3.1. Тембр звука

Тембр является гораздо менее изученным качеством звука, чем громкость или высота. Кроме того, он до сих пор не имеет достаточно удовлетворительного (т. е. несущего некоторый конструктивный смысл) определения. Обычно тембр характеризуют как такой атрибут слухового ощущения, который позволяет отличить два звука, имеющих одинаковую высоту, громкость и длительность [84, 190, 241, 296].

Необходимость использования понятия тембра для описания качеств звука возникает сразу же, как только исследователь переходит к изучению восприятия сигналов, отличных от тональных [290]. При этом обнаруживается явная ограниченность результатов, полученных с использованием упрощенных стимульных воздействий. Так, в известной работе Ж. Риссе "Парадоксы высоты" [300] наглядно продемонстрирована непрямая связь воспринимаемой высоты сложного синтезированного звучания со спектром воздействующего звука. Исходным феноменом, послужившим основанием для проведения экспериментов, был полученный еще ранее Р. Н. Шепардом [320] феномен ощущения бесконечного возрастания высоты звука, основная частота которого в действительности циклически повторяется при изменении интенсивности составляющих спектра. Если же изменение частоты происходило достаточно быстро, то воспринималось как бы спиральное возрастание высоты.

Автор объясняет эти феномены двойственностью высоты сложного звука: высоты "тональной" и высоты "спектральной". Тональная высота характеризует восприятие изменения высоты тона в пределах октавы, а спектральная - особенности восприятия звуков как низких или высоких на всей шкале слышимых сигналов. Синтезируя тестовые звуки специальным образом, т. е. манипулируя соотношением амплитуд спектральных составляющих в сложном звуке, Ж. Риссе попытался экспериментально разделить эти компоненты восприятия высоты. Так, например, при постепенном увеличении амплитуды высокочастотных составляющих в спектре звука возникает впечатление возрастания общей высоты звучания. При этом абсолютная (тональная) высота звука остается в пределах октавы неизменной. Автор предполагает, что анализ этих двух типов высоты осуществляется различными механизмами. Возможно, это связано со специализацией деятельности двух полушарий головного мозга при восприятии сложного звука [14, 68, 210]. Впоследствии детальный анализ слуховых эффектов, подобных описанному, а также ряда других слуховых иллюзий дан в работах [260, 302, 321, 342].

Восприятие высоты оказалось сложно связано не только со спектром сигнала, но также и с темпом повторяющихся звуков. Так, при замедлении темпа звучаний, неизменных по спектру, возникает впечатление постепенного уменьшения высоты предъявляемых звуков. Это достаточно типичный пример того, что при анализе восприятия нельзя рассматривать воздействия как изолированные во времени и в пространстве явления, даже если при их физическом описании удается пренебречь возможной связью между различными элементами воздействия.

Главный вывод, сделанный в работе Ж. Риссе, заключается в том, что при восприятии сложного звука связь между изменениями физической частоты сигнала и воспринимаемой высотой может быть совершенно неожиданной; т. е. воспринимаемая высота не так жестко зависит от физической частоты, как это следует из классических психоакустических исследований. Автор придерживается мнения, согласно которому в основе восприятия звука лежит восприятие тембра, а высота является одним из измерений этого более целостного качества.

Детальный анализ различий в представлениях о высоте и тембре звука дается в работе Ж. Риссе [301]. Проведя анализ существующих определений тембра и найдя эти определения явно недостаточными для объяснения многих феноменов слухового восприятия, он пытается выявить специфические особенности восприятия тембра и высоты сложных звуков.

