Форманты скрипичного звука 1. Понятие и виды формант В составе

Форманты скрипичного звука
1. Понятие и виды формант
В составе сложного звука (звука естественного происхождения как сложной смеси
разных частот) есть основной тон (fundamental), составляющий ядро сложного звука, его
базовую частоту, и обертоны (overtones) – призвуки, вносящие в тембр сложного звука
акустические оттенки, частоты которых кратны частоте основного тона и образуют
натуральный ряд гармоник в соответствии с фрактальной природой звука. Тембр
представляет собой обертоновую характеристику сложного звука, это понятие объединяет
в себе те свойства звука, которые не относятся к его громкости, высоте и длительности.
Тембр обусловлен различной степенью выраженности обертонов в спектре извлекаемого
звука (соотношением амплитуд обертонных колебаний).
На складывание специфического индивидуального тембра оказывает влияние весь
набор обертонов сложного звука, однако в 1894 г. Л.Германом было обнаружено, что
каждый сложный звук имеет в своем обертоновом составе две основные относительно
усиленные области частот, которые были названы формантами (лат. formans –
образующий). Форманты – это области устойчивых резонансно усиленных обертонов,
формирующих специфический тембр инструмента независимо от высоты основного тона,
выраженные особенно ярко. Формантные участки частотного спектра характеризуются
максимальной концентрацией акустической энергии.
Существует три основных разновидности формант – речевые, низкие и высокие.
Речевые форманты – это акустические характеристики гласных звуков речи,
связанных с уровнями частот их голосовых тонов и образуемых ими собственными
тембрами звуков. На акустическом восприятии речевых формант основано такое свойство
слуха, как частотная ассоциация тембра (frequency associated timbre) или тембральная
слуховая ассоциация, в соответствии с которым та или иная гласная воспринимается как
соответствующая той или иной высоте тона (например, У интуитивно воспринимается как
звучащая ниже, чем А). На этом принципе построен фонетический формантный ряд – «ие-э-а-о-О-у-ю». Именно благодаря наличию речевых формант и воспринимаются различия
между гласными звуками речи. Гласные звуки имеют большое значение для
идентификации звуков речи, каждый из которых обладает своим набором частот,
порождаемых разным положением органов речи при звукоизвлечении; каждой гласной
фонеме соответствует своя форма вокального тракта, которая варьируется за счет
изменения положения органов речи и определяет положение речевых формант на
частотной шкале.
Независимо от речевых формант существуют вокальные (певческие) форманты –
низкая и высокая. При этом при повышении интенсивности звука эти форманты в нем
выделяются сильнее, чем речевые. Постоянное присутствие высокой и низкой формант на
всех гласных и на протяжении всего диапазона делает голос, инструмент ровным по
тембру. Форманты возникают в основном под влиянием резонаторов (имеют резонансную
природу), и на их высотное положение мало влияет высота извлекамых звуков, они
придают звуку специфический певческий (вокальный) тембр.
Низкая форманта – это группа резонансно усиленных по амплитуде гармоник
диапазона 350 – 700 Гц (Соль 1 октавы – Фа 2 второй октавы), придающая звуку
округлость, полноту, глубину, мягкость, объемность, силу, мощность, массивность,
интенсивный резонанс, дающий поддержку каждой ноты, даже на пианиссимо,
бархатистость», объемность. Подавление низкой форманты делает звук жидким, пустым,
колючим, обеленным, плоским. Низкая форманта обнаружена в вокальном звуке в 1927 г.
С.Н. Ржевкиным и В.С. Казанским.
Высокая певческая форманта – это группа резонансно усиленных по амплитуде
гармоник диапазона 2400 – 3500 Гц (Ре – Ля 4 октавы, значимы частоты до 6000 Гц,
частоты до 12000 Гц придают дополнительный блеск, более высокие – носкость звука), а
также выше, придающая звуку силу, яркость, чистоту, блеск, звонкость, серебристость,
хрустальность, насыщенность, полетность, пульсацию (эффект расцветания), льющийся
тембр, мгновенное привлечение внимания слушателя. Подавление высовой форманты
делает звук тусклым, напряженным, глухим, невыразительным, нечетким, слабым,
гнусавым, неразборчивым. Средний уровень в певческом голосе – около 30 – 35%
акустической энергии (в зависимости от силы и характера голоса, инструмента может
быть в пределах от 20 до 50%). Высокая форманта обнаружена в вокальном звуке в 1934 г.
У.Т.Бартоломью.
