2.4. Акустические характеристики духовых музыкальных инструментов

В духовых инструментах звукообразующим элементом является объем воздуха, заключенного в трубе и совершающего колебания под воздействием воздушной струи, вдуваемой через отверстие. Уси- ление потока вдуваемого воздуха (передувание) вызывает повыше- ние частоты колебаний. Изменить частоту сигнала можно еще пу- тем изменения мензуры — отношения диаметра трубы к ее длине. ^ флейты это достигается изменением ее эффективной длины пу- тем открытия и закрытия боковых отверстий, у органа же— сме- ной труб, различающихся по длине или диаметру. По способу воз- буждения духовые инструменты делят на-три группы.

23

Дульцевые-(лабиальные), в которых возбуждение звуковых ко*- лебаний происходит при ударе вдуваемого потока воздуха о края отверстия, имеющегося в трубе (флейты, органные трубы).

Язычковые (тростевые), звук в которых возбуждается благодаря периодическому колебанию одной-двух пластинок, перекрывающих отверстие для вдувания воздуха {кларнет, гобой и др.).

Язычковые с амбушюром, в которых роль пластинок выполняют губы исполнителя, прижатые к мундштуку (труба, валторна и др.).

Как известно, в трубе при передувании возникает ряд стоячих волн с пучностями колебательной скорости в ее начале. Если труба закрытая, то в конце всегда будут узлы колебательной скорости, если открытая, то пучности. Это возможн^ только когда- на длине трубы / укладывается соответственно нечетное или четное число- четвертей ДЛИНЫ ВОЛНЫ Яп, Т. 6. При

(2.4)

(2.5)

него звуки очень большой длительности. Это придает его звучанию исключительную певучесть. Так как трубы у органа много больше, чем у флейты, процесс нарастания сигнала в них протекает мед- леннее и занимает время до §00 мс, что видно из рис. 2.14, на кото- ром показаны кривые нарастания сигнала основной частоты (131 Гц) и трех его гармоник '(кривые 1, 2, 3 и 4). Замедленный

Дульцевые инструменты, Флейты и некоторые из труб органа относятся к группе открытых труб этого типа. Как видно из равен- ства (2.5), их основной тон будет в два раза (на октаву) выше, чем у закрытых труб такой же длины, а возникающие обертоны будут как четными, так и нечетными.

Уровни наименьших и наибольших сигналов большой флейты на средних частотах составляют соответственно 50 дБ (рр) и 85 дБ (//). Следовательно, в этой области частот динамический диа- пазон флейты равен 35 дБ, а амплитуда звукового давления, изме- няется в 50 раз. На низких и высоких частотах вследствие повыше- ния наименьшего уровня диапазон суживается до 20 дБ. У флей- ты-пикколо по этой же причине диапазон на высоких, частотах уменьшается до 15 дБ. Более широкий динамический диапазон, равный 35 дБ, характерен для органа.

Основные тоны звукоряда большой флейты лежат в пределах 286-ь 1200 Гц, а флейты-пикколо — в -пределах 576^-2500 Гц. Огибающие спектров ряда .основных звуков этих инструментов, при- веденные на рис. 2.13, показывают малое содержание в них гармо- нических составляющих, вместе с которыми диапазоны расширяют- ся соответственно до частот 9000 и 12000Гц. Низкочастотные трубы органа, имеющие по сравнению с флейтой большую длину и мензуру (порядка ОД), создают звучания очень низкой частоты, на- чиная с 16 Гц. Спектр их не очень богат, однако, управляя регист- рами, его можно изменять. Верхняя граница диапазона— 16000 Гц.

Процесс нарастания низко- и среднечастотных сигналов, созда- ваемых флейтой, занимает около 50 мс, и, так как запас воздуха в легких исполнителя мал, длительность нарастания сказывается на длительности следующего за ним стационарного сигнала. Большой запас воздуха, подаваемого к трубам оргайа, позволяет извлекать из

24 .

