Tietoja käsitteestä "musiikkiääni". Musiikkikirjallisuuden avoimen oppitunnin metodologinen kehitys "Sinfoniaorkesterin soittimien äänet. Miksi musiikin sointia verrataan?

Sävy

Vaikein subjektiivisesti koettu parametri on sointi. Tämän termin määritelmän yhteydessä syntyy vaikeuksia, jotka ovat verrattavissa käsitteen "elämä" määritelmään: kaikki ymmärtävät, mitä se on, mutta tiede on kamppaillut tieteellisen määritelmän kanssa useiden vuosisatojen ajan. Sama koskee termiä "sävy": kaikki tietävät, mistä on kyse. me puhumme, kun sanotaan "äänen kaunis sointi", "soittimen tylsä ​​sointi" jne., mutta... Sävelistä ei voi sanoa "enemmän tai vähemmän", "korkeampi tai matalampi"; kymmeniä sanoja on käytetään kuvaamaan sitä: kuiva, äänekäs, pehmeä, terävä, kirkas jne. (Puhumme sointisäveltä kuvaavista termeistä erikseen).

Sävy(sävy-ranska) tarkoittaa "sävynlaatua", "sävyväriä" (sävynlaatua).

Äänen sointi ja akustiset ominaisuudet
Nykyaikaiset tietokonetekniikat mahdollistavat yksityiskohtaisen analyysin minkä tahansa musiikkisignaalin ajallisesta rakenteesta - tämän voi tehdä melkein mikä tahansa musiikkieditori, esimerkiksi Sound Forge, Wave Lab, SpectroLab jne. Esimerkkejä ajallisesta rakenteesta (oskillogrammit) ) samankorkeusäänistä (ensimmäisen oktaavin nuotti C), jotka on luotu eri instrumenteilla (urut, viulu).
Kuten esitetyistä aaltomuodoista (eli äänenpaineen muutoksen riippuvuudesta ajasta) voidaan nähdä, kussakin näistä äänistä voidaan erottaa kolme vaihetta: äänen hyökkäys (asennusprosessi), paikallaan oleva osa ja hajoamisprosessi. Eri soittimissa, riippuen niissä käytetyistä äänentuotantomenetelmistä, näiden vaiheiden aikavälit ovat erilaiset - tämä näkyy kuvasta.

Lyömäsoittimilla ja kynityillä instrumenteilla, kuten kitaroilla, on lyhyt pysähdysvaiheen ja hyökkäysvaiheen aikajakso ja pitkä vaimenemisvaiheen aikajakso. Urkupillin äänessä näet melko pitkän jakson paikallaan olevasta vaiheesta ja lyhyen vaimenemisjakson jne. Jos kuvittelet äänen paikallaan olevan osan segmentin ajallisesti laajemmalta, näet selvästi äänen jaksollinen rakenne. Tämä jaksollisuus on olennaisen tärkeä musiikillisen sävelkorkeuden määrittämisessä, koska kuulojärjestelmä voi määrittää korkeuden vain jaksollisille signaaleille ja ei-jaksolliset signaalit se havaitsee kohinaksi.

Helmholtzista lähtien lähes seuraavien sadan vuoden ajan kehitetyn klassisen teorian mukaan sointihavainto riippuu äänen spektrirakenteesta eli ylisävelten koostumuksesta ja niiden amplitudien suhteesta. Muistutan, että yliäänet ovat kaikki spektrin komponentteja perustaajuuden yläpuolella, ja yliääniä, joiden taajuudet ovat kokonaislukusuhteissa perusäänen kanssa, kutsutaan harmonisia.
Kuten tiedetään, amplitudin ja vaihespektrin saamiseksi on välttämätöntä suorittaa Fourier-muunnos aikafunktiolle (t), eli äänenpaineen p riippuvuudelle ajasta t.
Fourier-muunnoksen avulla mikä tahansa aikasignaali voidaan esittää sen muodostavien yksinkertaisten harmonisten (sinimuotoisten) signaalien summana (tai integraalina), ja näiden komponenttien amplitudit ja vaiheet muodostavat vastaavasti amplitudi- ja vaihespektrin.

Sitä varten luotujen avulla viime vuosikymmeninä digitaalisia algoritmeja nopealle Fourier-muunnokselle (FFT tai FFT), spektrien määritystoiminto voidaan suorittaa myös lähes missä tahansa äänenkäsittelyohjelmassa. Esimerkiksi SpectroLab-ohjelma on yleensä digitaalinen analysaattori, jonka avulla voit rakentaa musiikkisignaalin amplitudi- ja vaihespektriä eri muodoissa. Spektriesitysmuodot voivat olla erilaisia, vaikka ne edustavat samoja laskentatuloksia.

Kuvassa on esitetty eri soittimien amplitudispektrit (joiden oskillogrammit on esitetty kuvassa aiemmin) taajuusvasteen muodossa. Taajuusvaste edustaa tässä ylisävyjen amplitudien riippuvuutta dB:inä ilmaistuna äänenpainetasona taajuuksista.

Joskus spektri esitetään erillisenä sarjana ylisävyjä, joilla on eri amplitudit. Spektrit voidaan esittää spektrogrammeina, joissa pystyakseli on taajuus, vaaka-akseli on aika ja amplitudi esitetään värin intensiteetillä.

Lisäksi on olemassa esitysmuoto kolmiulotteisen (kumulatiivisen) spektrin muodossa, jota käsitellään jäljempänä.
Edellisessä kuvassa esitettyjen spektrien muodostamiseksi valitaan tietty aikaväli oskilogrammin stationaarista osasta ja lasketaan tämän aikavälin keskimääräinen spektri. Mitä suurempi tämä segmentti, sitä tarkempi taajuusresoluutio on, mutta samalla signaalin ajallisen rakenteen yksittäisiä yksityiskohtia voi kadota (tasoitettu). Tällaisilla paikallaan olevilla spektreillä on kullekin soittimelle ominaisia ​​yksilöllisiä piirteitä ja ne riippuvat sen äänenmuodostusmekanismista.

Esimerkiksi huilu käyttää resonaattorina putkea, joka on molemmista päistä avoin ja sisältää siksi kaikki parilliset ja parittomat harmoniset spektrissä. Tässä tapauksessa harmonisten taso (amplitudi) laskee nopeasti taajuuden myötä. Klarinetti käyttää resonaattorina putkea, joka on toisesta päästä suljettu, joten spektri sisältää pääosin parittomat harmoniset. Putken spektrissä on monia korkeataajuisia harmonisia. Vastaavasti kaikkien näiden soittimien äänisävyt ovat täysin erilaisia: huilu on pehmeä, lempeä, klarinetti on tylsä, tylsä ​​ja trumpetti on kirkas, terävä.

Ylisävelten spektrisen koostumuksen vaikutuksen sointiin tutkimukselle on omistettu satoja teoksia, koska tämä ongelma on erittäin tärkeä sekä soittimien että laadukkaiden akustisten laitteiden suunnittelussa, erityisesti Hi- Fi ja High-End laitteet sekä äänitteiden auditiiviseen arviointiin ja muihin tehtäviin seisoen äänisuunnittelijan edessä. Loistavien äänisuunnittelijoidemme kertynyt laaja kuulokokemus - P.K. Kondrashina, V.G. Dinova, E.V. Nikulsky, S.G. Shugal ja muut - voisivat tarjota arvokasta tietoa tästä ongelmasta (varsinkin jos he kirjoittivat hänestä kirjoissaan, mitä haluaisin heille toivottaa).

Koska tätä tietoa on erittäin suuri määrä ja se on usein ristiriitaista, esitämme vain osan siitä.
Kuvassa 5 esitettyjen eri instrumenttien spektrien yleisen rakenteen analyysi antaa meille mahdollisuuden tehdä seuraavat johtopäätökset:
- ylisävyjen puuttuessa tai puuttuessa, erityisesti alemmassa rekisterissä, äänen sointi muuttuu tylsäksi, tyhjäksi - esimerkkinä on generaattorin sinimuotoinen signaali;
- Viiden tai seitsemän ensimmäisen harmonisen esiintyminen spektrissä riittävän suurella amplitudilla antaa sointille täyteyden ja rikkauden;
- ensimmäisten harmonisten heikentäminen ja korkeampien harmonisten vahvistaminen (kuudennesta-seitsemmäsestä ja ylemmistä) antaa sointia

Eri musiikki-instrumenttien amplitudispektrin verhokäyrän analyysi mahdollisti (Kuznetsov "Soittimien akustiikka"):
- verhokäyrän tasainen nousu (lisäämällä tietyn ylisävyryhmän amplitudeja) alueella 200...700 Hz mahdollistaa rikkauden ja syvyyden sävyjen saamisen;
- nousu 2,5…3 kHz alueella antaa sointille lennon, soinnillisen laadun;
- nousu alueella 3…4,5 kHz antaa sointiin terävyyttä, kirkkautta jne.

