Timbre

Najťažším subjektívne pociťovaným parametrom je timbre. S definíciou tohto pojmu vznikajú ťažkosti, porovnateľné s definíciou pojmu „život“: každý chápe, čo to je, ale veda už niekoľko storočí zápasí s vedeckou definíciou. Podobne ako pri výraze „timbre“: každý rozumie, o čom hovoríme, keď sa povie „krásny zafarbenie hlasu“, „tupé zafarbenie nástroja“ atď., ale... Nemôžete povedať „viac alebo menej“, „vyššie alebo nižšie“ o zafarbení “, na jeho opis sa používajú desiatky slov: suchý, zvučný, mäkký, ostrý, jasný atď. (O výrazoch na opis zafarbenia budeme hovoriť samostatne).

Timbre(timbre-francúzština) znamená „kvalita tónu“, „farba tónu“ (kvalita tónu).

Zafarbenie a akustické vlastnosti zvuku
Moderné počítačové technológie umožňujú vykonať podrobnú analýzu časovej štruktúry akéhokoľvek hudobného signálu - to môže urobiť takmer každý hudobný editor, napríklad Sound Forge, Wave Lab, SpectroLab atď. Príklady časovej štruktúry (oscilogramy ) zvukov rovnakej výšky (nota „C“ prvej oktávy) vytvorených rôznymi nástrojmi (organ, husle).
Ako vidno z prezentovaných tvarov vĺn (t. j. závislosti zmeny akustického tlaku od času), pri každom z týchto zvukov možno rozlíšiť tri fázy: nápor zvuku (proces ustálenia), stacionárnu časť a proces rozkladu. V rôznych nástrojoch, v závislosti od spôsobov výroby zvuku, ktoré sa v nich používajú, sú časové intervaly týchto fáz rôzne - to je možné vidieť na obrázku.

Bicie a drnkacie nástroje, ako sú gitary, majú krátky časový úsek stacionárnej fázy a útoku a dlhý časový úsek doznievania. Vo zvuku organovej píšťaly vidieť pomerne dlhý úsek stacionárnej fázy a krátku periódu doznievania atď. periodická štruktúra zvuku. Táto periodicita je zásadne dôležitá pre určenie hudobnej výšky tónu, pretože sluchový systém dokáže určiť výšku tónu iba pre periodické signály a neperiodické signály vníma ako šum.

Podľa klasickej teórie, ktorá sa od Helmholtza rozvíjala takmer ďalších sto rokov, vnímanie farby závisí od spektrálnej štruktúry zvuku, to znamená od zloženia podtónov a pomeru ich amplitúd. Pripomínam, že podtóny sú všetky zložky spektra nad základnou frekvenciou a podtóny, ktorých frekvencie sú v celočíselných pomeroch so základným tónom, sa nazývajú harmonické.
Ako je známe, na získanie amplitúdového a fázového spektra je potrebné vykonať Fourierovu transformáciu na časovej funkcii (t), t.j. závislosti akustického tlaku p od času t.
Pomocou Fourierovej transformácie môže byť akýkoľvek časový signál reprezentovaný ako súčet (alebo integrál) jeho jednoduchých harmonických (sínusových) signálov a amplitúdy a fázy týchto komponentov tvoria amplitúdové a fázové spektrá.

Pomocou digitálnych algoritmov rýchlej Fourierovej transformácie (FFT) vytvorených v priebehu posledných desaťročí možno operáciu určovania spektier vykonávať takmer v akomkoľvek programe na spracovanie zvuku. Napríklad program SpectroLab je vo všeobecnosti digitálny analyzátor, ktorý vám umožňuje zostaviť amplitúdové a fázové spektrum hudobného signálu v rôznych formách. Formy prezentácie spektra môžu byť rôzne, hoci predstavujú rovnaké výsledky výpočtu.

Obrázok ukazuje amplitúdové spektrá rôznych hudobných nástrojov (ktorých oscilogramy boli znázornené na obrázku vyššie) vo forme frekvenčnej odozvy. Frekvenčná charakteristika tu predstavuje závislosť amplitúd podtónov vo forme hladiny akustického tlaku v dB od frekvencií.

Niekedy je spektrum reprezentované ako diskrétny súbor podtónov s rôznymi amplitúdami. Spektrá môžu byť prezentované vo forme spektrogramov, kde vertikálna os je frekvencia, horizontálna os je čas a amplitúda je reprezentovaná intenzitou farby.

Okrem toho existuje forma reprezentácie vo forme trojrozmerného (kumulatívneho) spektra, o ktorej bude reč nižšie.
Na zostavenie spektier naznačených na predchádzajúcom obrázku sa v stacionárnej časti oscilogramu zvolí určitý časový interval a vypočíta sa priemerné spektrum za tento interval. Čím je tento segment väčší, tým je frekvenčné rozlíšenie presnejšie, no zároveň môže dôjsť k strate (vyhladeniu) jednotlivých detailov časovej štruktúry signálu. Takéto stacionárne spektrá majú individuálne vlastnosti charakteristické pre každý hudobný nástroj a závisia od mechanizmu tvorby zvuku v ňom.

Napríklad flauta používa ako rezonátor potrubie, ktoré je na oboch koncoch otvorené, a preto obsahuje všetky párne a nepárne harmonické v spektre. V tomto prípade úroveň (amplitúda) harmonických rýchlo klesá s frekvenciou. Klarinet používa ako rezonátor píšťalu, uzavretú na jednom konci, takže spektrum obsahuje hlavne nepárne harmonické. Potrubie má vo svojom spektre veľa vysokofrekvenčných harmonických. V súlade s tým sú zvukové farby všetkých týchto nástrojov úplne odlišné: flauta je mäkká, jemná, klarinet je nudný, nudný, trúbka je jasná, ostrá.

Štúdiu vplyvu spektrálneho zloženia podtónov na timbre boli venované stovky prác, keďže tento problém je mimoriadne dôležitý tak pre dizajn hudobných nástrojov, ako aj pre kvalitné akustické zariadenia, najmä v súvislosti s vývojom Hi- Fi a High-End zariadenia a na sluchové hodnotenie fonogramov a iné úlohy stojace pred zvukárom. Nahromadené obrovské sluchové skúsenosti našich úžasných zvukových inžinierov - P.K. Kondrashina, V.G. Dinova, E.V. Nikulsky, S.G. Shugal a ďalší - by mohli poskytnúť neoceniteľné informácie o tomto probléme (najmä ak o tom písali vo svojich knihách, čo by som im rád zaželal).

Keďže týchto informácií je extrémne veľké množstvo a často sú protichodné, uvedieme len niektoré z nich.
Analýza všeobecnej štruktúry spektier rôznych prístrojov zobrazených na obrázku 5 nám umožňuje vyvodiť nasledujúce závery:
- pri absencii alebo nedostatku podtónov, najmä v spodnom registri, sa timbre zvuku stáva nudným, prázdnym - príkladom je sínusový signál z generátora;
- prítomnosť v spektre prvých piatich až siedmich harmonických s dostatočne veľkou amplitúdou dáva zafarbeniu plnosť a bohatosť;
- oslabenie prvej harmonickej a zosilnenie vyšších harmonických (od šiestej-siedmej a vyššie) dáva zafarbenie

Analýza obálky amplitúdového spektra pre rôzne hudobné nástroje umožnila stanoviť (Kuznetsov „Akustika hudobných nástrojov“):
- plynulý nárast obálky (zvýšenie amplitúd určitej skupiny podtónov) v oblasti 200...700 Hz umožňuje získať odtiene sýtosti a hĺbky;
- nárast v oblasti 2,5…3 kHz dáva zafarbeniu letmú, zvukovú kvalitu;
- Nárast v oblasti 3…4,5 kHz dáva zafarbeniu ostrosť, prenikavosť atď.

Jeden z mnohých pokusov klasifikovať kvality zafarbenia v závislosti od spektrálneho zloženia zvuku je znázornený na obrázku.