Разводя понятия высоты и тембра звука, Ж. Риссе предполагает следующие объективные основания этих качеств: составляющие спектра сложного периодического звука имеют некоторое распределение; высота характеризует фокусировку этого распределения, а тембр - распределение в целом. В то же время представления о тембре как о субъективном качестве, отражающем частотный спектр звучания, явно не достаточно. Ведь человек легко распознает тембр звуков несмотря на многочисленные искажения в спектре сигнала, возникающие, например, при плохом качестве звуковоспроизводящей аппаратуры. Кроме того, спектр звука подвержен многообразным изменениям даже в процессе прохождения от источника до слушателя (в воздухе). Точно так же спектр связан с направленностью излучения звука: звуковое поле, например, музыкальных инструментов анизотропно, т. е. при движении вокруг инструмента спектр поступающих звуков сильно изменяется. Однако все эти изменения не мешают адекватному восприятию звука (как предметного звука конкретного источника). Так же не мешают правильно воспринимать тембр звучания многочисленные отраженные звуки - реверберация, изменяющие до неузнаваемости спектр приходящего звука.

В то же время достатотчно сменить направление движения магнитофонной ленты, на которой записаны звуки рояля, чтобы сделать тембр звучания совершенно неузнаваемым, несмотря на то, что спектральные компоненты остаются прежними, т. е. для восприятия тембра оказываются весьма существенными временные характеристики процесса звучания. В целом ряде исследований показано, что для создания тембра звука, соответствующего заданному, важно не столько сохранить величину того или иного параметра, сколько обеспечить сохранение взаимосвязи между разными параметрами [191, 222, 280]. Именно эта информация является наиболее важной для человека, характеризующей состояние окружающей среды. Ж. Риссе выявил в своей работе, что как раз тембр обеспечивает возможность узнавания источника звука (т. е. его опредмечивание), а также правильной ориентировки в пространстве звуков.

Что касается особенностей восприятия высоты, то здесь существенно влияние контекста звуков и опыта человека на оценку параметров звучания конкретного сигнала. Даже в простейшем случае восприятия высоты не осуществляется пассивно: это восприятие связано как с различными признаками, характеризующими природу сигнала, так и с состоянием индивида и его "историей". Музыкант оценивает отношения между высотами, вырабатывая (обычно бессознательно) стратегии оценок в соответствии со своим образованием. Так, представитель "западной" цивилизации пытается привести в соответствие с хроматической гаммой звуковые интервалы, созданные на "востоке", принципы формирования которых подчиняются иным пропорциям. При этом в зависимости от контекста одни и те же физические воздействия могут вызывать различные стратегии идентификации интервала. Тембр же звука как более целостная его характеристика гораздо менее зависит от контекста звучаний, а в большей степени определяется особенностями прошлого опыта индивида по восприятию натуральных звуков.

Исследованию натуральных тембров звучаний посвящено множество работ. Особый интерес к этой области исследований связан с развитием средств электронного синтеза звуков. Для создания искусственных звучаний, по своим характеристикам сходным с натуральными звуками, необходимо выявить систему физических характеристик натурального звука, которая обеспечивает определенный образ восприятия звука. Поэтому много работ было направлено на изучение параметров натуральных звуков (как правило, музыкальных инструментов). В русле этих работ проведено исследование Д. Моррила [280], показавшее недостаточность существующих описаний физических характеристик натуральных звуков для синтеза аналогичных сигналов. Так, обнаружилось, что даже если тембр одиночного синтезированного звука воспринимается как совершенно идентичный тембру натурального музыкального инструмента, то эти же звуки, скомбинированные во фразу или в мелодию, уверенно воспринимаются как искусственные. Проведя исследование натуральных звуков, получаемых при игре на трубе, Д. Моррил обнаружил существование важных динамических нюансов звучаний при исполнении мелодии, отличных от звучаний отдельно воспроизводимых нот. Введя в программу синтеза обнаруженные динамические параметры, такие, как максимальная амплитуда музыкальной фразы, длительность каждой ноты и особенности изменения огибающей сигнала при игре музыканта, ему удалось создать синтетические музыкальные фразы, достаточно сходные по тембру звучания с натуральными звуками.

Исследование пространства тембров музыкальных звуков с целью выявления необходимой для их синтеза структуры проведено также в работе Д. Вессела [346]. Автор использовал данные, полученные при субъективном шкалировании параметров звукового объекта для создания компьютерных программ синтеза музыкальных звуков заданного тембра. Позднее Д. Вессел и Ж. Риссе обобщили результаты проведенных ими исследований [303], предложив описание процессов восприятия тембра на основании разработанных ими моделей синтеза звуков.

