Шаг за шагом. Усилители и радиоузлы

В чем же состоит различие консонанса и диссонанса? Почему ухо по-разному реагирует на них? За счет чего одни созвучия мы относим к приятным, а другие едва в состоянии слушать? Впервые на эти вопросы попытался ответить Гельмгольц. Исследуя хорошо известное музыкантам явление — возникновение в самом ухе гармоник и комбинационных тонов, он построил довольно строгую теорию консонанса. Вот уже около ста лет ученые стремятся дополнить, развить, проверить или опровергнуть эту теорию и сами при этом открывают новые и интересные подробности анализа созвучий.

В качестве примера можно указать работы профессора С. Н. Ржевкина, который исследовал созвучия, подводя один чистый тон к правому уху, а второй — к левому. Оказалось, что в этом случае мы вообще не в состоянии заметить ни консонансов, ни диссонансов. Так еще раз было доказано, что истинное созвучие получается лишь тогда, когда оба звука попадают в одно ухо и там создают «гибридные» комбинационные тона.

Другую музыкальную проблему, привлекающую внимание физиков и физиологов, можно определить одним словом «ритмы». Марш, вальс, галоп, колыбельная. Даже эти простые примеры говорят о том, что ритмический рисунок — сложное чередование акцентов, пауз, звуков различной длительности — одно из главных выразительных средств музыки. Попутно хочется заметить, что не только в музыке, но в стихах, отчасти и в прозе, слух выделяет, а мозг оценивает созвучия (рифмы) и ритмы. Есть основание думать, что действие музыкальных и поэтических ритмов связано с ходом наших внутренних «биологических часов». Эти «часы» представляют собой сложные и пока еще во многом загадочные биологические и биохимические системы, которые отбивают такт работы отдельных клеток и целых органов — сердца, легких, мозга, определяют ритм жизни.

Наряду с изменением громкости и высоты звука, сложными ритмами, приятным и неприятным сочетанием тонов музыкальное искусство использует еще одно сильнейшее «оружие» — тембры. Мы уже знаем, что тембровая окраска определяется спектром звука — числом гармоник (обертонов) и их амплитудами. Ну, а сам спектр прежде всего зависит от того, каким способом создается звук, какой музыкальный инструмент является его источником [1] [3].

Из всех музыкальных инструментов принято выделять три основные группы: струнные, духовые и ударные (рис. 12).

Рис. 12. Музыкальные инструменты.

В струнных инструментах, как говорит само название, источником звука является колеблющаяся струна. Можно думать, что далеким предком этих инструментов была туго натянутая поющая тетива лука. В зависимости от того, каким образом струна приводится в движение, среди струнных инструментов выделяют смычковые (скрипка, альт, виолончель, контрабас), щипковые (арфа, гитара, гусли, мандолина, балалайка) и клавишно-ударные (рояль).

Сама по себе струна создает очень слабый звук — уже на расстоянии 2–3 м он почти не слышен. Это связано с тем, что струна, даже самая толстая, имеет очень небольшую площадь поперечного сечения и увлекает за собой малый объем воздуха. Чтобы получить заметную звуковую мощность, во всех струнных инструментах, струну объединяют с большим излучателем. Струна приводит в движение излучатель, а он уже, захватывая большие массы воздуха, создает достаточно мощное излучение. У скрипки, гитары, контрабаса основной излучатель звука — это сам корпус инструмента, у рояля основным излучателем является особой формы доска — резонансная дека, над которой натянуты струны.

У каждого типа музыкальных инструментов имеется свой характерный тембр. Более того, даже инструменты одного и того же типа создают звук с различной тембровой окраской. Так, например, прослушав несколько, казалось бы, одинаковых скрипок, человек с хорошим слухом у каждой из них обнаружит какую-либо особенность звучания.

Как уже говорилось, струна создает большое число гармоник. Излучатель-корпус, резонируя на разных частотах, усиливает те или иные гармоники, подчеркивает их, окончательно формирует тембр. Те области частотного диапазона, где происходит усиление, подчеркивание гармоник, называют формантами. Можно сказать, что форманта — это область, где частотная характеристика излучателя звука имеет заметный подъем.

