Физика прекрасного: какие физические явления лежат в основе работы музыкальных инструментов

Музыка сопровождает нас постоянно, и вряд ли найдется на земле человек, у которого не было бы любимой мелодии, задевающей струны его души. Но часто ли мы задумываемся, как возникают волшебные звуки музыки? Между тем в основе работы любого музыкального инструмента лежит физическое явление, а строение звукоизвлекающего устройства зачастую бывает чрезвычайно сложным. О том, как сплетаются в мире музыки физика и лирика и как физические явления, поставленные на службу искусству, дарят нам любимые мелодии, читайте в нашей статье.

Изучением физических явлений, на которых основано возникновение музыкальных звуков занимается музыкальная акустика. Это наука, собравшая знания из самых разных областей, таких как физика, физиология, исследующая методы обработки сигналов, технологии изготовления инструментов и многое другое.

Как в них разобраться, или О сложностях классификации музыкальных инструментов

Существует множество методов классификации музыкальных инструментов. Различные подходы к этому вопросу ставят во главу угла разные моменты:

• физические характеристики инструмента: форма, конструкция, материал и т.д.;
• способ игры на нем: щипковый, смычковый, духовой и т.д.;
• средства, позволяющие извлекать звук: смычки, клавиши и т.д.;
• качество или тембр звука;
• тональный и динамический диапазон;
• музыкальную функцию: ритмическую, мелодическую и т.д.

При этом многие инструменты можно отнести сразу к двум разным видам, выделяющимся в отдельной классификации, в то время как в другой они будут отнесены к одному, что делает невозможным создание универсальной классификации.

Но все музыкальные инструменты объединяет одно качество: они производят звуки.

Как рождается звук

Музыкальный звук, как и любой другой, представляет собой колебания воздуха, которые улавливает человеческое ухо. В разных видах музыкальных инструментов эти колебания вызываются по-разному, в зависимости от источника. И для понимания физики звукоизвлечения нагляднее всего перечислить группы, которые объединяет именно способ получения звука. На сегодняшний день их шесть.

1. Струнные.
2. Духовые.
3. Клавишные.
4. Ударные.
5. Электромеханические.
6. Электронные.

А теперь о каждой из них чуть подробнее.

Струнные

В струнных музыкальных инструментах звук возникает за счет вибрации струн. Такие инструменты разделяются на несколько видов по способу, которым исполнитель заставляет струны вибрировать.

• Смычковые. Музыканты водят по струнам смычком, представляющим собой деревянную палочку с натянутым конским волосом. К смычковым относятся скрипки, альты, виолончели и контрабасы.
• Щипковые. Из названия понятно, что звук здесь извлекается пощипыванием струн. К щипковым относятся арфа, гитара, балалайка, гусли, банджо, домра, мандолина, укулеле, лютня и др. Этот же прием наряду со смычковой техникой используется при игре на контрабасе, реже — при игре на других смычковых инструментах.
• Ударные струнные. Звуки извлекаются ударами молоточков по струнам. Иногда молоточками управляет механизм, как в случае с фортепиано, иногда сам музыкант, например, играющий на цимбалах.

Каким бы способом ни прикасался музыкант к струне, с точки зрения физики принцип возникновения звука всегда один: вибрирующая струна заставляет воздух вокруг себя колебаться, создавая таким образом звуковую волну. Эти колебания улавливает ухо человека.

Высота звука зависит от толщины, натяжения и длины струны:

• более длинные струны издают более низкий звук, чем короткие;
• струны, натянутые сильнее, издают более высокий звук, чем ослабленные;
• более толстые струны издают более низкий звук, чем тонкие.

Разные ноты на струнных инструментах извлекаются по-разному. Например, цитра, арфа и фортепиано имеют наборы параллельных струн, по одной на каждую ноту, которые можно извлекать по отдельности или вместе, создавая аккорды. В таких инструментах как гитара или скрипка с помощью пальцев можно удлинять или укорачивать струны, зажимая их в разных точках грифа, чтобы извлекать ноты разной высоты.

Помимо струн и рук музыканта важнейшим элементом, участвующим в звукоизвлечении, является дека. В зависимости от инструмента ее также называют верхней декой, верхней пластиной, резонатором, столом, звуковым столом. Это поверхность, которой струны передают вибрацию, обычно через бридж (мост) — накладку, удерживающую струны на расстоянии от верхней части инструмента. Когда дека вибрирует, она генерирует звуковые волны, подобно громкоговорителю. При движении резонатора вперед воздух перед ним сжимается и отходит от инструмента, при движении назад давление перед инструментом снижается, и воздух устремляется внутрь разреженной области. В ходе этого процесса чередующиеся импульсы сжатия и разрежения распространяются от деки, создавая звуковые волны. Струны и дека вибрируют с одной и той же частотой, но поверхность деки перемещает больший объем воздуха, что дает более громкий звук.

Духовые

Это музыкальные инструменты с резонатором — обычно это трубка — в котором столб воздуха приводится в колебание за счет того, что музыкант вдувает в него воздушный поток силой своих легких. Звуки разной высоты получаются за счет того, что музыкант меняет длину вибрирующего столба воздуха. Чем больше его длина, тем медленнее колебания и ниже производимый звук. Духовые инструменты делятся на деревянные и медные.