Kuvassa on yksi monista yrityksistä luokitella sointilaatuja äänen spektrikoostumuksesta riippuen.

Lukuisat akustisten järjestelmien äänenlaatua (ja siten sointia) arvioivat kokeet mahdollistivat erilaisten taajuusvasteen huippujen ja laskujen vaikutuksen sointimuutosten havaittavuuteen. Erityisesti on osoitettu, että havaittavuus riippuu amplitudista, sijainnista taajuusasteikolla ja spektrin verhokäyrän (eli taajuusvasteen) huippujen ja laskujen laatutekijästä. Keskitaajuusalueella huippujen eli keskitasosta poikkeamien havaittavuuden kynnysarvot ovat 2...3 dB ja sointimuutosten havaittavuus huipuilla on suurempi kuin aallonpohjassa. Kapeat raot (alle 1/3 oktaavista) ovat melkein näkymättömiä korvalle - ilmeisesti tämä selittyy sillä, että juuri niin kapeita rakoja huone tuo eri äänilähteiden taajuusvasteeseen, ja korva on tottunut niihin.

Ylisävelten ryhmittelyllä formanttiryhmiin on merkittävä vaikutus erityisesti maksimaalisen kuuloherkkyyden alueella. Koska puheäänien erottuvuuden pääkriteerinä toimii muotoalueiden sijainti, formanttitaajuusalueiden (eli korostettujen ylisävyjen) läsnäolo vaikuttaa merkittävästi soittimien sointiäänen ja lauluäänen havaitsemiseen: esimerkiksi formanttiryhmä 2 ... 3 kHz:n alueella antaa lentoäänelle sonoriteettia, ääntä ja viulun ääniä. Tämä kolmas formantti on erityisen voimakas Stradivarius-viulujen spektrissä.

Klassisen teorian väite pitää siis varmasti paikkansa, että äänen havaittu sointisävy riippuu sen spektrikoostumuksesta, eli ylisävyjen sijainnista taajuusasteikolla ja niiden amplitudien suhteesta. Tämän vahvistavat monet käytännöt työskennellä äänen kanssa eri alueita. Moderni musiikkiohjelmat helpottaa tämän tarkistamista yksinkertaisia ​​esimerkkejä. Esimerkiksi Sound Forgessa sisäänrakennetun generaattorin avulla voit syntetisoida eri spektrikoostumuksilla varustettujen äänien muunnelmia ja kuunnella kuinka niiden äänen sointi muuttuu.

Tästä seuraa kaksi muuta erittäin tärkeää johtopäätöstä:
- musiikin ja puheen sointi muuttuu äänenvoimakkuuden ja korkeuden muutoksista riippuen.

Kun muutat äänenvoimakkuutta, sointiväri muuttuu. Ensinnäkin, kun eri musiikki-instrumenttien (jouset, kalvot, äänilevyt jne.) vibraattorien värähtelyn amplitudi kasvaa, niissä alkaa näkyä epälineaarisia tehosteita, mikä johtaa spektrin rikastumiseen lisäsävelillä. Kuvassa on esitetty pianon spektri eri iskuvoimilla, jossa viiva merkitsee spektrin kohinaosaa.

Toiseksi, kun äänenvoimakkuus kasvaa, kuulojärjestelmän herkkyys matalien ja korkeiden taajuuksien havaitsemiseen muuttuu (samasta äänenvoimakkuuskäyrästä kirjoitettiin aiemmissa artikkeleissa). Siksi äänenvoimakkuuden kasvaessa (kohtuulliseen rajaan 90...92 dB) sointi tulee täyteläisemmäksi, rikkaammaksi kuin hiljaisilla äänillä. Äänenvoimakkuuden lisääntyessä voimakkaat vääristymät alkavat vaikuttaa äänilähteisiin ja kuulojärjestelmään, mikä johtaa äänentoiston heikkenemiseen.

Melodian transponointi sävelkorkeudella muuttaa myös havaittua sointia. Ensinnäkin spektri on ehtynyt, koska osa ylisävelistä putoaa kuulumattomalle alueelle yli 15...20 kHz; toiseksi korkean taajuuden alueella kuulokynnykset ovat paljon korkeammat, ja korkeataajuiset ylisävelet tulevat kuulumattomiksi. Matalissa äänissä (esimerkiksi urkuissa) ylisävyt korostuvat kuulon lisääntyneen herkkyyden vuoksi keskitaajuuksille, joten matalat äänet kuulostavat rikkaammin kuin keskiäänet, joissa yliäänet eivät kasva. On syytä huomata, että koska tasaisen voimakkuuden käyrät sekä kuuloherkkyyden menetys korkeille taajuuksille ovat suurelta osin yksilöllisiä, myös äänenvoimakkuuden ja sävelkorkeuden muutoksilla tapahtuva sointikäsityksen muutos vaihtelee suuresti eri ihmisten välillä.
Tähän mennessä kertyneet kokeelliset tiedot ovat kuitenkin mahdollistaneet sointiäänen tietyn invarianssin (vakauden) paljastamisen useissa olosuhteissa. Esimerkiksi melodiaa transponoitaessa taajuusasteikkoa pitkin sointisävyt tietysti vaihtuvat, mutta yleensä soittimen tai äänen sointi on helposti tunnistettavissa: kuunneltaessa esimerkiksi saksofonia tai muuta instrumenttia transistoriradion, voit tunnistaa sen sointiäänen, vaikka sen spektri on huomattavasti vääristynyt. Kuunneltaessa samaa soitinta eri kohdissa salissa, myös sen sointi muuttuu, mutta tälle instrumentille ominaiset sointin perusominaisuudet säilyvät.

Jotkut näistä ristiriitaisuuksista selitettiin osittain klassisen spektriteorian puitteissa. Esimerkiksi on osoitettu, että sävyn perusominaisuuksien säilyttämiseksi transponoinnin aikana (siirto taajuusasteikkoa pitkin), on olennaisen tärkeää säilyttää amplitudispektrin verhokäyrän muoto (eli sen formanttirakenne). Esimerkiksi kuva osoittaa, että kun spektriä siirretään oktaavin verran siinä tapauksessa, että verhokäyrän rakenne säilyy (vaihtoehto "a"), sointivaihtelut ovat vähemmän merkittäviä kuin silloin, kun spektri siirretään amplitudisuhdetta säilyttäen. (vaihtoehto "b").

Tämä selittää sen, että puheäänet (vokaalit, konsonantit) voidaan tunnistaa niiden ääntämiskorkeudesta (perusäänen taajuudesta) riippumatta, jos niiden formanttialueiden sijainti suhteessa toisiinsa säilyy.

Näin ollen summaamalla klassisen sointiteorian tulokset, ottaen huomioon viime vuosien tulokset, voidaan sanoa, että sointi riippuu tietysti merkittävästi äänen keskimääräisestä spektrikoostumuksesta: ylisävyjen määrästä, niiden suhteellisesta sijainnista taajuusasteikolla, niiden amplitudien suhteesta, toisin sanoen muodon spektraalisesta verhokäyrästä (AFC), tai tarkemmin sanottuna energian spektrin jakautumisesta taajuuden yli.
Kuitenkin, kun ensimmäiset kokeet soittimien äänten syntetisoimiseksi alkoivat 60-luvulla, yritykset luoda uudelleen erityisesti trumpetin ääni sen keskimääräisen spektrin tunnetun koostumuksen perusteella osoittautuivat epäonnistuneiksi - sointi oli täysin erilainen. vaskipuhaltimien äänestä. Sama koskee ensimmäisiä äänisynteesin yrityksiä. Juuri tänä aikana tietotekniikan tarjoamiin mahdollisuuksiin luottaen alkoi toisen suunnan kehittäminen - yhteyden luominen sointihavaintojen ja signaalin ajallisen rakenteen välille.
Ennen kuin siirrytään tähän suuntaan saatuihin tuloksiin, on sanottava seuraava.
Ensimmäinen. On melko laajalti uskottu, että äänisignaalien kanssa työskennellessä riittää, että saamme tietoja niiden spektrikoostumuksesta, koska voit aina siirtyä niiden ajalliseen muotoon Fourier-muunnoksen avulla ja päinvastoin. Yksiselitteinen yhteys signaalin temporaalisen ja spektrisen esityksen välillä on kuitenkin olemassa vain lineaarisissa järjestelmissä, ja kuulojärjestelmä on pohjimmiltaan epälineaarinen järjestelmä sekä korkealla että matalalla signaalitasolla. Siksi tiedonkäsittely kuulojärjestelmässä tapahtuu rinnakkain sekä spektri- että temporaalisella alueella.