В диапазоне между низкой и высокой формантами расположена неблагозвучная
область частот назального характера (гобойный спектр), которая в звуке вокала и
инструментов скрипичного семейства придает нераскрытость, зажатость, гнусавость. Эти
частоты воспринимаются слухом как недостаточно чистые, неопределенные. Ниже них
частоты слышатся как басовые, низкие, выше них – как высокие, блестящие.
2. Инструментарий изучения формант
Основным и главным инструментом изучения и оценки формант является слуховой
аппарат человека. Физиологические особенности слуха человека таковы, что максимум
чувствительности восприятия звуков приходится на область 2 – 3 кГц (область частот
высокой форманты).
Объективным эквивалентом тембра является спектр сложного звука, который
может быть объективно зафиксирован с помощью спектрометра. При этом возможно
получение двух видов графиков – спектрограмм и амплитудно-частотных характеристик
(АЧХ), в которых приведены громкость (в дБ) по ординате и частота (в Гц) по абсциссе.
При этом согласно акустическому закону Ому любое колебание может быть представлено
как сумма гармонических колебаний, таким образом, волну сложного звука можно
структурировать по его гармоническим составляющим посредством быстрого
преобразования Фурье (FFT), при котором она разделяется на компоненты согласно
частотам гармоник. Эта методика позволяет исследовать состав колебаний произвольной
формы.
При этом спектрограммы показывают уровень громкости всех гармоник
конкретного звука, на них каждая гармоника этого отдельно взятого звука представлена
пиком – более или менее высоким в зависимости от большего или меньшего уровня
громкости гармоники в спектре звука. От спектрограмм следует отличать АЧХ
инструмента в целом (response curve), получаемого посредством записи отклика,
сделанной с помощью не менее шести микрофонов в заглушенной акустической камере с
минимальной реверберацией при возбуждении струнной одежды инструмента
электродинамическим вибратором через подставку с помощью иглы или механическим
способом с помощью молоточка. Только на таких графиках можно понять механизмы,
образования формант в составе сложного звука.
Наиболее простым и доступным инструментом изучения формант является
эквалайзер (EQ) представляет собой программу, позволяющую выравнивать АХЧ
звукового сигнала, корректируя спектр обертонов сложного звука по амплитуде в
зависимости от их частоты.
Эквалайзер
mp3-проигрывателя
Winamp
с
наиболее
благоприятным
расположением тумблеров:
Он открывается путем нажатия на кнопку EQ:
Эквалайзер представляет собой делитель частот по методу Фурье с получением
широких частотных полос, регулируемых тумблерами. Наиболее значимы тумблеры 600,
1К и 3К. Частотам гобойного спектра соответствует 1К (он должен стоять на 0), а его
соседи слева (нижняя форманта) и справа (начало верхней форманты) – на максимуме
(самый нижние и самые верхние лучше не на самый максимум).
Порядок проведения анализа формантного состава звука с помощью эквалайзера
(основные позиции).
1. Нормальное звучание.
2. Поднять средний тумблер – усиление гобойного спектра.
Плохие скрипки увеличат громкость значительно, очень сильно, поскольку они
гнусавы. Хорошие скрипки незначительно теряют в тембре и мало обретают в силе звука,
гнусавости не проявляется.
Вернуть исходную позицию.
3. Опустить верхний тумблер – вырезание верхней форманты.
Плохие скрипки немного теряют в звуке, тембр почти не меняется. Хорошие
скрипки теряют блеск и звучность, возникает ощущение надетой сурдины, звук глушится
и сильно портится.
Вернуть исходную позицию.
3. Структура АЧХ скрипок и место формант в их спектре
Так выглядит АЧХ скрипки А.Страдивари «Jules Falk» (1723).
1. Самые низкие частоты скрипки, имеющие уровень громкости выше 50 дБ
(уровень громкости разговорной речи), располагаются выше отметки 150 Гц (Ре-диез
малой октавы). Таким образом, скрипка может излучать частоты даже ниже своего
диапазона.
После этой отметки кривая показывает рост уровня громкости звука вплоть до
достижения пика на уровне частоты воздушного резонанса (ЧВР). ЧВР является одной
низких формант, определяемой свойствами резонатора Гельмгольца скрипичного корпуса
(система внутрикорпусной воздушной подушки и эфов), который отвечает за басовые
частоты, придает звукам скрипки глубокий сочный насыщенный тембр. ЧВР скрипки
«Jules Falk» - 258 Гц (почти До первой октавы).
2. После прохождения первого важного пика кривая делает прогиб – спад и взлёт к
паре следующих пиков, которые фиксируют частоты корпусного резонанса (ЧКР). Если
ЧВР – это тон воздуха, то ЧКР – это суммарный тон дерева корпуса. ЧКР представлен на
АЧХ двумя близко расположенными пиками (тоны деки и дна). У скрипки «Jules Falk»
они соответствуют нотам Соль-диез и Ля первой октавы. Это довольно низкие значения
этих частот. Известны следующие данные этой пары для разных скрипок А.Страдивари.
