Как музыкальные инструменты производят звук и формируют свой тон

Вибрация — это то, с чего начинается каждый звук

По данным группы музыкальной акустики Университета Нового Южного Уэльса, возглавляемой физиком Джо Вольфом, большинство инструментов зависит от резонанса — способности физической системы накапливать энергию колебаний на определенной частоте. Защипанная струна, тростник, вибрирующий в потоке воздуха, или барабанная перепонка, ударенная палочкой, — все это начинается с колеблющегося объекта, который толкает молекулы воздуха туда и обратно, создавая волны давления, которые распространяются к уху слушателя в виде звука.

Стоячие волны устанавливают высоту звука

Внутри струны или трубы духового инструмента, как объясняет группа UNSW, волны, движущиеся в противоположных направлениях, встречаются и объединяются в картину стоячей волны с фиксированными точками, называемыми узлами, которые почти не движутся, и другими точками, называемыми пучностями, которые широко колеблются. Поскольку струна или воздушный столб могут вибрировать таким образом только на определенных фиксированных частотах — определяемых его длиной, натяжением или формой — инструмент устанавливается на определенные, повторяемые высоты звука, а не случайный шум.

Обертоны придают каждому инструменту его окраску

Вибрирующая струна или воздушный столб редко производят только одну частоту. Материалы музыкальной акустики UNSW отмечают, что она генерирует основную частоту плюс серию гармоник — целые кратные этой основной частоте. В качестве примера на сайте указывается, что на струне «до» альта 7-я и 11-я гармоники приблизительно находятся на полпути между нотами стандартной равномерно темперированной шкалы, что иллюстрирует, что реальные гармонические серии не совпадают идеально с музыкальной шкалой, которую используют музыканты.

Специфический спектр этих обертонов — какие из них громкие, какие тусклые — это то, что акустики называют тембром или цветом звука. Как описывают это материалы музыкальной акустики UNSW, этот спектр интенсивностей обертонов — это большая часть того, что делает флейту и гобой, играющие на одной и той же написанной ноте, звучащими явно по-разному для уха, хотя тембр также зависит от того, как звук меняется со временем, как обсуждается ниже.

Что на самом деле запускает вибрацию

Устойчивая, приятная на слух вибрация не начинается сама по себе — она требует того, что исследователи акустики называют нелинейным механизмом возбуждения. В докладе, резюмированном Акустическим обществом Америки, физик Томас Россинг описал, как трение смычка на струне скрипки, поток воздуха через трость кларнета и жужжащие губы трубача преобразуют устойчивый ввод — движение смычка или дыхание — в колебания туда и обратно, которые производят звук, а не просто масштабируют его в прямой линии.

Акустическое общество Америки также приписывает древнему наблюдению, восходящему к Пифагору, что ноты звучат приятно вместе, когда их длины струн — и, следовательно, их частоты — совпадают в целых числовых отношениях. Настоящие струны и трубы немного отклоняются от этого идеала, но тот же нелинейный механизм, который запускает вибрацию, также имеет тенденцию втягивать слегка несовпадающие естественные частоты инструмента в почти точно гармоничный звук.

Почему колокол не звучит как скрипка

Не каждый инструмент производит аккуратные гармонические обертоны. Акустическое общество Америки отмечает, что колокола ведут себя почти линейно из-за толщины металла, из которого они отлиты, поэтому их обертоны не являются простыми целыми кратными фундаментальному — это именно то, что придает колоколу его характерное 'звенящее' качество, а не чистый музыкальный тон. Тарелки, по тому же счету, вибрируют хаотично из-за сильной нелинейности, производя свой мерцающий, похожий на шум свист, в то время как большие гонги полагаются на нелинейное умножение частоты, чтобы генерировать свой плотный, сложный звук.

Как диапазон высот различается в семействах инструментов

Конструкция инструмента также определяет диапазон основных высот, которые инструмент может достичь, и то, насколько высоко простираются его обертоны. Справочные данные, составленные производителем микрофонов DPA Microphones для звукозаписывающих инженеров, содержат следующие диапазоны основных высот и приблизительный верхний предел гармонического содержания для нескольких распространенных инструментов.

Таблица показывает, почему фортепиано и скрипка могут занимать перекрывающиеся диапазоны высот, но все еще звучать по-разному: помимо самой записанной ноты, каждый инструмент добавляет свою характеристическую полосу энергии более высокочастотных гармоник на вершине.

Резонирующие тела делают звук достаточно громким, чтобы его было слышно

Вибрирующая струна или тростник в одиночку движут очень мало воздуха и едва были бы слышны сами по себе. Материалы музыкальной акустики UNSW объясняют, что корпус инструмента — задняя пластина скрипки, дека гитары или воздушный столб внутри отверстия духового инструмента — имеет свои собственные резонансные частоты, которые усиливают и формируют вибрацию, излучая ее в комнату как слышимый звук. Тот же источник отмечает, что в человеческом голосе голосовые связки вибрируют, чтобы произвести сырой тон, в то время как резонансы голосового тракта, называемые формантами, селективно усиливают определенные полосы частот, чтобы придать форму гласным звукам и вокальному тембру.

Тембр — это не просто список частот

Группа музыкальной акустики UNSW добавляет, что тембр во многом зависит от того, как нота меняется со временем, а не только от ее частотного спектра в один момент времени. Огибающая звука — как быстро он достигает полной громкости после защипывания струны или удара по клавише, как он держится и как он исчезает — это то, что позволяет слушателю узнать инструмент, даже когда само содержание частоты может выглядеть похоже на бумаге.