Laadukkaiden akustisten laitteiden kehittäjät kohtaavat jatkuvasti tätä ongelmaa, kun akustisen järjestelmän taajuusvasteen vääristymä (eli spektrin verhokäyrän epätasaisuus) tuodaan lähes kuulokynnuksiin (epätasaisuus 2 dB, kaistanleveys 20 Hz.. .20 kHz jne.), ja asiantuntijat tai äänisuunnittelijat sanovat: "viulu kuulostaa kylmältä" tai "ääni on metallista" jne. Siten spektrialueelta saatu tieto ei riitä kuulojärjestelmään, vaan tarvitaan tietoa ajallisesta rakenteesta. Ei ole yllättävää, että akustisten laitteiden mittaus- ja arviointimenetelmät ovat muuttuneet merkittävästi viime vuosina - on ilmestynyt uusi digitaalinen metrologia, jonka avulla voidaan määrittää jopa 30 parametria sekä aika- että spektrialueella.
Tästä seuraa, että kuulojärjestelmän tulee saada tietoa musiikin ja puhesignaalin sointisävelestä sekä signaalin ajallisesta että spektrirakenteesta.
Toinen. Kaikki yllä saadut tulokset klassisessa sointiteoriassa (Helmholtzin teoria) perustuvat signaalin stationaarisesta osasta saatujen stationaaristen spektrien analyysiin tietyllä keskiarvolla, mutta tosiasiassa, että todellisessa musiikissa ja puhesignaaleissa ei käytännössä ole kiinteät, kiinteät osat ovat olennaisen tärkeitä. Elävä musiikki on jatkuvaa dynamiikkaa, jatkuvaa muutosta, ja tämä johtuu kuulojärjestelmän syvistä ominaisuuksista.

Kuulon fysiologian tutkimukset ovat osoittaneet, että kuulojärjestelmässä, erityisesti sen korkeammissa osissa, on monia ns. "uutuus" tai "tunnistus" neuroneja, eli hermosoluja, jotka käynnistyvät ja alkavat johtaa sähköpurkauksia vain, jos niitä on signaalin muutos (sytytä, sammuta, muuta äänenvoimakkuutta, äänenvoimakkuutta jne.). Jos signaali on paikallaan, nämä neuronit eivät ole päällä, ja signaalia ohjaa rajoitettu määrä neuroneja. Tämä ilmiö tunnetaan laajalti jokapäiväisestä elämästä: jos signaali ei muutu, usein sen huomaaminen lakkaa.
varten musiikkiesitys kaikenlainen monotonisuus ja pysyvyys ovat tuhoisia: kuuntelijan uutuushermosolut kytkeytyvät pois päältä ja hän lakkaa havaitsemasta tietoa (esteettinen, emotionaalinen, semanttinen jne.), joten live-esityksessä on aina dynamiikkaa (muusikot ja laulajat käyttävät laajalti erilaisia ​​signaalimodulaatioita). - vibrato, tremolo jne.).

Lisäksi jokaisessa soittimessa, myös äänessä, on erityinen äänentuotantojärjestelmä, joka sanelee oman signaalin ajallisen rakenteensa ja sen muutosdynamiikan. Äänen ajallisen rakenteen vertailu osoittaa perustavanlaatuisia eroja: erityisesti kaikkien kolmen osan - hyökkäyksen, paikallaan olevan osan ja vaimenemisen - kestot eroavat kestoltaan ja muodoltaan kaikilla soittimilla. Lyömäsoittimissa on hyvin lyhyt kiinteä osa, hyökkäysaika 0,5...3 ms ja vaimennusaika 0,2...1 s; jousisoittimien hyökkäysaika on 30...120 ms, vaimennusaika 0,15...0,5 s; elimillä on hyökkäys 50...1000 ms ja vaimeneminen 0,2...2 s. Lisäksi aikaverhon muoto on olennaisesti erilainen.
Kokeet ovat osoittaneet, että jos poistat osan äänen hyökkäystä vastaavasta ajallisesta rakenteesta tai vaihdat hyökkäyksen ja vaimenemisen (soitat vastakkaiseen suuntaan) tai korvaat hyökkäyksen yhdestä soittimesta toisen soittimen hyökkäyksellä, tunnistetaan tietyn soittimen sointi tulee lähes mahdottomaksi. Näin ollen sointiäänen tunnistamisessa ei vain paikallaan oleva osa (jonka keskimääräinen spektri toimii klassisen sointiteorian perustana), vaan myös väliaikaisen rakenteen muodostumisjakso sekä vaimennusjakso (vaimentuminen) ovat tärkeitä elementtejä.

Itse asiassa missä tahansa huoneessa kuunneltaessa ensimmäiset heijastukset saapuvat kuulojärjestelmään hyökkäyksen jälkeen ja paikallaan olevan osan alkuosa on jo kuultu. Samanaikaisesti soittimen äänen vaimeneminen päällekkäin tapahtuu huoneen jälkikaiuntaprosessilla, joka peittää äänen merkittävästi ja johtaa luonnollisesti sen sointihavaintoon. Kuulolla on tietty hitaus, ja lyhyet äänet koetaan napsauksina. Siksi äänen keston on oltava yli 60 ms, jotta äänenkorkeus ja vastaavasti sointi voidaan tunnistaa. Ilmeisesti vakioiden pitäisi olla lähellä.
Kuitenkin aika suoran äänen saapumisen alkamisen ja ensimmäisten heijastusten saapumishetkien välillä riittää tunnistamaan yksittäisen soittimen äänen sointi - ilmeisesti tämä seikka määrää sointiäänen tunnistamisen muuttumattomuuden (vakauden). erilaisia ​​soittimia erilaisissa kuunteluolosuhteissa. Nykyaikaiset tietokonetekniikat mahdollistavat riittävän yksityiskohtaisen analyysin eri instrumenttien soundin muodostumisprosesseista ja tuoda esiin tärkeimmät akustiset ominaisuudet, jotka ovat tärkeimpiä sointiäänen määrittämisessä.

Sen kiinteän (keskiarvotetun) spektrin rakenteella on merkittävä vaikutus soittimen tai äänen sointin havaitsemiseen: ylisävelten kokoonpanoon, niiden sijaintiin taajuusasteikolla, taajuussuhteisiin, amplitudijakaumiin ja spektrin muotoon. verho, formanttialueiden läsnäolo ja muoto jne., mikä vahvistaa täysin Helmholtzin teoksissa esitetyn klassisen sointiteorian ehdot.
Viime vuosikymmeninä saadut kokeelliset materiaalit ovat kuitenkin osoittaneet, että yhtä merkittävä ja ehkä paljon tärkeämpi rooli sointien tunnistamisessa on ei-stationaarisella muutoksella äänen rakenteessa ja vastaavasti prosessilla, jolla sen spektri avautuu ajassa. , ensisijaisesti äänihyökkäyksen alkuvaiheessa.

Spektrin muuttaminen ajan myötä voidaan erityisen selvästi "nähdä" käyttämällä spektrogrammeja tai kolmiulotteisia spektrejä (ne voidaan rakentaa useimmilla musiikkieditoreilla Sound Forge, SpectroLab, Wave Lab jne.). Heidän analyysinsä eri soittimien äänille antaa meille mahdollisuuden tunnistaa ominaisuudet spektrien "apautumisprosessit". Esimerkiksi kuvassa on kolmiulotteinen kellon äänen spektri, jossa taajuus hertseinä on piirretty toiselle akselille, aika sekunteina toiselle; kolmannella amplitudilla dB. Kaavio osoittaa selvästi, kuinka spektrin verhokäyrän kasvu, muodostuminen ja heikkeneminen tapahtuu ajan kuluessa.

Eri puisten instrumenttien C4-äänihyökkäyksen vertailu osoittaa, että kunkin instrumentin värähtelyn muodostusprosessilla on oma erityispiirteensä:

Klarinettia hallitsevat parittomat harmoniset 1/3/5, jolloin kolmas harmoninen ilmestyy spektriin 30 ms myöhemmin kuin ensimmäinen, sitten korkeammat harmoniset vähitellen "linjalle";
- oboessa värähtelyjen muodostuminen alkaa toisesta ja kolmannesta harmonisesta, sitten ilmestyy neljäs, ja vasta 8 ms:n kuluttua ensimmäinen harmoninen alkaa ilmaantua;
- Huilun ensimmäinen harmoninen ilmestyy ensin, sitten vasta 80 ms jälkeen kaikki muut tulevat vähitellen sisään.

Kuvassa esitetään ryhmän värähtelyjen muodostusprosessi vaskipuhaltimet: trumpetti, pasuuna, käyrätorvi ja tuuba.