Početné experimenty hodnotiace kvalitu zvuku (a následne zafarbenie) akustických systémov umožnili zistiť vplyv rôznych vrcholov a poklesov frekvenčnej odozvy na viditeľnosť zmien zafarbenia. Predovšetkým sa ukazuje, že viditeľnosť závisí od amplitúdy, umiestnenia na frekvenčnej škále a faktora kvality vrcholov a poklesov na obálke spektra (t. j. od frekvenčnej odozvy). V strednom frekvenčnom pásme sú prahové hodnoty pre viditeľnosť špičiek, t. j. odchýlky od priemernej úrovne, 2...3 dB a viditeľnosť zmien zafarbenia v špičkách je väčšia ako pri údoliach. Úzke medzery (menej ako 1/3 oktávy) sú pre ucho takmer neviditeľné - zjavne sa to vysvetľuje tým, že práve takéto úzke medzery vnášajú miestnosť do frekvenčnej odozvy rôznych zdrojov zvuku a ucho je na ne zvyknuté.

Zoskupovanie alikvótov do formantových skupín má výrazný vplyv najmä v oblasti maximálnej citlivosti sluchu. Keďže hlavným kritériom rozlíšenia zvukov reči je umiestnenie oblastí formátu, prítomnosť frekvenčných rozsahov formantov (t. j. zdôraznené podtóny) výrazne ovplyvňuje vnímanie zafarbenia hudobných nástrojov a spevu: napr. napríklad formantová skupina v oblasti 2 ... 3 kHz dáva spevu a zvukom huslí vzdušnosť. Tento tretí formant je obzvlášť výrazný v spektrách Stradivariových huslí.

Tvrdenie klasickej teórie je teda určite pravdivé, že vnímaná farba zvuku závisí od jeho spektrálneho zloženia, teda od umiestnenia podtónov na frekvenčnej škále a od pomeru ich amplitúd. Potvrdzujú to mnohé praktiky práce so zvukom v rôznych oblastiach. Moderné hudobné programy uľahčujú kontrolu pomocou jednoduchých príkladov. Napríklad v Sound Forge môžete pomocou vstavaného generátora syntetizovať zvukové varianty s rôznym spektrálnym zložením a počúvať, ako sa mení zafarbenie ich zvuku.

Z toho vyplývajú ďalšie dva veľmi dôležité závery:
- farba hudby a reči sa mení v závislosti od zmien hlasitosti a transpozície vo výške.

Keď zmeníte hlasitosť, zmení sa vnímanie zafarbenia. Po prvé, so zvýšením amplitúdy vibrácií vibrátorov rôznych hudobných nástrojov (struny, membrány, rezonančné dosky atď.) V nich sa začínajú objavovať nelineárne efekty, čo vedie k obohateniu spektra o ďalšie podtóny. Na obrázku je znázornené spektrum klavíra pri rôznych nárazových silách, kde pomlčka označuje hlukovú časť spektra.

Po druhé, so zvyšujúcou sa úrovňou hlasitosti sa mení citlivosť sluchového ústrojenstva na vnímanie nízkych a vysokých frekvencií (o rovnakých krivkách hlasitosti sa písalo v predchádzajúcich článkoch). Preto, keď sa hlasitosť zvýši (na rozumnú hranicu 90...92 dB), zafarbenie sa stáva plnším, sýtejším ako pri tichých zvukoch. S ďalším zvýšením hlasitosti začnú zdroje zvuku a sluchový systém ovplyvňovať silné skreslenia, čo vedie k zhoršeniu farby.

Transponovanie melódie vo výške tiež mení vnímaný timbre. Po prvé, spektrum je vyčerpané, pretože niektoré podtóny spadajú do nepočuteľného rozsahu nad 15...20 kHz; po druhé, vo vysokofrekvenčnej oblasti sú prahy sluchu oveľa vyššie a vysokofrekvenčné podtóny sa stávajú nepočuteľnými. V zvukoch s nízkym registrom (napríklad v orgáne) sú alikvoty zosilnené v dôsledku zvýšenej citlivosti sluchu na stredné frekvencie, takže zvuky s nízkym registrom znejú bohatšie ako zvuky so stredným registrom, kde nedochádza k takému zvýšeniu presahov. Je potrebné poznamenať, že keďže krivky rovnakej hlasitosti, ako aj strata citlivosti sluchu na vysoké frekvencie sú do značnej miery individuálne, zmena vnímania zafarbenia so zmenami hlasitosti a výšky sa u rôznych ľudí tiež značne líši.
Doposiaľ nazhromaždené experimentálne údaje však umožnili odhaliť určitú invarianciu (stabilitu) farby za rôznych podmienok. Napríklad pri transponovaní melódie pozdĺž frekvenčnej škály sa odtiene farby, samozrejme, menia, ale vo všeobecnosti je farba nástroja alebo hlasu ľahko rozpoznateľná: napríklad pri počúvaní saxofónu alebo iného nástroja cez tranzistorové rádio, jeho zafarbenie je poznať, hoci jeho spektrum bolo značne skreslené. Pri počúvaní toho istého nástroja na rôznych miestach v sále sa mení aj jeho zafarbenie, ale základné vlastnosti zafarbenia, ktoré je tomuto nástroju vlastné, zostávajú zachované.

Niektoré z týchto rozporov boli čiastočne vysvetlené v rámci klasickej spektrálnej teórie zafarbenia. Napríklad sa ukázalo, že pre zachovanie hlavných čŕt zafarbenia pri transpozícii (prenos po frekvenčnej škále) je zásadne dôležité zachovať tvar obálky amplitúdového spektra (t. j. jeho formantovú štruktúru). Obrázok napríklad ukazuje, že pri prenose spektra o oktávu v prípade, že je zachovaná štruktúra obálky (možnosť „a“), sú variácie zafarbenia menej významné ako pri prenose spektra pri zachovaní pomeru amplitúd. (možnosť „b“).

To vysvetľuje skutočnosť, že zvuky reči (samohlásky, spoluhlásky) možno rozpoznať bez ohľadu na výšku (frekvenciu základného tónu), ktorú vyslovujú, ak sa zachová vzájomná poloha ich formantových oblastí.

Ak teda zhrnieme výsledky získané klasickou teóriou zafarbenia, berúc do úvahy výsledky posledných rokov, môžeme povedať, že zafarbenie samozrejme výrazne závisí od priemerného spektrálneho zloženia zvuku: počet podtónov, ich relatívne umiestnenie na frekvenčnej škále, na pomere ich amplitúd, to znamená na obálke tvarového spektra (AFC), alebo presnejšie na spektrálnom rozložení energie na frekvencii.
Keď sa však v 60-tych rokoch začali prvé experimenty so syntézou zvukov hudobných nástrojov, pokusy obnoviť zvuk, najmä trúbky na základe známeho zloženia jej priemerného spektra, sa ukázali ako neúspešné - zafarbenie bolo úplne iné. zo zvuku dychových nástrojov. To isté platí pre prvé pokusy o syntézu hlasu. Práve v tomto období, spoliehajúc sa na možnosti, ktoré poskytuje výpočtová technika, sa začal vývoj ďalšieho smeru - vytvorenie spojenia medzi vnímaním zafarbenia a časovou štruktúrou signálu.
Predtým, ako prejdeme k výsledkom získaným v tomto smere, treba povedať nasledovné.
Po prvé. Všeobecne sa verí, že pri práci so zvukovými signálmi stačí získať informácie o ich spektrálnom zložení, pretože pomocou Fourierovej transformácie môžete vždy prejsť na ich časovú formu a naopak. Jednoznačné spojenie medzi časovým a spektrálnym zobrazením signálu však existuje iba v lineárnych systémoch a sluchový systém je v podstate nelineárny systém, a to ako pri vysokej, tak aj pri nízkej úrovni signálu. Preto spracovanie informácií v sluchovom systéme prebieha paralelne v spektrálnej aj časovej oblasti.

