Акустика традиционных музыкальных инструментов. Определение музыкального инструмента. Классификация музыкальных инструментов. Акустические характеристики музыкальных инструментов.

Классический музыкальный инструмент можно рассматривать как «механоакустический преобразователь, в котором под действием внешних сил происходят вибрации упругих тел и излучение звука в окружающее пространство». Состав музыкального инструмента включает в себя следующие основные элементы (хотя среди огромного многообразия музыкальных инструментов эти элементы не всегда могут быть четко выделены):

— генератор (возбудитель колебаний) — система для передачи энергии звучащему телу и возбуждения в нем колебаний. Устройство и форма генераторов видоизменяются в зависимости от природы звучащего тела, иногда используются довольно сложные механизмы (клавишный механизм и молоток рояля, воздуходувный механизм в органе, дыхательный аппарат человека и др.);

— вибратор (звучащее тело) — основная часть инструмента, в которой возбуждаются колебания. В некоторых инструментах излучение звука происходит непосредственно от вибратора (например, мембрана барабана, пластинки ксилофона, оболочка колокола и др.), в других с помощью дополнительных устройств-резонаторов (например, у скрипки, рояля, арфы и т. д.);

— резонатор (усилитель) — устройство, предназначенное для усиления звука и используемое в тех случаях, когда отдача энергии непосредственно от вибратора в воздушную среду слишком мала. В большинстве случаев это происходит, когда вибратор имеет маленькую поверхность (площадь или объем), поэтому не может вызвать смещение достаточно большого количества частиц воздуха и, следовательно, обеспечить необходимый уровень звукового давления в среде. В таких случаях колебания звучащего тела должны быть переданы другому телу, имеющему большую поверхность или объем и способному обеспечить излучение достаточно большого уровня акустической энергии в окружающее пространство (например, резонансные деки рояля, гитары, скрипки и др.).

В музыкальных инструментах применяются три основные категории вибраторов:

— тела, упругие в силу своих природных свойств (твердости и формы). Они не требуют предварительного натяжения, чтобы совершать колебания и излучать звук (бруски, стержни, трубки, пластины, оболочки и др.). Их используют в свободно подвешенном состоянии (гонг, трубчатые колокольчики и др.), с опорой на отдельные точки (ксилофон, маримба и др.) или закрепленными на одном конце (например, колокол);

— тела, становящиеся упругими вследствие натяжения. Натяжение может быть приложено в одном направлении, например для струн, а может быть приложено по периметру, например для круглых мембран барабанов. От степени натяжения зависит упругость этих тел, а следовательно, и собственные частоты их колебаний, т. е. состав спектра;

— тела, становящиеся упругими вследствие процесса сжатия (например, столбы воздуха, заключенные в трубы различного сечения).

Основные способы возбуждения колебаний вибраторов, т. е. генерации энергии, можно свести к следующим:

— удар (толчок) — мгновенное приложение силы и передача энергии звучащему телу с последующим предоставлением ему свободы колебаний. При таком режиме возбуждения вибратор совершает свободные затухающие колебания, т. к. происходит потеря энергии за счет излучения и внутреннего трения (например, в струнах рояля, колоколах и др.);

Особый вид возбуждения происходит с помощью передачи энергии последовательными толчками, например для столбов воздуха в трубах, что создает автоколебательный процесс, который обеспечивает звучание духовых инструментов;

— щипок, или зацепление — это способ, при котором звучащее тело зацепляется каким-либо предметом (или пальцем), выводится из положения равновесия и освобождается (например, струна гитары, арфы, лютни, клавесина и др.), после чего оно переходит в режим свободных затухающих колебаний;

— трение — при этом способе возбуждающее тело (например, смычок) остается в тесном соприкосновении с вибратором (струной) за счет трения в течение определенного периода времени, после чего происходит отрыв вибратора, далее этот процесс периодически повторяется (например, при возбуждении струн скрипки).

В качестве усилителей-резонаторов могут использоваться тела, обеспечивающие эффективное излучение звука в окружающее пространство, например за счет большой площади (деки рояля), или специальных корпусов с заключенным в них воздушным объемом (у скрипки, гитары и др.), или системы резонансных труб (например, в маримбе) и др.

Нужно отметить, что в настраиваемых музыкальных инструментах в качестве вибраторов и резонаторов могут использоваться только те тела, которые способны совершать периодические колебания, т. е. тела, собственные частоты которых составляют дискретный гармонический спектр поскольку слуховой аппарат способен определить высоту тона только для звуков с периодической структурой. Это накладывает строгие ограничения на выбор формы вибраторов и резонаторов (струны, бруски сложной формы, трубы и т. д.) и их физико-механические параметры (жесткость, коэффициент внутреннего трения, плотность и др.), что и создает основные проблемы при изготовлении инструментов, поскольку именно этот выбор определяет их точность настройки и тембр. Широкое распространение имели и имеют в настоящее время и ненастраиваемые музыкальные инструменты (барабаны, тарелки и др.), однако выбор форм и материалов их вибраторов также ограничен определенными требованиями, поскольку от этого зависит их тембр звучания.

Классификация музыкальных инструментов может быть выполнена по различным критериям (хотя далеко не все инструменты могут быть четко классифицированы). Наиболее распространенной является классификация, предложенная В. Майоном в 1888 г. и подробно разработанная австрийским музыковедом Э. Хорнбостелем (1877-1935) и его немецким коллегой К. Заксом (1881-1959) в 1914 году.

Согласно этой классификации инструменты объединяются в классы по типам вибраторов:

— хордофоны (струнные), в которых в качестве вибраторов используются струны различных размеров, диаметров, плотности и степени натяжения (рояли, арфы, гитары, скрипки и т. д.);

— мембранофоны, в которых звук извлекается при возбуждении натянутой мембраны (барабаны, литавры и др.);

— идиофоны, где звук создается за счет возбуждения колебаний в телах, обладающих собственной упругостью: брусках (ксилофон, маримба и др.), трубках (оркестровые колокольчики), пластинках (тарелки), оболочках (колокола) и т. д.;

— аэрофоны — духовые инструменты, которые используют для возбуждения и поддержания звука колебания воздушных столбов в трубах разной формы (кларнеты, флейты, органы, саксофоны и др.)