Рис. 2.14. Время установления ос- новного тона и обертонов органа

Рис. 2.13. Спектральные кривые флейты (а) и флейты-пикколо (б) для тонов 285 Гц U), 576 Гц (2), 1150 Гц (*, 4), 2300 Гц (5) ,

темп нарастания сигнала украшает звучание органа, а подключение к трубам различных резонансных систем еще и разнообразит этот процесс как по амплитудам сигнала, так и по времени возникнове- ния его частотных составляющих. В этом легко убедиться при срав- нении групп кривых 1, 2, В, 4 и 1а, 2а, За, 4а (рис. 2.14), каждая из которых построена для случая использования одного* из резона- торов (тонального или регистрового). Кроме того, переходные про- цессы органа, складываясь с реверберационным процессом зала, придают звучанию инструмента особую выразительность. Это .объяс- няет, почему для хорошего звучания органа необходимо помещение со значительным временем реверберации.

Язычковые инструменты. К ним относятся одноязычковые (клар- нет и Ьаксофон) и двухъязычковые (гобой, фагот и некоторые дру- гие).

Кларнет на средних частотах (500-7-1000 Гц) способен, создавать звуки, едва поднимающиеся над уровнем собственного шума зала. Самые же громкие его звуки превышают тихие на 48 дБ. Такой широкий динамический диапазон выделяет кларнет из* всей группы, так как для саксофона он не более 38 дБ, а для гобоя и фагота равен только 30 дБ.

Из-за большой длины трубы кларнет на низких частотах ведет себя почти как закрытая труба. Это проявляется в подчеркнутоеш нечетных гармонических составляющих. Большое число голосовых отверстий (до 23) и возможность передувания позволяют возбудить на нем ряд тонов, которые вместе с гармоническими составляющими

25

лежат в широком диапазоне от 140 до 9000 Гц. Гобой и фагот обладают большим числом четных и нечетных составляющих, сосре- доточенных в низкочастотной области. Как показывают кривые рис. 2.15, для первого из них характерны две форманты вблизи частот 1100 и 3200 Гц. Для второго сильные форманты располага- ются у частот 500 и 1500 Гц. Полный частотный диапазон для гобоя

укладывается в пределах 230 Ч- -7-8500 Гц, для фагота — в пре- делах 604-2500 Гц.

Рис. 2.15. Спектральные кривые звуча- ний гобоя (а) для основных тонов 240 (J), 435 (г), 1365 Гц (3) и фагота (б) Для'тонов 64 (1), 128 (2), 512 Гц (3)

Для кларнета — инструмен- та с малым объемом воздуха — время нарастания сигнала при острой атаке на всех частотах ^ почти одинаково и равно 15 -f- -f-20 мс, при мягкой атаке оно возрастает до 50 мс. Для гобоя и фагота., имеющих большие объемы, нарастание при ост- рой и мягкой атаке на низких частотах длится соответственно 20 и 100 мс, на высоких же — в два раза меньше. Такая дли- тельность переходных процес- сов не позволяет получать при игре быстрое и четкое чередования отдельных тОнов.

Язычковые инструменты с амбушюром. Эта группа инструмен- тов отличается от предыдущей большой массой и гибкостью «язычков», роль которых выполняют губы музыканта, малой мензу- рой и, главное, наличием небольшого резонатора. Таким резонато- ром является амбушюр (мундпггук). Чашкообразный мундштук, применяемый при игре на трубе и тромбоне, подчеркивает высоко- частотные составляющие, а воронкообразный, как у валторны, ослаб- ляет их. Применение дополнительных резонаторов (сурдин) еще больше изменяет спектр, внося новые форманты;

Уровни интенсивности трубы на низких частотах изменяются от 53 дБ до 88 дБ. На высоких частотах изменения меньше, и дина- мический диапазон сокращается с 35 дБ до 15 дБ. У валторны ди- намический диапазон больше. Для низкочастотных сигналов он равен 40 дБ, а для высокочастотных — 20 дБ. Для тромбона воз- можно изменение амплитуды звукового давления в 60 раз, что от- вечает динамическому .диапазону в 36 дБ. Самый большой динами- . ческий диапазон, около 42 дБ, характерен для трубы; и, так как ее спектр заметно смещен в низкочастотную область, этот диапазон мало зависит от частоты.