Vývojári kvalitných akustických zariadení sa neustále stretávajú s týmto problémom, kedy sa skreslenie frekvenčnej odozvy akustického systému (teda nerovnomernosť spektrálnej obálky) dostáva takmer na zvukové prahy (nerovnomernosť 2 dB, šírka pásma 20 Hz. .20 kHz atď.) a odborníci alebo zvukári hovoria: „husle znejú chladne“ alebo „hlas je kovový“ atď. Pre sluchový systém sú teda potrebné informácie získané zo spektrálnej oblasti; Nie je prekvapujúce, že metódy merania a hodnotenia akustických zariadení sa v posledných rokoch výrazne zmenili - objavila sa nová digitálna metrológia, ktorá umožňuje určiť až 30 parametrov, a to v časovej aj spektrálnej oblasti.
V dôsledku toho musí sluchový systém prijímať informácie o zafarbení hudobného a rečového signálu z časovej aj spektrálnej štruktúry signálu.
Po druhé. Všetky výsledky získané vyššie v klasickej teórii zafarbenia (Helmholtzova teória) sú založené na analýze stacionárnych spektier získaných zo stacionárnej časti signálu s určitým spriemerovaním, ale skutočnosť, že v reálnych hudobných a rečových signáloch prakticky neexistujú žiadne konštantné, stacionárne časti sú zásadne dôležité. Živá hudba je nepretržitá dynamika, neustála zmena, a to vďaka hlbokým vlastnostiam sluchového ústrojenstva.

Štúdie fyziológie sluchu preukázali, že v sluchovom systéme, najmä v jeho vyšších častiach, existuje veľa takzvaných „noviniek“ alebo „rozpoznávacích“ neurónov, t. j. neurónov, ktoré sa zapínajú a začínajú viesť elektrické výboje iba vtedy, ak existuje. zmena signálu (zapnutie, vypnutie, zmena úrovne hlasitosti, výšky atď.). Ak je signál stacionárny, potom tieto neuróny nie sú zapnuté a signál je riadený obmedzeným počtom neurónov. Tento jav je všeobecne známy z každodenného života: ak sa signál nezmení, často si ho jednoducho prestaneme všímať.
Pre hudobný výkon je akákoľvek monotónnosť a stálosť katastrofálna: neuróny novosti poslucháča sú vypnuté a prestáva vnímať informácie (estetické, emocionálne, sémantické atď.), takže v živom vystúpení je vždy dynamika (hudobníci a speváci široko použiť rôzne modulácie signálu - vibrato, tremolo atď.).

Okrem toho má každý hudobný nástroj, vrátane hlasu, špeciálny systém produkcie zvuku, ktorý určuje jeho vlastnú časovú štruktúru signálu a jeho dynamiku zmien. Porovnanie časovej štruktúry zvuku ukazuje zásadné rozdiely: predovšetkým trvanie všetkých troch častí – ataku, stacionárnej časti a doznievania – sa u všetkých nástrojov líšia trvaním a formou. Bicie nástroje majú veľmi krátku stacionárnu časť, čas nábehu 0,5...3 ms a čas doznievania 0,2...1 s; pri slnených nástrojoch je čas útoku 30...120 ms, čas doznievania je 0,15...0,5 s; orgán má atak 50...1000 ms a rozpad 0,2...2 s. Navyše, tvar časovej obálky je zásadne odlišný.
Experimenty ukázali, že ak odstránite časť dočasnej štruktúry zodpovedajúcej útoku zvuku, alebo zameníte útok a rozpad (hranie opačným smerom), alebo nahradíte útok z jedného nástroja útokom z iného, ​​potom identifikujete timbre daného nástroja sa stáva takmer nemožným. V dôsledku toho sa pre rozpoznávanie zafarbenia nielen stacionárna časť (ktorej priemerné spektrum slúži ako základ klasickej teórie zafarbenia), ale aj obdobie formovania dočasnej štruktúry, ako aj obdobie útlmu (rozpadu) sú životne dôležité prvky.

Pri počúvaní v ktorejkoľvek miestnosti totiž dostávajú prvé odrazy do sluchového ústrojenstva po útoku a počiatočná časť stacionárnej časti už bola vypočutá. Doznievanie zvuku z nástroja je zároveň superponované procesom dozvuku miestnosti, čo výrazne maskuje zvuk a prirodzene vedie k modifikácii vnímania jeho zafarbenia. Sluch má určitú zotrvačnosť a krátke zvuky sú vnímané ako kliknutia. Preto musí byť trvanie zvuku dlhšie ako 60 ms, aby bolo možné rozpoznať výšku tónu, a teda aj zafarbenie. Zrejme by mali byť konštanty blízko.
Napriek tomu sa čas medzi začiatkom príchodu priameho zvuku a momentom príchodu prvých odrazov ukazuje ako dostatočný na rozpoznanie zvukového zafarbenia jednotlivého nástroja - táto okolnosť samozrejme určuje nemennosť (stabilitu) rozoznávania. timbre rôznych nástrojov za rôznych podmienok počúvania. Moderné počítačové technológie umožňujú dostatočne podrobne analyzovať procesy vytvárania zvuku rôznych nástrojov a vyzdvihnúť najvýznamnejšie akustické vlastnosti, ktoré sú najdôležitejšie pre určenie zafarbenia.

Štruktúra jeho stacionárneho (priemerovaného) spektra má významný vplyv na vnímanie zafarbenia hudobného nástroja alebo hlasu: zloženie alikvót, ich umiestnenie na frekvenčnej škále, ich frekvenčné pomery, amplitúdové rozloženie a tvar spektra. obálka, prítomnosť a tvar formantových oblastí atď., čo plne potvrdzuje ustanovenia klasickej teórie zafarbenia, uvedené v dielach Helmholtza.
Experimentálne materiály získané v posledných desaťročiach však ukázali, že rovnako významnú a možno oveľa významnejšiu úlohu pri rozpoznávaní zafarbenia zohráva nestacionárna zmena v štruktúre zvuku, a teda aj proces odvíjania jeho spektra v čase. , predovšetkým v počiatočnom štádiu zvukového útoku.

Proces zmeny spektra v priebehu času možno obzvlášť jasne „vidieť“ pomocou spektrogramov alebo trojrozmerných spektier (možno ich zostaviť pomocou väčšiny hudobných editorov Sound Forge, SpectroLab, Wave Lab atď.). Ich analýza zvukov rôznych nástrojov umožňuje identifikovať charakteristické črty procesov „rozvíjania“ spektier. Napríklad na obrázku je znázornené trojrozmerné spektrum zvuku zvonu, kde frekvencia v Hz je vynesená na jednej osi, čas v sekundách na druhej; na tretej amplitúde v dB. Graf jasne ukazuje, ako prebieha proces rastu, usadzovania a rozpadu spektrálnej obálky v priebehu času.

Porovnanie ataku tónu C4 v rôznych drevených nástrojoch ukazuje, že proces vytvárania vibrácií v každom nástroji má svoj osobitý charakter:

V klarinete dominujú nepárne harmonické 1/3/5, pričom tretia harmonická sa objavuje v spektre o 30 ms neskôr ako prvá, potom sa vyššie harmonické postupne „zoraďujú“;
- v hoboji začína vznik kmitov druhou a treťou harmonickou, potom sa objaví štvrtá a až po 8 ms sa začne objavovať prvá harmonická;
- najprv sa objaví prvá harmonická flauty, potom až po 80 ms postupne vstupujú všetky ostatné.

Obrázok ukazuje proces vytvárania vibrácií pre skupinu plechových nástrojov: trúbka, trombón, roh a tuba.

Rozdiely sú jasne viditeľné:
- trúbka má kompaktný vzhľad skupiny vyšších harmonických, trombón má najskôr druhú harmonickú, potom prvú a po 10 ms druhú a tretiu. Tuba a roh vykazujú koncentráciu energie v prvých troch harmonických, vyššie harmonické prakticky chýbajú.

Analýza získaných výsledkov ukazuje, že proces zvukového útoku výrazne závisí od fyzikálnej podstaty tvorby zvuku na danom nástroji:
- z používania ušných vankúšikov alebo palíc, ktoré sú zase rozdelené na jednoduché alebo dvojité;
- z rôznych tvarov rúr (rovné úzky alebo kužeľové široké diery) atď.

