Загадка тембра

Теплый - холодный, жесткий - мягкий, легкий - тяжелый, матовый - блестящий... Если найдется на земле человек, который никогда не слышал музыки, он вряд ли поверит, что эти слова относятся к невидимому и неосязаемому звуку.

Вот еще несколько характеристик тембра: густой, глубокий, мужественный, суровый, ворчливый, бархатистый, насыщенный, прозрачный. Внимательно прислушиваясь к тембру инструментов, вы без труда сможете продолжить это перечисление сами.

Желание человека располагать в музыке большим выбором разных голосов и вызвало к жизни многообразие инструментов. Если б нужно было лишь заполнить музыкальное пространство, хватило бы только органа или на худой конец фортепиано. Ну, положим, орган неудобен потому, что его нельзя перевозить с места на место. Рояль или пианино тоже не особенно повозишь. Тогда выручило бы семейство скрипичных - контрабас, виолончель, альт, скрипка. Эти инструменты, собравшись вместе, тоже способны заполнить собой почти все музыкальное пространство. Однако человек не зря придумал множество других инструментов: теперь музыка способна выразить все. Ей доступны и движение мысли, и любое чувство, и малейшие оттенки настроения. И если что-то не может передать один инструмент, это сделает другой. Например, у виолончели почти нет чувства юмора, а у саксофона его хоть отбавляй. Но саксофон не умеет страдать так, как умеет виолончель...

Вверху - звук «без тембра», или, как его называют, чистый тон. В середине - звук скрипки (упрощенно). Внизу - звук кларнета. Как видно на рисунке, частота во всех примерах одинакова, следовательно, все три звука имеют одну и ту же высоту

Но это уже относится скорее к характеру инструмента, чем к его тембру. Загадку тембра мы можем выразить проще: как удается отличить звук, взятый, скажем, на скрипке, от звука точно такой же высоты, взятого на кларнете? Подразумевается, что самих инструментов мы при этом не видим и единственный источник информации для нас - все те же колебания воздуха, и частота их в данном случае одинакова.

Да, одинакова частота, но не форма.

Начнем со звуков, о которых справедливо было бы сказать, что они вовсе лишены тембра. По меньшей мере один из них вы наверняка слышали.

Когда по какому-то телевизионному каналу нет передач, на экране мы видим телевизионную таблицу для настройки яркости, контрастности, четкости. Иногда эта таблица сопровождается ровным высоким звуком, который создается на телевизионной станции электронным звуковым генератором. Как-то охарактеризовать этот звук все-таки можно, но определения будут такими: холодный, пустой, неприятный. Именно такой здесь и нужен, потому что телевизионные мастера пользуются им для настройки звукового тракта и всякие бархатистые или ворчливые звуки будут только мешать, а то и вовсе не дадут правильно настроить телевизор.

Если изобразить этот звук на бумаге (а физики и математики умеют изображать почти все, в том числе и звук), получится правильная, безукоризненная синусоида. Она отражает то, что происходит при этом звуке в воздушной волне, достигающей нашего уха: уплотнения и разрежения воздуха совершенно одинаковы.

Но если мы изобразим на бумаге звук такой же высоты, взятый на скрипке, симметричная форма синусоиды нарушится. Расстояния между ее вершинами останутся такими же, поскольку частота одинакова, но линия синусоиды образует какие-то новые выпуклости и углубления, поменьше основных. Значит, при звуке скрипки основные уплотнения в воздушной волне чередуются с дополнительными, более слабыми. Изображение звука кларнета тоже даст неправильную синусоиду, но дополнительные выпуклости будут другой формы и величины, не такой, как у звука скрипки.

Но перейдем от бумаги и воздуха к самому инструменту и посмотрим, как образуется тембр. Если у вас или у вашего товарища есть гитара, предлагаю проделать несложный опыт.

Оставьте свободной самую толстую струну, остальные заглушите, пропустив между ними полоску тонкого картона. Это нужно для того, чтобы они не резонировали и не мешали опыту. Теперь защипните свободную струну и, пока она звучит, легонько прикоснитесь к ней пальцем точно над двенадцатым порожком грифа и тут же отдерните палец. Вам покажется, что вы остановили колебания струны. Но прислушайтесь: она продолжает звучать, хотя звук стал гораздо слабее и намного выше.

Повторите опыт в другом варианте. Снова защипните струну, но коснитесь ее уже не над двенадцатым порожком, а над седьмым. Вы услышите звук еще слабее и еще выше.

Вы сможете выделить еще три достаточно отчетливых звука, коснувшись струны над четвертым, пятым, девятым порожками.

Что же происходит?

Звучащая струна колеблется не только вся целиком, но и своими частями - половинками, третями, четвертями и так далее. Когда вы коснулись струны над двенадцатым порожком, то есть точно посередине, колебания целой струны приглушились, но половинки продолжали звучать. Коснулись над седьмым порожком - приглушили целую струну и половинки, но продолжали звучать трети. Над пятым - остались четверти. Точно так же колеблются и пятые части, и шестые, и более мелкие.

