2.5. Акустические характеристики ударных * музыкальных инструментов и шумовых источников
В инструментах ударного типа в качестве звукообразующего эле- мента используются бруски, пластины или мембраны, а их возбуж- дение осуществляется ударом пластин друг о друга, 1(тарелки) или ударом колотушки (ксилофон, челеста; и др.). Очень тонкие,гибкие пластины {мембраны) натягиваются на жесткие каркасы (литавры, .барабаны).
Инструменты пластинчатого типа. Ударные инструменты, в ко- торых используются упругие бруски или пластины, делятся на ин- струменты с определенной частотой (ксилофон, челеста и др.) и с неопределенной частотой колебаний при большом содержании негар- монических составляющих (тарелки, кастаньеты).
Динамический диапазон этих инструментов зависит от материа- ла пластин (их упругости, внутреннего сопротивления), силы и ха- рактера удара. Для разных инструментов он неодинаков. Если для тарелок диапазон очень широк и достигает 62 дБ, для ксилофона и металлофона — 254-30 дБ, то для челесты он равен только 20 дБ.
При ударе посредине пластины, расположенной на опорах, в ней возникают колебания, которые, считая толщину пластины малой, будут распространяться вдоль двух координатных осей х и у. Сме- щение каждой точки пластины, по подобию с (2.1) для линейной системы, будет характеризоваться выражением:
(2.7)
где / и .Ъ — действующие длина и ширина пластины; я— любое? число натурального ряда.
Из равенства (2.7) следует, что основная частота колебаний
{при пх — 1 и пу = 0) находится, как Д — —— , и что кроме ос-
' £1 . _
новной и кратных ей частот будут еще частоты, зависящие от I и &~ Это делает частотные спектры звучания ксилофона и металлофона нерегулярными, что хорошо замечается на слух. . ,
Основные звуки ксилофона, создаваемые набором все, укорачиваю- щихся пластин, укладываются в диапазоне частот 5004-4500 Гц, расширяясь из-за шумов и дополнительных тонов до 9000 Гц. Ме- таллофон вместо деревянных имеет металлические пластины, а чет леста — еще и резонаторы. Частотные диапазоны этих инструментов равны соответственно 1050-=-4200 Гц, 260 -=-4200 Гц. Огибающие частотного спектра для тарелок и треугольника (рис. 2.19), явля- ющихся инструментами с неопределенной частотой звучания, пока- зывают, что каждый из них имеет много гармонических и негармо- нических составляющих, которые для тарелок укладываются в пределах 304-16000 Гц, а для треугольника — от 800 до 16000 Гц.
Наименьшую длительность звучания имеют деревянные инстру- менты этой группы, наибольшую — металлические.. Так; металло- фон звучит после удара 3-ь4 с и последними затухают колебания с частотами 5004-1000 Гц. Время послезвучания тарелок больше^ ж особенно долго не затухают составляющие, лежащие в области4 10004-4000 Гц.
Мембранные инструменты. Эта группа инструментов даже от ударных пластинчатых отличается своей большой мощностью в широким динамическим диапазоном.
Литавры — единственные инструменты этой группы, имеющие оп- ределенные частоты звучания. Это достигается использованием трех различных по диаметру мембран, натяжение которых может изменяться в процессе игры. Каждая из мембран имеет свой резо- натор в виде металлического котла. Мощность инструмента ;дости-г гает 20^-25 Вт, что в два раза превосходит мощность органа и в 5fr раз — мощность фортепиано. Отношение между минимальной (рр) и максимальной (fff) амплитудами сигнала достигает '1:10000* а динамический диапазон — 80 дБ. Динамические диапазоны боль- шого и малого барабанов, сигналы которых не имеют определенной частоты, также велики и равны 72-и 70 дБ.. -
Возможность настройки литавр позволяет возбуждать колебание в диапазоне частот от 30 до 1500 Гц. Наличие же в них гармоничес-
29
Рис. 2.19. Частотные спектры звучаний тарелок (о) и треугольника (б)
ких и негармонических составляющих делают спектр частот крайне неравномерным, что можно заметить по кривой 1 рис. 2.20. Еще боль- ше негармонических составляющих характерно для барабанов — большого и малого (кривые 2 и 3). Их частотные диапазоны соот- ветственно лежат в пределах 50—6000 Гц с наибольшей интенсив-
Рис. 2.20. Спектральные кривые литавр (1), большого (г) и малого (£) барабанов
жостью в области 350—400 Гц и 1000—4000 Гц с максимумом вбли- зи частот 500—1000 Гц.
Длительность послезвучания достигает нескольких секунд и за- висит от массы и силы натяжения мембраны.
Шумовые источники, такие, как двигатели самолетов и автома- шин, падающая вода, шелестящие листья, по своей природе более всего похожи на ударные музыкальные инструменты. Звукообразу- ющие элементы у этих источников — твердые или жидкие тела, возбуждаемые ударом или трением. Они создают сигналы чаще все- го негармонического типа. Уровни этих сигналов изменяются в широ- ких пределах: от 110 дБ (мотор самолета, движущийся поезд) до 70-7-60 дБ (легковой транспорт) и даже до ЗО-т-25 дБ (шум дождя и листьев). Частотный спектр этих сигналов также крайне разно- образен. То он приближается к спектру «белого» шума с меняющей- ся плотностью по частоте, то занимает сравнительно узкую частот- ную полосу (гудки, сирены и др.).
,30