To určuje počet harmonických, čas ich výskytu, rýchlosť, akou sa vytvára ich amplitúda, a teda aj tvar obalu časovej štruktúry zvuku. Niektoré nástroje, ako sú flauty,

Obálka počas útočnej periódy má plynulý exponenciálny charakter a v niektorých, napríklad fagotoch, sú zreteľne viditeľné údery, čo je jedným z dôvodov výrazných rozdielov v ich timbre.

Pri ataku niekedy predbiehajú základné tóny vyššie harmonické, takže môže dochádzať ku kolísaniu výšky tónu, a teda k postupnému narastaniu výšky celkového tónu. Niekedy sú tieto zmeny periodicity kvázi náhodné. Všetky tieto znaky pomáhajú sluchovému systému „identifikovať“ farbu konkrétneho nástroja v počiatočnom okamihu zvuku.

Pre posúdenie zafarbenia zvuku je dôležitý nielen moment jeho rozpoznania (t. j. schopnosť rozlíšiť jeden nástroj od druhého), ale aj schopnosť posúdiť zmenu zafarbenia počas hrania. Tu zohráva najdôležitejšiu úlohu dynamika zmien spektrálnej obálky v čase vo všetkých fázach zvuku: útok, stacionárna časť, rozpad.
Správanie každého podtónu v priebehu času tiež nesie dôležité informácie o zafarbení. Napríklad pri zvuku zvonov je obzvlášť zreteľne viditeľná dynamika zmien, a to tak v zložení spektra, ako aj v povahe zmeny v priebehu času v amplitúdach jeho jednotlivých podtónov: ak v prvom momente po údere niekoľkých v spektre je dobre viditeľný tucet spektrálnych zložiek, čo vytvára šumový charakter témbru, potom po niekoľkých sekundách v spektre zostane niekoľko základných podtónov (základný tón, oktáva, duodecima a malá tercia od seba dve oktávy), zvyšok vybledne von, a to vytvára špeciálny tónovo zafarbený zvukový timbre.

Príklad zmien amplitúd hlavných tónov v priebehu času pre zvon je znázornený na obrázku. Je vidieť, že sa vyznačuje krátkym atakom a dlhou dobou doznievania, pričom rýchlosť vstupu a doznievania podtónov rôznych rádov a charakter zmeny ich amplitúd v čase sú výrazne odlišné. Správanie rôznych alikvót v čase závisí od typu nástroja: pri zvuku klavíra, organu, gitary atď. má proces zmeny amplitúd podtónov úplne iný charakter.

Skúsenosti ukazujú, že aditívna počítačová syntéza zvukov, berúc do úvahy špecifický vývoj jednotlivých podtónov v čase, umožňuje získať oveľa „živší“ zvuk.

Otázka dynamiky zmien, v ktorých podtóny nesú informácie o zafarbení, súvisí s existenciou kritických pásiem sluchu. Bazilárna membrána v kochlei pôsobí ako séria pásmových filtrov, ktorých šírka závisí od frekvencie: nad 500 Hz je to približne 1/3 oktávy, pod 500 Hz je to približne 100 Hz. Šírka pásma týchto sluchových filtrov sa nazýva "kritická šírka pásma sluchu" (existuje špeciálna jednotka merania 1 štek, ktorá sa rovná šírke kritického pásma v celom rozsahu počuteľných frekvencií).
V rámci kritického pásma sluch integruje prichádzajúce zvukové informácie, ktoré tiež zohrávajú dôležitú úlohu v procesoch maskovania sluchu. Ak analyzujete signály na výstupe zvukových filtrov, môžete vidieť, že prvých päť až sedem harmonických v zvukovom spektre akéhokoľvek nástroja zvyčajne spadá do vlastného kritického pásma, pretože v takýchto prípadoch sú od seba dosť vzdialené hovoria, že harmonické „rozvinú“ sluchový systém. Výboje neurónov na výstupe takýchto filtrov sú synchronizované s periódou každej harmonickej.

Harmonické nad siedmou sú zvyčajne na frekvenčnej škále dosť blízko seba a nie sú „zametané“ sluchovým systémom, niekoľko harmonických spadá do jedného kritického pásma a na výstupe sluchových filtrov sa získa komplexný signál. Výboje neurónov sú v tomto prípade synchronizované s frekvenciou obalu, t.j. základný tón.

Mechanizmus spracovania informácií sluchovým systémom pre rozšírené a neexpandované harmonické je teda trochu odlišný: v prvom prípade sa informácie používajú „v čase“, v druhom „na mieste“.

Významnú úlohu pri rozpoznávaní výšky tónu, ako bolo uvedené v predchádzajúcich článkoch, zohráva prvých pätnásť až osemnásť harmonických. Experimenty využívajúce počítačovú aditívnu syntézu zvukov ukazujú, že správanie týchto konkrétnych harmonických má tiež najvýznamnejší vplyv na zmenu farby.
Preto sa vo viacerých štúdiách navrhovalo uvažovať o rozmere zafarbenia pätnásť až osemnásť a jeho zmenu hodnotiť podľa tohto počtu škál, čo je jeden zo základných rozdielov medzi zafarbením a takými charakteristikami sluchového vnímania, ako sú výška tónu alebo hlasitosť, ktorú možno škálovať podľa dvoch alebo troch parametrov (napríklad hlasitosť), v závislosti najmä od intenzity, frekvencie a trvania signálu.

Je celkom dobre známe, že ak spektrum signálu obsahuje pomerne veľa harmonických s číslami od 7 do 15...18, s dostatočne veľkými amplitúdami, napríklad v trúbke, husliach, jazýčkových píšťalách organu atď. vtedy je timbre vnímaný ako jasný, zvučný, ostrý a pod. Ak spektrum obsahuje najmä nižšie harmonické, napr. pri tube, rohovom rohu, trombóne, potom je timbre charakterizovaný ako tmavý, matný atď. Klarinet, v ktorom v spektre dominujú nepárne harmonické, má trochu „nosové“ zafarbenie atď.
V súlade s modernými názormi je najdôležitejšou úlohou pre vnímanie zafarbenia zmena dynamiky rozloženia maximálnej energie medzi podtóny spektra.

Na vyhodnotenie tohto parametra bol zavedený pojem „centroid spektra“, ktorý je definovaný ako stred distribúcie spektrálnej energie zvuku, niekedy je definovaný ako „bod rovnováhy“ spektra. Spôsob, ako to určiť, je vypočítať hodnotu určitej priemernej frekvencie:

Kde Ai je amplitúda zložiek spektra, fi je ich frekvencia.
V príklade znázornenom na obrázku je táto hodnota ťažiska 200 Hz.

F = (8 x 100 + 6 x 200 + 4 x 300 + 2 x 400)/(8 + 6 + 4 + 2) = 200.

Posun ťažiska smerom k vysokým frekvenciám je cítiť ako zvýšenie jasu zafarbenia.
Významný vplyv distribúcie spektrálnej energie vo frekvenčnom rozsahu a jej zmien v čase na vnímanie zafarbenia je pravdepodobne spojený so zážitkom rozpoznávania zvukov reči formantovými znakmi, ktoré nesú informáciu o koncentrácii energie v rôznych oblastiach spektrum (nie je však známe, ktoré bolo primárne).
Táto schopnosť sluchu je podstatná pri posudzovaní timbrov hudobných nástrojov, keďže prítomnosť formantových oblastí je charakteristická pre väčšinu hudobných nástrojov, napríklad pri husliach v oblastiach 800...1000 Hz a 2800...4000 Hz, v klarinety 1400...2000 Hz atď.
V súlade s tým ich poloha a dynamika zmien v čase ovplyvňujú vnímanie individuálnych charakteristík zafarbenia.
Je známe, aký významný vplyv má prítomnosť vysokého speváckeho formanta na vnímanie zafarbenia spevu (v oblasti 2100...2500 Hz pre basy, 2500...2800 Hz pre tenory, 3000. ..3500 Hz pre soprány). V tejto oblasti operní speváci sústreďujú až 30 % svojej akustickej energie, čo zabezpečuje zvukovosť a let ich hlasu. Odstránením speváckeho formantu z nahrávok rôznych hlasov pomocou filtrov (tieto experimenty boli realizované v rámci výskumu prof. V. P. Morozova) sa ukazuje, že zafarbenie hlasu sa stáva matným, mdlým a pomalším.

