Музыкальные инструменты

Эта статья заимствована из книги The Audio Expert Этана Уайнера. Вы можете узнать больше об этой книге на веб-сайте Этана: http://ethanwiner.com/book.htm

Для смычковых инструментов, таких как скрипки и виолончели, качество тона или тембр зависят от того, где на струне расположен смычок, с какой силой он прижимается к струне и как быстро ведется по струне. Эти три параметра варьируют тембр во всем диапазоне возможностей. Здесь тембр описывает относительные громкости основного звучания и его множества гармонических кратных.

Для духовых instrumentos форма ваших губ и рта, а также сила, с которой вы дунете, определяет тембр. Более сильное дыхание создает гармоники, которые звучат громче, чем при слабом дыхании. То же самое относится и к щипковым инструментам, таким как гитара или банджо — сильное ударение по струне или более близкое к одному концу создает более яркое гармоническое содержание. Тот же принцип применяется и к акустическим инструментам. Чем сильнее вы дунете в трубу или гобой, или ударите по барабану, тем ярче будет звук. Гармоники барабана также изменяются в зависимости от того, где вы бьете по нему и с какой силой. Удар по краю барабана делает обертоны громче относительно основного звучания по сравнению с ударом ближе к центру. Это касается практически каждого другого акустического звукового источника, который встречается в природе.

Многие люди не осознают, что обучение контролю смычка — это самая сложная часть игры на скрипке или виолончели. Смычок — это голос инструмента, и все остальное подчинено ему. Безусловно, нужно много лет, чтобы развить тонкую моторику, необходимую для правильного расположения пальцев на грифе — ошибка всего в несколько миллиметров может сделать ноту совершенно несоответствующей. Но контролировать смычок еще сложнее. То же самое можно сказать и о духовых инструментах, таких как саксофон и гобой. Через год или два преданный студент может научиться сопоставлять ноты на печатной странице с соответствующими пальцами на клавишах автоматически, не задумываясь. Но развитие необходимого контроля дыхания и рта гораздо сложнее, требуя тысяч часов практики на протяжении многих лет, чтобы действительно овладеть этим.

Типы инструментов

Существуют два основных типа музыкальных инструментов: перкуссионные инструменты, звук которых запускается один раз и потом угасает сам по себе, как, например, фортепиано или тарелка, и устойчивые инструменты, где музыкант имеет непрерывный контроль над длительностью, громкостью, тембром и вибрато, как, например, в скрипке или тромбоне. Например, скрипач может начать ноту тихо, используя медленную скорость смычка, затем увеличить громкость, ведя смычок быстрее, затем повысить яркость ноты, поднося смычок ближе к мосту, и, наконец, добавить вибрато, которое постепенно становится быстрее. Эти изменения со временем делают музыку более выразительной и, следовательно, более интересной для прослушивания.

Перкуссионные инструменты также можно играть выразительно, создавая устойчивый эффект, например, используя ролл на малом барабане или тимпани, где барабан бьют неоднократно. Ролл также может изменять качество тона с течением времени, изменяя силу удара по барабану и его положение, а также скорость повторения ролла. Точно так же, игроки на мандолинах создают устойчивое тремоло, быстро повторяя одну и ту же ноту, чтобы продолжать звучание ноты бесконечно. Но, по моему мнению, инструменты делятся на эти две основные категории — перкуссионные и устойчивые.

Кроме контроля тона с помощью техники игры, другой фактор, влияющий на тембр инструмента, как его воспринимает публика или микрофон, это его направленность. Как и в громкоговорителях, вибрирующие деревянные пластины скрипки излучают звук более направленно на высоких частотах. Ниже примерно 400 Гц скрипки излучают почти в любой точке пространства, но к 4 или 5 КГц почти весь звук уходит вверх в узком луче, с очень малой энергией, направленной вперед. Дудочные инструменты, такие как кларнет и саксофон, также излучают в разных направлениях на разных частотах, а также из разных частей инструмента в зависимости от того, какие клавиши нажаты. В концертном зале полный спектр звука достигает аудитории в значительной степени благодаря отражениям от стены сцены позади исполнителей, а также от раскрытого потолка и наклонных боковых стен.

В предыдущих главах объяснялось, что FFT-анализатор может отображать количество энергии на разных частотах в записи, и этот инструмент также может анализировать выход музыкальных инструментов. Понимание спектра инструментов помогает стать лучшим программистом синтезаторов, звукоинженером, аранжировщиком оркестра или просто более знающим и ценящим слушателем. Например, электрический бас часто имеет меньше энергии на основной частоте, чем на первых нескольких гармониках, в зависимости от того, где по его длине струна была щипнута. Большая часть полноты басовых инструментов определяется уровнем второй гармоники, поэтому выделение этого с помощью эквалайзера может сделать микс более плотным, не полагаясь на низкие частоты, которые трудно воспроизвести многим громкоговорителям на высокой громкости.

Рисунок 1 показывает спектр моего электрического баса Fender Precision, играющего низкую ноту A, когда струна щипается пальцем непосредственно над звукоснимателем. Вы можете увидеть, что вторая и третья гармоники звучат громче основной. Однако щипок струны дальше от моста, ближе к центру струны, создает более мягкий тон, имея больше основного звучания и более тихие гармоники. Щипок струны с меньшей силой также снижает гармоническое содержание.

Рисунок 1: В зависимости от того, где вы щипаете струну и с какой силой, основная частота может быть тише, чем некоторые гармоники. Этот FFT показывает спектр низкой ноты A на электрическом басе Fender, когда она щипается пальцем, без применения эквалайзера. Вы можете увидеть, что вторая гармоника на 110 Гц звучит примерно на 7 дБ громче основной на 55 Гц, а третья гармоника на 165 Гц звучит примерно на 3 дБ громче второй гармоники.

Рисунок 2 показывает FFT той же низкой ноты A, записанной с рояля Yamaha. Снова основная частота тише, чем вторая гармоника, которая, в свою очередь, тише третьей гармоники. Однако фортепиано звучит ярче, чем электрический бас, играемый пальцами (в отличие от медиатора), и это отражается в том, что более высокие гармоники уменьшаются по уровню намного меньше, чем у электрического баса.

Рисунок 2: Низкие ноты на фортепиано часто имеют меньше энергии на основной частоте, чем на первых нескольких гармониках, хотя более высокие гармоники уменьшаются менее резко, чем у электрического баса.

Гармонический ряд не в ладу

Вибрирующие струны на скрипке или гитаре, а также вибрирующий воздух в духовых и медных инструментах создают гармоники, также называемые обертонами, которые следуют определенной математической серии. Самая низкая частота - основная, и каждая гармоника является целым числом, кратным этой частоте. Гармоники статических волн, таких как зубчатая и импульсная, также следуют той же серии. Таблица 1 показывает гармонический ряд низкой ноты A, основной частотой которой является 55 Гц, и каждая гармоника на 55 Гц выше предыдущей.

Таблица 1: Гармонический ряд большинства музыкальных инструментов следует той же базовой последовательности, становясь несоответствующим на некоторых более высоких частотах. Эта таблица показывает первые 15 частот, производимых низкой нотой A, и вы можете увидеть, что высота звука пятой гармоники отклоняется почти на один процент. На 11-й гармонике, которая может быть слышна на ярко звучащем инструменте, играющем низкую ноту, частота отклоняется на три процента. Музыкальное расстояние между двумя соседними нотами составляет около шести процентов, так что три процента — это серьезная несоответствие!

Гармоники обычно становятся тише по мере повышения частоты, поэтому одна нота не обязательно звучит диссонирующе с самой собой. Даже если 11-я гармоника отклоняется на три процента, что при половине одного музыкального интервала является значительным, на этом конкретном рояле и при размещении микрофона она звучит на 11 дБ тише основной ноты. Она также частично маскируется всеми другими гармониками, которые находятся в ладу.