• Деревянные. По способу звукообразования они тоже в свою очередь делятся на два вида:
  • лабильные — в них воздушная струя рассекается об острый край стенки инструмента (лабиум), к ним относятся все виды флейт;
  • язычковые — в них колебания возникают за счет вибрации язычка (трости), укрепленного в верхней части инструмента. К ним относятся кларнет, саксофон, гобой, фагот, дудук и другие.

У большинства деревянных инструментов есть клапаны или отверстия для пальцев, расположенные на определенном расстоянии друг от друга. Разные ноты получаются за счет сокращения или удлинения воздушного столба внутри инструмента. Обычно это достигается путем открытия и закрытия определенных отверстий на инструменте с помощью клавиш или пальцев. Воздушный столб доходит до первого открытого отверстия. Чем ближе первое открытое отверстие к источнику потока воздуха, тем короче вибрирующий воздушный столб и, соответственно, выше звук.

• Медные. К ним относятся: валторна, труба, тромбон, фанфара, горн и другие. Источником колебаний в медном духовом инструменте является амбушюр — губы, язык, лицевые мышцы музыканта, регулирующие мощность выдыхаемого потока. Далее этот поток, проходя внутри инструмента, обрабатывается для извлечения звуков определенной высоты. Для расширения диапазона в медных духовых инструментах есть множество трубок, которые можно перекрывать с помощью клапанов, чтобы изменять длину инструмента и, соответственно, высоту ноты. В таких инструментах, как тромбон, длина трубки регулируется с помощью скользящего механизма.

Интересно отметить, что такая классификация возникла давно, когда одни инструменты действительно изготавливались только из дерева, а другие только из меди. Позднее, когда стали использоваться и другие материалы, классов все равно осталось два, но отличие между ними уже заключалось не столько в материале, сколько в способе извлечения звука. Например, современные концертные флейты обычно изготавливаются из высококачественных металлических сплавов, как правило, содержащих никель, серебро, медь или золото, но их по-прежнему относят к виду деревянных духовых. А вот саксофон всегда был металлическим, но относится к деревянным духовым инструментам по методу звукоизвлечения.

Клавишные

К клавишным относятся инструменты, при игре на которых музыкант управляет рядом рычагов — клавиатурой. При этом многие инструменты, традиционно относимые к клавишным, можно одновременно причислить и к струнным, например фортепиано, клавесин; и к клавишно-духовым, например орган; и к духовым язычковым, например аккордеон, баян. Поэтому физика звукоизвлечения у клавишных инструментов в общих чертах совпадает с классами, описанными выше. Но орган все же заслуживает отдельного внимания как музыкальный инструмент, имеющий необыкновенно сложное строение.

Звук в органе возникает при прохождении через трубы воздуха, находящегося под контролируемым давлением. Количество труб при этом может быть разным. Например, в самом большом на сегодня инструменте, органе концертного зала Бордуок (Атлантик-Сити, США) их более 33 тысяч, а в маленьких органах-портативах всего от 8 до 15 штук. В отличие от других духовых инструментов в органе каждой ноте соответствует своя труба.

Один или несколько наборов труб, называемых регистрами, размещены над деревянными ящиками с отверстиями, в которых находится сжатый воздух. Эти емкости называются виндладами. В первых органах давление в них создавалось вручную. Для этого специальные помощники органистов — кальканты — раздували мехи (прим. ред.: устройство для нагнетания воздуха куда-либо). Сейчас для тех же целей применяются электрические моторы. Вход воздуха в трубы контролируется музыкантом при помощи одной или нескольких клавиатур. Те, что управляются руками, называются мануалами, приводимые в действие ногами — педальной клавиатурой или просто педалями. Все они находятся на пульте, которым и управляет музыкант. Кроме клавиатур там располагаются еще рукоятки-переключатели регистров. Вытянув такую рукоятку, музыкант открывает доступ воздуха к соответствующему регистру. В зависимости от конструкции органа он может иметь разное количество регистров, каждый из которых вносит свой вклад в общий характер музыки. Именно искусство управлять регистрами — основа мастерства органиста, позволяющая использовать все красочное многообразие сложнейшего инструмента.

Ударные

Это класс музыкальных инструментов, в которых звук извлекается ударами, трением, сотрясанием либо соприкосновением их с парным предметом, как, например, в тарелках.

• Мембранофоны. Это любой музыкальный инструмент, который издает звук в основном за счет вибрирующей натянутой мембраны из кожи, пластика или другого материала. К ним относятся литавры, барабаны и бубны. Звукоизвлечение здесь происходит от колебания мембраны. Высота звука зависит от степени натяжения мембраны. У барабанов она натянута на полый корпус, а звук извлекается ударами по мембране палочками, щетками или руками. На литаврах, имеющих котлообразные корпуса, играют палочками с наконечниками, обтянутыми мягким материалом.
• Идиофоны. Музыкальные инструменты, которые издают звук за счет вибрации самого инструмента, без использования воздушного потока, в отличие от всех описанных выше. По способу звукоизвлечения делятся на:
  • ударные — гонг, треугольник, вибрафон, колокольчики и другие;
  • соударяемые — тарелки, кастаньеты, трещотки и другие;
  • сотрясаемые — бубенцы, колокольчики, маракасы и другие;
  • язычковые идиофоны — варганы, ламеллафоны и другие.