Erot näkyvät selvästi:
- trumpetti on kompakti ulkomuoto korkeampien harmonisten ryhmästä, pasuunassa on ensin toinen harmoninen, sitten ensimmäinen ja 10 ms:n jälkeen toinen ja kolmas. Tuba ja torvi osoittavat energiakeskittymää kolmessa ensimmäisessä harmonisessa, korkeammat harmoniset käytännössä puuttuvat.

Saatujen tulosten analyysi osoittaa, että äänihyökkäysprosessi riippuu merkittävästi tietyn instrumentin äänentuotannon fyysisestä luonteesta:
- korvatyynyjen tai keppien käytöstä, jotka puolestaan ​​​​jaetaan yksittäisiin tai kahteen;
- erimuotoisista putkista (suora kapeareikäinen tai kartiomainen leveäreikäinen) jne.

Tämä määrää harmonisten lukumäärän, niiden ilmestymisajan, nopeuden, jolla niiden amplitudi kasvaa, ja vastaavasti äänen ajallisen rakenteen verhokäyrän muodon. Jotkut soittimet, kuten huilut,

Hyökkäysjakson kirjekuori on luonteeltaan sujuvaa eksponentiaalista, ja joissakin, esimerkiksi fagottissa, lyöntejä näkyy selvästi, mikä on yksi syy niiden merkittäviin sointieroihin.

Hyökkäyksen aikana korkeammat harmoniset edeltävät joskus perusääntä, joten äänen korkeudessa voi esiintyä vaihteluita; jaksollisuus ja siten kokonaisäänen korkeus kasvaa vähitellen. Joskus nämä jaksollisuuden muutokset ovat luonteeltaan lähes satunnaisia. Kaikki nämä merkit auttavat kuulojärjestelmää "tunnistamaan" tietyn soittimen sointisävyn äänen ensimmäisellä hetkellä.

Äänen sointin arvioinnissa ei ole tärkeää vain sen tunnistamishetki (eli kyky erottaa instrumentti toisesta), vaan myös kyky arvioida sointiäänen muutos esityksen aikana. Tässä tärkein rooli on spektrin verhokäyrän muutosten dynamiikalla ajan kuluessa kaikissa äänen vaiheissa: hyökkäys, paikallaan oleva osa, vaimeneminen.
Jokaisen ylisävelen käyttäytyminen ajan myötä sisältää myös tärkeää tietoa sointista. Esimerkiksi kellojen äänessä muutosdynamiikka näkyy erityisen selvästi sekä spektrin koostumuksessa että sen yksittäisten ylisävelten amplitudien ajanmuutoksen luonteessa: jos ensimmäisellä hetkellä usean lyönnin jälkeen spektrissä näkyy selkeästi kymmenkunta spektrikomponenttia, mikä luo sointiäänen kohinaluonteen, sitten muutaman sekunnin kuluttua spektriin jää useita perussävyjä (perusääni, oktaavi, duodecima ja molli terts kahden oktaavin välein), loput haalistuvat ulos, ja tämä luo erityisen sävyvärisen äänisävyn.

Kuvassa on esimerkki kellon pääsävelten amplitudien muutoksista ajan kuluessa. Voidaan havaita, että sille on ominaista lyhyt hyökkäys ja pitkä vaimenemisjakso, kun taas eri luokkaa olevien ylisävyjen sisään- ja vaimenemisnopeus ja niiden amplitudien muutoksen luonne ajan myötä ovat merkittävästi erilaisia. Erilaisten ylisävelten käyttäytyminen ajan myötä riippuu instrumentin tyypistä: pianon, urkujen, kitaran jne. äänessä ylisävelten amplitudien muuttamisprosessilla on täysin erilainen luonne.

Kokemus osoittaa, että äänten additiivinen tietokonesynteesi, jossa otetaan huomioon yksittäisten ylisävelten erityinen kehitys ajassa, mahdollistaa paljon "elämänomaisemman" äänen saamisen.

Kysymys niiden muutosten dynamiikasta, joissa ylisävyt kantavat tietoa sointiäänestä, liittyy kriittisten kuulokaistaleiden olemassaoloon. Simpukan basilaarinen kalvo toimii sarjana kaistanpäästösuodattimia, joiden leveys riippuu taajuudesta: yli 500 Hz se on noin 1/3 oktaavia, alle 500 Hz noin 100 Hz. Näiden kuulosuodattimien kaistanleveyttä kutsutaan "kriittiseksi kuulon kaistanleveydeksi" (sillä on erityinen mittayksikkö, 1 bark, joka on yhtä suuri kuin kriittinen kaistanleveys koko kuulotaajuusalueella).
Kriittisellä kaistalla kuulo integroi sisään tulevan ääniinformaation, jolla on myös tärkeä rooli kuulon peittämisprosesseissa. Jos analysoit äänisuodattimien lähdössä olevia signaaleja, huomaat, että minkä tahansa instrumentin äänispektrin ensimmäiset 5-7 harmonista kuuluvat yleensä omalle kriittiselle kaistalleen, koska ne ovat melko kaukana toisistaan; tällaisissa tapauksissa he sanovat, että harmoniset "avuttaa" kuulojärjestelmän. Tällaisten suodattimien lähdössä olevien neuronien purkaukset synkronoidaan kunkin harmonisen jakson kanssa.

Seitsemännen yliaallot ovat yleensä taajuusasteikolla melko lähellä toisiaan, eivätkä kuulojärjestelmä ”pyyhkäise” niitä, yhden kriittisen kaistan sisällä putoaa useita yliaaltoja, ja kuulosuotimien lähdöstä saadaan kompleksinen signaali. Tässä tapauksessa neuronien purkaukset synkronoidaan verhokäyrän taajuuden kanssa, ts. perussävy.

Näin ollen mekanismi, jolla kuulojärjestelmä käsittelee tietoja laajennetuille ja ei-laajentuneille harmonisille, on hieman erilainen: ensimmäisessä tapauksessa tietoa käytetään "ajassa", toisessa "paikallaan".

Kuten aikaisemmissa artikkeleissa näkyy, merkittävä rooli äänenkorkeuden tunnistamisessa on ensimmäisillä viidestätoista kahdeksantoista harmonisella. Kokeet äänten additiivisella synteesillä tietokoneella osoittavat, että näiden harmonisten käytöksellä on myös merkittävin vaikutus sointin muutokseen.
Siksi useissa tutkimuksissa ehdotettiin, että sointisävelmitta pidetään yhtä suurena kuin viisitoista-kahdeksantoista ja sen muutosta arvioitaisiin tämän asteikkomäärän mukaan; tämä on yksi perustavanlaatuisista eroista sointien ja kuuloaistin ominaisuuksien välillä. sävelkorkeus tai loudness, joka voidaan skaalata kahden tai kolmen parametrin (esimerkiksi äänenvoimakkuuden) mukaan, riippuen pääasiassa signaalin voimakkuudesta, taajuudesta ja kestosta.

On varsin hyvin tunnettua, että jos signaalispektrissä on melko paljon harmonisia numeroita välillä 7-15...18, riittävän suurilla amplitudeilla esim. trumpetissa, viulussa, urkujen ruokopillissä jne. silloin sointi koetaan kirkkaaksi, soinniksi, teräväksi jne. Jos spektri sisältää pääasiassa alempia harmonisia, esim. tuuba, käyrätorvi, pasuuna, niin sointia luonnehditaan tummaksi, tylsäksi jne. Klarinetti, jossa parittomat harmoniset hallitsevat spektri, sillä on jonkin verran "nasaalista" sointia jne.
Nykyaikaisen näkemyksen mukaan tärkein rooli sointin havainnoinnissa on muutos maksimienergian jakautumisen dynamiikassa spektrin ylisävyjen välillä.

Tämän parametrin arvioimiseksi otettiin käyttöön "spektrin keskipisteen" käsite, joka määritellään äänen spektrienergian jakautumisen keskipisteeksi; joskus se määritellään spektrin "tasapainopisteeksi". Tapa määrittää se on laskea tietyn keskitaajuuden arvo:

Missä Ai on spektrikomponenttien amplitudi, fi on niiden taajuus.
Kuvan esimerkissä tämä sentroidiarvo on 200 Hz.

