Резонаторы и деки

Под резонатором в акустике подразумевается какой-либо объем воздуха, заключенный в упругие стенки и имеющий выходное отверстие. Резонатором он называется потому, что если возбудить колебания находящегося в нем воздуха, то резо­натор издаст звук совершенно определенной высоты. На этом принципе построены резонаторы Гельмгольца.

Высота звука, которая родится в резонаторе, зависит от объема заключенного в нем воздуха, формы резонатора и раз­меров выходного отверстия. Этот тон называется собствен­ным тоном резонатора. С точки зрения акустики, ста­кан, полый шар, трубка, бутылка являются резонаторами. Чем меньше размеры резонатора и вместе с этим объем заключен­ного в нем воздуха, тем выше тон, который родится в резона­торе — его собственный тон. Чем меньше выходное отверстие, тем ниже собственный тон.

В основе этого явления лежит образование так называемой стоячей волны, которая «бегает» в стенках резонатора от

} 169

его дна до края и обратно. Поскольку скорость распростране­ния волны в воздухе постоянна, то за то же самое время в не­большом объеме воздуха волна успеет совершить много полных колебаний (т. е. собственный тон будет иметь высокую частоту), а в 'больших объемах — мало (т.е. небольшую частоту). Этим объясняется то явление, что собственный тон резонаторов не­большой величины высок, а большой величины — низок. На явлении собственных колебаний, возникающих в трубах, осно­вано устройство органов, где самые низкие звуки возникают в трубах, имеющих длину несколько метров, а самые высокие — 1—2 см.

Когда мы наливаем из крана воду в бутылку, мы слышим, как звук по мере заполнения ее водой становится все выше и выше, напоминая свисток тогда, когда.вода доходит до горлыш­ка. Это связано с уменьшением столба колеблющегося воз­духа, причем источником колебаний является сотрясение его • падающей струей воды.

Явления резонанса в резонаторах возникают по тому же принципу, что и в струнах. Резонатор «отвечает», т. е. в нем получается раскачка воздуха тогда, когда над ним из­дается звук, совпадающий по частоте (высоте) с его собствен­ным тоном. Поскольку в этом случае собственная частота резо­натора совпадает с частотой подходящих к нему волн, каждая новая волна подталкивает в такт «бегущую» в резонаторе собственную волну, в результате чего раскачка становится все больше и больше. Энергия накапливается. Резонатор начинает «отзвучивать». Отзвучивает он и на обертоны собственного тона, но только менее сильно. При несовпадении частоты подхо­дящих к резонатору волн с собственными колебаниями, возни­кающими в резонаторе, — с его собственным тоном, раскачки не получится (как не раскачиваются качели, если их подтал­кивать не в такт). Как и при резонансе струн, сам резона­тор не добавляет энергии, а лишь аккумулирует, накапливает ту энергию, "которая содержится в подходящих к нему волнах. Потом резонатор отдает ее в наружную среду, гудит, отзвучивает, отчего звук для слушателя становится громче. Рис. 17.

В голосовом аппарате человека имеется множество полостей и трубок, в которых могут развиваться явления резонанса. Трахея и бронхи, полость гортани, глотки, рта, носоглотки, носа и окружающие его мелкие придаточные полости обладают до­статочно упругими 'Стенками для того, чтобы в них возникли явления резонанса. Одни из них по своей форме и размерам неизменны, даны от природы, следовательно всегда усиливают одни и те же обертоны, порождают постоянно присутствующие в голосе призвуки и не могут быть специально приспособлены для усиления каких-либо других обертонов (например, нос и ■его придаточные 'полости). Другие легко меняют свою форму

и размеры, например ротовая полость, глотка, надсвязочная полость гортани, т. е. могут использоваться в широких пределах для изменения исходного тембра путем резонаторного усиле­ния определенных групп обертонов. Именно благодаря резона-торным явлениям в спектре голоса человека получаются «пики», усиления отдельных обертонов, которые часто оказываются сильнее основного тона (см., например, рис.16 и 25).

