризується неперіодичними коливаннями, випадковими змінами амплітуди, частоти та фаз звукових хвиль.

Види шумів

І.Алдошина вирізняє шуми в залежності від характеру огинаючої спектра шуму та в залежності від спектра шуму [2,41-42]:

• білий шум – спектральна щільність в лінійній шкалі частот має вид прямої паралельної осі частот, а в октавній шкалі частот має вид висхідної прямої з кутом нахилу підойму 3 дБ;

• рожевий шум – спектральна щільність в октавній шкалі має, вид лінії паралельної осі частот, в лінійній – низхідної прямої з кутом нахилу спаду 3 дБ;

• рівномірно маскуючий шум – пов'язаний із критичними смугами слуху;

• широкополосний, вузькополосний шуми – залежать від ширини спектра. Наприклад, шум вдування повітря на флейті – це вузькосмуговий шум, який надає звучанню характерного забарвлення.

За О.Радзішевським, вирізняються кольорові та тональні шуми [26, 143-136):

• білий шум – з постійною спектральною щільністю;

• рожевий шум – спектральна щільність якого зменшується на 3 дБ з кожною наступною октавою;

• помаранчовий шум – з кінцевою спектральною щільністю;

• зелений шум – з посиленою областю частот в районі 500 Гц;

• синій шум – спектральна щільність збільшується на 3 дБ з кожною наступною октавою;

• сірий шум – має однакову гучність у всьому діапазоні відчутних частот;

• коричневий шум – спектральна щільність якого зменшується на 6 дБ з кожною наступною октавою;

• чорний шум – надзвуковий білий шум має постійну кінцеву спектральну щільність за межами порогу чутливості;

• тональний шум – у спектрі, якого відчуваються дискретні тони.