← Нота за нотой EN
MIDI-клавиатура не подключена
Клавиатура компьютера: C4–F5
?

A S D F G H J K L — белые клавиши от до, W E T Y U O P — чёрные. Z и X — октава ниже и выше, C и V — тише и громче. Пробел — удар в ритмических упражнениях. Раскладка не важна.

Глава 01 из 21 Звук, синтезатор, MIDI ≈ 40 мин 5 упражнений

Струна, частота, октава

Лабораторный журнал с одной струной. Семь опытов: делаем ставку, слушаем, измеряем. В конце — ответ на вопрос, почему низкая и высокая до звучат как одна нота, и первая подсказка, откуда в октаве двенадцать клавиш.

В этой главе

  • объяснить, что такое высокий и низкий звук физически, и прочитать частоту в герцах
  • услышать и показать на струне октаву, квинту и кварту как отношения 2 : 1, 3 : 2, 4 : 3
  • понять, почему ноты через октаву звучат как одна и та же нота
  • слышать биения и подстраивать звук по ним, различать разницу меньше одной клавиши
  • посчитать, почему двенадцать квинт не возвращают точно в ту же ноту

В прошлой главе ваше ухо сделало несколько вещей, которые трудно объяснить словами. Оно услышало «ту же ноту, только выше», хотя ноты были разные. Оно склеило десять звуков в один. Эта глава — про то, что за этим стоит физически. Слово «высокий» мы говорим о звуке так же легко, как о башне, но звук не бывает выше или ниже в метрах. Что тогда растёт, когда звук «поднимается»?

Глава устроена как лабораторный журнал. У нас один прибор — монохорд: одна струна над деревянным ящиком и передвижная порожка, которая делит её на две части. Больше двух тысяч лет на таком приборе изучали музыку, и почти всё, что вы узнаете ниже, можно было услышать уже на нём. В каждом опыте сначала ставка — что, по-вашему, прозвучит, — потом звук, потом измерение. Ставки ничего не стоят: угаданная приятна, неугаданная запоминается лучше.

Почему высокая и низкая до звучат как «одна и та же нота»?

Опыт 1. Что дрожит

Любой звук — это колебание. Струна, мембрана динамика, язычок губной гармошки ходят туда-обратно и толкают воздух. Воздух рядом то сжимается, то разрежается, и эти сгущения бегут во все стороны со скоростью около 343 метров в секунду и доходят до барабанной перепонки. Она начинает колебаться так же, как струна, — и мы слышим.

Число колебаний за одну секунду называют частотой. Единица — герц: 1 Гц — одно колебание в секунду, 440 Гц — четыреста сорок. Ниже осциллограф: картинка того, как во времени меняется давление воздуха. На экране сотая доля секунды. Включите звук и двигайте ползунок.

Чем чаще колебания, тем выше звук. Вот и весь ответ на вопрос «что такое высокий звук»: это частые колебания. То, что ухо слышит как высоту, физика измеряет как частоту. При 50 Гц на экране половина колебания, звук низкий, гудящий. При 2000 Гц — двадцать колебаний, звук тонкий, как писк. Нажмите любую клавишу на клавиатуре: осциллограф покажет её частоту. Ля первой октавы (A4) — ровно 440 Гц, до первой октавы (C4) — 261,6 Гц.

Обратите внимание на строчку «Длина волны». Пока одно колебание длится, звук успевает пролететь какое-то расстояние. У ля 440 Гц это 78 сантиметров, у низкой до малой октавы (C3) — 2,6 метра. Поэтому басовым колонкам нужны большие динамики, а пищалке хватает монетки.

Человек слышит примерно от 20 до 20 000 Гц; верхняя граница с возрастом опускается, и у взрослых часто кончается на 15–16 тысячах. Клавиатура рояля занимает скромную середину: нижняя клавиша — ля субконтроктавы (A0), 27,5 Гц, верхняя — до пятой октавы (C8), 4186 Гц. Всё, что выше, — это не новые ноты, а «блеск» и «воздух» в звуке тех же нот. К ним мы вернёмся в опыте 4.