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

Sentroidin siirtyminen korkeita taajuuksia kohti tuntuu sointiäänen kirkkauden lisääntymisenä.
Spektrienergian jakautumisen taajuusalueella ja sen ajan mittaan tapahtuvien muutosten merkittävä vaikutus sointiäänen havaitsemiseen liittyy luultavasti kokemukseen puheäänien tunnistamisesta formanttiominaisuuksilla, jotka kuljettavat tietoa energian keskittymisestä eri alueilla. spektri (ei kuitenkaan tiedossa, mikä oli ensisijainen).
Tämä kuulokyky on olennainen soittimien sointia arvioitaessa, sillä formanttien esiintyminen on tyypillistä useimmille soittimille, esimerkiksi viuluissa 800...1000 Hz ja 2800...4000 Hz alueilla. klarinetit 1400...2000 Hz jne.
Vastaavasti niiden sijainti ja muutoksen dynamiikka ajan myötä vaikuttavat havaintoon yksilölliset ominaisuudet sointi
Tiedetään, mikä merkittävä vaikutus korkean lauluformantin läsnäololla on lauluäänen sointiäänen havaitsemiseen (alueella 2100...2500 Hz bassoilla, 2500...2800 Hz tenorilla, 3000). ..3500 Hz sopraanoille). Tällä alueella oopperalaulajia Jopa 30 % akustisesta energiasta keskittyy, mikä varmistaa äänen soinnisuuden ja lennon. Lauluformantin poistaminen eri äänien tallennuksista suodattimien avulla (nämä kokeet suoritettiin prof. V. P. Morozovin tutkimuksessa) osoittaa, että äänen sointi muuttuu tylsäksi, tylsäksi ja hitaaksi.

Sävymuutokseen esityksen äänenvoimakkuutta muuttaessa ja sävelkorkeuden transponoinnissa liittyy myös painopisteen muutos ylisävyjen lukumäärän muutoksesta johtuen.
Esimerkki sentroidin sijainnin muuttamisesta erikorkuisten viulun äänien kohdalla on esitetty kuvassa (keskipisteen sijainnin taajuus spektrissä on piirretty abskissa-akselia pitkin).
Tutkimukset ovat osoittaneet, että monien soittimien kohdalla on lähes monotoninen suhde intensiteetin (äänenvoimakkuuden) kasvun ja sentroidin siirtymisen välillä korkean taajuuden alueelle, minkä seurauksena sointi tulee kirkkaammaksi.

Ilmeisesti ääniä syntetisoitaessa ja erilaisia ​​tietokonesävellyksiä luotaessa tulee ottaa huomioon dynaaminen suhde intensiteetin ja sentroidin sijainnin välillä spektrissä luonnollisemman sointin saamiseksi.
Lopuksi ero todellisten äänien ja "virtuaalisen korkeuden" äänten sointien havainnoissa, ts. äänet, joiden korkeus aivot "saa päätökseen" spektrin useiden kokonaislukusävyjen mukaan (tämä on tyypillistä esimerkiksi kellojen äänille), voidaan selittää spektrin painopisteen sijainnista. Koska näillä äänillä on perustaajuusarvo, ts. korkeus voi olla sama, mutta painopisteen sijainti on erilainen johtuen erilainen koostumus ylisävyjä, niin vastaavasti sointi havaitaan eri tavalla.
On mielenkiintoista huomata, että yli kymmenen vuotta sitten ehdotettiin uutta parametria akustisten laitteiden mittaamiseen, nimittäin energian taajuuden ja ajan jakautumisen kolmiulotteinen spektri, ns. Wigner-jakauma, jota monet käyttävät melko aktiivisesti. yrityksiä arvioimaan laitteita, koska, kuten kokemus osoittaa, voit löytää parhaan yhteensopivuuden sen äänenlaadun kanssa. Ottaen huomioon edellä mainitun kuulojärjestelmän ominaisuuden käyttää äänisignaalin energiaominaisuuksien muutosten dynamiikkaa sointiäänen määrittämiseen, voidaan olettaa, että tämä Wigner-jakaumaparametri voi olla hyödyllinen myös soittimien arvioinnissa.

Eri instrumenttien sointien arviointi on aina subjektiivista, mutta jos äänenkorkeutta ja äänenvoimakkuutta arvioitaessa on mahdollista subjektiivisten arvioiden perusteella järjestää äänet tietyssä mittakaavassa (ja jopa ottaa käyttöön erityisiä mittayksiköitä "poika") äänenvoimakkuudelle ja "liitulle" korkeudelle), niin äänenvoimakkuuden arviointi huomattavasti vaikeampi tehtävä. Tyypillisesti sointiäänen subjektiiviseksi arvioimiseksi kuuntelijoille esitetään äänipareja, jotka ovat identtisiä äänenkorkeudeltaan ja -voimakkuudelle, ja heitä pyydetään sijoittamaan nämä äänet eri asteikoilla erilaisten kuvailevien piirteiden väliin: "kirkas"/"tumma", "ääninen"/ "tylsää" jne. (Puhumme ehdottomasti jatkossa eri termien valinnasta sointien kuvaamiseen ja kansainvälisten standardien suosituksista tähän asiaan).
Merkittävä vaikutus tällaisten ääniparametrien, kuten sävelkorkeuden, sointisävyn jne., määrittämiseen on ensimmäisten 5-7 harmonisten aikakäyttäytymisellä sekä useilla "laajentamattomilla" harmonisilla 15....17. .
Kuitenkin, kuten psykologian yleisistä laeista tiedetään, ihmisen lyhytaikainen muisti voi toimia samanaikaisesti enintään seitsemällä - kahdeksalla symbolilla. Siksi on selvää, että sointia tunnistaessa ja arvioitaessa käytetään enintään seitsemää tai kahdeksaa olennaista ominaisuutta.
Näitä ominaisuuksia on yritetty vahvistaa systematisoimalla ja kokeiden tulosten keskiarvolla, löytää yleistettyjä asteikkoja, joiden avulla olisi mahdollista tunnistaa eri instrumenttien äänten sävyt ja yhdistää nämä asteikot äänen erilaisiin aikaspektriominaisuuksiin. pitkään aikaan.

Yksi tunnetuimmista on Grayn teos (1977), jossa suoritettiin tilastollinen estimaattivertailu eri kielisoittimien, puisten, lyömäsoittimien jne. äänien sointien eri ominaisuuksille. Äänet syntetisoitiin tietokoneella. , joka mahdollisti niiden ajallisten ja spektriarvojen muuttamisen vaadituissa suuntaominaisuuksissa. Äänimerkkien luokitus suoritettiin kolmiulotteisessa (ortogonaalisessa) avaruudessa, jossa valittiin seuraavat asteikot, joilla tehtiin vertaileva arvio sointiäänten samankaltaisuudesta (vaihteluvälillä 1-30):

Ensimmäinen asteikko on amplitudispektrin sentroidin arvo (asteikko näyttää sentroidin siirtymän, ts. spektrienergian maksimin matalasta yliaaltoon);
- toinen - spektrivaihteluiden synkronisuus, ts. synkronisuuden aste spektrin yksittäisten ylisävyjen saapumisessa ja kehityksessä;
- kolmas - matalaamplitudisen ei-harmonisen korkeataajuisen kohinaenergian läsnäolon aste hyökkäysjakson aikana.

Saatujen tulosten käsittely erityisellä klusterianalyysiohjelmistolla paljasti mahdollisuuden instrumenttien melko selkeään sointiin luokitteluun ehdotetun kolmiulotteisen tilan sisällä.

Pollardin (1982) teoksessa (1982) yritettiin visualisoida soittimien äänten sointieroa niiden spektrin muutosten dynamiikan mukaisesti hyökkäysjakson aikana, tulokset on esitetty kuvassa.

Kolmiulotteinen sointitila

Menetelmien etsiminen sointien moniulotteiseen skaalaukseen ja niiden yhteyksien löytämiseen äänten spektri-ajallisiin ominaisuuksiin jatkuu aktiivisesti. Nämä tulokset ovat erittäin tärkeitä tietokoneäänen synteesitekniikoiden kehittämisen ja erilaisten elektronisten tekniikoiden luomisen kannalta musiikki sävellyksiä, korjaukseen ja äänenkäsittelyyn äänitekniikan käytännössä jne.

On mielenkiintoista huomata, että vuosisadan alussa 1900-luvun suuri säveltäjä Arnold Schoenberg ilmaisi ajatuksen, että "... jos tarkastelemme äänenkorkeutta yhtenä sointin ulottuvuuksista, ja modernia musiikkia rakennettu tämän ulottuvuuden muunnelmille, niin mikset yrittäisi käyttää sävellysten luomiseen muita sointiulottuvuuksia." Tätä ajatusta ollaan parhaillaan toteuttamassa spektraalista (elektroakustista) musiikkia luovien säveltäjien työssä. Siksi kiinnostusta ollaan sointi ja sen yhteydet objektiivisiin ominaisuuksiin, ääni on niin korkea.

Siten saadut tulokset osoittavat, että jos ensimmäisellä sointihavaintotutkimuksen jaksolla (perustuen klassiseen Helmholtzin teoriaan) havaittiin selvä yhteys sointiäänen muutoksen ja sointialueen kiinteän osan spektrikoostumuksen muutoksen välillä. ääni (yläsävelten koostumus, niiden taajuuksien ja amplitudien suhde jne.), sitten näiden tutkimusten toinen jakso (60-luvun alusta) mahdollisti spektraalis-ajallisten ominaisuuksien perustavanlaatuisen merkityksen toteamisen.

