Цифровой звук. Реальный мир стр.12

Колебание на самой низкой из этих частот (обычно это звук, который в нашем понимании соответствует йоте) называется основным тоном, а его частота — основной частотой или частотой основного тона. Колебания на частотах выше основной частоты называются обертонами (тоны “over” — “выше” основного тона) или частичными тонами (поскольку они являются отдельными составляющими данного звучания в целом).

Обертоны, изображенные на рис. 1.6, имеют одну особенность: частоты этих колебаний кратны основной частоте, т.е. выше ее в целое число раз. Колебание, частота которого кратна основной частоте, называется гармоникой. Такая последовательность частот (превышающих основную частоту в 2, 3, 4 раза и так далее, т.е. в целое число раз) называется натуральным (гармоническим) звукорядом. Звуки многих настроенных музыкальных инструментов, таких, например, как фортепиано и скрипка, представляют собой сложные по гармоническому составу колебания, значительная часть энергии которых сосредоточена на частотах гармоник основной частоты или на частотах, очень близких к ним.

Поскольку частоты колебаний натурального звукоряда кратны основной частоте, звук, являющийся комбинацией колебаний только этих частот, представляет собой строго периодическое колебание — форма сигнала звука будет повторяться с частотой, равной основной частоте.

Но не все обертоны являются гармониками основной частоты. В составе реальных звуковых сигналов часто имеются обертоны, частоты которых не являются кратными частотами основной частоты. Такие обертоны называются негармоническими обертонами или ча-

Рис. 1.6. Струна, как и любое другое вибрирующее тело, совершает колебания не на единственной частоте, а одновременно на многих частотах. Колебания совершает не только вся струна целиком по всей длине, но и ее участки длиной, равной 1/2, 1/3, 1/4 и так далее длины струны ще — просто составляющими спектра сигнала. (Отметим, что составляющие спектра сигнала не обязательно являются негармоническими обертонами. Все гармоники являются составляющими спектра сигнала, но не все составляющие спектра сигнала являются гармониками.) Поскольку частоты негармонических составляющих не привязаны к основной частоте, звуковой сигнал, в состав которого входят составляющая основной частоты и негармонические составляющие, является непериодическим сигналом; форма такого сигнала не повторяется с определенным периодом. В звуках струнных инструментов, например обычной акустической гитары, содержится множество негармонических обертонов, еще больше их в звуках таких инструментов, как тарелки (на рис. 1.7 показаны примеры разложения различных звуков на составляющие). Посмотрите на форму реальных звуковых сигналов с помощью программ цифровой обработки звука — и вы увидите, что они непериодические.

Рис. 1.7. Любой несинусоидальный звуковой сигнал можно представить в виде комбинации синусоидальных составляющих разных частот. Разные звуки отличаются составом гармонических и негармонических составляющих, как видно из примеров частотных спектров звуковых сигналов, показанных на этом рисунке. На приведенных графиках частота отсчитывается по оси у, время — по оси х, а яркость характеризует амплитуды составляющих спектра сигнала. Мелодичное звучание колокольчика (1) представляет собой, по существу, колебание основной частоты с несколькими четко выраженными гармониками. В нем практически отсутствуют негармонические составляющие. Звук мелодии, исполненной на рояле Bosendorfer, имеет более богатый спектр гармоник (2); линейчатый (напоминающий лестницу) характер спектра звуков отдельных нот мелодии демонстрирует множество гармоник. В спектре звука сирены (3) имеются как гармонические составляющие (более яркие линии), так и негармонические составляющие (серые участки между ними). Ритм, сыгранный на тарелках, — это звук, практически лишенный какой-либо тональности (4). Яркие начальные участки соответствуют звуку в момент удара палочкой по тарелкам, но даже по мере затухания звук по-прежнему остается смесью негармонических составляющих, изображенных серыми участками