В природе мы почти не сталкиваемся с чистыми тонами. Звучание любого музыкального инструмента является сложным и состоит из множества частотных составляющих. Даже при очень сложных звуковых колебаниях слух человека способен распознать высоту звучания. Однако, при одинаковой высоте звучания звучание, например, скрипки отличается на слух от звучания рояля. Это связано с тем, что, помимо высоты звучания, слух способен оценивать также “окраску” звучания, т.е. его тембр. Тембром звука называется такое качество звука, которое, вне зависимости от частоты и амплитуды, позволяет отличить одно звучание от другого. Тембр звука зависит от общего спектрального состава звука и соотношения амплитуд составляющих спектра и в значительно меньшей степени от высоты основного тона:

Звук и шум

Понятие тембра тесно связано с понятием высоты звука. Дело в том, что звуковые колебания, как правило, бывают сложными. К примеру, если мы взяли на скрипке ноту «ля» первой октавы (частота 440 Гц), то в колебаниях этой струны будут присутствовать также кратные частоты 880, 1320, 1760, 2200 Гц и т.д. При этом амплитуды этих частот (обертонов) могут быть различными, т.е. обертоны будут иметь различную громкость.

2200 Гц
1760 Гц
1320 Гц
880 Гц
440 Гц

Г. Ом впервые высказал мысль, что простое слуховое ощущение возникает лишь при слушании чисто синусоидального колебания. Как только форма колебания усложняется, появляются обертоны — так возникают впечатления окраски звука или его тембра. Ому удалось установить, что ухо как бы анализирует периодический звук по отдельным гармоническим составляющим, и эти составляющие вызывают раздельные ощущения. При определенной тренировке и длительном вслушивании можно мысленно разделить сложное периодическое колебание и определить, какие гармоники в данном звуке присутствуют. Таким образом, человеческий слух способен воспринимать сложную форму периодических звуков как окраску или тембр.

Гармонические обертоны или гармоники

Обертоны бывают гармоническими и негармоническими. Частоты гармонических обертонов кратны частоте основного тона (гармонические обертоны вместе с основным тоном также называются гармониками); в реальных физических ситуациях (например, при колебаниях массивной и жесткой струны) частоты обертонов могут заметно отклоняться от величин, кратных частоте основного тона — такие обертоны называются негармоническими.

Амплитудно-частотное соотношение всех составных частей сложного колебания называют спектром звука, а звуки, соответствующие каждой частоте, присутствующей в сложном колебании, спектральными составляющими или компонентами. Набор спектральных составляющих определяет тембр звучания. А поскольку каждая спектральная составляющая — это звук определенной высоты, говорить о тембре как об отдельном свойстве звука не совсем корректно. Однако именно тембр звука (а точнее — спектр) обычно находится в центре внимания, когда речь идет о технологиях обработки звука.

Примеры спектрального состава музыкальных звуков:

Необходимо заметить, что воспринимаемая высота тона тоже зависит от тембра звука. Так, например, высота тона для звуков с богатым спектром определяется слуховой системой даже в том случае, если из них удалить основной тон.