Zmena zafarbenia pri zmene hlasitosti predstavenia a transponovaní výšky je tiež sprevádzaná posunom ťažiska v dôsledku zmeny počtu alikvót.
Príklad zmeny polohy ťažiska pre zvuky huslí rôznych výšok je znázornený na obrázku (frekvencia umiestnenia ťažiska v spektre je vynesená pozdĺž osi x).
Výskum ukázal, že pri mnohých hudobných nástrojoch existuje takmer monotónny vzťah medzi zvýšením intenzity (hlasitosti) a posunom ťažiska do vysokofrekvenčnej oblasti, vďaka čomu sa farba stáva jasnejšou.

Pri syntéze zvukov a vytváraní rôznych počítačových kompozícií by sa zrejme mal brať do úvahy dynamický vzťah medzi intenzitou a polohou ťažiska v spektre, aby sa získal prirodzenejší timbre.
Napokon, rozdiel vo vnímaní timbrov skutočných zvukov a zvukov s „virtuálnou výškou“, t.j. zvuky, ktorých výšku mozog „dotvára“ podľa viacerých celočíselných podtextov spektra (typické napríklad pre zvuky zvonov), možno vysvetliť z polohy ťažiska spektra. Keďže tieto zvuky majú hodnotu základnej frekvencie, t.j. výška môže byť rovnaká, ale poloha ťažiska je iná v dôsledku odlišného zloženia podtónov, potom bude zafarbenie vnímané inak.
Pre zaujímavosť, pred viac ako desiatimi rokmi bol na meranie akustických zariadení navrhnutý nový parameter, a to trojrozmerné spektrum rozloženia energie vo frekvencii a čase, takzvané Wignerovo rozdelenie, ktoré pomerne aktívne využívajú rôzne spoločnosti hodnotiť zariadenia, pretože, ako ukazujú skúsenosti, vám umožňuje dosiahnuť najlepšiu zhodu s kvalitou zvuku. Vzhľadom na vyššie uvedenú vlastnosť sluchového ústrojenstva využívať dynamiku zmien energetických charakteristík zvukového signálu na určenie zafarbenia, možno predpokladať, že tento parameter Wignerovho rozdelenia môže byť užitočný aj pri hodnotení hudobných nástrojov.

Hodnotenie timbrov rôznych nástrojov je vždy subjektívne, ale ak je pri hodnotení výšky a hlasitosti možné na základe subjektívnych hodnotení usporiadať zvuky v určitej mierke (a dokonca zaviesť špeciálne jednotky merania „syn“ pre hlasitosť a „kriedu“ pre výšku), potom je hodnotenie zafarbenia výrazne náročnejšia úloha. Na subjektívne posúdenie zafarbenia sa poslucháčom zvyčajne prezentujú páry zvukov, ktoré majú rovnakú výšku a hlasitosť, a sú požiadaní, aby umiestnili tieto zvuky na rôzne stupnice medzi rôzne protichodné popisné znaky: „svetlý“/“tmavý“, „hlas“/ „tupé“ atď. (O výbere rôznych pojmov na opis timbrov a odporúčaniach medzinárodných noriem k tejto problematike budeme určite hovoriť v budúcnosti).
Významný vplyv na určenie takých parametrov zvuku, ako je výška, zafarbenie atď., má časové správanie prvých piatich až siedmich harmonických, ako aj množstvo „nerozšírených“ harmonických do 15....17. .
Ako je však známe zo všeobecných zákonov psychológie, krátkodobá pamäť človeka môže súčasne operovať nie viac ako siedmimi až ôsmimi symbolmi. Preto je zrejmé, že pri rozpoznávaní a hodnotení zafarbenia sa nepoužíva viac ako sedem alebo osem základných znakov.
Uskutočnili sa pokusy stanoviť tieto charakteristiky systematizáciou a spriemerovaním výsledkov experimentov, nájsť zovšeobecnené stupnice, pomocou ktorých by bolo možné identifikovať tóny zvukov rôznych nástrojov, a priradiť tieto stupnice k rôznym časovo-spektrálnym charakteristikám zvuku. na dlhú dobu.

Jednou z najznámejších je Grayova práca (1977), kde sa uskutočnilo štatistické porovnanie odhadov pre rôzne charakteristiky zvukov rôznych sláčikových, drevených, bicích nástrojov atď. Zvuky boli syntetizované na počítači , čo umožnilo meniť ich časové a spektrálne hodnoty v požadovaných smerových charakteristikách. Klasifikácia timbrálnych znakov sa uskutočňovala v trojrozmernom (ortogonálnom) priestore, kde boli zvolené nasledujúce škály, pomocou ktorých sa vykonalo porovnávacie hodnotenie stupňa podobnosti timbrálnych znakov (v rozsahu od 1 do 30):

Prvá stupnica je hodnota ťažiska amplitúdového spektra (stupnica ukazuje posunutie ťažiska, t.j. maximum spektrálnej energie od nízkych po vysoké harmonické);
- druhá - synchronicita spektrálnych fluktuácií, t.j. miera synchronicity pri vstupe a rozvoji jednotlivých presahov spektra;
- tretí - stupeň prítomnosti nízkoamplitúdovej neharmonickej vysokofrekvenčnej energie šumu počas doby útoku.

Spracovanie získaných výsledkov pomocou špeciálneho softvérového balíka pre klastrovú analýzu odhalilo možnosť pomerne jasnej klasifikácie nástrojov podľa farby v rámci navrhovaného trojrozmerného priestoru.

Pokus o vizualizáciu timbrálneho rozdielu vo zvukoch hudobných nástrojov v súlade s dynamikou zmien ich spektra počas obdobia útoku sa uskutočnil v práci Pollarda (1982), výsledky sú znázornené na obrázku.

Trojrozmerný priestor timbrov

Aktívne pokračuje hľadanie metód pre multidimenzionálne škálovanie timbrálov a vytváranie ich súvislostí so spektrálno-časovými charakteristikami zvukov. Tieto výsledky sú mimoriadne dôležité pre vývoj technológií počítačovej syntézy zvuku, pre tvorbu rôznych elektronických hudobných skladieb, pre korekciu a spracovanie zvuku v zvukárskej praxi atď.

Je zaujímavé poznamenať, že na začiatku storočia veľký skladateľ 20. storočia Arnold Schoenberg vyslovil myšlienku, že „... ak výšku tónu považujeme za jednu z dimenzií timbre, a moderná hudba je postavená na variáciách tento rozmer, tak prečo neskúsiť použiť iné rozmery zafarbenia na vytváranie kompozícií." Táto myšlienka sa v súčasnosti realizuje v tvorbe skladateľov, ktorí tvoria spektrálnu (elektroakustickú) hudbu. Preto je záujem o problematiku vnímania zafarbenia a jeho súvislostí s objektívnymi charakteristikami zvuku taký vysoký.

Získané výsledky teda ukazujú, že ak sa v prvom období štúdia vnímania zafarbenia (na základe klasickej Helmholtzovej teórie) vytvorila jasná súvislosť medzi zmenou zafarbenia a zmenou spektrálneho zloženia stacionárnej časti zvuku (zloženie podtónov, pomer ich frekvencií a amplitúd atď.), potom druhé obdobie týchto štúdií (od začiatku 60. rokov) umožnilo konštatovať zásadný význam spektrálno-časových charakteristík.