Задаче выявления объективных характеристик звука, ответственных за создание определенного образа восприятия тембра, посвящена также работа Ж. Ассейага и др. [178]. В ней специально ставится вопрос о поиске компромисса между данными, полученными в исследованиях слухового восприятия, и данными, полученными в акустических исследованиях звуковых сигналов. Эти два типа исследований должны иметь взаимодополняющий характер, с тем чтобы построить такие физические описания звуков, которые окажутся достаточными для формирования (синтеза) звуков (и понятных для человека, далекого от физики, например для композитора). Авторы рассматривают разные способы построения физических моделей: статические фотографии структуры спектральных составляющих, описание динамических спектров и т. д., а также различные математические модели описаний.

В аналогичном направлении рассматривается проблема синтеза человеческого голоса [304]. Так же ставится задача выявления соотношения между физическими описаниями голоса и когнитивными моделями его восприятия. Показано, что разработка программы синтеза звуков заданного тембра способствует продвижению по пути раскрытия механизмов их восприятия. Авторы дают примеры алгоритмов синтеза певческого голоса на ЭВМ, характеристики звучания которого являются достаточно близкими к звучанию натурального голоса.

В целом все рассмотренные работы подтверждают ограниченность существующих физических моделей звука для описания процессов анализа тембра человеком. Необходим поиск системы характеристик звучания, определяющей восприятие тембра как целого.

Большинство указанных авторов считают, что основными физическими характеристиками звука, определяющими его тембр, являются спектр и переходные процессы звука [29, 84, 129, 173, 188, 227, 241 и др.]. Необходимо отметить, что переходные процессы (к которым относятся атака и затухание звука) сопровождаются расширением спектра. Поэтому можно сказать, что тембр определяется спектром звука и характером его изменений во времени. Параметрами, так или иначе влияющими на динамику изменений спектра во времени, являются также реверберация, вибрато (низкочастотные амплитудная и частотная модуляции), биения, нелинейность кривых равной громкости, нелинейность слуха, расстояние до источника звука и др. [84]. В психоакустике до сих пор является нерешенным вопрос о том, влияют ли фазовые отношения между гармониками сложного звука на его тембр. Согласно классическим исследованиям X. Гельмгольца, любое такое влияние несовместимо с его резонансной теорией [241]. Однако рядом исследователей показано, что, по крайней мере, при определенных условиях фазовые отношения могут играть важную роль в изменении тембра звука [205, 259, 295].

Необходимо отметить, что практически всеми исследователями подчеркивается многомерная природа тембра. Проблема оценки размерности тембрального пространства решается по-разному.

Один из методов предложили Р. Пломп и Л. Полс [241]. По их мнению, используя ш полосовых фильтров с шириной пропускаемой полосы частот, примерно равной критической полосе слуха, можно рассматривать уровни звукового давления в этих полосах как координаты точки в m-мерном евклидовом пространстве. Сравнение перцептивного и физического пространства позволило сделать заключение, что различая в спектре звука, измеренные в третьоктавных полосах частот, были хорошей аппроксимацией физических коррелят тембровых различий. Однако данная модель описывает только стационарные звучания, не учитывая динамику изменения их спектра во времени. Таким образом, она вряд ли может быть применена для анализа натуральных звуков.

Попытку оценить размерность тембрального пространства, основанную на суждениях испытуемых о сходстве между 16 музыкальными инструментальными звуками, предпринял Дж. М. Грэй [235]. Он использовал стимулы, синтезированные компьютером, которые были основаны на анализе натуральных инструментальных звучаний. Суждения испытуемых о сходстве между звуками были обработаны методами многомерного шкалирования и кластерного анализа, которые дали согласующиеся результаты. Полученные данные позволили автору представить трехмерное пространство тембров. Оси этого пространства интерпретировались следующим образом:

1) спектральное распределение энергии (звуки, имеющие узкие и широкие спектральные полосы и соответственно разную концентрацию энергии в нижних гармониках, оказались на разных полюсах этой оси); 2) наличие синхронности в протекании переходных процессов верхних гармоник звука; 3) наличие низкоамплитудной, высокочастотной энергии в сегменте атаки.