В струнных инструментах основным механизмом, меняющим исходный тембр струн, являются деки. Под деками понимаются специально сконструирован­ные деревянные доски, обра­зующие, например в скри­пичных инструментах, их корпус. Деки отдают воз- ₃_ душной среде те колеба­ния, которые они получили от источника колебаний —

от струн. Однако они явля-

ются не только передатчи­ками, но и трансформато­рами тембра исходного зву­ка струн, Д

Рис. 17. Опыт Гельмгольца, доказываю­щий наличие колебаний в резонаторе. В бутылке (резонатор) — 1 вместо дна натянута перепонка — 2, к которой свободно прикасается подвешенный на

ка резонирует, перепонка под влиянием раскачки воздуха внутри бутылки на­чинает колебаться, а шарик — отскаки­вать от нее.

Для того чтобы понять, ^{нйтке легкий} шарик-3. Когда бутыл-как это происходит, мы поз­волим себе привести следу­ющий пример. Всем ^; изве­стен ксилофон — инстру­мент, состоящий из отдельных деревянных дощечек — брусоч­ков различной длины, которые при ударе их палочкой издают музыкальный тон определенной высоты. Этот тон зависит от длины 'брусочка,его толщины и материала, из которого он сде­лан. Соответственно и резонировать дощечка будет на этот тон. Деки можно себе представить как сумму таких дощечек, скрепленных воедино и имеющих у разных инструментов раз­личную форму.

Звук от колеблющейся струны, имея вид убывающего часто­кола амплитуд, передается декам. Последние начинают коле­баться с присущими им собственными колебаниями, в резуль­тате чего излучается в пространство не столько тот спектр, что рожден струной, сколько тот, который свойствен декам, корпу­сам инструментов. Общеизвестно, что ценность скрипки опре­деляется особенностями строения ее корпуса, ее дек, а не каче­ством натянутых на нее струн. То же относится и к фортепиано, где кроме механики ценится (прежде всего то, что дает краси­вый звук, т. е. качество деревянных конструкций, дек.

В результате колебания дек, те или иные обертоны, хорошо резонирующие в деках, могут оказаться относительно сильнее других. Так, из убывающего частокола частот, характерного для

герпетические тоны Гельмгольца, по которым наше ухо к различает один гласный звук от другого. Есть и другие ха­рактерные области частот, в некоторых гласных их четыре-пять,

юоо

колебаний струны, образуется спектр с отдельными усилениями, как говорят «пиками», тех или иных частот (см. рис. 12).

В голосовом а'шпарате не существует подоб­ных дек. Механизм изменения исходного тембра, рожденного в голосовой щели, не связан с вибрациями груди, нёбного сво­да или каких-либо еще частей организма, как об этом иногда пишут в старых руководствах. Изменение исходного тембра гортани целиком зависит от резонаторных явлений, развиваю­щихся в полостях голосового аппарата. В настоящее время ис­следован как звук, возникающий в голосовой щелк, так к воз­действие на него резонаторных полостей.

Звук голосовой щели

Впервые звук, рождающийся в голосовой щели, был услы­шан у людей, разрезавших себе горло над голосовыми связками при попытке к самоубийству, но оставшихся живыми. У этих людей голосовая щель непосредственно смотрела в рану, и по­скольку нервы, заведующие движениями голосовых и других гортанных мышц, были сохранены, то работа голосовых связок не была нарушена. Позднее этот звук связок был изучен при операциях на гортани. Он был 'записан и акустически проана­лизирован.

На слух этот голос, исходящий непосредственно из голосо­вой щели, по тембру резко отличается от нормального, выходя-'щего изо рта. Прежде всего изменен его индивидуальный тембр, он неузнаваем, носит «пищащий» характер, и, кроме того, он яе имеет формы того или иного гласного звука. При попытке сказать разные гласные или слова голосовая щель издает одно­родный тон. Губы и язык делают соответствующие артикуляци­онные движения, но поскольку звук гортани идет непосредст­венно в раневое отверстие, а не поступает в ротоглоточный канал, никакого звука изо рта не выходит. Этот факт лишний раз доказывает, что гортань родит звук индифферент­ный, не имеющий еще формы того или иного гласного, и что характер речевого звука исходный тембр гор­тани получает проходя через надставную труб-*к у, т. е. по ротоглоточному каналу. Между тем люди зкали это давно. В старые времена преступникам вырезали язык, при этом они лишались возможности произносить различные глас­ные и согласные, лишались дара речи, сохраняя голос.