У каждого синтезатора есть ручка, которая меняет частоту генератора: на аналоговых она часто подписана «Tune» или «Pitch», а колесо высоты (pitch bend) сдвигает её во время игры. Всё это — тот же ползунок частоты, что и выше.

Ухо различает высоту поразительно тонко. Сначала проверим на соседних клавишах: две ноты, одна за другой, разница в одну или две клавиши.

Соседние клавиши — это не предел. Расстояние между ними делят на сто равных частей и называют их центами. Цент придумал англичанин Александр Эллис в 1880‑х, чтобы сравнивать строи разных народов. В октаве 1200 центов. Натренированное ухо в среднем регистре замечает разницу в несколько центов. В упражнении ниже разница начинается с 50 центов — полклавиши — и потом сужается.

Если на 15 центах вы угадываете через раз — это нормально для начала. Тренажёр «Выше или ниже» сближает звуки постепенно, и с практикой порог заметно опускается.

Опыт 2. Половина струны

Теперь монохорд. Длина струны — метр, натянута она грузом в 7 килограммов, и вся струна звучит как до малой октавы (C3), 130,8 Гц. Прежде чем двигать порожку, сделайте ставку под прибором.

Поставьте порожку на ½ и нажмите «По очереди»: сначала звучит вся струна, потом её половина. Половина колеблется ровно вдвое чаще, 261,6 Гц. И звучит она как та же нота, только выше: до первой октавы (C4). Это расстояние называют октавой, и оно — самое главное число этой главы: 2 : 1.

Двигайте порожку дальше. Две трети струны дают отношение 3 : 2 — звук, который ладит с исходным почти так же хорошо, как октава. Это квинта: от до получилась соль. Три четверти струны дают 4 : 3, кварту: от до — фа. Посмотрите на строчку «Ближайшая нота»: квинта на струне на 2 цента выше клавиши соль, кварта на 2 цента ниже клавиши фа. Откуда эти два цента, станет ясно в опыте 7.

Струна короче — звук выше, и во столько же раз. Это первый закон струны. Есть ещё два, и ползунок «Натяжение» показывает второй. Попробуйте угадать, прежде чем его трогать.

Груз на струне монохорда увеличили вдвое: с 7 до 14 килограммов. Что будет со звуком?

Частота растёт как квадратный корень из натяжения: вдвое больший груз даёт √2 ≈ 1,41, то есть 185 Гц — фа-диез малой октавы. Чтобы получить октаву, груз нужно учетверить, до 28 кг. Проверьте ползунком.

Третий закон — толщина: чем тяжелее струна на каждый сантиметр, тем ниже звук. Поэтому басовые струны у гитары и рояля толстые, да ещё обмотаны проволокой. Все три закона вместе:

$$f = \frac{1}{2L}\sqrt{\frac{T}{\mu}}$$

Здесь $L$ — длина струны, $T$ — натяжение, $\mu$ — масса одного метра струны. Формула в нашем приборе настоящая: метр стальной струны весом около грамма при натяжении 7 кгс даёт как раз 130,8 Гц.

Теперь потренируйте ухо на монохорде. Звучит вся струна, потом её часть. Какая это часть? Подсказка: половина звучит как та же нота, две трети — самый «открытый» и ровный шаг, три четверти — шаг поменьше.

Опыт 3. Ухо считает «во сколько раз»

Ставка без кнопок: октава от до малой (130,8 Гц) до до первой (261,6 Гц) — это прибавка 131 Гц. Сколько герц нужно прибавить к до первой октавы, чтобы снова прозвучала октава? Решите, прежде чем читать дальше.

Ещё 131 Гц дадут 392 Гц — это соль, а не до. Октава выше до первой — 523,3 Гц, прибавка 262 Гц. Каждая следующая октава вдвое шире предыдущей в герцах, а на слух все они одинаковые. Ухо считает не «на сколько», а «во сколько раз». Посмотрите, как это выглядит на линейке: все 88 клавиш рояля по своим частотам.

В режиме «Герцы поровну» верхняя октава клавиатуры занимает половину линейки, а три нижние сжаты в полоску у левого края. В режиме «Отношения поровну» каждая октава получает одинаковый отрезок — и клавиши ложатся ровно, как на настоящей клавиатуре. Такая шкала называется логарифмической. Ей пользуется не только ухо: так же мы оцениваем громкость, и так устроены шкалы частот в любой программе для музыки.

Высота звука — это частота колебаний, но ухо меряет её отношениями. Одинаковое отношение звучит как одинаковый шаг, где бы оно ни было: октава — это всегда 2 : 1, внизу клавиатуры и вверху.

Поэтому ручки частоты среза в синтезаторах и эквалайзеры в DAW размечены неравномерно: 100, 1k, 10k стоят на одинаковых расстояниях. Это та же логарифмическая линейка.

Опыт 4. Одна струна — много звуков

До сих пор мы рисовали струну, которая качается одной дугой. Настоящая струна делает больше. Одновременно с этой дугой она колеблется половинками, третями, четвертями — и каждая такая часть даёт свою частоту: вдвое, втрое, вчетверо выше. Самая нижняя частота — основной тон, остальные — обертоны. Звучат они вместе, и ухо слышит одну ноту. Считать их удобно вместе с основным тоном: сам основной тон — первая гармоника, вдвое выше — вторая, втрое — третья.

Нажмите «По одному снизу вверх»: прозвучат по очереди первые десять частот струны до большой октавы (C2). Послушайте, какие ноты получаются: до, до, соль, до, ми, соль, почти си-бемоль, до, ре, ми. Подписи на кнопках говорят то же самое. Вторая, четвёртая и восьмая — это октавы над основным тоном. Третья и шестая — квинты. Пятая и десятая — ми, и вот она уже на 14 центов ниже клавиши. Седьмая звучит на 31 цент ниже си-бемоля: такой клавиши на клавиатуре нет.

Теперь выключайте обертоны по одному и нажимайте «Щипок». Без верхних звук становится глухим, ближе к свисту. С ними — ярче и звонче. Высота не меняется, меняется окраска звука. Передвиньте точку щипка на середину: у всех чётных гармоник там неподвижная точка, они не возбуждаются, и звук становится пустым, «полым», чуть похожим на кларнет. Гитаристы знают это на слух: у подставки струна звучит резко, над грифом — мягко.

Любое периодическое колебание раскладывается на такие частоты — это показал Жозеф Фурье в начале XIX века. Как из синусов складываются меандр и пила, можно покрутить в «Рядах Фурье» на этом сайте. А как синтезатор этим пользуется, чтобы сделать звук флейты или скрипки, — тема главы 2.

Опыт 5. Почему до и до — одна нота

Теперь у нас есть всё, чтобы ответить на первый большой вопрос. Сложите две ноты с разными отношениями частот и посмотрите на картинку: сверху волны, снизу обертоны обеих нот. Но сначала ставка.

Посмотрите на нижнюю картинку при 2 : 1. Гармоники нижней ноты стоят наверху: 1, 2, 3, 4… Гармоники верхней — внизу, и каждая из них совпала с одной из нижних. Частота верхней до — 2 части, её обертоны — 4, 6, 8: всё это уже звучит в нижней до. Верхняя нота не приносит в звук ни одной новой частоты. Она только подчёркивает чётные обертоны нижней. Неудивительно, что мозг принимает её за «ту же ноту, только посветлее».

При 3 : 2 совпадает половина гармоник верхней ноты, при 4 : 3 — треть, при 15 : 8 — почти ничего. Чем меньше числа в отношении, тем больше совпадений и тем спокойнее звучит пара. Это и есть самая старая идея теории музыки, и под ней настоящая физика.

Есть и вторая причина, слуховая. В опыте 4 вторая гармоника струны — уже октава. Почти любой звук, который мы слышим с рождения, — голос, струна, труба — несёт в себе свою октаву. Похоже, мозг привык, что эти две частоты приходят вместе, и складывает их в одно. Отсюда и то, что вы заметили в прошлой главе: ноты через октаву звучат похоже, и в большинстве музыкальных культур их называют одинаково.

Ответ на первый вопрос. Ноты через октаву звучат как одна, потому что их частоты относятся как 2 : 1: все обертоны верхней ноты уже есть в нижней, и волны совпадают через каждые два колебания верхней. Ухо слышит такую пару почти как одну ноту.

Сдвиньте ползунок «Сбить» хотя бы на 10 центов. Совпадения пропадают, волны расходятся. Чистая октава — точка, а не область. Проверьте, слышите ли вы её: две ноты одна за другой, вторая выше. Это та же нота или другая?

Опыт 6. Биения

Если две частоты почти совпадают, происходит забавная вещь. Волны то складываются гребень к гребню, и звук громче, то гасят друг друга, и звук тише. Громкость качается: «уа-уа-уа». Это биения, и их частота $\nu$ считается проще всего на свете — это разница двух частот:

$$\nu = |f_1 - f_2|$$

220 и 223 Гц дают три биения в секунду — посчитайте их по лампочке. Двигайте ползунок к нулю: биения замедляются, и в точке совпадения пропадают совсем. На 0,5 Гц качание растягивается на две секунды; на 8 Гц сливается в хриплую дрожь.

Переключитесь на «Октаву». Теперь звуки на 220 и 443 Гц, и это не унисон, но биения всё равно слышны. Бьётся вторая гармоника нижней ноты (440 Гц) с основным тоном верхней (443 Гц). Так же в «Квинте» бьются третья гармоника нижней и вторая верхней. Эти биения — то, что музыканты называют «грязно». Когда они пропадают, пара строит чисто.

Так настраивают инструменты на слух: настройщик рояля держит две струны и подкручивает колок, пока биения не замедлятся и не исчезнут. Попробуйте сами. Ползунок — колок вашей струны.

Вам не нужно знать, в какую сторону крутить: биения медленнее — значит, ближе. Это умение пригодится всякий раз, когда два синтезатора или синтезатор и живой инструмент должны звучать вместе. Продолжение — в тренажёре «Настройка в унисон».

Каждый электронный тюнер, каждая MIDI-клавиатура и каждый синтезатор в браузере начинают счёт с этого числа. От него все клавиши этого курса и получают свои частоты: нота на $n$ клавиш выше ля звучит с частотой $440 \cdot 2^{n/12}$ Гц. Откуда в этой формуле двенадцать — последний опыт.

Опыт 7. Двенадцать квинт

Возьмите до и поднимайтесь квинтами: каждый шаг умножает частоту на 3/2. Чтобы не улететь за край клавиатуры, всякий раз, когда нота выходит за октаву, опускайте её на октаву вниз — делите на 2. Квинты дают новые ноты: соль, ре, ля, ми, си… Сколько шагов до возвращения в до? И вернёмся ли?

Нажимайте «+ квинта». Точки обходят круг по всем двенадцати клавишам, чёрным и белым, и каждая встаёт чуть дальше своей клавиши. После двенадцатого шага вы почти в до. Почти: на 23,46 цента выше. Нажмите «Начало и конец вместе» — эти две «до» бьются, примерно три с половиной раза в секунду. Арифметика простая:

$$\left(\tfrac{3}{2}\right)^{12} = 129{,}746\ldots, \qquad 2^7 = 128$$

Эта разница — пифагорова комма. Её нельзя устранить: степень тройки никогда не станет степенью двойки, потому что одна нечётная, а другая чётная. Круг из чистых квинт не замыкается ни через двенадцать шагов, ни через сколько угодно.

Почему же тогда все сошлись именно на двенадцати? Посмотрите, насколько близко к круглому числу октав подходят разные количества квинт.

Пять квинт промахиваются на 90 центов — почти на целую клавишу. Семь — на 114. Двенадцать — на 23. Это первое число, на котором круг квинт почти сходится, и до 41 квинты лучшего не найти. Двенадцать — достаточно мало, чтобы сделать клавиатуру под пальцы, и достаточно точно, чтобы почти не испортить квинты. Остаётся решить, куда девать 23 лишних цента.

