На музыке. Наука о человеческой одержимости звуком - Дэниел Левитин

Большинство музыкантов различают и тембры разных труб — они звучат не одинаково, как и разные фортепиано и разные аккордеоны. Отличает одно фортепиано от другого различие тембральных профилей, но, конечно, оно не столь разительно, как различия между профилями фортепиано, клавесина, органа и трубы. Мастера-музыканты могут услышать разницу между скрипками Страдивари и Гварнери за одну-две ноты. Я очень отчетливо слышу разницу между своей акустической гитарой Martin 000-18 1956 года, Martin D-18 1973 года и Collings D2H 1996 года. Они звучат как разные инструменты, хотя все являются акустическими гитарами. Я бы никогда их не перепутал. Вот что такое тембр.

Естественные инструменты, то есть акустические инструменты, сделанные из природных материалов вроде дерева или металла, как правило, производят энергию на нескольких частотах одновременно как раз благодаря тому, что молекулы у них внутри колеблются на разных частотах. Предположим, что я изобрел инструмент, который, в отличие от всех известных нам традиционных инструментов, производит энергию только на одной частоте. Давайте назовем этот гипотетический инструмент генератором (потому что он генерирует тоны на определенных частотах). Если я создам целый ряд таких генераторов, я могу настроить каждый из них так, чтобы он воспроизводил одну определенную частоту, и частоты всего ряда генераторов будут соответствовать частотам серии обертонов конкретного инструмента, исполняющего определенную ноту. Банк генераторов воспроизводил бы звуки с частотами в 110, 220, 330, 440, 550 и 660 Гц, и у слушателя создавалось бы впечатление, что он слышит ноту на частоте 110 Гц, исполненную на определенном музыкальном инструменте. Кроме того, я мог бы контролировать амплитуду каждого из генераторов и настраивать каждый тон на определенную громкость, соответствующую профилю обертона естественного музыкального инструмента. Если бы я так сделал, то получившийся набор генераторов мог бы воспроизводить звучание кларнета, флейты или любого другого инструмента, которое я попытался бы воспроизвести.

Аддитивный синтез, подобный описанному выше подходу, позволяет задавать тембр музыкального инструмента путем сложения элементарных компонентов звука. Трубы многих органов, например в церквях, как раз позволяют поэкспериментировать с этой особенностью. На большинстве органов вы нажимаете клавишу (или педаль), которая посылает струю воздуха в металлическую трубу. Орган состоит из сотен труб разного размера, и все они, пропуская воздух, производят звуки различной высоты, соответствующей размеру трубы. Можно представить их как механические флейты, воздух в которые подается не дыханием человека, а электрическим двигателем. Звучание церковного органа — его особый тембр — следствие наличия энергии одновременно на нескольких частотах, как и в других инструментах. Каждая труба органа производит серию обертонов, и, когда вы нажимаете клавишу на клавиатуре органа, столб воздуха врывается одновременно в несколько труб, давая богатый спектр звуков. Когда мы играем ноту, звучит не только труба, колеблющаяся на основной частоте этой ноты, но и дополнительные трубы. Частота их колебаний либо кратна основной частоте нашей ноты, либо тесно связана с ней математически и гармонически.

Обычно органист контролирует, в какие из этих дополнительных труб он хочет подать воздух, с помощью рычагов, направляющих поток. Зная, что у кларнетов много энергии в нечетных гармониках обертонового ряда, опытный органист мог бы сымитировать звучание кларнета, открывая и закрывая отверстия таким образом, чтобы воссоздать обертоновый ряд этого инструмента. Взять немного 220 Гц, щедро приправить 330 Гц, добавить ложечку 440 Гц и полстакана 550 Гц, и — вуаля! — у нас готово убедительное факсимиле другого музыкального инструмента.

В конце 1950-х годов ученые стали экспериментировать с подобным синтезом различных тембров в компактных электронных устройствах, образовавших новое семейство музыкальных инструментов, в совокупности известных как синтезаторы. К 1960-м годам синтезаторы уже можно было услышать в песнях The Beatles «Here Comes the Sun» («А вот и солнце») и «Maxwell’s Silver Hammer» («Серебряный молоток Максвелла»), а также в альбоме Switched-On Bach («Включенный Бах») Венди Карлос. За ними последовали группы, которые все свое звучание выстраивали относительно синтезатора, например Pink Floyd и ELP.

Во многих синтезаторах использовался аддитивный синтез, который я описал выше, а в более поздних появились алгоритмы посложнее, например цифровой волновод (его изобрел Джулиус Смит из Стэнфорда) и частотно-модуляционный синтез, или FM-синтез (метод, предложенный Джоном Чоунингом, тоже из Стэнфорда). Однако простое копирование обертонового профиля хоть и позволяет создать подобие настоящего инструмента, дает довольно неубедительный звук. Тембр — нечто большее, чем обертоновый ряд. Исследователи до сих пор спорят о том, что означает это «большее», но их мнения сходятся в том, что, кроме обертонового профиля, тембр определяют еще два свойства, помогающие нам отличить один инструмент от другого: атака звука и изменяемость звука.

Стэнфордский университет располагается среди буколических пейзажей к югу от Сан-Франциско и к востоку от Тихого океана. На западе от него — холмы с пастбищами, а всего в часе езды на восток — плодородная Калифорнийская долина, где собирается значительная часть мирового урожая винограда, из которого делают изюм, а также хлопка, апельсинов и миндаля. К югу, недалеко от города Гилроя, раскинулись обширные поля чеснока. Там же, в южном направлении, находится Кастровиль, известный как «артишоковая столица мира» (как-то я внес предложение в Торговую палату Кастровиля переименовать город в «артишоковую сердцевину», но энтузиазма это не вызвало).

Стэнфорд стал вторым домом для специалистов по компьютерным наукам и инженеров, любящих музыку. Джон Чоунинг, хорошо известный композитор-авангардист, с 1970-х годов преподавал там на музыкальном факультете и был в числе новаторов того времени, использовавших компьютер для создания, хранения и воспроизведения звуков в своих сочинениях. Позднее Чоунинг основал в Стэнфорде Центр компьютерных исследований в музыке и акустике (на английском сокращенно CCRMA, мы произносили это как «Карма»). Чоунинг — очень приятный человек. Когда я учился в Стэнфорде, он порой клал руку мне на плечо и спрашивал, над чем я сейчас работаю. Возникало ощущение, что даже разговор со студентом он воспринимал как повод чему-нибудь научиться. В начале 1970-х годов, изучая возможности компьютера и синусоидальных волн — разновидности искусственных звуков, которые создаются компьютерами и используются в качестве строительных блоков для аддитивного синтеза, Чоунинг заметил, что, если менять частоту звуков прямо во время воспроизведения, они получаются музыкальными. Настроив параметры таким образом, он смог сымитировать тембры целого ряда музыкальных инструментов. Новый метод получил название частотно-модуляционного синтеза, или FM-синтеза, и начал использоваться в линейке синтезаторов Yamaha DX9 и DX7. Технология FM-синтеза произвела революцию в музыкальной индустрии с момента появления этих синтезаторов в 1983 году. FM-синтез сделал синтезирование музыки демократичным. До его появления эти инструменты были дорогими, громоздкими и трудными в управлении. Для создания новых звуков приходилось долго экспериментировать и что-то изобретать.