Форманты гласных звуков речи

Как известно еще со времен Гельмгольца, каждый гласный звук содержит в своем обертоновом составе две основные, от­носительно усиленные области частот, так называемые харак-

Рис. 18. Вверху — спектр гортани, состоящий из большого числа убывающих по амплитуде обертонов. Внизу спектры гласного звука е, взятого на разной высоте (слева 100 гц, спра­ва 200 гц). Формантные области 700 гц и 1400 гц остаются Ьостояниыми, несмотря на изменение высоты основного тона.

Рис. 19. Схема образования из первич­ного спектра гортани спектра звука е. Показаны полости рта и глотки, где в результате резонанса усиливаются обер­тоны, имеющие формантное значение, т. е. придающие звуку характер глас­ного е.

но основные — две. Эти области частот, характеризующие зву­
чание каждого гласного звука, носят название формант
гласных. Каждый глас­
ный звук характеризуется ¹⁴⁰⁰
двумя такими главными об­
ластями усиления, 'причем
одна из них обязана своим
происхождением резонан­
су тлотки, а вторая — ре­
зонансу ротовой поло­
сти. Именно этим и '.опре­
деляется необходимость при
переходе ' от '■ гласного к
гласному перемещать язык
из одной позиции в другую.
Язык является тем (основ­
ным артикуляционным ор­
ганом, перемещение которо­
го создает в ротовой и гло­
точной полостях ' нужные
для образования формант
объемы воздуха. Именно по­
этому невозможно при едином положении языка произнести
разные гласные. Единое положение языка создаст единые по
своему объему полости в глотке во рту '(следовательно, одина-

17J

ковый их резонанс), форманты не смогут образоваться, и глас­ные не возникнут.

Формантные области для гласных русского языка по Фанту равны: а — 700 и 1000 гц, 0 — 535 и 780 гц, у — 300 и 650 гц, _е _ 440 и 1800 гц, и — 240 и 2250 гц.

_к~370

Объемы глоточной и ротовой полостей находятся по величи­не в обратных отношениях и изменяются при 'произношении разных гласных в последовательности и—е—а—о—у. На и ро-

Рис. 20. Положение артикуляторных органов при произнесе­нии речевых гласных и, а, о, у по нашим рентгенограммам и опектры этих гласных. Спектры сняты в акустической ла­боратории Московской государственной консерватории им. Чайковского при содействии Д. Юрченко и Е. Рудакова. На спектрах хорошо видны формантные области гласных, а на рисунках — полости, в которых эти форманты возникают. Ясно различается перемещение языка при переходе от одного гласного к другому. Надгортанник следует за корнем языка, и вход в гортань меняет свои размеры.

товая полость наименьшая по объему, так как спинка языка под­нята к.передней части твердого нёба. Эта малая полость резо­нирует на 3000 гц. Тут, в этой маленькой полости, образуется ротовая форманта гласного и. На гласном и глоточная полость, наоборот, наибольшая. Она резонирует на звук высотою в 400 гц, и в ней образуется глоточная форманта гласного и. Ротовая по­лость увеличивается при переходе от гласного и к гласному у в последовательности и—е—а—о—у. Глоточная же уменьшается при переходе от и к е и а, на о и у снова увеличивается.

Таким образом, переход от 'гласного к гласному есть тембральное изменение звука, обязанное сво­им происхождением изменению резонанса ротоглоточных поло­стей. Между тем каждый из нас легко различает не только

одАшт/ину одАштгину

■ч «сз

				1 1	i
		иг

§ „

Дата добавления: 2015-08-05