тембр звуку

Форма звукових коливань залежить від властивостей джерела звуку. Найбільш простими коливаннями є рівномірні або гармонійні коливання, які можна представити у вигляді синусоїди (рис. 1). Такі коливання характеризуються частотою f, періодом Т і амплітудою А.

Частотою коливань називають кількість повних коливань в секунду. За одиницю вимірювання частоти прийнятий 1 герц (Гц). 1 герц відповідає одному повного (в одну і іншу сторону) коливання, що відбувається за одну секунду.

Періодом називають час (с), протягом якого відбувається одне повне коливання. Чим більше частота коливань, тим менше їх період, ᴛ.ᴇ. f = 1 / T. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, частота коливань тим більше, чим менше їх період, і навпаки.

Мал. 1. Графік звукових коливань при вимові звуків а, про і у.

Амплітудою коливань називають найбільше відхилення тіла, що коливається від його початкового (спокійного) положення. Чим більше амплітуда коливання, тим голосніше звук. Звуки людської мови являють себясложние звукові коливання, що складаються з тієї чи іншої кількості простих коливань, різних за частотою і амплітудою. У кожному звуці мови є тільки йому властиве поєднання коливань різної частоти і амплітуди. З цієї причини форма коливань одного звуку мови помітно відрізняється від форми іншого, що видно на рис. 2, на якому зображені графіки коливань при вимові звуків а, про і у.

Будь-які звуки людина характеризує відповідно до свого сприйняттям за рівнем гучності і висоті.

Гучність тону будь-якої даної висоти визначається амплітудою коливань. Висота тону визначається частотою коливання. Коливання високої частоти сприймаються як звуки високого тону, низької частоти - як звуки низького тону.

Негармоніческое періодичне вплив з періодом Т рівносильно одночасного дії гармонійних сил з різними частотами, а саме з частотами, кратними найбільш низькій частоті n = 1 / T.

Цей висновок є окремим випадком загальної математичної теореми, яку довів в 1822 ᴦ. Жан Батист Фур'є. Теорема Фур'є говорить: будь-яке періодичне коливання періоду Т повинна бути представлено у вигляді суми гармонійних коливань з періодами, рівними Т, T / 2, T / 3, T / 4 і т.д. ᴛ.ᴇ. з частотами n = (1 / T), 2n, 3n, 4n і т.д. Найбільш низька частота n прийнято називати основною частотою. Коливання з основною частотою n прийнято називати першою гармонікою або основним тоном (тоном), а коливання з частотами 2n, 3n, 4n і т.д. називаються вищими гармоніками або обертонами (першим - 2n, другим - 3n і т.д.).

Кожен звук, видаваний різними музичними інструментами, голосами різних людей і т.п. має свої характерні особливості - своєрідне забарвлення або відтінок. Ці особливості звуку називають тембром. На рис. 4 показані осцилограми звукових коливань, створюваних роялем і кларнетом для однієї і тієї ж ноти. Осцилограми показують, що період у обох коливань однаковий, але вони сильно відрізняються один від одного за своєю формою і, отже, розрізняються своїм гармонійним складом. Обидва звуку складаються з одних і тих же тонів, але в кожному з них ці тони - основний і його обертони - представлені з різними амплітудами і фазами.

Мал. 2. Осцилограми звуків рояля і кларнета.

Варто сказати, що для нашого вуха істотні тільки частоти і амплітуди тонів, що входять до складу звуку, ᴛ.ᴇ. тембр звуку визначається його гармонійним спектром. Зрушення окремих тонів за часом ніяк не сприймаються на слух, хоча і можуть дуже сильно змінювати форму результуючого коливання.

На рис. 3 зображені спектри тих звуків, осцилограми яких показані на рис. 4. Так як висоти звуків однакові, то і частоти тонів - основного і обертонів - одні й ті ж. При цьому амплітуди окремих гармонік в кожному спектрі сильно розрізняються.