Акустика музыкальных инструментов и человеческого голосового аппарата
Общие понятия о музыкальных инструментах
§ 1. Каждый музыкальный инструмент, независимо от его устройства, может состоять в основном из следующих главных частей:
а) з в у ч а щ е г о т е л а - основной части инструмента, издающей звук. Иногда его называют латинским словом в и б р а т о р, подразумевая при этом тело, которое возбуждает звуковые волны в окружающей нас воздушной среде. Возбуждение этих волн может происходить либо путем непосредственной передачи, либо с участием промежуточных излучателей звуковой энергии;
б) в о з б у д и т е л я к о л е б а н и й звучащего тела. Для передачи энергии звучащему телу и для возбуждения его колебаний во многих случаях применяются более или менее сложные механизмы. Их устройство и форма варьируют, в зависимости от способа возбуждения колебаний и природы звучащего тела;
в) у с и л и т е л я г р о м к о с т и з в у к а, необходимого во всех тех случаях, когда отдача энергии звучащего тела окружающим его массам воздуха слишком мала. В большинстве случаев это происходит тогда, когда звучащее тело имеет слишком малую поверхность или объем. В таких случаях колебания звучащего тела должны быть переданы другому телу, имеющему большую поверхность или объем, которое тогда явится преимущественным излучателем его колебаний в окружающее воздушное пространство.
Применение твердых поверхностных излучателей необходимо во всех струнных инструментах; в этих случаях наиболее удобным видом излучателей являются резонансные деки, представляющие собой пластинки из какого-либо упругого материала (чаще всего дерева). В тех же случаях, когда звучащее тело само по себе имеет большую поверхность (пластинки, перепонки), нет необходимости в применении добавочных излучателей колебаний.
Поверхностные излучатели звуковой энергии применяются во всех звуковоспроизводящих инструментах и приборах (патефон, граммофон, электрические воспроизводители звука - громкоговорители и т. п.). Bo всех этих случаях излучателем звука в атмосферу является колеблющаяся пластинка или мембрана. Если поверхность такой пластинки мала, как, например, в мембране граммофона или фонографа, то для усиления издаваемых ею звуков применяют раструбы; в тех же случаях, когда почему-либо нежелательно или невозможно применение раструбов, излучающую поверхность колеблющейся пластинки делают достаточно большой. Такие пластинки обычно называют диффузорами.
Для того, чтобы излучатель звуковых колебаний мог хорошо выполнять свое усиливающее назначение, необходимо, чтобы он был хорошим множественным резонатором, т. е. чтобы он мог более или менее равномерно реагировать на колебания разнообразных частот, производимые звучащим телом, и более или менее равномерно отдавать их в окружающие массы воздуха. Поэтому, хотя в качестве излучателей и применяют тела, сходные по форме я конструкции с звучащими телами, но, в отличие от последних, их сооружают таким образом, или ставят в такие специальные условия, чтобы они по возможности не имели ярко выраженных собственных частот колебаний в пределах того диапазона частот, которые они предназначены усиливать и излучать.
Излучатели звуковых колебаний, как показывает практика, обычно в большей или меньшей степени участвуют также в образовании тембра излучаемых звуков. Их физические свойства благоприятствуют изменению формы звуковой волны, излучаемой звучащим телом. Регулируя устройство излучателей, мы получаем средства к управлению не только громкостью звука музыкальных инструментов, но и их тембрами.
§ 2. Существеннейшей частью каждого музыкального инструмента является одно или несколько звучащих тел.
В музыкальных инструментах применяются твердые и газообразные звучащие тела (воздух). Хотя существуют и жидкие звучащие тела, но, ввиду практических неудобств, при их использовании, они не находят применения в музыкальной практике.
Все разнообразные звучащие тела, в зависимости от их материала, формы и акустических особенностей, чешский физик Эрнст Хладни подразделил на три основные категории:
1. Тела, упругие вследствие своей природной твердости и формы; они не требуют предварительного натяжения или сжатия для того, чтобы получить способность издавать звук. Такие тела мы будем в дальнейшем называть самозвучащими телами. Они могут иметь разнообразную форму (бруски, стержни, пластинки плоские и изогнутые в виде сосудов, трубок и пр.).
Обычно такие тела применяются в свободно подвешенном состоянии, или же в положении, при котором они опираются на немногие точки и которое не влияет на их способность колебаться.
Иногда применяется частичное закрепление таких звучащих тел, в некоторой степени ограничивающее свободу их колебаний. Это относится, например, к тонким упругим стержням и удлиненным пластинкам (язычкам), которые для того, чтобы они могли издавать необходимые музыкальные звуки, укрепляются на одном конце, а второй конец остается свободным. При таком способе частичного закрепления, как это мы увидим из дальнейшего, такие самозвучащие тела приобретают особые акустические свойства.
