Попросите гитариста и кларнетиста сыграть одну и ту же звучащую ноту. Даже с закрытыми глазами вы, скорее всего, отличите один инструмент от другого. Высота совпадает, а впечатление разное. Значит, название ноты сообщает нам лишь часть сведений о звуке. Остальное приходится искать в том, какие колебания возникли, как они меняются и каким путём добираются до воздуха. Совокупность таких слышимых различий при одинаковых высоте и громкости мы связываем с тембром.[1]
От щипка до воздуха
Начнём с гитары. Палец оттягивает струну и отпускает её: запасённая энергия переходит в колебания. У идеальной гибкой струны, закреплённой с двух концов, возможны движения с одной, двумя, тремя и более колеблющимися частями. Их частоты составляют ряд 1:2:3 и далее. Такие составляющие называют гармониками. При щипке несколько из них звучат одновременно, но с разными амплитудами. Поэтому струна обычно даёт сложный звук, хотя музыкант взял всего одну ноту.[2]
Однако тонкая струна плохо передаёт энергию окружающему воздуху. Её движение через подставку раскачивает деку, а та уже имеет достаточную площадь, чтобы эффективно излучать звук. Дека, другие части корпуса и воздух внутри участвуют в связанных колебаниях. На одних частотах эта система отзывается охотнее, на других слабее, меняя соотношение составляющих.[3]
Если корпус помогает гитаре звучать громче, откуда берётся энергия? Она запасена при оттягивании струны: всё начинается с работы пальца. Корпус помогает быстрее передать эту энергию воздуху, и такой расход одновременно участвует в затухании струны. Получается вполне инженерный обмен: вы лучше слышите звук, пока запас энергии постепенно убывает. Если же струну вести смычком, энергия продолжает поступать, пока музыкант поддерживает движение. Уже поэтому щипок и смычок дают разное развитие звука во времени.[2, 3]
Трость договаривается с трубкой
В кларнете музыкант подаёт воздух под давлением. Сама по себе ровная струя ещё не даёт устойчивой музыкальной ноты. Трость работает как упругий клапан: изменяет зазор у мундштука и тем самым регулирует поток. Внутри канала возникают изменения давления; волны отражаются и возвращаются к трости, влияя на её движение. При подходящих условиях такая обратная связь поддерживает колебания за счёт энергии выдоха.[4]
Резонатором здесь служит прежде всего воздушный столб. Его резонансы зависят от формы канала и открытых отверстий; меняя аппликатуру, музыкант меняет условия колебаний. В нижнем регистре кларнета обычно особенно заметны нечётные гармоники. Это связано с тем, что почти цилиндрический канал со стороны мундштука близок к закрытой трубке. Слово «почти» существенно: реальная трость, раструб и отверстия сложнее учебной модели. Чётные гармоники тоже присутствуют, а в других регистрах соотношения меняются.[4]
Получается, трость и воздушный столб работают совместно. Трубка влияет на ритм клапана, клапан снабжает колебания энергией. Если рассматривать их по отдельности, вы потеряете обратную связь, которая и помогает поддерживать звук. Поэтому объяснение кларнета приходится замыкать в круг: движение трости меняет поток, поток возбуждает колебания воздуха, а вернувшаяся волна снова действует на трость.[4]
Что слышно после удара
Ударим теперь по металлической пластине. Она изгибается сразу несколькими способами; каждый такой способ называют модой. Частоты мод не обязаны образовывать гармонический ряд. Положение удара определяет, какие движения получат больше энергии, а место удержания влияет на то, какие из них быстро затухнут.[5]
Увидеть эти различия удалось задолго до электронных измерителей. В книге 1787 года Эрнст Хладни описал опыты с пластинами, которые приводил в колебание смычком, предварительно посыпав песком. С сильно движущихся участков песчинки разбрасывало, а возле почти неподвижных линий они оставались. Получался видимый рисунок узлов. Меняя точки опоры, касания и проведения смычка, Хладни получал от той же пластины разные тоны и разные фигуры.[6] Для нас здесь важно, что способ крепления входит в устройство звучащего предмета: зажать пластину «для удобства» означает заодно вмешаться в её колебания.[5, 6]
Хороший пример дают колокольные пластины. У правильно выбранной формы рукоятка оказывается в области, почти неподвижной для одной из мод. Колебания слабо передают энергию руке, и после короткого ударного начала остаётся долгий, почти чистый тон. Немного измените форму, и та же рука станет эффективно гасить движение. Вместо звона получится короткий стук. Поэтому даже для металлической пластины одной ссылки на материал недостаточно.[5] Её способность изгибаться связана с тем, какие движения вообще допускает твёрдое тело.
Тембр успевает измениться
Начало звука называют атакой. Ударный всплеск, разгон колебаний трости и начало щипка устроены по-разному. Затем отдельные составляющие могут ослабевать с разной скоростью: гитарная нота, например, обычно теряет высокочастотную часть быстрее и становится мягче.[2]
Спектр показывает, какие частоты присутствуют и насколько они сильны. Для понимания тембра нужно проследить ещё и его изменение во времени: именно совместные частотные и временные признаки помогают узнавать инструменты.[1] Прислушайтесь отдельно к первым мгновениям ноты и к её окончанию. Одно название ноты, а сколько событий. При записи сохранить их помогает понимание того, что с сигналом делают микрофон и громкоговоритель.