Например, скрипка «Schreiber» (1712) имеет частоты 448 и 513 Гц, то есть Ля первой
октавы и До-диез второй октавы. Значения для некоторых скрипок А.Страдивари:
1709 – 451 и 547 Гц
1714 – 436 и 544 Гц
1715 – 457 и 551 Гц
1717 – 438 и 539 Гц
1717 – 452 и 542 Гц
Эти данные соответствуют нотам Ля-Ля-диез первой октавы и До-До-диез второй
октавы. ЧКР отвечает за легкость отзывчивости инструмента.
3. Далее кривая делает довольно длинное плавное снижение по частотам гобойного
ряда, нежелательным в спектре звука. И после этого поднимается к главному пику
высокой форманты. В скрипке «Jules Falk» этот пик приходится на Ля-диез второй октавы.
За первым пиком открывается широкая полоса высокой форманты, уходящая в
своем верхнем диапазоне в ультразвуковые частоты, придающие звуку носкость
(формирование акустических куполов). Как видно из графика частоты до 10 кГц имеют
уровень громкости не ниже 50 дБ. Ярко выраженная высокая форманта дает в спектре
звука яркий полетный блестящий тембр. В извилистой кривой области высокой форманты
имеется два важных участка. Первый на уровне частот 1300 – 1600 Гц именуется
сонорным провалом. Сонорные (носовые) звуки должны быть максимально снижены для
получения хорошего тембра. Второй важный сектор – это участок оперных частот,
соответствующий высотам высокой певческой форманты вокала школы бельканто (2500 –
3200 Гц).
Прослеженные объективно зафиксированные закономерности могут быть
прослежены в структуре звука других инструментов, например скрипки А.Страдивари
«Schreiber» (1712).
(на графике – серым цветом)
4. Форманты в составе скрипичного звука и причины их образования
Визитной карточкой староитальянских скрипок золотого века лютерии является
вокальная природа их голосов, имитация сопрано бельканто. Сходство скрипичного звука
с человеческим голосом порождает впечатление, что инструмент живой. Присутствие в
скрипичном звуке высокой и низкой формант придает ему специфически певческий
тембр. Даже та легкая гнусавость, которая присутствует в той или иной малой степени во
всех итальянских скрипках, обусловлена формантами – особенностями речевых формант
итальянского языка. В звуке итальянских скрипок слышны фонемы центральной части
формантного ряда – от открытого А до закрытого О.
Происхождение формант тесно связано с особенностями строения корпуса –
наличием в нем двух резонаторов: твердотельного (система «подставка – душка») и
воздушного (система «внутрикорпусная воздушная подушка – эфы», действующий как
резонатор Гельмгольца с накачкой изнутри). Первый ответственен за присутствие в
спектре звука верхней форманты, второй – нижней. При этом особенности формирования
в корпусе стоячих волн приводит к возникновению двух относительно самостоятельных,
но взаимосвязанных процессов звукообразования в скрипичном корпусе – первичного (по
первому резонатору) и вторичного (по второму). При этом окончательный скрипичный
звук складывается в пространстве над инструментом ввиду действия интерференции волн,
излученных с деки и выпущенных через эфы. Эфы и дека излучают различные частоты.
Колеблющаяся струна распространяет свои вибрации во все стороны: в воздушное
пространство над струной, под струной с отражением от грифа, деки, в очень малой
степени вибрации излучаются колковым и подгрифковым отрезками струн, также
производится передача вибрационной энергии верхнему порожку – довольно жесткой
опоре для незначительного усиления вибраций шейкой, и подставке, что имеет ключевое
значение для усиления звука и запуска процессов резонансного усиления струнных
колебаний.
Важное значение в механизме образования звука с высокой формантой имеет
подставка. Не случайно звук, лишенный высокой форманты, вопринимается как
засурдиненный. Сурдина, надеваемая на подставку, повышает ее массу и препятствует
вибрациям, резонансно усиливающим частоты высокой формантной области. Подставка
ответственна за передачу высокочастотных колебаний от струн к деке и их первичное
усиление. Такое резонансное усиление связано с тем, что СРЧ подставки находится в
пределах верхнего формантного диапазона – 2800 – 3000 Гц (Фа# - Соль третьей октавы).
