Акустика музичних інструментів і людського
голосового апарату
Загальні поняття про музичних інструментах
§
1. Кожний музичний інструмент, незалежно від його пристрою, може складатися
в основному з наступних головних частин:
а)
з в у ч а щ е р о т е л а - основної частини інструменту, яка видає звук. Іноді
його називають латинським словом в и б р а т о р, маючи на увазі при цьому тіло,
яке збуджує звукові хвилі в навколишньому нас повітряному середовищі. Порушення
цих хвиль може відбуватися або шляхом безпосередньої передачі, або з
участю проміжних випромінювачів звукової енергії;
б)
в о з б у д и т е л я к о л е б а н и й звучить тіла. Для передачі енергії
звучного тіла і для порушення його коливань в багатьох випадках застосовуються
більш-менш складні механізми. Їх пристрій і форма варіюють, у
залежно від способу збудження коливань і природи звучить тіла;
в)
у с и л и т е л я р р о м к о с т і з в у к а, необхідного у всіх тих
випадках, коли віддача енергії звучного тіла оточуючим його масам повітря
занадто мала. У більшості випадків це відбувається тоді, коли звучить тіло
має дуже малу поверхню або обсяг. У таких випадках коливання звучного
тіла повинні бути передані іншому тілу, що має велику поверхню або об'єм,
яке тоді з'явиться переважним випромінювачем його коливань в навколишній
повітряний простір.
Застосування
твердих поверхневих випромінювачів необхідно у всіх струнних інструментах; в
цих випадках найбільш зручним видом випромінювачів є резонансні деки,
що представляють собою пластинки з будь-якого пружного матеріалу (найчастіше
дерева). У тих же випадках, коли звучить тіло саме по собі має велику
поверхню (платівки, перетинки), немає необхідності в застосуванні додаткових
випромінювачів коливань.
Поверхневі
випромінювачі звукової енергії застосовуються у всіх звуковідтворювальних
інструментах і приладах (патефон, грамофон, електричні відтворювачів
звуку - гучномовці і т. п.). Bo всіх цих випадках випромінювачем звуку в
атмосферу є коливається платівка або мембрана. Якщо поверхню такий
пластинки мала, як, наприклад, в мембрані грамофона або фонографа, то для
посилення що видаються нею звуків застосовують розтруби; в тих же випадках, коли
чому-небудь небажано або неможливе застосування розтрубів, що випромінює
поверхня коливається платівки роблять досить великий. Такі платівки
зазвичай називають дифузорами.
Для
того, щоб випромінювач звукових коливань міг добре виконувати свою підсилює
призначення, необхідно, щоб він був добрим множинним резонатором, тобто
щоб він міг більш-менш рівномірно реагувати на коливання різноманітних
частот, вироблені лунають тілом, і більш-менш рівномірно віддавати їх у
навколишні маси повітря. Тому, хоча як випромінювачів і застосовують
тіла, схожі за формою я конструкції з звучать тілами, але, на відміну від
останніх, їх споруджують таким чином, або ставлять у такі спеціальні умови,
щоб вони по можливості не мали яскраво виражених власних частот коливань
в межах того діапазону частот, які вони призначені посилювати й
випромінювати.
Випромінювачі
звукових коливань, як показує практика, зазвичай більшою чи меншою
мірою беруть участь також в освіті тембру випромінюваних звуків. Їх фізичні
властивості сприяють зміні форми звукової хвилі, що випромінюється лунають
тілом. Регулюючи пристрій випромінювачів, ми отримуємо кошти до управління не
тільки гучністю звуку музичних інструментів, але і їх тембрами.
§
2. Суттєвою частиною кожного музичного інструменту є одне або
кілька звучать тел.
В
музичних інструментах застосовуються тверді й газоподібні звучать тіла
(повітря). Хоча існують і рідкі звучать тіла, але, зважаючи на практичних
незручностей, при їх використанні, вони не знаходять застосування в музичній
практиці.
Всі
різноманітні звучать тіла, в залежності від їх матеріалу, форми і
акустичних особливостей, чеська фізик Ернст Хладні підрозділив на три
основні категорії:
1.
Тіла, пружні внаслідок своєї природної твердості і форми; вони не вимагають
попереднього натягу або стиснення для того, щоб отримати здатність
видавати звук. Такі тіла ми будемо надалі називати самозвучні тілами.
Вони можуть мати різноманітну форму (бруски, стержні, платівки плоскі і
зігнуті у вигляді судин, трубок та ін.)
Зазвичай
такі тіла застосовуються у вільно підвішеному стані, або ж в положенні,
при якому вони спираються на деякі точки і яке не впливає на їх
здатність коливатися.
Іноді
застосовується часткове закріплення таких звучать тіл, в деякій мірі
що обмежує свободу їх коливань. Це відноситься, наприклад, до тонких пружним
стрижням і подовженим платівок (язичків), які для того, щоб вони могли
видавати необхідні музичні звуки, зміцнюються на одному кінці, а друга
кінець залишається вільним. При такому способі часткового закріплення, як це ми
побачимо далі, такі самозвучні тіла набувають особливі акустичні
властивості.
Такі
частково закріплені самозвучні тіла ми будемо надалі називати
полусамозвучащімі.
