Физико-музыкальные основы звука

Звуком являются волны, характеризующиеся амплитудой и спектром частот. Амплитуда определяет диапазон громкости звучания. Частота – количество колебаний в секунду. Чем выше частота, тем больше длина волны и наоборот.
Спектр частот звуковых волн находится в диапазоне от 16 Гц (колебаний в секунду – герц) до 8372 Гц, предел слышимости – 15 – 20 килогерц. 
Ниже звукового диапазона лежит инфразвуковой диапазон. Нижняя его граница условно определена как 0,001 Гц, практический интерес могут представлять колебания от десятых долей Гц, то есть с периодами в десяток секунд.

Инфразвук

За верхнюю границу инфразвукового диапазона принимают 16 – 25 Гц. Частоты 3 – 30 Гц имеют длину волны 10 – 100 тысяч км. Инфразвук распространяется на большие расстояния и может служить предвестником бурь, ураганов, цунами, это звук общения китов. Частота 7 Гц именуется голосом моря.

Частоты в 0,5 – 30 Гц – это собственная резонансная частота органов физического тела человека. В то же время частоты от 16,352 до 32,703 Гц входят и в звуковой диапазон и составляют субконтроктаву – самую низкую из слышимых октав. Из смычковых инструментов в этом диапазоне находится строй октобаса (субконтрабаса) – гигантского контрабаса с тремя струнами, настроенными на До и Соль субконтроктавы, Ре контроктавы, а предел его диапазона – Ля контроктавы.
Звуки с частотами от 32,703 до 65.406 Гц относятся к контроктаве, в которой находится диапазон контрабаса (его строй – Ми и Ля контроктавы, Ре и Соль большой октавы, верх диапазона – Соль первой октавы и выше). Самая низкая октава инструментов скрипичного семейства – большая октава (частоты от 65,406 до 130,81 Гц), с До большой октавы начинается диапазон виолончели. Частоты от 130,81 до 261.63 Гц составляют малую октаву, с До малой октавы начинается диапазон альта-контральто. Частотам 30 – 300 Гц соответствует длина волны 1 – 10 тысяч км.
Гектокилометровыми считаются волны с длиной от 100 до 1000 км, им соответствуют частоты 300 – 3000 Гц.

Звуковые октавы

Им соответствуют первая октава (261,63 – 523,25 Гц), вторая октава (523,25 – 1046,5 Гц), третья октава (1046,5 – 2093,0 Гц), четвертая октава (2093 – 4186 Гц).
Самая высокая из используемых в музыке октав (на пределе диапазона скрипки) – пятая октава с частотами от 4186 до 8372 Гц. Волны от 3000 до 30 000 Гц 
(3 – 30 килогерц) имеют длину волны от 10 до 100 км. На скрипке на струне Ми 4-м пальцем в 7-й позиции, начинающейся с середины струн, может быть извлечена Ля четвертой октавы, длина грифа позволяет извлечь и отдельные более высокие звуки, но звуки выше До пятой октавы не употребляются даже в флажолетах по причине неопределенности и художественной невыразительности их тембра.
Полосу частот от 20 килогерц до 1 гигагерц (миллиард Гц) считается ультразвуковым диапазоном. Ультразвук встречается в природе в качестве компонентов шума ветра, водопада, дождя, перекатываемой морским прибоем гальки, звуков, сопровождающих грозовые разряды, звуков животного мира. Механическими ультразвуковыми излучателями являются камертоны, свистки, сирены. Фокусировка ультразвука осуществляется с помощью звуковых линз и зеркал.