Механизм образования в звуке верхней форманты связан с вибрациями деки,
которая ведет себя как пластинчатая мембрана, усиливающая и структурирующая своим
сводов звуковые волны, излучаемые на нее подставкой. Особенное значение имеют
центральные участки деки, расположенные между эфами, подставкой, грифом и
подгрифком (грифовый и подгрифковый формантные участки).
При излучении звуковых волн струнами энергия проходит через подставку от ее
верха до лапок, подставка действует как рычаг раскачки деки, запускающей процесс
распространения по ней бегущих акустических волн, порождая вынужденные колебания
деки и их резонансное усиление осевыми модами деки. Возникающие в деке стоячие
волны и бегущие волны звуковой волны интерферируют, получается формантное
усиление звука, излучаемого с деки, вибрации деки отбрасывают звуковые волны по
нормалям поверхности деки. Часть бегущих звуковых волн переходит от свода через
галтели и рамку обечаек и через душку на дно, инициируя механизм действия воздушного
резонатора на внутрикорпусной стадии скрипичного звккообразования. Для механизма
действия твердотельного высокоформантного резонатора принципиально важно
полированное лаковое покрытие поверхности формантных участков деки, которое
придает поверхности гладкость и жёсткость, необходимую для лучшего отражения и
излучения звуковых волн.
Способность деки усиливать частоты в формантной зоне обусловлено
особенностям материала и настройкой кривизны сводов согласно речевым формантам.
Связь акустической фонетики с топоакустикой состоит в использовании метода выбора
гласных для моделирования кривизны свода. Замечено, что определенная гласная
фонетического ряда соответствует той или иной степени кривизны поверхности.
Например, ОУ прослеживается на своде круглого типа, О соответствует выпуклому
своду (наиболее часто встречается на итальянских скрипках золотого века
лютерии), У или Ю – отлогому своду, А и Э – плоскому, И – вогнутому. Возможно
сочетание гласных по профилю кривизны, таким образом, профиль горбатого свода
покажет ряд И-ОУ-О-ОУ-И, профиль выпуклого – И-О-Ю-О-И, сплощенного – И-ОУЭ-ОУ-И, низкого – И-У-И, плоского – Э-Ю-Э. Топоакустический принцип формантности
кривизны оказывает существенное воздействие на складывание итальянского тембра с
выраженными формантами.
Формирование в звуке нижней форманты связано с частотой воздушного резонанса
(ЧВР) как СРЧ внутрикорпусной воздушной подушки. Уменьшение объема воздуха
внутри корпуса повышает ЧВР и жесткость воздушной подушки.
Воздушный резонатор усиливает не все частоты, а только те, которые находятся в
пределах резонансной полосы пропускания (адмиттанса) эфов, фильтруя таким образом
волны высоких частот, которые угасают внутри корпуса или переходят сквозь деку и
используются твердотельными резонатором. Адмиттанс эфов тесно связан с их формой и
расположением на деке, которые обусловливают их свойства демпфировать
нежелательные частоты (в частности, частоты гобойного спектра) и пропускать
резонансно усиленные воздушной подушкой аттрактивные частоты (результат
внутрикорпусного преобразования звуковых волн), обогащенные низкой формантой. Так,
замечено, что раздвижение эфов дает сдвиг адмиттанса по частотам вниз, а сближение –
вверх. Верхняя граница адмиттанса эфов находится на уровне 1200 Гц (Ре третьей
октавы), частоты выше этой отметки эфами практически не излучаются.
Наличие в корпусе смычкового инструмента двух резонаторов помогает
эффективно решить проблему формантного усиления звука как в низкой, так и в высокой
формантных областях. При этом один только твердотельный поверхностный резонатор
неэффективен для низких частот из-за действия процесса огибания деки длинными
волнами и гашения колебаний. Равно же и воздушный резонатор неэффективен для
высоких частот ввиду наличия верхней границы адмиттанса эфов. Только
комбинированное и слаженное действие обоих резонаторов порождает формантно
усиленный скрипичный звук. В результате этого скрипичный корпус действует как
сложный формантный усилитель различных частот – усилитель зон низкой и высокой
формант и гаситель средней зоны гобойного спектра. Излученный струнами сложный
звук, попадая в условия системы скрипичного корпуса, получает резонансное усиление
тем или иным резонатором тех его гармоник, которые совпадают с формантными
частотными полосами (полосой усиления частот твердотельным резонатором,
адмиттансом эфов). Наличие таких полос, которые должны быть достаточно широкими
для равномерного усиления гармоник, связано с СРЧ деки и СРЧ внутрикорпусной
воздушной подушки (ЧВР). При совпадении этих СРЧ и частот гармоник излучаемого
струнами звука случается эффект резонанса – возрастание амплитуды звуков струн.