Tämä on muutos aikaverhon rakenteessa äänen kehityksen kaikissa vaiheissa: hyökkäys (mikä on erityisen tärkeää eri lähteiden sointien tunnistamisessa), paikallaan oleva osa ja vaimeneminen. Tämä on spektrin verhokäyrän dynaaminen ajanmuutos, mukaan lukien spektrin keskipisteen siirtymä, ts. spektrienergian maksimimuutos ajassa sekä spektrikomponenttien amplitudien ajallinen kehitys, erityisesti spektrin ensimmäiset 5-7 "kehittymätöntä" harmonista.

Tällä hetkellä on alkanut kolmas sointiongelman tutkimisen kausi, tutkimuksen keskipiste on siirtynyt vaikuttamisen tutkimiseen. vaihespektri, sekä psykofyysisten kriteerien käyttöön äänikuvan tunnistamisen yleisen mekanismin taustalla olevien sointien tunnistamisessa (ryhmittely virroiksi, synkronisuuden arviointi jne.).

Sävy ja vaihespektri

Kaikki esitetyt tulokset havaitun sointin ja signaalin akustisten ominaisuuksien välisen yhteyden selvittämisestä liittyvät amplitudispektriin, tarkemmin sanottuna spektrin verhokäyrän tilapäiseen muutokseen (ensisijaisesti amplitudispektrin energiakeskuksen siirtymiseen). sentroid) ja yksittäisten ylisävyjen kehittyminen ajassa.

Työtä tähän suuntaan on tehty suurin luku töitä ja monia mielenkiintoisia tuloksia saatiin. Kuten jo todettiin, lähes sadan vuoden ajan psykoakustiikassa Helmholtzin näkemys vallitsi, ettei kuulojärjestelmämme ole herkkä yksittäisten ylisävyjen välisten vaihesuhteiden muutoksille. Vähitellen kuitenkin kertyi kokeellista näyttöä siitä, että kuulokoje on herkkä vaihevaihteluille eri signaalikomponenttien välillä (Schroederin, Hartmanin jne. työ).

Erityisesti havaittiin, että vaihesiirtymän äänikynnys kaksi- ja kolmikomponenttisissa signaaleissa matalilla ja keskitaajuuksilla on 10...15 astetta.

1980-luvulla tämä johti useiden kaiutinjärjestelmien luomiseen lineaarisella vaihevasteella. Kuten tiedetään yleinen teoria järjestelmissä, vääristymätöntä signaalinsiirtoa varten on välttämätöntä, että siirtofunktiomoduuli pidetään vakiona, ts. amplitudi-taajuusominaisuus (amplitudispektrin verhokäyrä) ja vaihespektrin lineaarinen riippuvuus taajuudesta, ts. φ(ω) = -ωT.

Itse asiassa, jos spektrin amplitudiverhokäyrä pysyy vakiona, niin, kuten edellä mainittiin, äänisignaalin vääristymistä ei pitäisi tapahtua. Vaatimukset vaihelineaarisuuden ylläpitämiselle koko taajuusalueella, kuten Blauertin tutkimus on osoittanut, osoittautui liialliseksi. On havaittu, että kuulo reagoi ensisijaisesti vaiheenmuutosnopeuteen (eli sen taajuusjohdannaiseen), jota kutsutaan " ryhmän viiveaika ": τ = dφ(ω)/dω.

Lukuisten subjektiivisten tutkimusten tuloksena konstruoitiin kuuluvuuskynnykset ryhmäviiveen vääristymälle (eli poikkeaman Δτ suuruus vakioarvostaan) erilaisille puhe-, musiikki- ja kohinasignaaleille. Nämä kuulokynnykset riippuvat taajuudesta ja maksimikuuloherkkyyden alueella ne ovat 1...1,5 ms. Siksi viime vuosina Hi-Fi-akustisia laitteita luotaessa niitä on ohjattu pääasiassa edellä mainituista ryhmäviiveen vääristymien äänikynnyksistä.

Näkymä aaltomuodosta eri yliäänivaihesuhteilla; punainen - kaikilla ylisävyillä on samat alkuvaiheet, sininen - vaiheet jakautuvat satunnaisesti.

Siten, jos vaihesuhteilla on kuultava vaikutus sävelkorkeuden havaitsemiseen, niillä odotetaan olevan merkittävä vaikutus sointiäänen tunnistamiseen.

Valitsimme kokeita varten soundit, joiden perussävel on 27,5 ja 55 Hz sekä sata ylisävyä, joilla on pianon äänille tyypillinen yhtenäinen amplitudisuhde. Samanaikaisesti tutkittiin sävyjä, joilla on tiukasti harmoniset ylisävyt ja tietty pianon äänille ominainen epäharmonisuus, joka syntyy jousien rajallisesta jäykkyydestä, niiden heterogeenisyydestä, pitkittäis- ja vääntövärähtelyjen esiintymisestä jne.

Tutkittava ääni syntetisoitiin sen yläsävelten summana: X(t)=ΣA(n)sin
Kuulokokeita varten valittiin seuraavat alkuvaiheiden suhteet kaikille ylisävyille:
- A - sinimuotoinen vaihe, alkuvaihe otettiin nollaksi kaikille ylisävelille φ(n,0) = 0;
- B - vaihtoehtoinen vaihe (parillinen sinimuotoinen ja pariton kosini), alkuvaihe φ(n,0)=π/4[(-1)n+1];
- C - satunnainen vaihejakauma; alkuvaiheet muuttuivat satunnaisesti alueella 0 - 2π.

Ensimmäisessä koesarjassa kaikilla sadalla ylisävyllä oli samat amplitudit, vain niiden vaiheet erosivat (perusääni 55 Hz). Samaan aikaan kuunneltavat sointisävyt osoittautuivat erilaisiksi:
- ensimmäisessä tapauksessa (A) kuultiin selkeä jaksotus;
- toisessa (B) sointi oli kirkkaampi ja toinen äänenvoimakkuus kuului oktaavin korkeampi kuin ensimmäinen (vaikka äänenkorkeus ei ollut selkeä);
- kolmannessa (C) - sointi osoittautui tasaisemmaksi.

On huomattava, että toista sävelkorkeutta kuunneltiin vain kuulokkeilla, kaiuttimista kuunnellen kaikki kolme signaalia erosivat vain sointistaan ​​(vaikutti jälkikaiuntaan).

Tämä ilmiö - sävelkorkeuden muutos, kun spektrin joidenkin komponenttien vaihe muuttuu - voidaan selittää sillä, että analyyttisesti esitettäessä B-tyypin signaalin Fourier-muunnos, se voidaan esittää kahden ylisävyyhdistelmän summana: sata ylisäveltä, joiden vaihe on tyyppiä A, ja viisikymmentä ylisäveltä, joiden vaihe eroaa 3π/4 ja joiden amplitudi on suurempi kuin √2. Korva määrittää tälle ylisävyryhmälle erillisen korkeuden. Lisäksi siirryttäessä vaiheesta A vaiheeseen B spektrin keskipiste (maksimienergia) siirtyy korkeampia taajuuksia kohti, joten sointi näyttää kirkkaammalta.

Samanlaisia ​​kokeita vaihesiirrolla erilliset ryhmät yliäänet johtavat myös ylimääräiseen (vähemmän selkeään) virtuaaliseen sävelkorkeuteen. Tämä kuuloominaisuus johtuu siitä, että korva vertaa ääntä tiettyyn musiikkisävynäytteeseen, joka sillä on, ja jos jotkut harmoniset putoavat tyypillisestä tästä näytteestä riviä, korva tunnistaa ne erikseen ja määrittää niille erillisen korkeuden.

Siten Galembon, Askenfeldin ja muiden tutkimusten tulokset osoittivat, että vaihemuutokset yksittäisten ylisävyjen suhteissa ovat melko selvästi kuultavissa sointimuutoksina ja joissakin tapauksissa äänenkorkeuden muutoksina.

Tämä näkyy erityisesti kuunneltaessa oikeita pianon musiikkisävyjä, joissa ylisävelten amplitudit pienenevät niiden lukumäärän kasvaessa, spektrin verhokäyrällä on erityinen muoto (formanttirakenne) ja spektrin selkeästi ilmaistu epäharmonisuus ( eli yksittäisten yläsävelten taajuuksien muutos harmoniseen sarjaan nähden).

Aika-alueella epäharmonisuuden esiintyminen johtaa dispersioon, eli korkeataajuiset komponentit etenevät merkkijonoa pitkin suuremmalla nopeudella kuin matalataajuiset komponentit ja signaalin aaltomuoto muuttuu. Pienen epäharmonisuuden esiintyminen äänessä (0,35 %) lisää soundiin lämpöä ja elinvoimaa, mutta jos tämä epäharmonisuus kasvaa suureksi, äänissä tulee iskuja ja muita vääristymiä.