Ультразвуковые частоты подразделяют на три области: низкие (15 – 100 килогерц) применяются в устройствах передачи сигнала на большие расстояния; средние (100 килогерц – 10 мегагерц) применяются при обработке материалов (сварка, очистка и пр.); высокие (10 мегагерц – 1 гигагерц) используются в научных исследованиях для получения информации (сканирование океанского дна и др.).
Ультразвуковые волны имеют разные диапазоны длины: длинные (километровые) на частоте 30 – 300 килогерц (1 – 10 км), средние (гектометровые) на частоте 
300 килогерц – 3 мегагерц (от 100 метров до 1 километра), короткие (декаметровые) на частоте 3 – 30 мегагерц (от 10 до 100 метров), ультракороткие (УКВ): метровые (от 1 до 10 метров) на частоте 30 – 300 мегагерц, дециметровые (от 10 до 100 сантиметров) на частоте 
300 мегагерц – 3 гигагерц, сантиметровые (от 1 до 10 сантиметров) на частоте 
3 – 30 гигагерц.
Волны длиной 1 метр соответствуют частоте 300 мегагерц, волны длиной 1 мм – 300 гигагерц. Это пределы диапазона сверхвысокочастотного (СВЧ) или микроволнового излучения, используемого для термических процессов. Диапазон волн длиной от 2 мм до 0,74 микрона (микрон (мкм) – 0,001 мм) является инфракрасным (тепловым) изучением, в этот диапазон входят длинноволновая область (50 – 2000 микрон), средневолновая область 
(2,5 – 50 микрон), коротковолновая область (0,74 – 2,5 микрон).
микрона или 740 нанометров при частоте 
405 терагерц (1014 Гц). Длина волны красного света – 0,74 Длина волны фиолетового света – 380 нанометров при частоте 790 террагерц. Выше частот видимого света находятся: ультрафиолетовый свет (380 – 10 нанометров и 7,9•1014 – 3•1016 Гц);

Что касается рентгеновского излучения:
(1000 – 0,01 нанометра), гамма-излучение (менее 5•10−3 нанометра).
Таким образом, звуком являются сравнительно низкочастотные вибрации с очень большой длиной волны (в десятки, сотни и тысячи километров).
Физическими параметрами звука являются его колебательная скорость, а также ряд других характеристик (коэффициент затухания и акустическое давление).

Основным параметром звука является его скорость.

Колебательная скорость звука – это скорость распространения звуковых волн в среде. Скорость звука в воздухе 340—344 м/с, в твердых телах эта скорость выше, при этом скорость звука в твердых телах зависит от свойств этих тел. Такое свойство звука, как громкость, определяется субъективным восприятием силы звука (как абсолютной величины слухового ощущения) и зависит от звукового давления, амплитуды и частоты звуковых колебаний.

На громкость звука влияют его спектральный состав, локализация в пространстве, тембр, длительность воздействия звуковых колебаний, индивидуальная чувствительность слухового анализатора человека и другие факторы. Таким образом, восприятие звука не может быть описано физическими терминами, поскольку восприятие музыки относится, скорее, к областям психологии и эстетики.
Те свойства звука, которые не относятся к их громкости, высоте и длительности, обобщаются понятием «тембр». В него входят акустические свойства инструмента, манера звукоизвлечения, личностные восприятия и характеристики звуковых волн.
Базовой характеристикой музыкального звука является его тембр (фр. timbre – колокольчик, метка, отличительный знак) – колористическая (обертоновая) окраска звука. Тембр является одной из специфических характеристик музыкального звука помимо его высоты, громкости и длительности. Иными словами, только по тембрам отличаются звуки одинаковой высоты, громкости и длительности, исполненные на различных инструментах или же на одном инструменте, но разными штрихами. При восприятии тембров обычно возникают различные ассоциации: тембральную специфику звука сравнивают с органолептическими ощущениями от тех или иных предметов и явлений, например, звуки называют яркими, блестящими, матовыми, тёплыми, холодными, глубокими, полными, резкими, насыщенными, сочными, металлическими, стеклянными; применяются и собственно слуховые определения (например, звонкие, глухие, шумные). Описание тембра более полно раскрывается в процессе оценки звучания инструмента.

Тембральные характеристики звука задаются условиями колебания струны, манерой исполнителя, акустикой помещения, в котором инструмент звучит и, главным образом, конструкцией смычкового инструмента. Таким образом, из 4 составляющих (струны, исполнитель, помещение, инструмент) одной и самой главной, определяющей является инструмент, его характеристики, а именно использованные при его изготовлении материалы, приданные его деталям формы, другие свойства его корпуса как резонатора колебаний струн.