Используя стимулы и метод обработки, подобные тем, которые использовались в предыдущем исследовании, Д. Е. Эресман и Д. Л. Вессел [213] получили двухмерное пространство тембров, причем оси полученного пространства интерпретировались так же, как и первые две у Дж. М. Грэя [235] (авторы дали им такие условные наименования, как "яркость" и "спектральное изменение"). Количественной мерой спектрального распределения энергии они предложили считать момент первого порядка усредненной амплитуды гармоник.

Методы многомерного шкалирования применили также А. Ведин и Ж. Гоуде [345] для исследования размерности восприятия инструментального тембра. При этом были вычленены три фактора, связанные с определенными характеристиками огибающих спектра звука, которые частично совпадали с данными предыдущих авторов. Однако, Дж. М. Грэй [235] подверг сомнению результаты этих авторов, поскольку в их экспериментах использовались стимулы, не уравненные по высоте, громкости и длительности, что могло по его мнению, внести искажения в определение размерности тембрального пространства.

Другой способ изучения размерности тембра основан на использовании метода семантического дифференциала. Звуки оцениваются испытуемым при помощи некоторого количества биполярных шкал, характеризующихся противоположными вербальными атрибутами, такими, как острый - тупой, холодный - теплый и т. п. Ж. Бисмарк [190, 191] просил испытуемых оценивать 35 синтезированных звуков, применив набор из 30 шкал. Факторный анализ, использованный при обработке полученных данных, показал, что 4 фактора могут почти полностью объяснить различия в тембре, однако только шкала "острый - тупой" могла служить для описания тембра в целом. Дальнейшие эксперименты показали, что острота (или яркость) тембра в первую очередь определяется диапазоном частот, в котором заключены наиболее интенсивные спектральные компоненты [191]. Аналогичные результаты были получены в исследовании Р. Л. Пратта и П. Е. Доука [296]. Испытуемые оказались способными различать с высокой надежностью звуки варьирующего спектрального содержания, используя шкалу "тусклый - блестящий". При этом авторами делается вывод о возможности конструирования подобных вербальных шкал для обеспечения количественной оценки относительной важности факторов, характеризующих тембр. Следует отметить, что такое вербальное обозначение отдельных тембровых качеств звука очень широко используется музыкантами при оценке звучания музыкальных инструментов [29, 84, 129, 134, 173]. Как правило, вербальные обозначения тембров вполне определенно соотносятся с конкретными областями частот, присутствующих в спектре звука. В этой связи показательна классификация тембров, приведенная в работе Л. А. Кузнецова [84, с. 74]. Однако, если учесть, что обычно рассматриваются стационарные звуки, то в используемых описаниях выпадают переходные процессы из группы значимых параметров, определяющих тембр музыкальных инструментов. Ограничивает выводы данной группы исследований также навязывание испытуемым вербальных шкал, по которым они должны осуществлять оценки. Эксперименты, проведенные нами совместно с А. В. Беляевой [19, 97], показали, что в случае свободных вербальных описаний звука можно получить существенно новую информацию о характеристиках образа восприятия. Представляется, что дальнейшее исследование размерности тембрального пространства должно вестись на основе шкал, построенных из свободных вербальных описаний определенных звуков конкретными испытуемыми. Следует отметить, что в полученных нами описаниях музыкальных звуков непременным элементом характеристики воспринимаемого звучания была динамика изменения его качеств во времени.

Особое направление в анализе когнитивной функции слухового восприятия связано с проникновением в эту область аппарата теории информации. В информационных моделях А. Моля и ряда других авторов [16, 103-105] тембр рассматривается с позиций целостности восприятия. Для характеристики сообщения, содержащегося в звуковом сигнале, звук описывается последовательностью звуковых элементов, принадлежащих набору L (громкость) и Н (высота звука), которые являются функциями времени. Считается, что мгновенное восприятие звука определяется этими параметрами, причем громкость (L) соответствует амплитуде звуковых колебаний, а высота (Н) - их частоте. На практике любой символ звукового сообщения содержит больше одного элемента. Множество таких элементов, содержащихся в одном временном кванте восприятия, составляет спектр этого кванта. Это множество в его цельности воспринимается ухом как тембр элементарного звука [103].

Анализ рассмотренных нами работ показывает, что тембр является одной из наиболее целостных характеристик, определяющих специфику звуковых объектов в окружении человека. Множество исследований направлено на поиск взаимосвязи и различий между тембром и высотой звука, на выявление отдельных измерений в восприятии тембра. Удивительным же является то, что практически ни в одной из этих работ не упоминается фундаментальное исследование Б. М. Теплова о музыкальных способностях [149], в котором впервые достаточно полно рассмотрены именно психологические проблемы восприятия тембра.

Б. М. Теплов в своем исследовании разделяет восприятие тембра и восприятие гармонии. О тембре, согласно Б. М. Теплову, можно говорить в том случае, когда комплекс звуков воспринимается как один звук, т. е. обеспечивает целостное восприятие звучания. Если же удается выделить слухом все входящие в состав этого комплекса частичные тоны, то речь идет о гармонии.

Следует отметить большое сходство положений работы Б. М. Теплова с подходами о связи между высотой и тембром звука, развиваемыми современными исследователями. Понятие тембра применимо только к сложному звуку. При этом особое внимание автор уделяет необходимости рассмотрения тембра именно как целостного образования, с присущими ему свойствами полимодальности. Что касается поиска характеристики этой целостности, то, по мнению Теплова, "можно лишь пытаться более или менее приближенно описать тембр, причем такого рода описания совершенно неизбежно пользуются признаками, заимствованными из области других ощущений, или дают эмоционально-выразительную характеристику". Признаки, "особенно часто используемые для характеристики тембров: 1) светлотные характеристики (светлый, темный, блестящий, матовый и т. п.); 2) осязательные характеристики (мягкий, шероховатый, острый, сухой и т. п.); 3) пространственно-объемные характеристики (полный, пустой, широкий, массивный и т. п.)" [149, с. 75].

Как мы видели, аналогичные положения доказываются во многих рассмотренных нами работах. Если же еще раз вернуться к вопросу о соотношении тембра и высоты звука, то из работы Б. М. Теплова следует, что тембр - это свойство каждого звука как такового, в то время как высота - это свойство, характеризующее звук в его отношении к другим звукам. Ощущение музыкальной высоты возникает только при восприятии звуковысотного движения. Исходя из того, что слуховой опыт человека формируется при восприятии сложных звуков, Б. М. Теплов утверждает, что результаты, получаемые в опытах с простыми звуками, в действительности являются вторичным фактором - "перенесением в эти необычные условия тех особенностей восприятия, которые вырабатывались на восприятии сложных звуков" [149, с. 83].

В соответствии с данной нами классификацией звуков как объектов слухового восприятия, это означает, что восприятие тембра искусственных звуков осуществляется при соотнесении их с эталонами, выработанными у человека в результате его опыта восприятия натуральных звуков, полученного в естественных условиях.

Комплексный характер тембра звука и неопределенность его параметров проявляются в том, что практически трудно дать точное физическое описание звука с присущим ему тембром. Так, "единственный способ однозначной фиксации тембра в нотной записи - это указание того инструмента или голоса, которому поручается исполнение записанной строки" [149, с. 90]. Это положение еще раз показывает, что тембр является в значительной мере характеристикой предметного содержания звукового объекта. Обозначение тембра эквивалентно "опредмечиванию" слухового образа.

Итак, мы впрямую подошли к анализу проблемы предметности слухового восприятия. Тембр как целостная характеристика звука является одним из качеств восприятия звуковых объектов - предметов акустического окружения человека. Основное свойство физического мира, позволяющее разделять внешние объекты как предметы восприятия, - это их пространственно-временная обособленность. Поэтому необходимо более детально рассмотреть роль пространственных характеристик в формировании целостного и предметного образа слухового восприятия.