В правой части рис. 12 показаны графики, характеризующие тембровые особенности некоторых музыкальных инструментов. Первые два графика — это резонансные характеристики различных по звучанию скрипок. Характеристики показывают, в какой степени тот или иной инструмент подчеркивает звуковые колебания разных частот. Из графиков видно, что различные по характеру звучания скрипки прежде всего отличаются своими формантами. Так, в частности, главная форманта в знаменитых скрипках старинного итальянского мастера Страдивариуса находится в области 3200–4200 гц, в то время как у плохой скрипки эта форманта сдвинута в область 2200–2800 гц.

На третьем графике показан спектр звука «до» (частота 130 гц) на современном рояле, а на следующем графике — спектр того же звука, воспроизведенного на фортепьяно эпохи Бетховена. В старинном фортепьяно применялись тонкие струны, и натянуты они были во много раз слабее, чем на современном рояле [4]. Ударный молоточек был оклеен сравнительно жестким материалом, поэтому звук содержал большое число высших гармоник и имел звенящий («проволочный») оттенок.

В духовых музыкальных инструментах основным звучащим телом является столб воздуха. В зависимости от того, каким образом создаются колебания воздушного столба, различают духовые инструменты язычковые и безъязычковые. В язычковых инструментах (кларнет, гобой, саксофон, фагот) поток воздуха заставляет колебаться упругий язычок — тонкую металлическую, деревянную или тростниковую пластинку.

Сложная колебательная система «язычок — столб воздуха» и определяет «голос» инструмента. К язычковым духовым можно отнести баяны, гармони, аккордеоны. Здесь металлические язычки приводятся в движение воздухом, который нагнетают мехами. К язычковым часто относят и так называемые амбушюрные инструменты. Это трубы (труба, тромбон, валторна, пионерский горн), где роль колеблющегося язычка выполняют определенным образом сложенные губы музыканта.

Безъязычковые духовые инструменты (флейта, свирель, дудка) часто называют свистковыми — по принципу действия они напоминают обычный свисток. Источником колебаний в этих инструментах является воздушный вихрь — быстрый поток воздуха. Зацепившись за острый край так называемой губы, он создает ритмические вихревые движения, а они возбуждают звуковые колебания всего воздушного столба. Точно так же создается звук во многих органных трубах. В старинных органах воздух нагнетали большими мехами, а сейчас для этой цели используют мощные вентиляторы с электромоторами. Органист, нажимая на клавиши, переключает потоки воздуха, подает их на различные трубы.

В современном органе имеется несколько тысяч труб, которые создают звуки различной высоты и различных тембров. Частота звука зависит от размеров трубы. Большие органные трубы (длина до 11 м) создают низкочастотные звуки, а маленькие (длина до 10 мм) — высокочастотные. В духовых инструментах есть только одна труба, и для изменения высоты звука меняют ее действующую длину.

Для этого с помощью клапанов, а иногда и с помощью пальцев перекрывают отверстия в самой трубе (кларнет, фагот, гобой и др.), или направляют воздушный поток в ответвления основной трубы (валторна, кларнет, труба и др), или, наконец, меняют длину трубы с помощью выдвижного колена (тромбон). Кроме того, менять частоту звука можно, используя различные приемы вдувания воздуха, как это делают горнисты.

Особенность большинства ударных инструментов состоит в том, что они создают звук с большим числом сравнительно мощных гармоник, и, как правило, трудно говорить об основной частоте такого звука. Гармонические составляющие так близки, что их приходится рассматривать как сплошные полосы частот. Тембр ударного инструмента зависит от того, какие частоты входят в эту полосу и как распределяется мощность звука между участками полосы. Известно, что большой барабан явно «басит», а маленький создает резкий, звенящий звук, в который наряду с низкочастотными входят еще и высокочастотные составляющие. Эти особенности звучания отражены и в спектрах звука большого и малого барабанов (рис. 12).