Такие частично закрепленные самозвучащие тела мы будем в дальнейшем называ
2. Тела, становящиеся упругими вследствие натяжения, которому их подвергают. От степени натяжения, при прочих равных условиях, зависит частота их колебаний, т. е. высота издаваемого ими звука. Тела этой группы имеют форму либо с большим преобладанием одного пространственного протяжения над двумя остальными (струны), либо с большим преобладанием двух пространственных протяжений над третьим (перепонки, мембраны). Вследствие таких особенностей формы они лишены способности, подобно самозвучащим телам, колебаться и издавать музыкальные звуки в свободном или полусвободном состоянии.
3. Тела, становящиеся упругими вследствие процесса сжатия. В отличие от первых двух групп, где звучащие тела являются твердыми, тела этой группы - газообразные. Сюда относится главным образом воздух, наполняющий трубки духовых музыкальных инструментов.
§ 3. Все существующие способы возбуждения звучащих тел можно свести, в основном, к следующим трем способам:
а) У д а р или т о л ч о к. Этот способ характеризуется мгновенным приложением и передачей энергии звучащему телу, с последующим предоставлением ему полной или относительной свободы колебаний. Отдача энергии в окружающее воздушное пространство и процесс внутреннего трения в материале звучащего тела приводят к постепенному уменьшению амплитуды его колебаний, т. е. к затуханию последних (как это мы наблюдаем в струне фортепиано, колоколе и т. п.). Газообразные звучащие тела возбуждаются быстро следующими друг за другом периодическими толчками; при этом возникает более или менее длительное вынужденное и притом незатухающее колебание звучащего тела;
б) Щ и п о к или з а ц е п л е н и е. Этот способ возбуждения, характеризующийся зацеплением звучащего тела каким-либо предметом, постепенным выведением его из положения равновесия и последующим внезапным его освобождением, применим только к некоторым видам твердых звучащих тел (струны, стержни, язычки);
в) Т р е н и е. Этот способ возбуждения можно свести к ряду периодически повторяющихся зацеплений и освобождений звучащего тела, следующих в ритме его звуковой частоты. В противоположность защипыванию, после которого звучащее тело получает свободу колебаний, при возбуждении трением возбуждающее тело остается в тесном соприкосновении с звучащим телом в течение всего периода возбуждения. Возбуждение трением применимо как к твердым звучащим телам, где для повышения сцепления между возбудителем и вибратором часто применяют липкие и легкоплавкие связующие вещества, так и к газообразным, где оно используется в так называемых свистящих, или лабиальных инструментах.
Все указанные способы возбуждения звучащих тел и возникающие при этом колебательные процессы можно охарактеризовать следующим образом.
В тех случаях, когда энергия подводится к звучащему телу в форме однократного импульса (удар, толчок, зацепление) и оно после этого получает свободу, оно начинает совершать свободные и затухающие колебания, постепенно расходуя сообщенную ему энергию на преодоление сопротивления раскачиваемого воздуха, на трение вне и внутри .самого тела, на развитие в нем теплоты, на отдачу части энергии в точках закрепления или соприкосновения с другими способными колебаться телами. В этих случаях тела дают звуки, наиболее громкие в момент возникновения и более или менее быстро затухающие. Примеры - все ударные и щипковые струнные музыкальные инструменты.
Иная картина получается, когда к колеблющемуся телу энергия подводится непрерывно и длительно, малыми порциями во время каждого колебания, пополняя потери энергии, происходящие вследствие естественного их затухания. Колебания тогда приобретают постоянную амплитуду и делаются незатухающими, длящимися в продолжение всего того периода времени, когда к звучащему телу подводится энергия. Поступление энергии здесь управляется механизмом, присущим самой колебательной системе, и источник энергии, идущей на поддержание колебаний, составляет неотъемлемую часть этой системы.
Такие системы называются автоколебательными, а совершающиеся в них колебания - автоколебаниями. Примером автоколебательных систем являются: смычковые струнные инструменты, все духовые музыкальные инструменты, рече-голосовой аппарат человека и многие другие механизмы.
Особым случаем является подведение силы переменного значения к множественным резонаторам, как это мы видим в современных громкоговорителях, граммофоне, телефоне и т. п. Здесь наблюдается некоторое внешнее сходство с вышеописанными автоколебательными системами, выражающееся в том, что вибратор обычно колеблется в течение всего того периода, когда к нему подводится колебательная энергия, и может, в частности, совершать незатухающие колебания. Однако коренным отличием таких колебательных систем от настоящих автоколебательных систем является то, что вибратор здесь не управляет подведением к нему энергии, идущей на возбуждение и поддержание колебаний, не входит в состав колебательной системы, а является независимым от нее механизмом. В то время, как в настоящих автоколебательных системах вибратор активно участвует в организации и распределении колебательной энергии, в описанных системах - вибратор является телом пассивным, послушно выполняющим любые движения, в соответствии с силами, подводимыми к нему извне и организуемыми без его участия.