Epäharmonisuus johtaa myös siihen, että jos alkuhetkellä ylisävelten vaiheet olivat deterministisessä suhteessa, niin sen läsnä ollessa vaihesuhteet muuttuvat ajan myötä satunnaisiksi, aaltomuodon huippurakenne tasoittuu ja sointi muuttuu enemmän. yhtenäinen - tämä riippuu epäharmonisuuden asteesta. Siksi vierekkäisten ylisävyjen välisen vaihesuhteen säännöllisyyden välitön mittaus voi toimia sointiäänen indikaattorina.

Siten epäharmonisuudesta johtuvan vaihesekoituksen vaikutus ilmenee jossain määrin muutoksena äänenkorkeuden ja sointien havainnoissa. On syytä huomata, että nämä tehosteet ovat kuultavissa, kun kuuntelet lähellä soundboardia (pianistin asennossa) ja kun mikrofoni on lähellä, ja kuuloefektit eroavat kuulokkeista ja kaiuttimista kuunneltaessa. Kaiuttavassa ympäristössä monimutkainen ääni, jolla on korkea huippukerroin (joka vastaa vaihesuhteiden suurta laillistamista) osoittaa äänilähteen läheisyyden, koska siirtyessämme pois siitä vaihesuhteet muuttuvat yhä satunnaisemmiksi. heijastuksia huoneessa. Tämä vaikutus voi aiheuttaa erilaisia ​​arvioita pianistin ja kuuntelijan äänestä sekä erilaisia ​​mikrofonin äänittämiä äänisävyjä kaikulaudalla ja kuuntelijassa. Mitä lähempänä, sitä korkeampi on ylisävyjen ja selkeämmän sävelen välisten vaiheiden säännönmukaisuus; mitä kauempana, sitä tasaisempi sointi ja vähemmän selkeä sävel.

Eri keskuksissa (esimerkiksi IRCAM:ssa) tutkitaan nyt aktiivisesti työtä vaihesuhteiden vaikutuksen arvioimiseksi musiikillisen äänen sointin havaitsemiseen, ja uusia tuloksia on odotettavissa lähitulevaisuudessa.

Kuulomuodon tunnistamisen sointi ja yleiset periaatteet

Sävy on useisiin ominaisuuksiin perustuva äänenmuodostuksen fyysisen mekanismin tunniste, jonka avulla voit tunnistaa äänen lähteen (instrumentin tai soitinryhmän) ja määrittää sen fyysisen luonteen.

Tämä heijastaa kuulomallin tunnistamisen yleisiä periaatteita, jotka nykyajan psykoakustiikan mukaan perustuvat Gestalt-psykologian periaatteisiin (geschtalt, "kuva"), jonka mukaan kuulojärjestelmään tulevan erilaisen ääniinformaation erottamiseksi ja tunnistamiseksi. alkaen eri lähteistä samaan aikaan (orkesteri soittaa, keskustelu useiden keskustelukumppanien välillä jne.) kuulojärjestelmä (kuten visuaalinen) käyttää joitain yleisiä periaatteita:

- erottelu- jako äänivirtoihin, ts. tietyn äänilähteiden subjektiivinen valinta, esimerkiksi milloin musiikillinen polyfonia kuulo voi seurata melodian kehittymistä yksittäisissä instrumenteissa;
- samankaltaisuus- sointiltaan samankaltaiset äänet ryhmitellään yhteen ja liitetään samaan lähteeseen, esimerkiksi puheäänet, joilla on samanlainen äänenkorkeus ja samankaltainen sointi, määritetään kuuluvaksi samaan keskustelukumppaniin;
- jatkuvuus- kuulojärjestelmä voi interpoloida ääntä yhdestä virrasta maskerin kautta, esimerkiksi jos puhe- tai musiikkivirtaan lisätään lyhyt kohina, kuulojärjestelmä ei välttämättä huomaa sitä, äänivirta havaitaan edelleen jatkuva;
- "yhteinen kohtalo" - Äänet, jotka alkavat ja loppuvat sekä muuttuvat amplitudissa tai taajuudessa tietyissä rajoissa synkronisesti, liitetään yhteen lähteeseen.

Siten aivot ryhmittelevät saapuvan ääniinformaation sekä peräkkäin määrittämällä äänikomponenttien aikajakauman yhden äänivirran sisällä että rinnakkain korostaen samanaikaisesti läsnä olevia ja muuttuvia taajuuskomponentteja. Lisäksi aivot vertailevat jatkuvasti tulevaa ääniinformaatiota oppimisprosessissa muistiin ”tallennettuihin” äänikuviin.Vertaamalla saapuvia äänivirtojen yhdistelmiä olemassa oleviin kuviin, se joko tunnistaa ne helposti, jos ne osuvat yhteen näiden kuvien kanssa, tai epätäydellisten yhteensattumien tapauksessa antaa niille joitain erityisominaisuuksia (esimerkiksi määrittää virtuaalisen sävelkorkeuden, kuten kellojen äänessä).

Kaikissa näissä prosesseissa sointiäänen tunnistus on keskeisessä asemassa, koska sointi on mekanismi, jolla äänenlaadun määrittävät merkit poimitaan fyysisistä ominaisuuksista: ne tallennetaan muistiin jo tallennettuihin verrattuna ja tunnistetaan sitten tietyillä alueilla aivokuori.

Aivojen kuuloalueet

Sävy- moniulotteinen tunne, joka riippuu signaalin ja ympäröivän tilan monista fyysisistä ominaisuuksista. Skaalan skaalaustyötä on tehty metriavaruudessa (asteikot ovat erilaisia ​​signaalin spektri-ajallisia ominaisuuksia, katso edellisen numeron artikkelin toinen osa).

Viime vuosina on kuitenkin alettu ymmärtää, että äänien luokittelu subjektiivisessa avaruudessa ei vastaa tavanomaista ortogonaalista metriavaruutta, vaan edellä mainittuihin periaatteisiin liittyy luokittelu "aliavaruuksiin", jotka eivät ole metrisiä eivätkä ortogonaalisia.

Erottelemalla äänet näihin alitiloihin, kuulojärjestelmä määrittää "äänen laadun" eli sointiäänen ja päättää mihin kategoriaan nämä äänet luokitellaan. On kuitenkin huomattava, että koko subjektiivisesti havaitun äänimaailman alitilajoukko rakentuu kahden ulkomaailman äänen parametrin - intensiteetin ja ajan - tiedon perusteella, ja taajuuden määrää äänimaailman saapumisaika. identtiset intensiteettiarvot. Se, että kuulo jakaa saapuvan ääniinformaation useaan subjektiiviseen alitilaan kerralla, lisää todennäköisyyttä, että se voidaan tunnistaa yhdessä niistä. Juuri näiden subjektiivisten aliavaruuksien tunnistamiseen, joissa tapahtuu signaalien sointien ja muiden ominaisuuksien tunnistaminen, tiedemiesten ponnistelut suuntautuvat tällä hetkellä.

Johtopäätös

Yhteenvetona voidaan todeta, että tärkeimmät fyysiset ominaisuudet, joilla instrumentin sointi ja sen muutos ajan myötä määritetään, ovat:
- ylisävyjen amplitudien kohdistus hyökkäysjakson aikana;
- yläsävelten välisten vaihesuhteiden muuttaminen deterministisistä satunnaisiin (erityisesti todellisten instrumenttien ylisävelten epäharmonisuuden vuoksi);
- spektrin verhokäyrän muodon muutos ajan myötä kaikkien äänenkehitysjaksojen aikana: hyökkäys, paikallaan oleva osa ja vaimeneminen;
- epäsäännöllisyyksien esiintyminen spektrin verhokäyrässä ja spektrin keskipisteen sijainnissa (maksimi

Spektrienergia, joka liittyy formanttien havaitsemiseen) ja niiden muutos ajan myötä;

Yleiskuva spektrin verhokäyristä ja niiden muutoksista ajan myötä

Modulaatioiden läsnäolo - amplitudi (tremolo) ja taajuus (vibrato);
- spektrin verhokäyrän muodon muutos ja sen muutoksen luonne ajan myötä;
- äänen voimakkuuden (äänenvoimakkuuden) muutos, ts. äänilähteen epälineaarisuuden luonne;
- instrumenttien tunnistusta koskevien lisämerkkien läsnäolo, esimerkiksi jousen ominainen ääni, venttiilien koputtaminen, pianon ruuvien narina jne.

Kaikki tämä ei tietenkään tyhjennä luetteloa signaalin fyysisistä ominaisuuksista, jotka määrittävät sen äänenvärin.
Etsinnät tähän suuntaan jatkuvat.
Kuitenkin syntetisoitaessa musiikillisia ääniä Kaikki ominaisuudet on otettava huomioon realistisen äänen luomiseksi.

