Рудольф Сворень - Шаг за шагом. Усилители и радиоузлы
В современной музыке все частотные ступеньки, то есть интервалы между соседними клавишами, равноправны и независимо от цвета клавиш имеют одинаковую высоту. Здесь, правда, необходимо пояснить, что мы имеем в виду под словом «одинаковая».
Так же, как и при оценке громкости, для нашего слуха важно не абсолютное, а относительное изменение частоты, то есть изменение не «на столько-то герц», а «во столько-то раз», или, что то же самое, «на столько-то процентов». Например, мы ощутим одинаковое повышение тона, если изменим частоту от 100 до 120 гц, или от 10 до 12 кгц. Как видите, по абсолютной величине прирост частоты получается разным — в первом случае на 20 гц, во втором на 2000 гц. И все-таки изменение тона будет казаться одинаковым, так как частота увеличилась в одно и то же число раз — в обоих случаях ее прирост составил 20 %.
При подъеме на любую последующую ступеньку частота музыкального звука повышается примерно на 6 %, и это всегда вызывает ощущение одинакового повышения тона. Вот почему мы говорим, что все частотные ступеньки имеют одинаковую высоту. В то же время по абсолютной величине расстояние между соседними музыкальными тонами резко меняется (сравните частоты соседних звуков на рис. 9).
Частотный интервал между соседними клавишами рояля, независимо от их цвета, получил название «полутон» (изменение частоты 6 %), а интервал в два полутона составляет «тон». Нетрудно подсчитать, что вся музыкальная шкала разбита на 87 полутонов, то есть 431/2 тона[2].
Вы уже, конечно, обратили внимание, что названия музыкальных звуков периодически повторяются и следуют друг за другом одинаковыми комплектами. Каждый такой комплект называется октавой и состоит из пяти дополнительных и семи основных звуков — «до», «ре», «ми», «фа», «соль», «ля», «си». Если вы сравните одинаковые по названию звуки из соседних октав, например «до» и «до1» или «ля1» и «ля2», то обнаружите изумительную вещь: одна из частот больше другой ровно в два раза. Вот это самое «в два раза» и лежит в основе любой, в том числе и современной, музыкальной шкалы.
Появление нот двойной (четырехкратной, восьмикратной и т. д.) частоты не случайность и не выдумка изобретателя. По требованию самой природы мы вводим именно это соотношение, подобно тому, как покупаем именно два ботинка, а не один, не три и не сорок. Соотношение частот «в два раза» (то есть на 100 %) слух ставит на особое место: для слуха это самое приятное, самое естественное соотношение.
В этом можно легко убедиться: ударьте одновременно по двум одноименным клавишам рояля, и вы услышите два очень похожих звука, точнее даже — один богато окрашенный звук. Частотный интервал между двумя ближайшими одноименными звуками, например «ля1» — «ля2», называется октавой. Поэтому мы говорим, что музыкальный диапазон включает в себя семь полных октав. Каждая октава, в свою очередь, разделяется на 12 полутонов, каждый из которых дает сдвиг частоты на 6 %.
Чем же замечательны звуки с интервалом в октаву? Почему слух по-особому ощущает двойную частоту, по-особому реагирует на сочетание звуков, если их частоты отличаются именно «в два раза»?
В поисках ответа мы опять обратимся к роялю. Очень осторожно, так, чтобы не извлечь звука, нажмите клавишу «ля2» (f2 = 880 гц), а затем ударьте по клавише «ля1» (f1 = 440 гц) и сразу же ее отпустите. Когда звук «ля1» затихнет, вы еще довольно долго будете слышать более высокий тон «ля2». Тот же эффект можно получить с двумя любыми клавишами, которым соответствует частотный интервал в одну, две, три и так далее октавы. Чем объяснить этот эффект? Резонансом? Но почему струна с частотой собственных колебаний 880 гц резонирует на частоте 440 гц? Как увязать такой незаконный резонанс с тем, что мы знаем о колебаниях струны?
Рассматривая процесс колебаний струны, мы значительно упростили его. Струна колеблется не только целиком, но еще и отдельными своими частями — половинками, третями, четвертушками и т. д. (рис. 10).
Рис. 10. Струна колеблется не только целиком, но и отдельными своими частями; поэтому ее звук содержит большое число гармоник (обертонов).
