СЛАДКОЗВУЧНЫЕ ПРИБОРЫ

Теперь мы знаем, что такое звук, каким он бывает в музыке. И вместе с тем мы поняли, чем всю жизнь занимаются музыканты: они просто-напросто трясут воздух — чаще и реже, сильнее и слабее. Именно этой цели служат их орудия, сформировавшиеся на протяжении многотысячелетней истории.

О них и пойдет речь дальше.

Как сказано в «Технической энциклопедий», любой музыкальный инструмент есть всего-навсего «физико-акустический прибор», сообщающий окружающей атмосфере различные сочетания колебательных движений. Видимо, под ту же категорию подпадает и голосовой аппарат певца.

Едва ли читателя порадует приведенное определение. Не очень идет принцессе скрипке называться физико-акустическим прибором. Но выбора нет, такова суть вещей. Если романтики и поэты хотят ее познать, им придется перестроиться на новый лад, ибо научные термины подстерегают нас и дальше.

Схему устройства музыкального инструмента физики тоже поясняют своими словами: он представляет собой объединение вибраторов и резонаторов. И, чтобы понять физическую подоплеку музыки, нам придется выяснить сущность обеих частей.

Начнем с вибраторов. Их вокруг легион. Качели в городском саду — вибратор, маятник ваших часов — вибратор, дверная пружина — вибратор. Таким названием наука награждает любое тело, способное колебаться от толчка, удара, трения.

А если вибратор дрожит достаточно часто, совершает десятки, сотни, тысячи размахов в секунду, то он может послать в воздух звуковые волны и поэтому именуется акустическим. Это и есть родина, место физического рождения всей инструментальной да и вокальной музыки.

Акустический вибратор всегда упруг. Из хлебного мякиша его не вылепишь. Зато металлические язычки, тростниковые пластинки, натянутые пленки, жилы, проволочки отлично идут в дело. Их и ставят в трубы, скрипки, барабаны. Есть музыкальные инструменты, которые составлены только из вибраторов — ксилофоны и колокольчики, гонги и тарелки. А в горле певца вибратором служат упругие мышечные связки.

Самый распространенный вибратор — струна. И в ее поведении нам предстоит разобраться поподробнее.

Нетерпеливый читатель может проявить недовольство. К чему-де тратить время на пустяки? Что может быть проще струны? Раскачивается натянутая пить — и все тут.

Не спешите. В том, что кажется простым, порой скрыто немало сложного. Разгадке струны посвятили свой труд многие физики и математики. Главный же вклад в мудреную теорию ее колебаний внес замечательный английский ученый конца XVIII — начала XIX века Томас Юнг. С ним и его исследованиями мы познакомимся в первую очередь и ради этого отправимся... в цирк.

ФИЗИК НА КАНАТЕ

Залит огнями цирк Фракони. Резвый скакун выносит на арену изящного наездника. Стоя в седле, он приветливо машет рукой и принимается за акробатические трюки. Публика неистовствует. А наездник прямо с лошади прыгает вверх, как кошка взбирается на длинный канат и, плавно балансируя, танцует над головами восхищенных зрителей. Ловкий актер срывает восторженную овацию. Его несколько раз вызывают, к его ногам падают цветы.

А через час он сидит в своем кабинете, в окружении книг и физических приборов. Цирковой акробат склонился над листом бумаги, испещренным математическими символами. Знаток циркового каната, он трудится над теорией его маленькой сестры — струны.

Этот ученый-циркач и есть Томас Юнг, удивительный человек, выбравший девизом своей жизни изречение: «Всякий может делать то, что делают другие». Во исполнение этого нелегкого правила он стал не только цирковым артистом. Глубоко почитая живопись, Юнг до малейших подробностей знал таинства мастерства художников. Мало того: он был и музыкантом — играл почти на всех известных в ту пору инструментах.

Двух лет от роду Томас умел читать, пяти — учился литературе у бристольского профессора, семи — постиг секреты тригонометрии и геодезической съемки, с девяти до четырнадцати — проштудировал античных классиков, выучил пять иностранных языков, овладел токарным ремеслом и дифференциальным исчислением!