То же самое происходит и с воздухом, заключенным в трубе духового инструмента. Тут мы с вами не сможем проделать опыт, потому что без специальных приборов не обойтись, но такие опыты проводились в лабораториях. Выяснилось, что столб воздуха в трубе тоже колеблется не только целиком, но и частями. И эти колебания рождают, как и в струне, дополнительные призвуки.

Вот теперь загадка тембра начала проясняться. Музыкальный звук состоит из основного тона и нескольких призвуков, которые называются обертонами. Отдельно мы не слышим обертонов (услышали, когда специально выделили их), но именно они, смешиваясь с основным тоном, образуют тембр. Звук, который сопровождает телевизионную таблицу, никаких обертонов не имеет, поэтому он такой скучный и неприятный.

Да, но тембр у разных инструментов неодинаковый. Почему?

В звуке может быть разное количество обертонов. Оно зависит от длины, толщины и материала струны, от длины и среднего диаметра духового инструмента. Обертонов в звуке может быть всего два, три, четыре, а может быть и гораздо больше. И чем больше обертонов, тем выше каждый последующий из них.

Теперь пришла пора вспомнить и о слишком высоких звуках, которые, как мы уже знаем, лежат за верхней границей музыкального пространства. Их нет для мелодии, нет для гармонии, но для тембра они есть, потому что обертоны, не слышимые в музыкальном звуке отдельно, бывают и очень высокими - вплоть до верхнего предела нашего слуха. Так что в музыке участвуют все воспринимаемые нами звуки.

Обертоны могут быть разной силы, и это тоже влияет на тембр. Мы нарочно проделали опыт с самой толстой струной гитары, потому что ее обертоны звучат сильнее, чем на тонких струнах, их легче выделить. Но в любом случае обертоны звучат гораздо слабее основного тона.

Тембр зависит и от материала, из которого сделан инструмент. Медная труба звучит хоть чуть-чуть, да иначе, нежели такая же труба из латуни.

Влияет на тембр и форма инструмента. Если одну и ту же струну натянуть на балалайку и на гитару и взять звук одной и той же высоты, тембр получится разный, потому что корпус гитары лучше откликается на низкие обертоны.

Конечно же, тембр зависит и от качества инструмента. Дешевые гитары, сделанные в основном из обычной фанеры, звучат далеко не так, как гитара из резонансной ели и палисандра. Палисандр - благородная, редкая и ценная древесина некоторых южных деревьев. Гитара, нижняя дека которой выполнена из такой древесины, прекрасно отзывается даже на самые слабые обертоны струны.

Видите, сколько разных условий! И еще больше различных сочетаний этих условий. Отсюда и многообразие тембров.

Одно любопытное исключение: есть инструмент, в котором иногда обертоны создаются отдельно от основного тона. Это орган. Скажем, какие-то его трубы звучат не слишком выразительно сами по себе, и это не устраивает ни органных мастеров, ни музыкантов. Тогда к каждой из этих труб пристраивают еще трубочки, поменьше, и вот они-то добавляют обертоны к основному тону. Среди дополнительных трубочек есть совсем крохотные, длиной всего в несколько сантиметров и толщиной в четыре миллиметра. Если заставить звучать такую трубочку отдельно от основной, мы услышим тончайший писк, который не имеет самостоятельного места в музыке, но бывает полезен как обертон, обогащающий тембр.

Итак, разные инструменты отличаются друг от друга своим тембром.

Однако, если бы этим все и исчерпывалось, музыка была бы намного беднее чем она есть. Но, к счастью, многие инструменты и сами, вне сравнения с другими, широко варьируют свой тембр. Аккордеон, орган, электромузыкальные инструменты просто переключаются на другой характер звучания нажатием специальных кнопок или клавишей. Но инструменту вовсе не обязательно иметь переключатели, чтобы менять тембр. У тромбона, например, их нет, но он бывает тяжелым, грозным, мрачным в низких своих звуках и светлым, торжественным в высоких. Неповторимо меняет свой тембр скрипка, переходя от низких звуков к высоким. Очень разно умеет звучать фагот - кто слышал, например, «Танец семи нот» бразильского композитора Вила Лобоса, тот хорошо знает это. Разнообразят свой тембр и многие другие духовые и струпные инструменты.

И это еще не все. Тембр инструмента может меняться не только при движении от низких звуков к высоким или наоборот. Даже звуку одной и той же высоты можно придать разную окраску. Если хотите убедиться в этом, защипните струну гитары сначала у самой подставки, потом ту же струну - над розеткой. В первом случае тембр будет острым, жестковатым, во втором - мягким, насыщенным, хотя высота звука осталась та же.

Нам уже известно, что тембр, с точки зрения физика, - это звуковые воздушные волны определенной формы. Но эта форма на пути от инструмента к нашему уху может и измениться, отражаясь от стен или от чего-нибудь другого. Аккордеон в пустой комнате звучит не так, как в комнате, увешанной коврами. Гитара по-разному звучит в квартире, в лесу, на палубе теплохода. Рояль в зале с хорошей акустикой звучит, конечно, лучше, чем в не приспособленных для концертов помещениях. Так что в образовании тембра участвует не только сам инструмент, но и место, где он работает.