Современный ответ — равномерная темперация. Комму делят поровну между всеми двенадцатью квинтами: каждую сужают на 23,46 : 12 ≈ 1,96 цента. Тогда октава делится на двенадцать одинаковых шагов, и каждая клавиша выше соседней в одно и то же число раз:

$$\sqrt[12]{2} \approx 1{,}059463$$

Переключите круг на «Равномерные» и пройдите двенадцать шагов снова: круг замкнётся точно. Квинта теперь — это $2^{7/12} \approx 1{,}4983$ вместо 1,5, и вот откуда те два цента на монохорде в опыте 2. На до первой октавы такая квинта даёт меньше одного биения в секунду — 0,89. Ухо почти не замечает потери, а взамен любая мелодия звучит одинаково от любой клавиши.

Сколько раз нужно умножить частоту на ¹²√2 — шаг между соседними клавишами, — чтобы получить октаву?

Двенадцать шагов по ¹²√2 — это ровно удвоение частоты: (¹²√2)¹² = 2. Семь белых клавиш в октаве — тоже правда, но между ними есть ещё пять чёрных, и все двенадцать шагов одинаковые.

Поделить октаву на двенадцать равных шагов и точно вычислить корень двенадцатой степени из двух первыми сумели почти одновременно на двух концах света: в Китае — принц Чжу Цзайюй (1584), в Нидерландах — математик Симон Стевин (около 1605). Утвердилась равномерная темперация не сразу: ещё два века с лишним музыканты спорили, какие квинты и терции портить и насколько.

Почему нот именно двенадцать?

Половину ответа вы уже знаете: двенадцать квинт почти равны семи октавам, и это самое маленькое число, при котором круг почти сходится. Вторая половина — как эти двенадцать нот называются, почему среди них есть белые и чёрные, и что такое шаг между соседними, — в главе 11.

Двенадцать квинт почти равны семи октавам, но не точно: остаётся пифагорова комма, 23,46 цента. Равномерная темперация раздаёт её поровну, и каждая из двенадцати клавиш выше соседней в $\sqrt[12]{2}$ раз.

Что дальше

Теперь вы знаете, что высота — это частота колебаний, а ухо меряет её отношениями. Вы слышали, как половина струны даёт октаву, а две трети — квинту. Вы видели, что в звуке одной струны прячется целая лестница обертонов, и что октава звучит как та же нота, потому что все её обертоны уже есть внизу. Вы умеете слышать биения и подстраивать по ним звук, а заодно знаете, откуда в октаве двенадцать клавиш.

Но в этой главе осталась загадка. Ля 440 Гц на скрипке и на флейте — одна и та же нота, с одним и тем же основным тоном. А спутать их невозможно. Подсказка уже была в опыте 4: когда вы выключали обертоны, нота оставалась той же, но звук менялся. В главе 2 мы соберём синтезатор и будем управлять обертонами руками.

В этой главе Тетрадь не меняется: здесь мы слушали и мерили. Первая запись появится в главе 3 — Тетрадь начнёт записывать ноты, которые вы играете на MIDI-клавиатуре.

Главы курса

  1. 00 Что умеет ухо
  2. 01 Струна и октава
    1. Опыт 1. Что дрожит
    2. Опыт 2. Половина струны
    3. Опыт 3. Ухо считает «во сколько раз»
    4. Опыт 4. Одна струна — много звуков
    5. Опыт 5. Почему до и до — одна нота
    6. Опыт 6. Биения
    7. Опыт 7. Двенадцать квинт
    8. Что дальше
  3. 02 Синтезатор
  4. 03 MIDI
  5. 04 Клавиатура
  6. 05 Имена нот
  7. 06 Пульс
  8. 07 Длительности
  9. 08 Размеры
  10. 09 Грув
  11. 10 Нотный стан
  12. 11 Диезы и бемоли
  13. 12 Басовый ключ
  14. 13 Интервалы
  15. 14 Мажор и минор
  16. 15 Аккорды
  17. 16 С листа
  18. 17 Подбор на слух
  19. 18 Мотив и фраза
  20. 19 Гармония и бас
  21. 20 Аранжировка
  22. 21 Свой трек
  23. 🎯Тренажёры
  24. 📓Тетрадь
  25. 📖Словарь