Восемнадцатилетним студентом-медиком он всколыхнул ученый мир оригинальной работой по физиологии зрения. А потом начался настоящий водопад статей и исследований. Юнг трудится над разгадкой египетских иероглифов, редактирует мореходный календарь, пишет шестьдесят глав научных приложений к Британской энциклопедии, публикует труды по проблемам механики, оптики, теории упругости, акустики, теплоты, кораблестроения, астрономии, геофизики, медицины, зоологии — всего не перечислишь!

О творчестве Юнга, блестящем, как многогранный, кристалл, написаны большие книги. Мы же отметим лишь один его вклад в науку — учение о сложении или, как говорят физики, интерференции колебаний.

Основная мысль доказанного Юнгом «принципа интерференции» весьма проста. Суть в том, что волны «не обращают внимания» друг на друга. Им «все равно», колеблется тело, в котором они бегут, или находится в неподвижности. Поэтому почти всякий вибратор вибрирует сразу с несколькими частотами. И лучший пример тому — натянутая струна.

СТРУНА ПОЕТ ХОРОМ

Днем в цирке пусто. После занятий египетскими письменами Юнг может переключиться на акробатику,, а заодно развлечься физическими экспериментами.

Вот он прошелся по канату, спрыгнул.

От толчка ног канат вибрирует, словно большущая струна. Ясно видно, как скачет пологая длинная дуга. Посредине — наибольший размах, «пучность» колебаний.

Юнг подходит к вороту, подтягивает канат. Раскачка идет чаще, ибо между частицами возросла упругая связь и они быстрее передают движение своим соседям. Укоротить канат — значит тоже ускорить размахи, ибо колебания быстрее охватывают его. Все привычно, знакомо. Но, если бы на этом физика натянутой нити кончилась, наши скрипки бы не пели и гитары не звенели. Они звучали бы тускло и глухо.

Юнг еще раз ударяет по канату и задирает голову. Теперь ученый ищет подтверждения провозглашенному им «принципу интерференции». И находит.

Если внимательно приглядеться, то видно, что толчок возбудил на канате не одно, а сразу множество колебаний, называемых в физике «стоячими волнами».

Оказывается, канат раскачивается не только как единое целое. На широкой — от края до края — дуге прыгают два других изгиба: две стоячие волны вдвое меньшей длины. Каждая занимает половину каната, а между ними — «узел», точка относительной неподвижности. Будто там стоит какой-то невидимый зажим.

Сверх двух колебаний канат приютил на себе и третье, «разломавшее» его на три равные части. На стыках третей — узлы, на серединах — пучности стоячих волн. Но это еще не все. По отдельности пляшут и четвертушки, и пятые части каната. Теоретически он делится в движении на любое целое число одинаковых отрезков.

Словом, длинное вибрирующее тело — вовсе не та пологая дуга, которая представляется на первый взгляд. В каждый момент оно вьется в хитроумных изгибах, унизано ожерельем стоячих волн, которые «не знают» о присутствии соседей и пронизывают друг друга.

И точно таковы повадки струны.

Разница единственная: канат раскачивается медленно и потому молча, а молниеносные вибрации непоседы-струны возбуждают слышимый звук. Причем, обратите внимание, не один тон, а сразу множество, целый аккорд голосов. Каждая часть струны дает собственный призвук!

Получается неожиданный вывод: одна-едннственная струна поет... хором! В этом-то и скрыт секрет красоты скрипичного пения и гитарного звона.

ЗАКОНЫ ТОМАСА ЮНГА

В человеческом хоре голоса тщательно рассортированы, каждый имеет свое имя: бас, баритон, тенор и т. д.

В хоре голосов струны тоже наведен порядок.

Колебания самой длинной «дуги» дают «основной тон». Он слышен громче всех. Половинки струны поют на октаву выше, ибо вибрируют вдвое чаще. Их голос называется «первым обертоном». Трети струны создают еще более высокий, «второй обертон», четвертушки—«третий обертон» и т. д.

Руководитель человеческого хора отлично управляет своей капеллой. Взмахнул хормейстер рукой — и басы умолкают, а сопрано набирают громкость. Второй взмах — поет баритон с дискантами. Третий — слышен только солист-тенор.

А можно ли управлять хором струны? Можно.