У трубы, как и у любого другого открытого инструмента, измене- ние эффективной длины и скорости воздушного потока приводит к созданию ряда основных тонов. У обычной трубы эти сигналы ле- жат в границах 230-7-1180 Гц. Наличие в ее спектре 25 гармоничес- ких составляющих расширяет частотный диапазон до 9000 Гц.

26

Валторна позволяет извлекать основные тоны, частоты которых лежат в пределах 55-7-700 Гц (рис. 2.16,а). Около десяти ее оберто- нов располагаются вблизи частоты 800 Гц. Такая бедность высоко- частотных составляющих связана с конусообразной формой мунд- жптука. Правда, частотный спектр валторны сильно зависит от уров-

Рис. 2.17. Время установления основно-, го тона (1) и обертонов (2—S) для тру- бы

Рис. 2.16. Спектральные кривые звучаний валторны для тонов 80, 240, 288 и 426 Гц (1, г, 8, 4) (а) и ее полный спектр (б) при различных уровнях (рр, mf и Я) «сигнала

ня сигнала (рис. 2.16, б). Когда уровень мал (рр), спектр получает- ся редким и заканчивается у частоты 2000 Гц. При среднем уровне. {mf) диапазон расширяется до 4000-^-5000 Гц, а при наибольшем М-до 7000 Гц, •

Основные тоны тромбона лежат*в пределах между частотами 50 и 580 Гц. Он имеет много обертонов (до'40), первые 20 из которых очень велики по амплитуде. Его частотный диапазон вместе с обер- тонами занимает область 50-7-8000 Гц. Спектр трубы много беднее. Ряд ее основных тонов начинается частотой 33 Гц и кончается — 320 Гц, а-12-7-15 обертонов размещаются в области до 4000 Гц, при- чем нечетные составляющие выражены более ярко, _;чем четные.

Время жесткой атаки для трубы (рис. 2.17) 'равно примерно 10-7-20 мс. Как можно заметить, сравнивая кривые этого рисунка с кривыми рис. 2.8, полученными для скрипки, возникновение гар- моник у трубы происходит не с опережением основного тона, а вслед за ним. Длительность процесса нарастания для всех гармо- ник одинакова, кроме третьей, для которой она в 2—3 раза боль- ше. Для валторны процесс нарастания при мягкой атаке занимает 50 мс, что снижает ритмическую четкость звучания этого инстру- мента. Переходные процессы для тромбона и трубы очень похожи, но время нарастания сигнала у тромбона несколько больше и со- ставляет 20 мс. '

Голосовой аппарат человека в режиме пения во многом сходен с музыкальными духовыми инструментами. В нем подача воздуха осуществляется так же, как у органа, а способ' возбуждения колеба- ний такой же, как у язычковых инструментов с амбушюром. Управ-

а частота колебаний определится равенством:

дение интенсивностью и частотой сигнала происходит также путем - изменения ряда физических параметров, осуществляемого, правде, под психофизиологическим воздействием.

Частотный спектр голоса у рядового и опытного певца очень неодинаков. Если у первого из них спектральная кривая быстро спадает после частоты 20004-3000 Гц, то у второго наличие сильных

Рис. 2.18. Время установления основного тона до (1) и обертонов (2, з, 4, 5,~б) • для певческого голоса

гармонических составляющих рас- ширяет его до 5000 и даже 7000 Гц. В спектре ярко выделяется певческая форманта вблизи часто- ты 20004-3000 Гц. Для голоса ха- рактерно также специфическое распределение гармонических со- ставляющих в начальный период звучания. Как видно из рис. 2.18, одни из гармонических составляю- щих опережают основной тон, другие отстают от него, и время их нарастания изменяется от 10 до 150 мс. В широких пределах* изменяются и амплитуды гармо-

. ".. ник. Так, наиболее запаздываю-

щая третья гармоника по амплитуде оказывается в 44-5 раз больше основного тона.