Sanallinen (verbaalinen) sointiäänen kuvaus

Jos on olemassa sopivat mittayksiköt äänten korkeuden arvioimiseksi: psykofyysinen (liitu), musiikillinen (oktaavit, sävelet, puoliäänet, sentit); Äänenvoimakkuudelle on yksiköt (pojat, taustat), mutta sointisävelille on mahdotonta rakentaa sellaisia ​​asteikkoja, koska tämä on moniulotteinen käsite. Siksi edellä kuvatun etsinnän kanssa korrelaatiota äänen havaitsemisen ja äänen objektiivisten parametrien välillä käytetään soittimien sointien karakterisoimiseksi sanallisia kuvauksia, jotka valitaan vastakkaisten ominaisuuksien mukaan: kirkas - tylsä, terävä - pehmeä jne.

Tieteellisessä kirjallisuudessa on suuri määrä äänisävyjen arviointiin liittyviä käsitteitä. Esimerkiksi nykyaikaisessa teknisessä kirjallisuudessa käytettyjen termien analyysi on paljastanut taulukossa esitetyt yleisimmin esiintyvät termit. Niistä yritettiin tunnistaa merkittävimmät ja skaalata skaalaus vastakkaisten ominaisuuksien mukaan sekä liittää sanallinen sointikuvaus joihinkin akustisiin parametreihin.

Subjektiiviset perustermit sointien kuvaamiseen nykyaikaisessa kansainvälisessä teknisessä kirjallisuudessa ( Tilastollinen analyysi 30 kirjaa ja aikakauslehteä).

Hapan kaltainen - hapan
voimakas - vahvistettu
vaimentunut - vaimentunut
raitis - raitis (kohtuullinen)
antiikki - ikivanha
huurteinen - pakkasta
muhy - huokoinen
pehmeä - pehmeä
kaareutuva - kupera
täysi - täydellinen
salaperäinen - salaperäinen
juhlallinen - juhlallinen
artikuloitu - luettava
sumea - pörröinen
nenä - nenä
kiinteä - kiinteä
ankara - ankara
harsoinen - ohut
siisti - siisti
synkkä - synkkä
purra, pureminen - pureminen
lempeä - lempeä
neutraali - neutraali
soinnillinen - soinnillinen
mieto - vihjaileva
aavemainen - aavemainen
jalo - jalo
teräs - teräs
ulvoa - ulvoa
lasimainen - lasimainen
kuvaamaton - sanoinkuvaamaton
jännittynyt - jännittynyt
bleating - bläänny
kimalteleva - loistava
nostalginen - nostalginen
kirkas - nariseva
hengittävä - hengitys
synkkä - surullinen
pahaenteinen - pahaenteinen
tiukka - rajoitettu
kirkas - kirkas
rakeinen - rakeinen
tavallinen - tavallinen
vahva - vahva
loistava - loistava
ritilä - vinkuva
kalpea - kalpea
tukkoinen - tukkoinen
hauras - mobiili
hauta - vakava
intohimoinen - intohimoinen
hillitty - pehmentynyt
surina - surina
murisee - murisee läpitunkeva - tunkeutuva
painostava - painostava
rauhallinen - rauhallinen
kovaa - kovaa
lävistys - lävistys
makea - makea
kantaminen - lentäminen
ankara - töykeä
puristettu - rajoitettu
kirpeä - hämmentynyt
keskitetty - keskittynyt
kummittelee - kummittelee
tyyni - rauhallinen
hapan - hapan
kiukkuinen - soi
utuinen - epämääräinen
valitettava - surullinen
repiminen - kiihkeä
kirkas, selkeys - selkeä
sydämellinen - vilpitön
raskas - painava
tarjous - tarjous
pilvistä - sumuista
raskas - raskas
voimakas - voimakas
jännittynyt - intensiivinen
karkea - töykeä
sankarillinen - sankarillinen
näkyvä - erinomainen
paksu - paksu
kylmä - kylmä
käheä - käheä
pistävä - syövyttävä
ohut - ohut
värikäs - värikäs
ontto - tyhjä
puhdas - puhdas
uhkaava - uhkaava
väritön - väritön
honking - surina (auton äänitorvi)
säteilevä - loistava
kurkku - käheä
siistiä, siistiä
huijaa - surina
räikeä - kolina
traaginen - traaginen
rätinä - rätinä
husky - käheä
kolina - kolina
rauhallinen - rauhoittava
kaatuu - rikki
hehku - hehku
ruokomainen - kiihkeä
läpinäkyvä - läpinäkyvä
kermainen - kermainen
terävä - terävä
jalostettu - jalostettu
voittoisa - voittoisa
kiteinen - kiteinen
ilmaisuton - ilmaisuton
kaukosäädin - kaukosäädin
tubby - tynnyrin muotoinen
leikkaus - terävä
intensiivinen - intensiivinen
rikas - rikas
samea - mutainen
tumma - tumma
introspektiivinen - syvällinen
soitto - soi
jäykkä - mahtipontinen
syvä - syvä
iloinen - iloinen
vankka - karkea
keskittymätön - keskittymätön
herkkä - herkkä
vaipuminen - surullinen
karkea - kirpeä
huomaamaton - vaatimaton
tiheä - tiheä
valo - valo
pyöristetty - pyöreä
verhottu - verhottu
diffuusi - hajallaan
kirkas - läpinäkyvä
hiekkainen - hiekkainen
samettinen - samettinen
synkkä - kaukainen
nestemäinen - vetinen
villi - villi
elinvoimainen - värähtelevä
kaukainen - erillinen
kovaa - kovaa
huutaa - huutaa
elintärkeä - elintärkeä
unenomainen - unenomainen
valoisa - loistava
sere - kuiva herkullinen - rehevä (ylellinen)
kuiva - kuiva
rehevä (mehukas) - mehukas
seesteisyys, seesteisyys - rauhallinen
wan - himmeä
tylsä ​​- tylsä
lyyrinen - lyyrinen
varjoinen - varjostettu
lämmin - lämmin
tosissaan - vakavasti
massiivinen - massiivinen
terävä - terävä
vetistä - vetistä
ekstaattinen - hurmioitunut
meditatiivinen - mietiskelevä
hohtaa - vapina
heikko - heikko
eteerinen - eteerinen
melankolia - melankoliaa
huutaa - huutaa
painava - raskas
eksoottinen - eksoottinen
täyteläinen - pehmeä
kiihkeä - kiihkeä
valkoinen - valkoinen
ilmeikäs - ilmeikäs
melodinen - melodinen
silkkinen - silkkinen
tuulinen - tuulinen
rasva - rasva
uhkaava - uhkaava
hopea - hopea
ohut - ohut
kovaa - kovaa
metallinen - metallinen
laulu - melodinen
puumainen - puinen
veltto - vetelä
sumuinen - epäselvä
synkkä - synkkä
kaipuu - surullinen
keskittynyt - keskittynyt
surullinen - surullinen
löysä - löysä
estävä - vastenmielinen
mutainen - likainen
sileä - sileä

Kuitenkin, pääongelma on se, että ei ole selvää ymmärrystä erilaisista subjektiivisista termeistä, jotka kuvaavat sointia. Yllä annettu käännös ei aina vastaa sitä teknistä merkitystä, joka jokaiseen sanaan kuvattaessa laitetaan useita näkökulmia sointiarvot.

Kirjallisuudessamme oli ennen perustermien standardi, mutta nyt tilanne on varsin surullinen, koska sopivan venäjänkielisen terminologian luomiseksi ei tehdä työtä ja monia termejä käytetään erilaisissa, joskus suoraan päinvastaisissa merkityksissä.
Tältä osin AES, kehittäessään sarjaa standardeja äänilaitteiden, äänentallennusjärjestelmien jne. laadun subjektiivista arviointia varten, alkoi tarjota subjektiivisten termien määritelmiä standardien liitteissä, ja koska standardit luodaan työryhmissä jotka sisältävät johtavia asiantuntijoita eri maista, tämä on erittäin tärkeä menettely, joka johtaa johdonmukaiseen ymmärrykseen sointien kuvauksen perustermeistä.
Mainitsen esimerkkinä standardin AES-20-96 - "Suositukset kaiuttimien subjektiivista arviointia varten" - joka tarjoaa sovitun määritelmän sellaisille termeille kuin "avoimuus", "läpinäkyvyys", "selkeys", "jännitys". , "terävyys" jne.
Jos tämä työ jatkuu systemaattisesti, niin ehkä perusehdot sanallinen kuvaus Eri soittimien ja muiden äänilähteiden äänten sointisävelet tulevat olemaan yksimielisiä määritelmiä, ja eri maiden asiantuntijat ymmärtävät ne yksiselitteisesti tai melko tarkasti.