Частичные тоны

Частичные тоны или обертоны (от нем. Oberton - верхний тон) - это неизбежные примеси, присутствующие в звуке любой природы. Их частоты всегда кратны частоте основного звука, а их количество и громкость может сильно варьироваться, благодаря чему и образуется различная тембровая окраска звука.

Если бы струна воспроизводила только основной тон, то форма ее волны соответствовала бы следующему графическому изображению:

Но звуковая волна на практике всегда имеет довольно сложную форму, часто далеко не походящую на математическую синусоиду. Происходит это вследствие того, что колеблющееся тело (в нашем случае струна), вибрируя, преломляется в равных частях. Эти части производят самостоятельные колебания в общем процессе вибрации тела и образуют дополнительные волны, соответствующие их длине. Дополнительные (простые) колебания и вызывают образование частичных тонов.

Высота частичных тонов различна, так как скорость колебания волн, от которых они образуются, не одинакова. Например, длина волны второго частичного тона, образующейся от половины струны, в два раза короче волны основного тона, а частота колебаний ее в два раза скорее и т. д.:

Если принять за единицу число колебаний первого звука (основного тона) струны, то числа колебаний частичных тонов выразятся рядом целых чисел. Такой ряд звуков называется натуральным звукорядом. А обертоны, кратные основному тону по целому числу называются гармониками.

Приняв за основной тон звук до большой октавы, мы будем иметь следующий ряд звуков:

Пример гармонических обертонов: (абсолютная гармония)

f	440 Hz	основной тон	первая гармоника
2f	880 Hz	первый обертон	вторая гармоника
3f	1320 Hz	второй обертон	третья гармоника
4f	1760 Hz	третий обертон	четвертая гармоника

Но в звуке струны имеются не только гармонические обертоны. Дело в том, что реальная, а не идеальная струна, может иметь утолщение или утоньшение на каком-то участке (либо производственный деффект, либо дефект от долгой игры на струне, от грязи, ржавчины и бог знает чего еще). Следовательно этот участок будет производить обертоны немного отличающиеся от идеальной гармоники. Такие обертоны называются ингармониками. Звуковая волна ингармоники не всегда бывает идеально периодичной.

Не всегда наличие ингармоник является недостатком. В некоторых случаях способность музыкальных инструментов (барабанов, там-тамов, колокольчиков) производить обертоны, которые немного ниже или выше значения кратного основному тону, ценятся именно за это уникальное звучание. Заметим, что некоторые инструменты, например, камертон или флейта, способны выдавать чистый или практически чистый, идеальный звук, так как их обертоны находятся очень близко к кратному основному тону, т.е. ингармоники отсутствуют или неуловимы.

Столь сложная структура звучания простой одиночной струны не воспринимается нами сознательно, потому что подобное строение имеют, в принципе, все звуки, с которыми мы имеем дело в своей жизни; а также потому, что громкости, амплитуды этих призвуков чаще всего на несколько порядков меньше, чем амплитуда главной, основной частоты струны.

На характер тембра влияют и количество слышимых обертонов,, и то или иное распределение громкости между отдельными гармониками сложного музыкального звука. Если, например, вторая гармоника будет громче основного тона, третья — громче второй, а затем громкость будет снижаться, то возникнет тембр, близкий тембру гобоя. На некоторых электрических музыкальных инструментах можно подобрать любую интенсивность различных обертонов и, составляя, таким образом, из отдельных простых тонов сложный звук, имитировать тембры различных музыкальных инструментов. Так, например, если выделить нечетные гармонические тоны — первый, третий и пятый, — то в результате синтезируется тембр кларнета.