Резкий щипок вызывает к жизни высокие обертоны, а мягкий нажим — низкие. Это понятно: первые создаются частой вибрацией коротеньких стоячих волн, а вторые — сравнительно медленными колебаниями волн длинных. Недаром у мандолиниста, играющего пластинкой-медиатором, выходят четкие и острые звуки, а у гитариста — более мягкие и глубокие.

Имеет значение и место возбуждения струны.

Совсем не все равно, где ее ударить.

Есть правило, именуемое «первым законом Юнга»: раскачивая узел, относящуюся к этому узлу стоячую волну возбудить невозможно. И отсюда вывод: если вы намерены услышать яркий, звонкий звук, бейте у самого начала или в конце натянутой струны. Тогда нет риска угодить в совпавшие узлы большого количества наиболее энергичных стоячих волн, и вместе с низшими запоет множество высших обертонов. «Хор» будет усилен солидной дозой задорных «мальчишеских дискантов». А чем удар дальше от краев струны, тем беднее аккорд обертонов.

Возбудить струну в самой середине — значит лишиться доброй половины ее голосов. Ведь в этой точке все нечетные обертоны, начиная с первого, имеют узел. И ни один из них не будет задет, не проснется, не запоет.

Теперь нам понятно, почему редко-редко встретишь инструмент, в котором струны возбуждаются посередине, хоть там легче всего вызвать их колебания. Правда, сильно сдвигать вбок точки ударов не всегда удается. Подле зажимов струна с трудом трогается с места. Чтобы раскачать ее, нужен значительный удар. Лишь сильно натянутая, а потому более упругая, она поддается раскачке сбоку. В некоторых современных роялях, оснащенных прочной и тугой струнной одеждой, точки удара сдвинуты к самому ее краю, и звук получается насыщенный, яркий, звонкий.

А вот «второй закон Юнга»: в месте торможения вибрирующей струны образуется узел стоячих волн. И давным-давно, понятия не имея об этом законе, им пользуются скрипачи.

Чуть касаясь пальцем в конце первой трети, четвертушки, пятой части струны, скрипач вызывает тонкие свисты — флажолеты. Это поют высшие обертоны, а низшие — глушатся. Дело происходит так, будто всему хору, кроме некоторых избранных хористов, насильно зажат рот.

Как видите, физика докопалась до глубоких секретов струны. То, что прежде было уделом интуиции, опыта, догадки, стало доступно строгому расчету. Музыкальные мастера вооружились логарифмическими линейками. Юнг наградил их формулами, которые сберегают труд, избавляют от уймы лишних экспериментов.

Вот и все, что нам нужно было узнать о струне — представительнице многочисленного племени музыкальных вибраторов.

Теперь очередь за второй составной частью инструмента как «физико-акустического прибора» — за резонатором.

МУЗЫКАЛЬНАЯ ПОСУДА

Марширует по мосту рота солдат. Шагают все разом; ать-два, ать-два. И вдруг мост рассыпается, как карточный домик.

Вы наверняка слышали назидательные рассказы об этом печальном событии и знаете его причину: явление резонанса.

Мост разрушился потому, что ритмические удары солдатских сапог попали в такт, в резонанс с его собственными колебаниями (ведь и мост похож на струну), он «слишком усердно раскачался» и «лопнул».

Мост здесь выступал в роли резонатора, предмета, который раскачивается уже не от толчка, не от удара, не от трения, а под влиянием колебаний, полученных извне. В музыке подобных приспособлений сколько угодно. И тут применение их ведет к более приятным последствиям.

Пусть оркестранты не обижаются, но многих из них хочется сравнить с поварами. На кухне не обойтись без горшков, кастрюль, сковородок. И в музыке: что ни инструмент — посудина. В духовом оркестре звук «варится» во всевозможных трубах, в струнном — в фигурных коробках.

Музыкальная посуда сложнее и разнообразнее кухонной: и открытая и закрытая, и деревянная и металлическая. На качество звуковых «кушаний» она влияет очень сильно. Чуть испортишь корпус инструмента — и «блюдо» никуда не годится. Выломать дно у скрипки — все равно что у суповой миски: музыка «вытечет», пропадет. Кстати сказать, немые скрипки без дна иногда делают — чтобы скрипачи могли упражняться, поддерживая добрые отношения с соседями по квартире.