Ide o zmenu štruktúry časovej obálky vo všetkých fázach vývoja zvuku: útok (čo je obzvlášť dôležité pre rozpoznávanie timbrov rôznych zdrojov), stacionárna časť a rozpad. Ide o dynamickú zmenu v čase spektrálnej obálky vrátane. posun ťažiska spektra, t.j. posun maxima spektrálnej energie v čase, ako aj vývoj amplitúd spektrálnych zložiek v čase, najmä prvých päť až sedem „nerozvinutých“ harmonických spektra.

V súčasnosti sa začalo tretie obdobie štúdia problému zafarbenia, ťažisko výskumu sa presunulo smerom k štúdiu vplyvu fázového spektra, ako aj k využívaniu psychofyzikálnych kritérií pri rozpoznávaní timbrov, ktoré sú základom všeobecného mechanizmu rozpoznávania zvukového obrazu ( zoskupovanie do prúdov, posudzovanie synchronicity atď.).

Zafarbenie a fázové spektrum

Všetky prezentované výsledky o stanovení spojenia medzi vnímaným zafarbením a akustickými charakteristikami signálu súvisiacimi s amplitúdovým spektrom, presnejšie s dočasnou zmenou spektrálnej obálky (predovšetkým posunutím energetického centra amplitúdového spektra- ťažisko) a časový vývoj jednotlivých presahov.

V tomto smere sa urobilo najviac práce a dosiahlo sa veľa zaujímavých výsledkov. Ako už bolo poznamenané, takmer sto rokov v psychoakustike prevládal Helmholtzov názor, že náš sluchový systém nie je citlivý na zmeny fázových vzťahov medzi jednotlivými alikvotmi. Postupne sa však nahromadili experimentálne dôkazy, že načúvací prístroj je citlivý na fázové zmeny medzi rôznymi zložkami signálu (práce Schroedera, Hartmana atď.).

Konkrétne sa zistilo, že sluchový prah pre fázový posun v dvoj- a trojzložkových signáloch v nízkych a stredných frekvenciách je 10...15 stupňov.

V osemdesiatych rokoch to viedlo k vytvoreniu množstva reproduktorových sústav s lineárnou fázovou odozvou. Ako je známe zo všeobecnej teórie systémov, pre neskreslený prenos signálu je potrebné, aby bol modul prenosovej funkcie udržiavaný konštantný, t.j. amplitúdovo-frekvenčná charakteristika (obálka amplitúdového spektra), a lineárna závislosť fázového spektra od frekvencie, t.j. φ(ω) = -ωT.

Ak amplitúdová obálka spektra zostane konštantná, potom, ako je uvedené vyššie, by nemalo dôjsť k skresleniu zvukového signálu. Požiadavky na zachovanie fázovej linearity v celom frekvenčnom rozsahu, ako ukázal Blauertov výskum, sa ukázali ako nadmerné. Zistilo sa, že sluch primárne reaguje na rýchlosť zmeny fázy (t. j. jeho frekvenčnú deriváciu), ktorá sa nazýva „ skupinový čas oneskorenia ": τ = dφ(ω)/dω.

V dôsledku mnohých subjektívnych vyšetrení boli skonštruované prahy počuteľnosti pre skreslenie skupinového oneskorenia (t. j. veľkosť odchýlky Δτ od jej konštantnej hodnoty) pre rôzne signály reči, hudby a hluku. Tieto prahy sluchu závisia od frekvencie a v oblasti maximálnej citlivosti sluchu sú 1...1,5 ms. Preto sa v posledných rokoch pri tvorbe Hi-Fi akustických zariadení riadia najmä vyššie uvedenými sluchovými prahmi pre skreslenie skupinového oneskorenia.

Pohľad na priebeh pri rôznych pomeroch fáz podtónu; červená - všetky podtóny majú rovnaké počiatočné fázy, modrá - fázy sú rozdelené náhodne.

Ak teda fázové vzťahy majú počuteľný vplyv na detekciu výšky tónu, potom sa očakáva, že budú mať významný vplyv na rozpoznávanie zafarbenia.

Pre experimenty sme vyberali zvuky so základným tónom 27,5 a 55 Hz a so sto podtónmi, s jednotným pomerom amplitúd charakteristickým pre zvuky klavíra. Zároveň sa skúmali tóny s prísne harmonickými presahmi a s určitou neharmonicitou charakteristickou pre zvuky klavíra, ktorá vzniká konečnou tuhosťou strún, ich heterogenitou, prítomnosťou pozdĺžnych a torzných kmitov a pod.

Sledovaný zvuk bol syntetizovaný ako súčet jeho podtónov: X(t)=ΣA(n)sin
Pre sluchové experimenty boli pre všetky podtóny zvolené nasledujúce vzťahy počiatočných fáz:
- A - sínusová fáza, počiatočná fáza bola braná ako nulová pre všetky podtóny φ(n,0) = 0;
- B - alternatívna fáza (sínusová pre párne a kosínusová pre nepárne), počiatočná fáza φ(n,0)=π/4[(-1)n+1];
- C - náhodné rozdelenie fáz; počiatočné fázy sa náhodne menili v rozsahu od 0 do 2π.

V prvej sérii experimentov malo všetkých sto podtónov rovnaké amplitúdy, líšili sa len ich fázy (základný tón 55 Hz). Zároveň sa ukázalo, že počúvané zafarbenia sú odlišné:
- v prvom prípade (A) zaznela zreteľná periodicita;
- v druhom (B) bolo zafarbenie jasnejšie a bolo počuť inú výšku tónu o oktávu vyššiu ako prvú (hoci výška tónu nebola jasná);
- v treťom (C) - zafarbenie sa ukázalo byť rovnomernejšie.

Treba poznamenať, že druhá výška sa počúvala iba v slúchadlách pri počúvaní cez reproduktory, všetky tri signály sa líšili len zafarbením (ovplyvnený dozvuk).

Tento jav - zmena výšky tónu, keď sa mení fáza niektorých zložiek spektra - možno vysvetliť skutočnosťou, že pri analytickom znázornení Fourierovej transformácie signálu typu B ho možno reprezentovať ako súčet dvoch kombinácií podtónov: sto podtónov s fázou typu A a päťdesiat podtónov s fázou odlišnou o 3π/4 a s amplitúdou väčšou ako √2. Ucho priraďuje tejto skupine podtónov samostatnú výšku tónu. Navyše, pri prechode z fázy A do fázy B sa ťažisko spektra (maximálna energia) posúva smerom k vyšším frekvenciám, takže zafarbenie sa zdá byť jasnejšie.

Podobné experimenty s fázovým posunom jednotlivých skupín alikvót vedú aj k objaveniu sa dodatočnej (menej čistej) virtuálnej výšky tónu. Táto vlastnosť sluchu je spôsobená tým, že ucho porovnáva zvuk s určitou vzorkou hudobného tónu, ktorý má, a ak niektoré harmonické vypadnú z radu typických pre túto vzorku, tak ich ucho identifikuje samostatne a priradí im samostatný ihrisko.

Výsledky štúdií Galemba, Askenfelda a iných teda ukázali, že fázové zmeny v pomeroch jednotlivých podtónov sú celkom zreteľne počuteľné ako zmeny farby a v niektorých prípadoch aj výšky tónu.

Je to zrejmé najmä pri počúvaní skutočných hudobných tónov klavíra, pri ktorých amplitúdy alikvót klesajú so zvyšujúcim sa počtom, je tu zvláštny tvar spektrálnej obálky (formantová štruktúra) a jasne vyjadrená neharmonicita spektra ( t.j. posun frekvencií jednotlivých podtónov vo vzťahu k harmonickému radu).

V časovej oblasti vedie prítomnosť neharmonicity k disperzii, to znamená, že vysokofrekvenčné zložky sa šíria pozdĺž struny vyššou rýchlosťou ako nízkofrekvenčné zložky a mení sa priebeh signálu. Prítomnosť malej neharmonicity vo zvuku (0,35%) dodáva zvuku určitú teplo a vitalitu, ak sa však táto neharmonicita zväčší, vo zvuku budú počuť údery a iné skreslenia.

