Можно представить себе инопланетян, у которых нет ушей или такого же слухового опыта, как у нас. Однако было бы трудно представить высокоразвитый вид, вообще не способный воспринимать колебания объектов. Везде, где есть атмосфера, есть и молекулы, которые колеблются в ответ на движение. И знание о том, производит ли шум тот или иной объект и движется ли он к нам или от нас, даже когда мы его не видим (например, потому что темно, или он незаметен для нашего зрения, или мы спим), очень ценно для выживания.
Поскольку большинство физических объектов заставляют молекулы колебаться одновременно в разных направлениях и поскольку у многих объектов числовые значения этих колебаний кратны друг другу, мы ожидаем услышать и ощутить обертоновый ряд везде: в Северной Америке, на Фиджи, на Марсе и на планетах, вращающихся вокруг Антареса. Любой организм, эволюционировавший в мире колеблющихся объектов, скорее всего — при условии, что он эволюционировал достаточно долго, — развил у себя в мозгу систему, которая обрабатывает эти закономерности. Поскольку высота звука — фундаментальное свойство идентичности объекта, мы ожидаем найти в мозгу рассматриваемого существа тонотопические карты, как в слуховой коре человека, а также увидеть синхронные разряды нейронов на ноты, находящиеся на интервале в октаву друг от друга и в иных гармонических отношениях. Именно так мозг (инопланетного или земного существа) понимает, что все звуки производит один и тот же объект.
Обертоны часто обозначаются цифрами: первый обертон — это первая частота вибрации выше основной, второй обертон — вторая частота вибрации выше основной и т. д. Поскольку физики любят описывать все слишком сложно, чтобы остальные ничего не поняли, существует и параллельная терминологическая система, где эти явления называются гармониками, и, как мне кажется, ее придумали специально для того, чтобы свести с ума студентов. Согласно этой терминологии, первая гармоника — основная частота звука, вторая соответствует первому обертону и т. д. Не все инструменты создают колебания на четко определенных частотах. Иногда, как, например, у фортепиано (поскольку оно своего рода ударный инструмент), обертоны могут быть почти кратны основной частоте, но не совсем точно, и как раз благодаря этому инструмент имеет такое характерное звучание. Ударные инструменты, колокольчики и другие подобные предметы — в зависимости от своего устройства и формы — нередко создают обертоны, частота которых не кратна основной частоте, и их называют негармоническими обертонами. Как правило, звучанию инструментов с негармоническими обертонами не хватает ясного ощущения высоты тона, которое мы ассоциируем с гармоническими инструментами, и нейрональная основа этого, вероятно, связана с отсутствием синхронного возбуждения нейронов. Однако высоту звука мы все равно воспринимаем и наиболее ясно слышим ее, когда исполняем на инструменте несколько негармонических нот подряд. Напевать под звук одной ноты, сыгранной на деревянной колоде или колокольчике, вероятно, не получится, а вот целую узнаваемую мелодию на них мы можем исполнить, потому что мозг фокусируется на переходе от одного набора обертонов к другому. Примерно то же происходит, когда мы слышим, как кто-то выстукивает мелодию пальцем по надутым щекам.
Флейта, скрипка, труба и фортепиано способны сыграть одну и ту же ноту — можно обозначить ее в нотной записи, и все инструменты сыграют ее с одинаковой основной частотой, а мы (скорее всего) услышим звук одной высоты. Но все эти инструменты звучат очень по-разному.
Их различие заключается в тембре — наиболее важном и значимом для выживания свойстве звуков. Тембр — это основная характеристика, отличающая рычание льва от мурлыкания кошки, раскаты грома от грохота океанских волн, голос нашего друга от голоса налогового инспектора, встречи с которым нам хотелось бы избежать. У людей настолько развита способность к различению тембров, что большинство из нас может распознавать сотни голосов. Основываясь на тембре голоса, мы даже определяем, счастлив или печален кто-то из наших близких, здоров он или простужен.
Тембр порождают обертоны. У разных материалов различная плотность. Если взять кусок металла и кусок древесины одинакового размера и поместить в пруд, то металл утонет, а дерево останется на плаву. Отчасти из-за плотности, а отчасти из-за размера и формы разные предметы издают разные звуки, если стукнуть по ним рукой. Представьте себе звук, который вы услышите, если постучите молотком (только аккуратно, пожалуйста!) по гитаре, — такой глухой, деревянный
Когда вы слышите, как саксофон играет звук с основной частотой в 220 Гц, на самом деле вы слышите больше одного тона. Другие тоны, которые вы слышите, кратны основной частоте: 440, 660, 880, 1100, 1320, 1540 и т. д. У этих разных тонов — обертонов — разная интенсивность, вот почему мы слышим их как звуки разной громкости. Особенно интересные громкости у обертонов саксофона, и именно они порождают его неповторимый тональный окрас, его неповторимое звучание — его тембр. Если сыграть ту же самую ноту (220 Гц) на скрипке, ее обертоны расположатся на тех же частотах, но громкость каждого из них будет отличаться от громкости других. У каждого инструмента уникальная система обертонов (например, у одного второй обертон громче, чем у другого, а пятый — тише). Практически все тональные вариации, слышимые нами, — то самое свойство, которое делает звук трубы трубным, а звук фортепиано фортепианным, — основаны на уникальном распределении громкости обертонов.