Так что же такое звуковая посуда, почему она столь необходима?

Это и есть резонаторы — усилители колебаний вибраторов.

Ведь струны, трости, язычки сами по себе звучат чуть слышно. Они маленькие и раскачивают ничтожные объемы воздуха. Для того чтобы передать движение вибраторов большим воздушным массам, и ставятся резонаторы — «акустические рычаги» в виде деревянных и металлических корпусов, дек, труб и прочей «посуды».

Как же они действуют?

Ответил на этот вопрос знаменитый немецкий естествоиспытатель Герман Гельмгольц, творчество которого развернулось во второй половине XIX века.

ЗАСЛУЖИВШИЙ СЛАВУ

Коварный Сальери, отравитель Моцарта, в драме Пушкина хвастался:

...Звуки умертвив,

Муз'ыку я разъял, как труп. Поверил

Я алгеброй гармонию...

Пожалуй, правильнее было бы эту заслугу приписать доброму гению Гельмгольца. Человек необычайной многогранности, он сказал свое веское слово во многих областях физики, двигал вперед медицину, развивал физиологию органов чувств. Именно он впервые изучил резонаторы, разложил музыкальный звук в спектр, раскрыл секрет тембра, создал теории человеческого голоса и слуха, математически объяснил закономерности музыкальной гармонии.

Гельмгольц принадлежал к тем удачливым ученым, труды которых при жизни снискали всеобщее признание. Его эксперименты повторялись и подтверждались в десятках лабораторий. Врачи, инженеры, музыканты избирали его в свои общества, монархи награждали орденами. В его честь чеканились медали и учреждались стипендии. В Берлине, в Вене, в Петербурге ему устраивались пышные встречи, шумные овации.

Одного не хватало прославленному ученому — личного счастья, простого человеческого благополучия. Рано умерла жена, безвременно погиб сын — талантливый инженер, надежда и гордость отца; сын от второго брака оказался слабоумным.

Зато труд, беззаветный и напряженный, наполнял радостью и силами жизнь Гельмгольца.

В самом простом, обыденном ученый находил загадки и упрямо решал их. Он никогда не проходил мимо непонятного, всему стремился найти научное объяснение.

СВЕРЧОК НА ПЕЧИ

...После трудового дня ученый устал. Пришел к себе в спальню, разделся, задул свечу, и вдруг... сверчок! Обыкновенный сверчок, певец старорежимного домашнего уюта, затянул свою трель. Гельмгольц забывает об утомлении, садится в кровати и слушает, сверчка. Слушает по-своему, ушами физика.

И думает о том, как бы сразу же изучить этот случайный звук — его частотный состав, тембр. Из подвернувшейся картонки быстро сворачивает маленькую трубочку и вставляет ее в собственное ухо. Ага! Звук слышен хуже! Значит, воздух в трубочке не резонирует на песенку ночного гостя. Сворачивается другая трубочка, третья, при лунном свете на клочке бумаги вычисляется собственная частота импровизированного резонатора; мысль работает дальше, вот уже сделаны выводы... И наблюдение над сверчком попадает в фундаментальную монографию Гельмгольца «Учение о слуховых ощущениях как физиологическая основа для теории музыки».

Какие только эксперименты не описаны в этом классическом труде! Прежде всего — опыты с наипростейшей «музыкальной посудой»: полыми шариками и закрытыми трубками из латуни. В них пружинящие воздушные тельца колеблются самым примитивным способом: без обертонов. Чем больше шарик, тем реже вибрирует в нем воздух, тем ниже «чистый тон».

На лабораторном столе выстроилась длинная шеренга шариков-резонаторов. Все разные, мал мала меньше. Это как бы «слушатели», и перед ними выступает настоящий музыкант-скрипач, или трубач, или флейтист.

Раздается музыкальный звук. Гельмгольц приникает ухом к каждому шарику. Некоторые молчат, другие «подпевают» — резонируют. Записав заранее вычисленные частоты отозвавшихся резонаторов, ученый устанавливает, из каких чистых тонов сложена звуковая смесь, выясняет «рецепт» тембра. Так впервые появляются акустические спектры, происходит подлинное «разъятие» музыки, «разборка» звука.

