Гельмгольц делит все звуковые ощущения на шумы и тоны. Вторые вызываются быстрыми периодическими движениями звучащих тел, передаваемыми нашему органу слуха волнообразными движениями воздуха, шумы же возникают вследствие непериодических движений. Тон характеризуется тремя моментами: силой, высотой и тембром. Так как сила звука определяется величиной размаха колебаний, а высота тона — продолжительностью каждого колебания, то относительно тембра остается лишь предположить, что он зависит от формы колебаний. Различные формы колебаний (при равном размахе и продолжительности их) могут различаться друг от друга лишь видом движения в течение периода, различным характером нарастания и убывания скоростей в течение одного колебания. Наиболее простой формой колебаний является такая, при которой скорости колеблющихся частичек изменяются совершенно так же, как при качаниях маятника; поэтому их называют «маятникоподобными» колебаниями, или же, — так как смещение у колеблющейся точки от положения равновесия в любой момент времени выражается формулой
также синусоидальными колебаниями. Все другие виды колебаний, при которых скорости возрастают до максимума иначе, чем в маятнике, или же при которых в течение периода наряду с абсолютным максимумом существует еще один или несколько относительных максимумов скоростей, можно представить себе происшедшими таким образом, как если бы частицам были сообщены простые колебания с числами колебаний, превышающими число колебаний результирующего сложного колебания в один, два, три и т. д. раз. Это было доказано Фурье в его работе «Théorie analytique de la chaleur» («Аналитическая теория теплоты»), где он показал, что всякое регулярное периодическое движение точки может быть представлено при помощи уравнения:
Там же им было доказано, что для каждого заданного периодического движения возможно только единственное подобное разложение на составные простые колебания и что, следовательно, при заданном сложном движении и составные его части задаются однозначно. То, что у Фурье имело чисто механический смысл, у Ома получило акустическую интерпретацию. Согласно последней ухо воспринимает в качестве простого тона только тот звук, который вызван простым синусоидальным колебанием; все же прочие звуки разлагаются на тоны, которые соответствуют отдельным членам ряда Фурье и которые могут быть различаемым в каждом отдельном случае и на слух как основные тоны и добавочные тоны (обертоны). В свое время Август Зеебек решительно оспаривал правильность этого объяснения, утверждая, что всем частным колебаниям, определяемым при помощи ряда Фурье, хотя бы они и имели свои собственные различные по величине периоды, все-таки присущ и общий период колебаний Т; поэтому он утверждал, что ухо в действительности воспринимает только основной тон, соответствующий периоду Т. При этом он отметил, что, например, на сирене он никогда не слышал омовских обертонов или же слышал их настолько слабо, что это никак не согласуется с теорией. Он только допускал, что число членов и величины постоянных в ряде Фурье определяют, быть может, характер звука и, прежде всего его тембр. Теперь Гельмгольц доказал, что мысль Ома о сложном составе звуков была безусловно правильна и что последнее предположение Зеебека с ней вполне совместимо. А именно, во всяком звуке, наряду с основным тоном, существуют и отдельные обертоны, соответствующие ряду Фурье, которых, правда, без особого навыка и внимания наше ухо отдельно не различает, но которые придают основному тону особый тембр. Поэтому он постарался прежде всего доказать, что содержащимся в сложном звуке простым тонам соответствуют особые механические действия во внешнем мире, на основании которых можно установить их объективную природу, независимо от человеческого уха и его ощущений и независимо от теоретических соображений о разложении сложных колебаний на простые синусоидальные колебания. Для этой цели он воспользовался преимущественно явлениями резонанса; он показал, что натянутая перепонка может резонировать не только на звук, равный по высоте ее собственному тону, но и на звуки, в которых собственный тон мембраны содержится как обертон. Подобные же, хотя и более сложные отношения были им установлены и для струн и вообще для всех упругих тел. В качестве наиболее чувствительных приборов для исследования звуков на содержащиеся в них обертоны он предложил применять устроенные им резонаторы, т. е. стеклянные или металлические полые шары или трубки, изображенные на приложенных черт. 15 и 16.
Черт. 15.
Черт. 16. Если подобный резонатор вставить узким концом возможно плотно в ухо, то большинство тонов, раздающихся кругом, бывает слышно значительно более тихо, чем обычно, но зато обертон звука, соответствующий по своей высоте собственному тону резонатора, бывает слышен чрезвычайно громко. Эти приборы Гельмгольца дают возможность производить анализ сложного звука и лицам, не обладающим соответствующим навыком и лишенным музыкального слуха; благодаря этому теория тембра стала доступной для всякого. Поэтому Гельмгольц считает доказанным, что при помощи чисто механического средства, вроде резонирующего тела, из сложной звуковой массы может быть выделен любой входящий в ее состав простой тон и что в звуке музыкального инструмента может содержаться любой простой тон совершенно в таком же смысле, в каком в составе белого цвета солнца или раскаленного тела содержатся различные цвета радуги. Исследовав затем в следующей главе вопрос о том, в какой мере каше ухо способно без помощи искусственных вспомогательных средств различать обертоны и воспринимать их отдельно от основного тона, он приходит к следующим выводам: 1) «Обертоны, соответствующие простым колебаниям в сложном движении воздуха, воспринимаются нами (перципируются), хотя и не всегда доходят до сознания (апперципируются); 2) они могут быть доведены до сознания, или апперципированы, и без всякого искусственного средства, одним лишь надлежащим направлением внимания; 3) однако, и в том случае, когда обертоны отдельно не воспринимаются, а растворяются во всей звуковой массе, их существование в нашем ощущении выражается в изменении тембра звука, причем большая высота их тонов характерным образом выражается в том, что самый тембр кажется ярче и выше по тону». Вместе с тем, однако, Гельмгольц считает необходимым несколько сузить понятие тембра по сравнению с распространенным неясным представлением о нем. Он определенно исключает из этого понятия многое такое, что до сих пор всегда ставилось с ним в связь, а именно, все те особенности звука, которые он приобретает при более или менее постепенном появлении или затухании тона, равно как все те сопутствующие шумы, которые подобно звукам согласных характеризуют тоны духовых инструментов и т. п. Таким образом, под музыкальным тембром он подразумевает только те особенности звука, которые соответствуют длительным равномерным и правильным периодическим движениям воздуха и которые, следовательно, могут быть объяснены только наличием обертонов.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «ИССЛЕДОВАНИЯ ГЕЛЬМГОЛЬЦА. ТЕМБР ЗВУКА» з дисципліни «Історія фізики»