Neharmonicita tiež vedie k tomu, že ak v počiatočnom momente boli fázy podtónov v deterministických pomeroch, potom v jej prítomnosti sa fázové vzťahy časom stanú náhodnými, vrcholová štruktúra tvaru vlny sa vyhladí a zafarbenie sa stane viac jednotný - to závisí od stupňa inharmonicity. Preto okamžité meranie pravidelnosti fázového vzťahu medzi susednými podtónmi môže slúžiť ako indikátor zafarbenia.

Efekt fázového miešania v dôsledku neharmonicity sa teda prejavuje v určitej zmene vnímania výšky tónu a zafarbenia. Treba si uvedomiť, že tieto efekty sú počuteľné pri počúvaní blízko ozvučnice (v pozícii klaviristu) a pri blízkom mikrofóne a sluchové efekty sa líšia pri počúvaní cez slúchadlá a cez reproduktory. V prostredí s dozvukom naznačuje komplexný zvuk s vysokým vrcholovým faktorom (ktorý zodpovedá vysokému stupňu regularizácie fázových vzťahov) blízkosť zdroja zvuku, pretože keď sa od neho vzďaľujeme, fázové vzťahy sa stávajú čoraz náhodnejšími. odrazy v miestnosti. Tento efekt môže spôsobiť rôzne hodnotenia zvuku klaviristom a poslucháčom, ako aj rozdielne zafarbenie zvuku zaznamenaného mikrofónom na rezonančnej doske a u poslucháča. Čím bližšie, tým vyššia je regularizácia fáz medzi alikvotmi a čím viac definovaná výška tónu, tým je tón jednotnejší a tón je menej jasný.

Práca na hodnotení vplyvu fázových vzťahov na vnímanie zafarbenia hudobného zvuku sa teraz aktívne študuje v rôznych centrách (napríklad v IRCAM) a v blízkej budúcnosti možno očakávať nové výsledky.

Zafarbenie a všeobecné princípy rozpoznávania sluchových vzorov

Timbre je identifikátor fyzického mechanizmu tvorby zvuku na základe množstva charakteristík, umožňuje identifikovať zdroj zvuku (nástroj alebo skupinu nástrojov) a určiť jeho fyzikálnu povahu.

To odzrkadľuje všeobecné princípy rozpoznávania sluchových vzorov, ktoré sú podľa modernej psychoakustiky založené na princípoch Gestalt psychológie (geschtalt, „obraz“), ktorá uvádza, že na oddelenie a rozpoznanie rôznych zvukových informácií prichádzajúcich do sluchového systému z rôznych zdrojov súčasne (hranie orchestra, rozhovor medzi mnohými účastníkmi, atď.), sluchový systém (podobne ako vizuálny) používa niektoré všeobecné princípy:

- segregácia- rozdelenie na zvukové prúdy, t.j. subjektívna identifikácia určitej skupiny zdrojov zvuku, napríklad s hudobnou polyfóniou, ucho môže sledovať vývoj melódie v jednotlivých nástrojoch;
- podobnosť- zvuky podobné zafarbením sú zoskupené a priradené rovnakému zdroju, napríklad zvuky reči s podobnou výškou a podobným zafarbením sú určené ako patriace rovnakému účastníkovi rozhovoru;
- kontinuita- sluchový systém dokáže interpolovať zvuk z jedného prúdu cez maskovač, napríklad ak sa do rečového alebo hudobného prúdu vloží krátky zvuk, sluchový systém si ho nemusí všimnúť, prúd zvuku bude naďalej vnímaný ako nepretržitý;
- "spoločný osud"- zvuky, ktoré sa začínajú a zastavujú, a tiež synchrónne menia amplitúdu alebo frekvenciu v určitých medziach, sú priradené jednému zdroju.

Mozog teda zoskupuje prichádzajúce zvukové informácie sekvenčne, pričom určuje časové rozloženie zvukových komponentov v rámci jedného zvukového prúdu a súčasne zvýrazňuje frekvenčné komponenty, ktoré sú prítomné a menia sa súčasne. Okrem toho mozog neustále porovnáva prichádzajúce zvukové informácie so zvukovými obrazmi „zaznamenanými“ v procese učenia v pamäti Porovnávaním prichádzajúcich kombinácií zvukových prúdov s existujúcimi obrazmi ich buď ľahko identifikuje, ak sa zhodujú s týmito obrazmi. alebo im v prípade neúplnej zhody priradí nejaké špeciálne vlastnosti (napríklad priradí virtuálnu výšku tónu, ako pri zvuku zvonov).

Vo všetkých týchto procesoch zohráva rozpoznávanie zafarbenia základnú úlohu, pretože zafarbenie je mechanizmus, pomocou ktorého sú znaky určujúce kvalitu zvuku extrahované z fyzikálnych vlastností: zaznamenávajú sa do pamäte, porovnávajú sa s už zaznamenanými a potom identifikujú v určitých oblastiach mozgová kôra.

Sluchové oblasti mozgu

Timbre- viacrozmerný vnem, v závislosti od mnohých fyzikálnych charakteristík signálu a okolitého priestoru. Uskutočnili sa práce na škálovaní zafarbenia v metrickom priestore (škály sú rôzne spektro-časové charakteristiky signálu, pozri druhú časť článku v predchádzajúcom čísle).

V posledných rokoch však došlo k pochopeniu, že klasifikácia zvukov v subjektívnom priestore nezodpovedá obvyklému ortogonálnemu metrickému priestoru, existuje klasifikácia v „podpriestoroch“ spojená s vyššie uvedenými princípmi, ktoré nie sú ani metrické, ani ortogonálne.

Rozdelením zvukov do týchto podpriestorov sluchový systém určuje „kvalitu zvuku“, teda zafarbenie, a rozhoduje sa, do ktorej kategórie tieto zvuky zaradí. Treba si však uvedomiť, že celý súbor podpriestorov v subjektívne vnímanom zvukovom svete je vybudovaný na základe informácií o dvoch parametroch zvuku z vonkajšieho sveta – intenzite a čase, pričom frekvencia je určená časom príchodu rovnaké hodnoty intenzity. Skutočnosť, že sluch rozdeľuje prichádzajúcu zvukovú informáciu do niekoľkých subjektívnych podpriestorov naraz, zvyšuje pravdepodobnosť, že ju možno v jednom z nich rozpoznať. Práve na identifikáciu týchto subjektívnych podpriestorov, v ktorých dochádza k rozpoznávaniu zafarbenia a iných charakteristík signálov, je v súčasnosti smerované úsilie vedcov.

Záver

Aby sme to zhrnuli, môžeme povedať, že hlavné fyzikálne vlastnosti, ktorými sa určuje farba nástroja a jeho zmena v čase, sú:
- zarovnanie amplitúd podtónu počas obdobia útoku;
- zmena fázových vzťahov medzi podtónmi z deterministických na náhodné (najmä v dôsledku neharmoničnosti alikvót reálnych nástrojov);
- zmena tvaru spektrálnej obálky v čase počas všetkých období vývoja zvuku: útok, stacionárna časť a rozpad;
- prítomnosť nepravidelností v spektrálnej obálke a polohe spektrálneho ťažiska (max

Spektrálna energia, ktorá je spojená s vnímaním formantov) a ich zmena v čase;

Celkový pohľad na spektrálne obálky a ich zmeny v čase

Prítomnosť modulácií - amplitúda (tremolo) a frekvencia (vibrato);
- zmena tvaru spektrálnej obálky a charakter jej zmeny v čase;
- zmena intenzity (hlasitosti) zvuku, t.j. charakter nelinearity zdroja zvuku;
- prítomnosť ďalších znakov identifikácie nástroja, napríklad charakteristický hluk sláčika, klopanie ventilov, škrípanie skrutiek na klavíri atď.

Samozrejme, toto všetko nevyčerpáva zoznam fyzikálnych vlastností signálu, ktoré určujú jeho farbu.
Hľadanie týmto smerom pokračuje.
Pri syntéze hudobných zvukov je však potrebné vziať do úvahy všetky vlastnosti, aby vznikol realistický zvuk.