Поэтому реальная струна создает звук сложной формы, спектр которого содержит синусоидальные составляющие с кратными частотами: двойной, тройной, четырехкратной и т. д. Пример: струна «ля1», кроме основного звука, с частотой 440 гц, создает призвуки, как говорят музыканты, — обертоны: первый обертон 880 гц, второй — 1320 гц, третий — 1760 гц и т. д.
В физике и технике обертоны называют гармоническими составляющими или, сокращенно, гармониками. Этим названием будем в дальнейшем пользоваться и мы. Учтите, что обертоны и гармоники нумеруются по-разному. Синусоидальный тон основной частоты (в нашем примере 440 гц) называют первой гармоникой, тон двойной частоты (880 гц), который у музыкантов числится первым обертоном, называется второй гармоникой, второй обертон (1320 гц) — третьей гармоникой и т. д. Проще говоря, в нумерацию обертонов не входит основной тон, а в нумерацию гармоник он входит. Чтобы подсчитать частоту той или иной гармоники, достаточно умножить частоту основного тона на ее порядковый номер. Легко подсчитать, что для нашего примера частота восьмой гармоники равна 3520 гц (440·8), десятой — 4400 гц (440·10) и т. д.
Теперь уже ясно, что резонанс, который мы наблюдали в своем последнем опыте, — явление вполне законное. Просто струну «ля2» (f2 = 880 гц) привела в движение вторая гармоника колебаний струны «ля1» (2f1 = 880 гц). Подобные явления могут сблизить звучание двух (или нескольких) тонов разной высоты. Причем главную роль в этом сближении играет ухо: оно само чуть-чуть искажает форму звукового сигнала, само создает и сравнивает гармоники какого-либо созвучия, то есть двух или нескольких звуков. При этом особое предпочтение отдается тем созвучиям, гармоники которых совпадают по частоте. Совершенно ясно, что первое место среди таких привилегированных созвучий занимают чистая прима (табл. 5) и октава — здесь гармоники согласованы наилучшим образом (рис. 10). Вот почему наш слух так хорошо выделяет интервал, соответствующий октаве, вот почему этот благозвучный интервал стал основой музыкальной шкалы.
Наряду с примой и октавой наш слух выделяет еще несколько благозвучных интервалов, так называемых консонансов. Прежде всего это чистая квинта (табл. 5), отчасти чистая кварта и в некоторой степени терция и секста. Остальные интервалы — это диссонансы, они звучат резко, даже неприятно, создают какие-то раздражающие призвуки (рис. 11).
Рис. 11. В зависимости от интервала между двумя звуками наш слух различает созвучия консонансы (благозвучные, приятные) и созвучия диссонансы (неприятные, раздражающие).
Первые исследователи музыкальной шкалы, а этой проблемой занимался еще Пифагор, ввели в нее консонирующие интервалы в чистом виде. Однако высота частотных ступенек при этом получалась неодинаковой, и в звучании музыки часто слышалась фальшь. Около 250 лет назад немецкий ученый и музыкант Лндреас Веркмейстер путем довольно сложных математических расчетов создал так называемую двенадцатиступенчатую, равномерно темперированную шкалу. На ней высота всех частотных ступенек одинакова (6 %), и в то же время имеются интервалы, очень близкие к консонирующим: к чистой квинте, терции, кварте и др. Этой шкалой пользуется и современная музыка, хотя время от времени предлагаются проекты более совершенной музыкальной шкалы: с большим числом ступенек в пределах октавы, большим приближением к естественным, продиктованным самой природой консонирующим интервалам. Пока эти проекты остаются только проектами. Но вряд ли стоит утверждать, что в будущем они не станут достоянием музыкального искусства.
В чем же состоит различие консонанса и диссонанса? Почему ухо по-разному реагирует на них? За счет чего одни созвучия мы относим к приятным, а другие едва в состоянии слушать? Впервые на эти вопросы попытался ответить Гельмгольц. Исследуя хорошо известное музыкантам явление — возникновение в самом ухе гармоник и комбинационных тонов, он построил довольно строгую теорию консонанса. Вот уже около ста лет ученые стремятся дополнить, развить, проверить или опровергнуть эту теорию и сами при этом открывают новые и интересные подробности анализа созвучий.
В качестве примера можно указать работы профессора С. Н. Ржевкина, который исследовал созвучия, подводя один чистый тон к правому уху, а второй — к левому. Оказалось, что в этом случае мы вообще не в состоянии заметить ни консонансов, ни диссонансов. Так еще раз было доказано, что истинное созвучие получается лишь тогда, когда оба звука попадают в одно ухо и там создают «гибридные» комбинационные тона.