2.
Тіла, що стають пружними внаслідок натягу, яким їх піддають. Від
ступеня натягу, за інших рівних умов, залежить частота їх коливань, т.
тобто висота видаваного ними звуку. Тіла цієї групи мають форму або з великим
переважанням одного просторового протягу над двома іншими
(струни), або з великою перевагою двох просторових протягом над
третій (перетинки, мембрани). Внаслідок таких особливостей форми вони позбавлені
здібності, подібно самозвучні тіл, коливатися і видавати музичні
звуки у вільному чи напіввільних стані.
3.
Тіла, що стають пружними внаслідок процесу стиснення. На відміну від першого
двох груп, де звучать тіла є твердими, тіла цієї групи --
газоподібні. Сюди відноситься головним чином повітря, що наповнює трубки духових
музичних інструментів.
§
3. Усі існуючі способи збудження звучать тіл можна звести, в основному,
до наступних трьох способів:
а)
У д а р або т о л ч о к. Цей спосіб характеризується миттєвим додатком і
передачею енергії звучного тілу, з подальшим наданням йому повної або
відносної свободи коливань. Віддача енергії в навколишній повітряне
простір і процес внутрішнього тертя в матеріалі звучного тіла призводять до
поступового зменшення амплітуди його коливань, тобто до затухання останніх
(як це ми спостерігаємо в струні фортепіано, дзвін і т. п.). Газоподібні
звучать тіла порушуються швидко наступними один за одним періодичними
поштовхами; при цьому виникає більш-менш тривалий змушене і притому
незатухаючий коливання звучного тіла;
б)
Щ і п о к або з а ц е п л е н и е. Цей спосіб збудження, що характеризується
зачепленням звучного тіла яких-небудь предметом, поступовим виведенням його з
положення рівноваги і наступним раптовим його звільненням, застосовується лише
до деяких видів твердих звучать тел (струни, стрижні, язички);
в)
Т р е н и е. Цей спосіб порушення можна звести до ряду періодично
повторюваних зачеплень і звільнень звучного тіла, що слідують у ритмі його
звукової частоти. На противагу защипування, після якого звучить тіло
отримує свободу коливань, при порушенні тертям збудливу тіло залишається
в тісному зіткненні з лунають тілом протягом усього періоду збудження.
Порушення тертям вдаються як до твердих лунають тіл, де для підвищення
зчеплення між збудником і вібратором часто застосовують липкі і легкоплавкі
сполучні речовини, так і до газоподібним, де воно використовується в так званих
свистячих, або лабіальний інструментах.
Всі
зазначені способи збудження звучать тіл і що виникають при цьому коливальні
процеси можна охарактеризувати наступним чином.
В
тих випадках, коли енергія підводиться до звучного тіла у формі одноразового
імпульсу (удар, поштовх, зачеплення) і вона після цього отримує свободу, воно
починає робити вільні і затухаючі коливання, поступово витрачаючи повідомлену
йому енергію на подолання опору розкачуємо повітря, на тертя поза
і всередині. самого тіла, на розвиток в ньому теплоти, на віддачу частини енергії в
точках закріплення або зіткнення з іншими здатними коливатися тілами.
У цих випадках тіла дають звуки, найбільш гучні в момент виникнення і більше
або менш швидко затухаючі. Приклади - всі ударні і щипкові струнні
музичні інструменти.
Інша
картина виходить, коли до хиткому тілу енергія підводиться безперервно і
довгостроково, малими порціями під час кожного коливання, поповнюючи втрати енергії,
відбуваються внаслідок природного їх загасання. Коливання тоді набувають
постійну амплітуду і робляться незгасаючих, що триває протягом усього
того періоду часу, коли до звучного тілу підводиться енергія. Надходження
енергії тут управляється механізмом, властивим самій коливальної системі, і
джерело енергії, що йде на підтримку коливань, становить невід'ємну
частина цієї системи.
Такі
системи називаються автоколивальних, а що відбуваються в них коливання --
автоколиваннями. Прикладом автоколивальних систем є: смичкові струнні
інструменти, всі духові інструменти, рече-голосовий апарат
людини і багато інших механізми.
Особливим
випадком є підбиття сили змінного значення до множинних
резонатора, як це ми бачимо в сучасних гучномовцях, грамофоні,
телефоні і т. п. Тут спостерігається деяке зовнішню схожість з вищеописаними
автоколивальних системами, що виражається в тому, що вібратор зазвичай
коливається протягом усього того періоду, коли до нього підводиться коливальна
енергія, і може, зокрема, здійснювати незгасаючі коливання. Однак
корінним відзнакою таких коливальних систем від справжніх автоколивальних систем
є те, що вібратор тут не управляє підведенням до нього енергії, що йде
на порушення і підтримка коливань, не входить до складу коливальної
системи, а є незалежним від неї механізмом. У той час, як у справжніх
автоколивальних системах вібратор бере активну участь в організації та
розподіл коливальної енергії, в описаних системах - вібратор є
тілом пасивним, слухняно виконує будь-які рухи, у відповідності з силами,
подводимыми до нього ззовні та організованих без його участі.
Список літератури
Для
підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.mushar.ru