Для регистрации колебаний в лаборатории Гельмгольца строятся остроумные приборы.

Анализу подвергается множество всевозможных звуков.

Подтверждаются выводы, сделанные неутомимым Юнгом из наблюдений над струной. Во всех случаях «мягкость», «глубина», «округлость», «теплота» тембра — это избыток низкозвучащих обертонов, а «яркие», «светлые», «острые», «ясные» тембры изобилуют высокими призвуками.

Звук не только испытывается, но и все глубже объясняется.

Если Юнг вычислил типичный вибратор — струну, то Гельмгольц построил математическую теорию типичного резонатора — органной трубы. Ради этого он придумал остроумнейший метод расчета, который и поныне служит технике. Мало того:

ученый ухитрился складывать сложные музыкальные тембры

из колебаний камертонов. Чашечки камертонных резонаторов пели хором то как флейта, то как труба. Даже человеческие голоса — звуки гласных — удавалось воспроизводить искусственно. Камертоны буквально «произносили» гласные «а»,

«о», «и», «у».

После исследований Гельмгольца физика действия «музыкальной посуды» стала ясной, во всяком случае, принципиально.

ВОЗДУХ КАК ПРУЖИНА

В музыкальном резонаторе главной составной частью служит воздух. Это доказал Гельмгольц. Мы знаем, что воздух упруг. Значит, упруги и столбики его, «налитые» в стволы рогов и флейт, валторн и тромбонов. А как должно вести себя длинное упругое тело? Как струна.

Разница, разумеется, есть. Струна вибрирует поперек своей длины, а воздух — вдоль. Газовый столб скорее похож на длинную спиральную пружину. Кроме того, воздушная пружина неизмеримо легче стальной, колеблется гораздо чаще и очень быстро успокаивается. Потому-то ее и нельзя возбудить одним толчком. Зато на вибрацию она отзовется мерной дрожью собственных вынужденных колебаний. Так воздушный столбик резонирует — откликается громким голосом на почти беззвучные колебания вибраторов.

Флейтист дует в дульце — воздушная «пружина» встряхивается и поет. Флейтист перебирает дырочки — «пружина» удлиняется, укорачивается, звучит разными голосами. Флейтист дует сильнее — «пружина» встряхивается чаще, «ломается пополам», и слышится наш старый знакомый — первый обертон. Еще сильнее дуновение — появляется второй обертон, потом третий и другие — высшие. Такой перелив обертонов — не что иное, как передувание, распространеннейший способ игры на всех духовых инструментах.

«По одежке протягивай ножки» — этой пословице приходится следовать и обертонам в резонаторах. В простенькой флейте стоячим волнам негде развернуться. Набор их там самый бедный. Зато в гобоях, фаготах с их расширяющимися трубами «варится» более богатая смесь обертонов. А в кларнете вы найдете даже своеобразный духовой флажолет. В стволе — маленькая дырочка, через которую воздушная «пружина» на трети своей длины слегка касается наружной атмосферы. Открыть это отверстие — значит заглушить нечетные обертоны и придать звуку особое своеобразие.

У всех духовых инструментов, называемых деревянными, есть общая черта: трубы их резонаторов являются посудой в самом точном смысле этого немузыкального слова. Они не колеблются, а служат лишь вместилищем для воздуха. Потому их и делают из самых разнообразных материалов, лишь бы были попрочнее, полегче да поудобнее в обработке. И вычисления подобных резонаторов не очень сложны — в принципе мало отличаются от расчета вибрации струн.

Другое дело — медные (а вернее, латунные) духовые инструменты. В них и стенки резонаторов подают голос. Звук труб и валторн — это дуэт металла и газа, который уже не столь просто поддается математическому исследованию. Лишь в последние десятилетия ученые развили акустическую теорию духовых резонаторов, обосновали их рациональные формы.

Но рекордсмены сложности — тонкие деревянные коробки резонаторов струнных инструментов. И как все дороги ведут в Рим, так любые разговоры о музыкальных инструментах возвращаются в конце концов к скрипке. Нам не остается ничего другого, как последовать этим путем»

ГЛАВА 3

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: