В музыке негармоничность — это степень отклонения частот обертонов ( также известных как частичные или частичные тона ) от целых кратных основной частоты ( гармонического ряда ).
С акустической точки зрения нота, воспринимаемая как имеющая одну отчетливую высоту, на самом деле содержит множество дополнительных обертонов. Многие ударные инструменты, такие как цимбалы , там-тамы и колокольчики , создают сложные и негармоничные звуки.
Музыкальная гармония и интонация сильно зависят от гармоничности тонов. Идеальная, однородная, бесконечно тонкая или бесконечно гибкая струна или столб воздуха имеет точные гармонические формы колебаний. [1] В любом реальном музыкальном инструменте резонирующее тело, создающее музыкальный тон — обычно струна, проволока или столб воздуха — отклоняется от этого идеала и имеет некоторую небольшую или большую степень негармоничности. Например, очень толстая струна ведет себя не как идеальная струна, а скорее как цилиндр (трубка с массой), естественный резонанс которой не кратен целому числу основной частоты.
Однако в струнных инструментах, таких как фортепиано , скрипка и гитара , или в некоторых индийских барабанах, таких как табла , [2] обертоны близки, а в некоторых случаях совершенно точны, к целым числам, кратным основной частоте. Любое отклонение от этого идеального гармонического ряда называется дисгармоничностью. Чем менее эластичны струны (то есть чем они короче, толще, меньше натяжения или жестче), тем большую негармоничность они проявляют.
Когда струна смыкается или тон духового инструмента инициируется вибрацией трости или губ, явление, называемое синхронизацией мод, противодействует естественной негармоничности струны или воздушного столба и заставляет обертоны фиксироваться точно на целых числах, кратных основной высоте звука, даже хотя они немного отличаются от естественных резонансных точек инструмента. По этой причине один тон, сыгранный на смычковом, духовом или язычковом инструменте, не обязательно демонстрирует негармоничность. [1]
Однако, когда по струне ударяют или перебирают, например, по струне фортепиано, по которой ударяют молотком, по струне скрипки, играемой пиццикато , или по струне гитары, по которой перебирают пальцем или плектром , струна будет проявлять негармоничность. Негармоничность струны зависит от ее физических характеристик, таких как натяжение , жесткость и длина. Например, жесткая струна при слабом натяжении (например, в басовых нотах небольших пианино) демонстрирует высокую степень негармоничности, в то время как более тонкая струна при более высоком натяжении (например, скрипичная струна в фортепиано) или более гибкая струна (например, жильная или нейлоновая струна, используемая на гитаре или арфе) будет проявлять меньшую негармоничность. Намотанная струна обычно демонстрирует меньшую негармоничность, чем эквивалентная сплошная струна, и по этой причине намотанные струны часто предпочтительнее.
В 1943 году Шак и Янг были первыми учеными, измерившими спектральную негармоничность фортепианных тонов. Они обнаружили, что спектральные части фортепианных тонов постепенно растягиваются, то есть самые низкие части растягиваются меньше всего, а более высокие части постепенно растягиваются еще больше.
Дисгармония не обязательно неприятна. В 1962 году исследование Харви Флетчера и его сотрудников показало, что спектральная негармоничность важна для того, чтобы звуки звучали как фортепиано. Они предположили, что негармоничность отвечает за свойство «теплоты», свойственное настоящим фортепианным тембрам. [3] Согласно их исследованиям, синтезированные фортепианные тембры звучали более естественно, когда была введена некоторая негармоничность. [4] В общем, электронные инструменты, которые дублируют акустические инструменты, должны дублировать как негармоничность, так и возникающую в результате растянутую настройку оригинальных инструментов.
Когда фортепиано настраивают настройщики фортепиано , техник иногда прислушивается к звуку « биения », когда две ноты играют вместе, и настраивает его до такой степени, чтобы свести к минимуму шероховатость между тонами. Настройщикам фортепиано приходится иметь дело с негармоничностью фортепианных струн, которая присутствует в разном количестве во всех диапазонах инструмента, но особенно в басовом и высоких регистрах. В результате октавы настраиваются немного шире, чем соотношение гармоник 2:1. Точная величина растягивания октав при настройке фортепиано варьируется от фортепиано к фортепиано и даже от регистра к регистру в пределах одного фортепиано - в зависимости от точной негармоничности задействованных струн.
