Тембр звука. Основной тон и обертоны

Наиболее сложным качеством певческого голоса является его тембр.
Музыкальные тоны, как и большинство окружающих нас звуков, являются тонами сложными, состоящими из многих колебаний разной частоты и силы. В сложном звуке различают основной тон, который определяет высоту звучания сложного звука, и частичные тоны, или обертоны, сумма звучания которых создает совершенно определенный тембр, то есть характер звучания.
Как мы уже упоминали, источниками звуковых колебаний в музыкальных инструментах являются, как правило, какие-либо упругие тела: струны, язычки,
трости, губы. Когда колеблется какое-либо упругое тело, то оно совершает колебания не только длиной, но и всеми своими частями. Каждая колеблющаяся часть толкает окружающий воздух со свойственной ей частотой, что и рождает обертоны. Так, например, колеблющаяся струна совершает колебания с наибольшим размахом всей своей длиной. Но, как показывают наблюдения, струна совершает еще и
внутренние, частичные колебания — половиной, третями, четвертями и т. д. своей длины. Частота этих колебаний будет в 2, 3, 4 и т. д. раз больше, чем частота колебания всей струны.

Рис. 9. Сила различных звуков в децибелах.

Эти частичные колебания струны передаются воздуху и входят в общее звучание, Придавая ему определенный тембр. Амплитуда частичных колебаний уменьшается с увеличением порядка обертона.
Такие частичные колебания, которые в несколько раз выше основного тона, называются гармоническими или просто гармониками. Это название дано им потому, что они звучат гармонично основному тону. Обертон, частота которого в два раза выше основного тона, звучит октавой к нему и именуется октавной гармонией. Тот, что в три раза выше основного тона — звучит квинтой через октаву и т. д. Если все эти звуки взять на фортепиано разом, будет слышно гармоничное звучание.

Рис. 10. Колебание упругого тела — струны (вверху) металлического стержня и камертона (внизу) — порождает сложный звук. Эти тела колеблются не только всей длиной но .и своими частями. Основной тон и обертоны — следствие этих колебаний. Колебание всей струны А—В дает основной тон; А—с, с—В — октаву основного тона (колебания в 2 раза чаще); А—а, а—в, в—В—квинта октавы (колебания в 3 раза чаще). Внизу: 1—основной тон; 2 — октава; 3 — квинта от октавы.

Представим себе, что колеблется неровная струна, что одна ее половина толще другой. В этом случае частичные колебания будут совершаться неравными половинками и соответственно рождать звуки не в два, три, четыре и т. д. раза чаще основного тона, а, например, в 2,1 раза, в 3,2 раза и т. д. Если послушать на фортепиано звучание таких тонов, то они будут звучать диссонансами к основному тону. Например, обертон, который в 2,1 раза выше основного тона, звучит немного выше, чем октава, как увеличенная октава или нона и т. п. Поэтому такие обертоны называются негармоническими.
Когда колеблется упругое тело, то все его частичные колебания осуществляются одновременно, и каждое из них создает звуковые волны присущей ему частоты. Таким образом, от колеблющейся струны распространяется серия волн — обертонов, воспринимающихся ухом как определенная окраска звучания, как тембр. Количество этих обертонов может быть очень велико. В исходном тембре, возникающем в голосовой щели человека, их несколько десятков.
Если графически по порядку, в виде столбиков, изобразить все обертоны сложного звука так, что высота столбика будет отражать величину амплитуды соответствующего обертона, — мы получим спектр сложного звука. Следовательно, рассматривая спектр какого-либо звука, мы как бы видим его обертоновый состав, т е. видим его тембр. Крайний левый столбик соответствует величине основного тона, а остальные обертоны расположены в порядке увеличения их частоты.
Если изобразить спектр колеблющейся струны, то амплитуда обертонов будет убывать по мере повышения их частоты, а наиболее сильно будет выражен основной тон. Это происходит потому, что струна в целом колеблется с большим размахом, чем ее части. Размах больших частей — половинок, третей — соответственно больше, чем мелких частей. Поэтому спектр ее имеет вид серии убывающих по силе обертонов.
Однако если записать и проанализировать сложный звук музыкальных инструментов или человеческого голоса, то на спектре не получается того частокола убывающих амплитуд, инструмента, о котором идет речь. Анализ спектра сложного звука музыкальных инструментов в настоящее время делается при помощи различных аппаратов.