Доступные основные ноты на медных инструментах также следуют гармоническому ряду, показанному в Таблице 1. Рассмотрим горн, который подобен трубе, но не имеет клапанов для изменения длины трубы. Горны могут играть только ноты гармонического ряда, которые музыкант выбирает, регулируя форму своих губ и рта, известную как эмбушюр. В литературе для горна есть много известных «стандартов», таких как «Taps» и «Reveille». Все мелодии для горна содержат только один и тот же ограниченный диапазон нот — по сути, тоны аккорда мажорной тональности. Когда горн исполняет более высокие ноты, основные тоны по своей природе находятся вне лада, требуя от музыканта корректировки эмбушюра и изменения силы дыхания, чтобы добиться правильной высоты звука. Когда музыкант таким образом настраивает высоту звука, говорят, что он «прижимает ноту».

К слову, одна нота, сыгранная на гитаре, может звучать несоответствующе, если струны старые. Струны часто растягиваются неравномерно, создавая одну или несколько тоньших частей. В зависимости от того, где тонкие участки находятся вдоль длины струны, некоторые из ярко звучащих нижних гармоник могут звучать несоответствующе с основной. Очень сложно настроить гитару со старыми струнами!

В данном контексте термин «гармоническая» относится к естественной серии обертонов вибрирующей струны или вибрирующей колонны воздуха в духовом инструменте. Другой тип гармоники создается искусственно с помощью струнных инструментов, когда палец слегка касается струны в определенных местах, пока струна щипается или проводит смычком. Легкое прикосновение к струне в точке на полпути вдоль ее длины создает ноту на октаву выше открытой струны. Плотное прижатие струны к грифу создает ноту, имеющую обычные обертона, но этот тип гармоники ближе к чистой синусоиде. Другие места вдоль грифа делают то же самое — общие места находятся на 1/3 и 1/4 длины, но также подходят и другие целые деления. На самом деле, если делать это на 1/7 длины грифа, то получаем такую же несоответствующую музыкальную 7-ю (плюс две октавы), как обертон, который возникает естественным образом в пределах одной ноты.

Равномерная темперация

Равномерная темперация — это метод настройки, использующий фиксированный интервал между соседними нотами, а не следуя естественно возникающему гармоническому ряду. Равномерная температура делит октаву на двенадцать равномерно распределенных интервалов, называемых музыкальными полутоновыми шагами. Точный коэффициент между любой нотой и следующей более высокой нотой составляет 1,0595 к 1, где 1,0595 — это 12-й корень из 2. Лады на гитарном грифе расположены в этом соотношении, и все современные настройщики инструментов используют этот метод для показа, если высота звука слишком высока или слишком низка.

Сотни лет назад медные инструменты не имели клапанов. Как и горн, ранние рожки и трубы могли производить только ограниченное количество специфических нот. Даже если рожок F без клапанов может играть высокую C, эта нота находится вне лада, что делает рожок непригодным для игры музыки в тональности C. Поэтому музыканты либо должны были иметь несколько инструментов, каждый из которых был предназначен для игры в другой тональности, либо вставлять сменные крюки - короткие отрезки трубы - для изменения общей длины трубки. Смена крюков во время исполнения занимает время, поэтому около 1815 года в трубы и французские рожки были добавлены клапаны. Это также позволило музыкантам играть ноты в равномерной темперации, а не только ноты гармонического ряда.

Концепция равномерной темперации существует уже тысячи лет, но И. С. Бах стал ее сторонником и сделал реальностью современности. Его The Well-Tempered Clavier, написанная в 1722 году, представляет собой серию из 24 произведений - по одному в каждой мажорной и минорной тональности - написанных для клавишных инструментов его времени. Это имело огромное музыкальное, а также техническое влияние, поскольку позволило музыкальным композициям модулировать в далекие тональности, не вызывая звучания некоторых инструментов вне лада.

Другой метод настройки, называемый чистой интонацией, настраивает квинты на точные гармонические частоты. В этом случае, самая низкая нота E в Таблице 1 будет настроена на 165 Гц вместо 164,8 Гц. Струнные музыканты часто настраивают свои инструменты таким образом, играя соседние открытые струны и прислушиваясь к бип-тональному эффекту — медленному колебанию громкости, когда две ноты приближаются к идеальному унисону. Вы играете обе ноты одновременно и настраиваете одну до тех пор, пока пульсация не замедлится до остановки. Нет никакой разницы между игрой двух нот одновременно, имеющими слегка разные высоты, или одной нотой, которая амплитудно модулирована медленным тремоло. Получившийся звук, форма волны и спектр идентичны.