Обертоны
В акустическо-частотной характеристике звука значение имеют, главным образом, его обертоны, их соотношение по высоте и громкости, присутствующие шумовые призвуки, неслышимые звуки (инфразвукового или ультразвукового спектров), которые задаются качествами инструмента, а также параметры атаки (начального импульса звукоизвлечения), характеристики вибрато и другие факторы, определяемые исполнителем.
Основополагающее значение для характеристики тембра имеют обертоновые ряды и, особенно, форманты. Струна имеет сложную картину колебаний. В частности, присутствуют одновременно следующие фазы, наложенные одна на другую:
Таким образом в спектр извлекаемого с помощью струны звука помимо основного звучащего тона добавляются призвуки, высота которых выше основного тона – обертоны (нем. Oberton – верхний тон).

Среди обертонов выделяют гармонические (гармоники), кратные частоте основного тона, и негармонические (они относительно малозначимы, существуют при колебаниях массивной и жесткой струны). Количество и характер обертонов влияют на тембр инструмента. Каждый обертон имеет порядковый номер, обозначающий, какая часть струны колеблется. На изображенной выше картинке изображены снизу вверх: основной тон (первая гармоника), первый – четвертый обертоны (вторая – пятая гармоники). Так составляется натуральный (обертоновый) звукоряд, состоящий из основного тона и его гармонических обертонов. Обертоны прослушиваются по высоте как флажолеты и сливаются друг с другом в аккорды сообразно тем музыкальным интервалам, которые соответствуют звучащим частям струны: 
основной тон – тоника (целая струна);
2 гармоника – октава выше тоники (1/2 струны) – октавный флажолет;
3 гармоника – октава + квинта выше тоники (1/3 струны) – квинтовый флажолет;
4 гармоника – две октавы выше тоники (1/4 струны) – квартовый флажолет (натуральный или искусственный);
5 гармоника – две октавы + большая терция выше тоники (1/5 струны) – большой терцовый флажолет (как правило, искусственный, натуральный звучит плохо);
6 гармоника – две октавы + полтора тона выше тоники (1/6 струны);
7 гармоника – две октавы + полтора тона выше тоники (1/7 струны);
8 гармоника – три октавы выше тоники (1/8 струны);
9 гармоника – три октавы + тон выше тоники (1/9 струны).
На складывание специфического индивидуального тембра оказывает влияние весь набор обертонов звука, однако в 1894 г. Л.Германом было обнаружено, что каждый звук имеет в своем обертоновом составе две основные относительно усиленные области частот. Они были названы формантами (лат. formans – образующий) Форманты – это группы усиленных обертонов, формирующих специфический тембр инструмента независимо от высоты основного тона. Благодаря наличию формант, в частности, воспринимаются различия между гласными звуками речи.
В составе вокального звука имеются две характерные форманты: низкая певческая форманта (усиленные обертоны в области около 500 Гц) обнаружена в 1927 г. С.Н. Ржевкиным. Высокая певческая форманта (2400 – 3200 Гц) обнаружена в 1934 г. С. Бартоломью. Постоянное присутствие высокой и низкой певческих формант на всех певческих гласных и на протяжении всего диапазона делает голос ровным по тембру. Полетность голоса зависит от наличия в нем хорошо выраженной высокой певческой форманты, придающей звуку яркость, блеск, звонкость. Округлость, полнота, глубина и мягкость тембра связаны с наличием низкой певческой форманты. 
Форманты возникают в основном под влиянием корпуса, на их высотное положение мало влияет высота основного тона звука. 
В научной литературе имеется большое количество понятий, связанных с оценкой тембров звука. Например, анализ терминов, принятых в современной технической литературе, позволил выявить наиболее часто встречающиеся термины, показанные в таблице. Были сделаны попытки выявить самые значимые среди них, и провести шкалирование тембра по противоположным признакам, а также связать словесное описание тембров с некоторыми акустическими параметрами.