Slovný (slovný) opis zafarbenia

Ak existujú vhodné merné jednotky na posúdenie výšky zvukov: psychofyzické (kriedy), hudobné (oktávy, tóny, poltóny, centy); Existujú jednotky pre hlasitosť (synovia, pozadie), ale pre zafarbenia nie je možné skonštruovať takéto stupnice, pretože ide o viacrozmerný koncept. Preto spolu s vyššie popísaným hľadaním korelácie medzi vnímaním zafarbenia a objektívnymi parametrami zvuku sa na charakterizáciu zafarbenia hudobných nástrojov používajú slovné opisy, vybrané podľa vlastností opaku: jasný - matný, ostrý - mäkký atď.

Vo vedeckej literatúre existuje veľké množstvo konceptov súvisiacich s hodnotením zvukových timbrov. Napríklad analýza termínov prijatých v modernej technickej literatúre odhalila najčastejšie sa vyskytujúce termíny uvedené v tabuľke. Uskutočnili sa pokusy identifikovať najvýznamnejšie z nich a škálovať timbre podľa opačných charakteristík, ako aj spojiť verbálny popis timbrov s niektorými akustickými parametrami.

Základné subjektívne termíny na opis zafarbenia, používané v modernej medzinárodnej odbornej literatúre (štatistická analýza 30 kníh a časopisov).

Kyslé – kyslé
silový - posilnený
tlmený — tlmený
triezvy - triezvy (rozumný)
starožitný - starodávny
mrazivý — mrazivý
muhy - pórovitý
mäkký — mäkký
vyklenutie - konvexné
plný - úplný
tajomný — tajomný
slávnostný — slávnostný
artikulovať – čitateľný
fuzzy - nadýchaný
nosový — nosový
pevný - pevný
strohý — drsný
priesvitný - tenký
úhľadný — úhľadný
ponurý - pochmúrny
hrýzť, hrýzť — hrýzť
jemný - jemný
neutrálny - neutrálny
zvučný — zvučný
nevýrazný - naznačujúci
prízračný — prízračný
vznešený — vznešený
oceľový - oceľový
hukot — hukot
sklovitý — sklovitý
neopísateľný - neopísateľný
napätý — napätý
bľačanie — bľačanie
trblietavý - brilantný
nostalgický - nostalgický
prudký - vŕzgajúci
dýchajúci - dýchajúci
ponurý - smutný
zlovestný — zlovestný
prísny – obmedzený
svetlý — svetlý
zrnitý — zrnitý
obyčajný - obyčajný
silný — silný
brilantný - brilantný
strúhaný - škrípavý
bledý — bledý
dusno — dusno
krehký - mobilný
hrob — vážny
vášnivý — vášnivý
tlmený — zmäkčený
bzučať – bzučať
vrčať - vrčať prenikavý - prenikavý
dusný — dusný
pokojný — pokojný
ťažko — ťažko
piercing — piercing
sladký - sladký
nosenie – lietanie
drsný - hrubý
zovretý - obmedzený
štipľavý - zmätený
centrovaný - koncentrovaný
strašiť — strašiť
pokojný - pokojný
koláč - kyslý
krikľavý – zvonivý
zahmlený – nejasný
žalostný – žalostný
trhanie – zbesilý
jasnosť, jasnosť – jasnosť
srdečný - úprimný
ťažkopádny - ťažký
tender — tender
oblačno - hmla
ťažký - ťažký
mocný — mocný
napätý – intenzívny
hrubý - hrubý
hrdinský – hrdinský
prominentný - vynikajúci
hustý — hustý
studený - studený
chrapľavý — chrapľavý
štipľavý - žieravina
tenký — tenký
pestrý - pestrý
dutý - prázdny
čistý - čistý
hrozivý — hrozivý
bezfarebný – bezfarebný
trúbenie - bzučanie (klaksón auta)
žiarivý - žiariaci
hrdelný – chrapľavý
v pohode — v pohode
hukot - bzučanie
chrapľavý - hrkotavý
tragický - tragický
praskanie — praskanie
husky - chrapľavý
hrkať — hrkotať
pokojný - upokojujúci
rútiaci sa — zlomený
incandescence — žhavenie
trstinový — škrípavý
transparentný - transparentný
krémový - krémový
prenikavý - ostrý
rafinovaný — rafinovaný
víťazný — víťazoslávny
kryštalický - kryštalický
nevýrazný — nevýrazný
diaľkový - diaľkový
tubby - súdkovitý
rezanie - ostré
intenzívny — intenzívny
bohatý - bohatý
zakalený – zablatený
tmavý - tmavý
introspektívny – hĺbkový
zvonenie - zvonenie
napínavý - pompézny
hlboký — hlboký
radostný — radostný
robustný - drsný
nesústredený — nesústredený
jemný - jemný
chradnúci - smutný
drsný - koláč
nevtieravý - skromný
hustý — hustý
svetlo - svetlo
zaoblený - okrúhly
zahalený — zahalený
difúzne - rozptýlené
priezračný - priezračný
pieskový - pieskový
zamatový — zamatový
bezútešný - vzdialený
kvapalina - vodnatá
divoký - divoký
vibrujúci - vibrujúci
vzdialený - zreteľný
hlasný - hlasný
kričiaci - kričiaci
vitálny — vitálny
zasnený — zasnený
svietivý - brilantný
pokojný - suchý zmyselný - svieži (luxusný)
suchý - suchý
bujný (sladký) - šťavnatý
pokojný, vyrovnanosť - pokojný
slabosť
nudné - nudné
lyrický — lyrický
tieňový - tieňovaný
teplý - teplý
vážny — vážny
masívny — masívny
ostrý — ostrý
vodnatý — vodnatý
extatický — extatický
meditatívny – kontemplatívny
trblietať - chvenie
slabý — slabý
éterický — éterický
melanchólia — melanchólia
kričať — kričať
ťažký - ťažký
exotické - exotické
mäkký - mäkký
krikľavý — škrípavý
biela - biela
expresívny — expresívny
melodický - melodický
hodvábny - hodvábny
veterno — veterno
tuk - tuk
hrozivý – hrozivý
striebristý — striebristý
jemný - tenký
prudký - tvrdý
kovový - kovový
spev – melodický
drevitý - drevený
ochabnutý — ochabnutý
zahmlený – nejasný
zlovestný — zlovestný
túžiaci - smutný
sústredený – sústredený
smútočný — smútočný
slack — slack
odporný – odpudzujúci
zablatený – špinavý
hladká — hladká

Hlavným problémom však je, že neexistuje jasné pochopenie rôznych subjektívnych pojmov, ktoré popisujú zafarbenie. Vyššie uvedený preklad nie vždy zodpovedá technickému významu, ktorý sa vkladá do každého slova pri popise rôznych aspektov hodnotenia zafarbenia.

V našej literatúre existoval štandard pre základné pojmy, ale teraz je to dosť smutné, pretože sa nepracuje na vytvorení vhodnej ruskojazyčnej terminológie a mnohé pojmy sa používajú v rôznych, niekedy priamo opačných významoch.
V tejto súvislosti AES pri vývoji série noriem pre subjektívne hodnotenie kvality zvukových zariadení, zvukových záznamových systémov a pod., začala v prílohách noriem uvádzať definície subjektívnych pojmov a keďže normy sa vytvárajú v pracovných skupinách ktoré zahŕňajú popredných odborníkov z rôznych krajín, je to veľmi dôležitý postup, ktorý vedie k dôslednému pochopeniu základných pojmov na opis timbrov.
Ako príklad uvediem štandard AES-20-96 – „Odporúčania pre subjektívne hodnotenie reproduktorov“ – ktorý poskytuje dohodnutú definíciu pojmov ako „otvorenosť“, „transparentnosť“, „jasnosť“, „napätie“ , „ostrosť“ atď.
Ak bude táto práca pokračovať systematicky, potom sa možno základné pojmy pre slovný opis zvukov rôznych nástrojov a iných zdrojov zvuku zhodnú na definíciách a špecialisti z rôznych krajín im budú jednoznačne alebo pomerne presne rozumieť.