Из-за проблемы негармоничности электронные устройства настройки фортепиано, используемые мастерами фортепиано, не предназначены для настройки в соответствии с простым гармоническим рядом. Скорее, устройства используют различные средства для дублирования растянутых октав и других настроек, которые техник делает на слух. Самые сложные устройства позволяют технику проводить индивидуальные измерения дисгармоничности, одновременно рассматривая все составляющие высоты звука и громкости, чтобы определить наиболее подходящее растяжение для данного инструмента. Некоторые из них включают возможность просто записать настройку, выполненную техником на слух; Затем техник сможет легче и быстрее воспроизвести эту настройку на том же фортепиано (или на другом фортепиано аналогичной марки и модели).
Проблемы, связанные с установкой растяжки на слух по сравнению с машиной, не решены; машины лучше определяют абсолютное расположение полутонов в пределах заданной хроматической гаммы, тогда как немашинные настройщики предпочитают регулировать эти местоположения преимущественно из-за искушения сделать интервалы более звучными. В результате фортепиано, настроенное на слух и немедленно проверенное с помощью машины, имеет тенденцию отклоняться в той или иной степени от чисто теоретического полутона (математически корень 12-й степени из двух) из-за человеческой ошибки и восприятия. (Если доставить удовольствие слуху — цель слуховой настройки, то удовлетворение математических вычислений — цель машинной настройки.) Считается, что это связано с тем, что струны могут несколько различаться от ноты к ноте и даже от соседей в унисон. Эта нелинейность отличается от истинной ложности, когда струна создает ложные гармоники, и больше похожа на незначительные изменения толщины струны, длины звучания струны или незначительные несоответствия бриджа.
Настройка фортепиано — это компромисс — как с точки зрения выбора темперации , позволяющей минимизировать расстройку в интервалах и аккордах, которые будут играться, так и с точки зрения борьбы с дисгармонией. Дополнительную информацию см. в разделах «Акустика фортепиано» и «Настройка фортепиано» .
Еще одним фактором, который может вызвать проблемы, является наличие ржавчины на струнах или грязи в обмотках. [5] Эти факторы могут немного повысить частоту высших мод, что приведет к большей негармоничности.
В то время как настройка фортепиано обычно выполняется обученными техническими специалистами, гитары, такие как акустические гитары, электрогитары и электрические бас-гитары, обычно настраиваются самим гитаристом. Когда гитарист настраивает гитару на слух, он должен учитывать как темперамент, так и дисгармонию струн. Негармоничность гитарных струн может «привести к тому, что остановленные ноты станут резкими, а это означает, что они будут звучать резче как с точки зрения высоты, так и с точки зрения ритма, чем они «должны». Это отличается от любой проблемы с темпераментом». Даже если гитара сконструирована так, что нет «ошибок угла лада или грифа», негармоничность может сделать простой подход настройки открытых струн на ноты, остановленные на пятом или четвертом ладу, ненадежным. Негармоничность также требует, чтобы некоторые из «октав, возможно, пришлось подвергать риску поминутно». [6]
Когда в 1970-х годах строб-тюнеры стали доступны, а затем в 1980-х на массовый рынок вышли недорогие электронные тюнеры , это не означало конец проблем с настройкой для гитаристов. Даже если электронный тюнер показывает, что гитара «идеально» настроена, некоторые аккорды могут звучать нестройно, когда на них играют, либо из-за негармоничности струн из-за изношенных или грязных струн, неправильного расположения лада, неправильно отрегулированного бриджа или другие проблемы. Из-за целого ряда факторов, заставить гитару звучать в гармонии — это компромиссное решение. «Изношенные или грязные струны также негармоничны, и их сложнее настроить» - проблема, которую частично можно решить, очистив струны. [1]
Некоторые исполнители предпочитают сосредоточить настройку на тональности произведения, чтобы тоника и доминантные аккорды имели чистое, резонансное звучание. Однако, поскольку этот компромисс может привести к грязному звучанию аккордов в частях пьесы, отклоняющихся от основной тональности (например, в части бриджа, модулирующей полутон вниз), некоторые исполнители предпочитают пойти на более широкий компромисс и «разделить разницу». ", чтобы все аккорды звучали приемлемо.
Другие струнные инструменты, такие как скрипка, альт, виолончель и контрабас, также демонстрируют негармоничность при взятии нот в технике пиццикато . Однако эта негармоничность исчезает, когда струны натянуты, потому что смычковое действие смычка является периодическим, [7] приводя все резонансы струны к точно гармоническим соотношениям, даже если при этом приходится немного отклонять их от их собственной частоты. В результате режим работы смычковой струны, играющей устойчивую ноту, представляет собой компромисс среди настроек всех (слегка негармонических) резонансов струны , что обусловлено сильной нелинейностью действия скачкообразного движения. [1] Блокировка режима также происходит в человеческом голосе и в язычковых инструментах, таких как кларнет . [7]