У каждого инструмента своя неповторимая система обертонов, подобная отпечатку пальца. Это сложная система, благодаря которой мы можем идентифицировать инструмент. Кларнеты, например, характеризуются относительно большим количеством энергии в нечетных гармониках — в три, пять, семь раз кратных основной частоте и т. д. (это следствие того, что кларнет закрыт с одного конца и открыт с другого). Трубы отличает относительно равномерное количество энергии как в нечетной, так и в четной гармониках (как и кларнет, труба закрыта с одного конца и открыта с другого, а мундштук и колокол сглаживают натуральный звукоряд). Скрипка, вогнутая посередине, будет давать в основном нечетные гармоники и, следовательно, звучать подобно кларнету. А если она вогнута на одной трети длины, то это подчеркивает третью гармонику и кратные ей: шестую, девятую, двенадцатую и т. д.
У трубы свой неповторимый тембральный отпечаток, который легко отличить от тембрального отпечатка скрипки, фортепиано и даже человеческого голоса. 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. А с технологией FM-синтеза у любого музыканта появилась возможность добиться убедительного звучания нажатием одной кнопки. Авторы песен и композиторы, которые не имели средств, чтобы нанять духовую секцию или целый оркестр, получили возможность экспериментировать со звуками. Композиторам и дирижерам стало удобнее пробовать разные аранжировки — без необходимости привлекать целый оркестр, чтобы послушать, что хорошо звучит, а что нет. Группы новой волны, такие как The Cars и The Pretenders, а также популярные исполнители вроде Стиви Уандера, Hall & Oates и Фила Коллинза начали широко использовать FM-синтез в своей музыке. Многое из того, что мы называем «звучанием восьмидесятых» в популярной музыке, обязано своей неповторимостью особому звучанию инструментов, использующих FM-синтез.
Когда эта технология получила распространение, у Чоунинга появился стабильный доход от авторских отчислений, и он смог сделать имя центру CCRMA и привлечь аспирантов и высококлассных преподавателей. Среди первых из множества известных фигур в электронной музыке и психологии музыки в CCRMA пришли Джон Пирс и Макс Мэтьюз. Пирс был вице-президентом по исследованиям в Лабораториях Белла в Нью-Джерси и руководил командой инженеров, которые собрали и запатентовали транзистор, — и именно он дал название новому устройству (от англ. TRANSfer resISTOR). У Пирса была выдающаяся карьера, ему также приписывают изобретение лампы бегущей волны и запуск первого телекоммуникационного спутника «Телстар». Еще он известен как писатель-фантаст: он писал под псевдонимом Дж. Дж. Каплинг. Пирсу удалось создать редкую для своей области и любой лаборатории исследовательскую среду, где ученым хотелось работать в полную силу и где их творчество высоко ценилось. В то время у Bell Telephone Company / AT&T была полная монополия на телефонную связь в США, и компания зарабатывала огромные деньги. Лаборатория стала чем-то вроде игровой площадки для самых талантливых изобретателей, инженеров и ученых Америки. В этой «песочнице» Пирс позволял своим работникам заниматься творчеством, не беспокоясь о конечном результате или о монетизации проектов. Пирс понимал, что настоящие инновации появляются только тогда, когда людям не нужно подвергать цензуре собственную работу и они могут свободно развивать свои идеи; немногим из их идей найдется практическое применение, и еще меньше будет тех, что станут реальными продуктами, но эти изобретения окажутся революционными, уникальными и потенциально прибыльными. В такой среде родился целый ряд инноваций, включая лазеры, цифровые компьютеры и операционную систему Unix.
Впервые я встретился с Пирсом в 1990 году, когда ему было уже восемьдесят и он читал лекции по психоакустике в «Карме». Несколько лет спустя, когда я получил докторскую степень и вернулся в Стэнфорд, мы с ним подружились и каждую среду вместе ужинали и обсуждали научные исследования. Однажды он попросил меня объяснить ему рок-н-ролл, который он не понимал и на который никогда не обращал внимания. Он знал о моей карьере в музыкальном бизнесе и потому спросил, могу ли я прийти к нему как-нибудь на ужин и поставить шесть песен, которые отражают все, что важно знать о рок-н-ролле. Шесть песен, чтобы узнать все о рок-н-ролле?! Я не был уверен даже в том, что смогу выбрать шесть песен из творчества одних только The Beatles, — что уж говорить обо всем жанре! Накануне встречи Пирс позвонил мне и сказал, что уже слышал Элвиса Пресли, так что его можно пропустить.
Вот что я принес к ужину:
— Литл Ричард — «Long Tall Sally» («Долговязая Салли»);