§ 21. Тембр

К тем же заключениям, что и в предыдущем параграфе, можно прийти, пользуясь не камертонами, а упрощенной сиреной — вращающимся диском с отверстиями, через которые продувается струя воздуха (рис. 35). Повышая напор струи воздуха, мы усиливаем колебания плотности воздуха позади отверстий. При этом звук, сохраняя одну и ту же высоту, делается громче. Ускоряя вращение диска, мы уменьшаем период прерываний воздушной струи. Вместе с тем звук, не меняясь по громкости, повышается. Можно также сделать в диске два или более рядов отверстий с разным количеством отверстий в каждом ряду. Продувание воздуха через каждый из рядов дает тем более высокий звук, чем больше отверстий в этом ряду, т. е. чем короче период прерываний.

Но, взяв в качестве источника звука сирену, мы получаем хотя и периодическое, но уже негармоническое колебание: плотность воздуха в прерывистой струе меняется резкими толчками. Наряду с этим и звук сирены, хотя и является музыкальным, но совсем не похож на топ камертона. Можно подобрать высоту звука сирены такой же, как и у какого-либо из камертонов, т. е., как говорят, заставить сирену звучать в унисон с камертоном. Можно при этом и громкость звука сделать одинаковой. Тем не менее, мы легко отличим звук камертона от звука сирены.

Таким образом, если колебание не является гармоническим, то на слух оно имеет еще одно качество, кроме высоты и громкости, а именно — специфический оттенок, называемый тембром. По различному тембру мы легко распознаем звук голоса, свист, звучание струны рояля, скрипичной струны, звук флейты, гармонии и т. д., хотя бы все эти звуки имели одну и ту же высоту и громкость. По тембру же мы можем узнать голоса разных людей.

С чем же связан тембр звука, с какой особенностью колебаний?

На рис. 38 показаны осциллограммы звуковых колебаний, создаваемых роялем и кларнетом, причем для одной и той же ноты, т. е. для звука одной и той же высоты, соответствующей периоду . Осциллограммы показывают, что период обоих колебаний одинаков, но они сильно отличаются друг от друга по форме и, следовательно, различаются, как мы знаем (§ 17), своим гармоническим составом.

Оба звука состоят из одних и тех же гармонических колебаний (тонов), но в каждом из них эти тоны — основной и его обертоны — представлены с разными амплитудами и фазами.

Вопрос заключается, таким образом, в том, что же именно создает ощущение того или иного тембра: амплитуды ли гармоник, или их фазы, или и то и другое вместе.

Рис. 38. Осциллограммы звуков рояля и кларнета

Исследование этого вопроса показало, что для нашего уха существенны только частоты и амплитуды тонов, входящих в состав звука, т. е. тембр звука определяется его гармоническим спектром. Сдвиги отдельных тонов по времени, другими словами, изменения фаз топов, никак не воспринимаются на слух, хотя и могут очень сильно менять форму результирующего колебания. Таким образом, один и тот же звук может восприниматься при очень различных формах колебания. Важно только, чтобы сохранялся спектр, т. е. частоты и амплитуды составляющих тонов.

На рис. 39 изображены спектры тех звуков, осциллограммы которых показаны на рис. 38. Так как высоты звуков одинаковы, то и частоты тонов — основного и обертонов — одни и те же. Однако амплитуды отдельных гармоник в каждом спектре сильно различаются. В звуке рояля заметны гармоники до 18-й, причем 15-я и 16-я практически отсутствуют, в то время как у кларнета налицо гармоники лишь до 12-й и отсутствуют вторая и четвертая гармоники.

Рис. 39. Спектры звуков рояля и кларнета