§ 76. Тембр, громкость звука

Определения и обозначения

Громкость звука — слуховое ощущение, связанное прежде всего с интенсивностью звуковой волны. Интенсивность показывает, сколько энергии переносится волной через единицу площади за единицу времени, а громкость описывает реакцию человека на этот звук. Поэтому одинаковая интенсивность на разных частотах может ощущаться неодинаково.

Тембр звука — характерная окраска звучания, по которой различают звуки одинаковой высоты и громкости. Он позволяет узнать источник: например, отличить скрипку от флейты. Тембр определяется не одной частотой, а составом сложного звука.

Основной тон — составляющая сложного звука с наименьшей частотой. Его частота главным образом определяет высоту, то есть ощущение высокого или низкого звука. По основному тону можно сравнивать высоту нот.

Обертон — составляющая сложного звука с частотой выше частоты основного тона. Обертоны могут иметь разные амплитуды и входить в звук в разных сочетаниях. Именно поэтому они заметно влияют на тембр, даже если основной тон остаётся тем же.

Как это устроено

Колебания струны, воздушного столба или мембраны редко бывают идеально гармоническими. Реальный музыкальный звук обычно является сложным колебанием, которое можно представить как сумму нескольких гармонических составляющих с разными частотами и амплитудами. Такое представление называют спектральным составом звука: оно показывает, из каких частот складывается звучание.

Самая низкая частота в этой совокупности соответствует основному тону. Она задаёт период повторения сложного колебания и потому определяет воспринимаемую высоту звука. Более высокие составляющие называют обертонами; при изменении их числа или силы форма общего колебания меняется, хотя основной тон может остаться прежним.

Тембр возникает из-за различий в обертонах. Если у двух источников одинаковы основной тон и общая громкость, но у одного сильнее, например, высокочастотные составляющие, его звук будет восприниматься иначе. Поэтому форма сигнала во времени и его спектр помогают распознать материал, конструкцию и способ возбуждения инструмента.

Громкость связана с интенсивностью звуковой волны, а интенсивность при прочих равных условиях увеличивается с ростом амплитуды колебаний. Значит, большая амплитуда обычно делает звук громче, но не меняет его высоту: частота может оставаться прежней. Ощущение громкости не сводится к интенсивности, потому что ухо неодинаково чувствительно к разным частотам, а значит, звуки одинаковой интенсивности могут казаться разными по силе.

Сравнивая два звука одной высоты и громкости, нужно отдельно проверить их спектры. Совпадение основного тона отвечает за высоту, а близкая общая интенсивность — за уровень громкости; различие в обертонах остаётся причиной различия тембра. Так слух распознаёт источник звука даже без его непосредственного наблюдения.

Громкость и тембр звука

Таблицу удобно использовать, когда нужно не смешать свойства звука. Сначала определите, сравнивается ли сила ощущения, высота или окраска, а затем связывайте это свойство с соответствующей физической характеристикой.

Один и тот же звук может одновременно иметь определённую высоту, громкость и тембр. Изменение одного свойства не обязательно изменяет остальные.

Разбор задач

Задача 1

Два звука имеют одинаковую частоту, но у одного амплитуда колебаний больше. Требуется сравнить их звучание. Считаем, что среда распространения и чувствительность слуха для обоих случаев одинаковы.

1. Одинаковая частота означает одинаковую высоту звуков.
2. Большая амплитуда при прочих равных условиях означает большую интенсивность звуковой волны.
3. Большей интенсивности соответствует более сильное слуховое ощущение.

Ответ: звук с большей амплитудой будет восприниматься как более громкий, но его высота останется такой же.

Задача 2

Два инструмента издают звук одной высоты и примерно одинаковой громкости, но слушатель слышит их по-разному. Нужно установить причину различия. Высота и громкость уже заданы, поэтому ищем другое свойство звука.

1. Одинаковая высота указывает на совпадение или близость частот основных тонов.
2. Примерно одинаковая громкость означает близкий уровень воспринимаемой интенсивности.
3. Сравниваем состав звуков: у инструментов различаются наборы обертонов и их относительные амплитуды.

Ответ: инструменты имеют разный тембр, потому что их сложные колебания содержат разные обертоны в разных соотношениях.

Задача 3

Основной тон имеет частоту 200 Гц, а в спектре присутствуют составляющие 400 Гц и 600 Гц. Нужно определить основной тон и обертоны, а затем сделать вывод о высоте и тембре. Частоты уже перечислены как составляющие одного сложного звука.

1. Наименьшая из указанных частот равна 200 Гц, поэтому она является частотой основного тона.
2. Составляющие 400 Гц и 600 Гц выше 200 Гц, значит, это обертоны.
3. Высота определяется основным тоном 200 Гц, а наличие и относительные амплитуды обертонов участвуют в формировании тембра.

Ответ: основной тон имеет частоту 200 Гц, обертоны — 400 Гц и 600 Гц. По одному набору частот можно описать состав звука, а для полного сравнения тембра нужно учитывать также амплитуды составляющих.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Громкость считают тем же, что и интенсивность. Так происходит потому, что величины тесно связаны в простых условиях, но первая является ощущением, а вторая — физической характеристикой. Проверка: спросите себя, можно ли измерить величину прибором или она описывает восприятие слухом.

Ошибка 2. Тембр приписывают только частоте основного тона. Основной тон отвечает прежде всего за высоту, тогда как окраска зависит от обертонов и их амплитуд. Проверка: сравните два звука с одинаковой основной частотой и найдите различия в спектре.

Ошибка 3. Любой звук высокой частоты называют громким. Частота определяет высоту, а громкость связана с интенсивностью и особенностями слуха. Проверка: разделяйте вопросы «высокий или низкий?» и «сильный или слабый?».

Ошибка 4. Одинаковые основной тон и амплитуда считают гарантией одинакового звучания. Даже при этих условиях разные обертоны могут изменить форму колебания и тембр. Проверка: учитывайте не только основную частоту и общий уровень, но и весь спектральный состав.

Связь с другими темами

До изучения громкости и тембра нужны понятия частоты и амплитуды колебаний, гармонического колебания, звуковой волны и её интенсивности. Частота помогает понять высоту, амплитуда — связь с интенсивностью, а разложение на гармонические составляющие — природу тембра.

Эти знания пригодятся при изучении музыкальных звуков и акустики помещений. Они также нужны для понимания работы микрофонов, записи, обработки и воспроизведения звука.

Что запомнить

• Громкость — субъективное слуховое ощущение, связанное с интенсивностью звука.
• При прочих равных условиях увеличение амплитуды колебаний повышает интенсивность звука.
• Высота звука определяется частотой основного тона.
• Тембр позволяет различать звуки одинаковой высоты и громкости.
• Тембр зависит от состава сложного звука и относительных амплитуд его составляющих.
• Слух воспринимает звуки разных частот с неодинаковой чувствительностью.