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.

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

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.

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.

Дата добавления: 2015-11-16