Существует еще одна, отдельная группа ударных, относящихся также к струнным инструментам, — хордофоны. Например, фортепиано, где по струнам ударяют молоточки, приводимые в движение клавишами, или цимбалы, в которых звукоизвлечение происходит при ударе деревянных палочек по струнам.

Электромеханические и электронные инструменты

С приходом XX века, когда научно-технический прогресс принес новые знания и технологии и в музыкальную сферу, начали появляться инструменты, где звукоизвлечение производится с участием силы электричества.

• Электромеханические инструменты отличаются от традиционных тем, что в них механические детали создают звуковые колебания, улавливаемые и усиливаемые электрическими компонентами. К ним относятся, например, электрогитары. Чаще всего в них используется электромагнитный звукосниматель, представляющий собой индукционную катушку. Он реагирует на изменения магнитного поля, вызванные звуковой волной, которую создают струны, колеблющиеся в этом поле. Затем звукосниматель преобразует эту волну в электромагнитную.

• Электронные. В электронных музыкальных инструментах с помощью электронных схем генерируется электрический звуковой сигнал, подаваемый на усилитель, где он воспроизводится в виде звука. Это могут быть и аналоги обычных музыкальных инструментов, такие как электронные флейты, валторны, лазерная арфа и т.д. А есть совершенно самостоятельные инструменты, такие как синтезатор.

Различные новые электронные инструменты с использованием современных технологий появляются с тех пор регулярно. Но отдельно хочется рассказать о, пожалуй, самом загадочном и удивительном инструменте — терменвоксе. Он был изобретен российским физиком Львом Терменом в 1920 году. Это электронный музыкальный инструмент, управляемый без физического контакта со стороны исполнителя. Вот что говорит о принципе работы необычного инструмента и технике игры на нем правнук изобретателя Петр Термен, являющийся один из ведущих мировых исполнителей музыки на терменвоксе: «Когда музыкант играет на терменвоксе, он не касается инструмента, просто перемещает руки в воздухе, в пространстве возле двух антенн. Чем ближе правая рука к правой антенне, тем звук выше, дальше — ниже. Получается что-то вроде воздушного скрипичного грифа с одной струной. Движения левой руки вверх и вниз возле левой антенны регулируют громкость звука, их можно сравнить с работой смычком. Благодаря электрической схеме вокруг антенн находятся два электрических поля, а человеческие руки проводят электричество и изменяют параметры схемы терменвокса, так происходит управление».

По словам Петра Термена, по сложности терменвокс ближе к виолончели или скрипке: музыкант постепенно запоминает расстояния между звуками, формируется техника игры, мышечная память. При этом терменвокс обладает полным звуковым диапазоном — от самых высоких до самых низких звуков.

Это нетемперированный музыкальный инструмент, как скрипка и голос. На нем может исполняться как специально написанная для него музыка, так и произведения, созданные для других музыкальных инструментов.

«За прошедшие десятилетия появилось множество версий терменвокса, сейчас существуют и цифровые терменвоксы, гибридные версии. У разных моделей терменвокса разные тембры, разные технические параметры, но в главном он остается неизменным», — говорит Петр Термен. И добавляет: «Мне кажется, что Лев Термен сразу создал терменвокс совершенным: ничего лишнего, только движения рук в пространстве, только исполнитель и звук».

***

Новые технологии и креативное мышление современных музыкантов дают свои плоды в виде множества необычных музыкальных инструментов, появляющихся и совершенствующихся регулярно. Вот только два примера того, как сплетаются воедино музыка и новые технологии.

• Лазерная арфа. Такой инструмент использует знаменитый французский композитор Жан Мишель Жарр. Она представляет собой пучок лазерных лучей. Чтобы получить заданный звук, нужно перекрыть луч, соответствующий высоте. Звукоизвлечение происходит немного разными способами. Например, во фреймовой лазерной арфе лучи светят на ряд фотодатчиков. Если луч перекрывается рукой исполнителя, датчик подает электрический сигнал, который преобразуется в звук. В открытых лазерных арфах датчики расположены внизу и срабатывают от лучей, отражающихся от ладоней музыканта.

• Реактейбл — электроакустический электронный музыкальный инструмент в виде сенсорной панели с технологией мультитач. Точечное или скользящее прикосновение к определенной области поверхности создает соответствующей звук. Панель имеет довольно большую площадь, что позволяет играть на ней сразу нескольким исполнителям.

Большинство новинок предусматривают не просто игру на инструменте, но и создание новой музыки и целых новых направлений. А значит, будет возникать и новая музыка.

Автор текста Наталья Сидорова

Изображение на обложке: Freepik