Еще одна техника настройки использует гармоники для достижения идеального унисона. Легкое прикосновение к струне A гитары на седьмом ладу создает ноту E, на октаву и полторы октавы выше открытой струны. Легкое прикосновение к струне E ниже A на пятом ладу создает ту же ноту E. Таким образом, вы можете играть обе гармоники, одну за другой, позволяя обеим продолжать звучать, и настраивать любую струну до тех пор, пока пульсация не замедлится до остановки. Настройка через гармоники особенно полезна для бас-гитар, так как наше восприятие высоты звука при низких частотах ухудшено.

Многие музыканты намеренно играют ноты немного заостренными или плоскими для выразительности или эффекта. Если не на протяжении всей ноты, они могут скользить вверх к ноте с более низкой высотой. Игра ноты слегка плоско может вызвать чувство спокойствия, а немного заостренная звучит напряженно. Снова я говорю о крайне малых величинах, порядка пяти или десяти центов — 1/100 от музыкального полутонного шага. Игра вне лада намеренно легко осуществима на безладовых инструментах, таких как скрипка или виолончель, а игроки духовых инструментов делают это, изменяя свою эмбушюр. Игроки на гитаре меняют высоту звука в больших или малых количествах, изгибая струны, и это одна из причин, по которой их струны могут растягиваться неравномерно, как упоминалось ранее. Музыканты также могут играть слегка за битом или немного вперед — скажем, на 10-30 миллисекунд — чтобы добавить ощущение спокойствия или напряжения.

“Деревянные коробки” инструменты

Как и в случае с аудиториями, инструменты, изготовленные из полой деревянной "коробки" определенного типа, также имеют резонансные моды, частоты которых связаны с размерами коробки. Чтобы избежать ситуаций, когда резонансные моды делают некоторые ноты намного громче других, скрипки, гитары и другие инструменты из деревянной коробки проектируются с неправильной изогнутой формой. Эти инструменты по-прежнему имеют моды, но непрерывные кривые вдоль сторон минимизируют сильное накопление на отдельных частотах и их кратных.

Так же, как и комнаты, когда резонансная мода близка, но не точно соответствует частоте, которую вы играете, это приводит к нестройному битовому частотному эффекту, вызванному разницей частоты. Это производит эффект, известный как «волчий тон», и он более выражен у виолончелей и акустических басов, чем у меньших инструментов из деревянной коробки. У многих виолончелей сильный резонанс возникает где-то между E на 164,8 Гц и F# на 185 Гц. Независимо от того, настраивается ли резонанс точно на стандартную частоту ноты, эта одна нота будет звучать громче других и будет сложнее для исполнителя контролировать с помощью смычка. Даже очень хорошие виолончели могут иметь волчьи тона, и различные устройства, которые прикрепляются к телу виолончели или к низкой струне, доступны для снижения этого эффекта.

Инструменты из деревянной коробки также имеют одно или несколько отверстий на фронтальной части, чтобы позволить низким частотам выйти. Акустические гитары обычно имеют одно круглое отверстие диаметром около четырех дюймов, а инструменты из семьи скрипок имеют два отверстия, напоминающих строчную курсивную букву "f", которые называются, соответственно, "F-отверстия". Все инструменты из деревянной коробки создают звук, используя тот же основной принцип, что и виолончель, показанная на Рисунке 3. Четыре или более струны натянуты над грифом крепко, обеEnds firmly secured by tuning pegs and tailpiece. The active vibrating length of the strings is between the nut at one end near the tuning pegs, and the bridge that rests on the body. These also hold the strings in place side to side. The same names are used for related pieces on acoustic guitars and banjos, though on those instruments the bridge and tailpiece are a single unit called a saddle. The cello mute shown here is a small block of rubber that’s placed onto the bridge to partially damp its vibration.