Глеб Анфилов - Физика и музыка

ученый ухитрился складывать сложные музыкальные тембры

из колебаний камертонов. Чашечки камертонных резонаторов пели хором то как флейта, то как труба. Даже человеческие голоса — звуки гласных — удавалось воспроизводить искусственно. Камертоны буквально «произносили» гласные «а», «о», «и», «у».

После исследований Гельмгольца физика действия «музыкальной посуды» стала ясной, во всяком случае, принципиально.

В музыкальном резонаторе главной составной частью служит воздух. Это доказал Гельмгольц. Мы знаем, что воздух упруг. Значит, упруги и столбики его, «налитые» в стволы рогов и флейт, валторн и тромбонов. А как должно вести себя длинное упругое тело? Как струна.

Разница, разумеется, есть. Струна вибрирует поперек своей длины, а воздух — вдоль. Газовый столб скорее похож на длинную спиральную пружину. Кроме того, воздушная пружина неизмеримо легче стальной, колеблется гораздо чаще и очень быстро успокаивается. Потому-то ее и нельзя возбудить одним толчком. Зато на вибрацию она отзовется мерной дрожью собственных вынужденных колебаний. Так воздушный столбик резонирует — откликается громким голосом на почти беззвучные колебания вибраторов.

Флейтист дует в дульце — воздушная «пружина» встряхивается и поет. Флейтист перебирает дырочки — «пружина» удлиняется, укорачивается, звучит разными голосами. Флейтист дует сильнее — «пружина» встряхивается чаще, «ломается пополам», и слышится наш старый знакомый — первый обертон. Еще сильнее дуновение — появляется второй обертон, потом третий и другие — высшие. Такой перелив обертонов — не что иное, как передувание, распространеннейший способ игры на всех духовых инструментах.

«По одежке протягивай ножки» — этой пословице приходится следовать и обертонам в резонаторах. В простенькой флейте стоячим волнам негде развернуться. Набор их там самый бедный. Зато в гобоях, фаготах с их расширяющимися трубами «варится» более богатая смесь обертонов. А в кларнете вы найдете даже своеобразный духовой флажолет. В стволе — маленькая дырочка, через которую воздушная «пружина» на трети своей длины слегка касается наружной атмосферы. Открыть это отверстие — значит заглушить нечетные обертоны и придать звуку особое своеобразие.

У всех духовых инструментов, называемых деревянными, есть общая черта: трубы их резонаторов являются посудой в самом точном смысле этого немузыкального слова. Они не колеблются, а служат лишь вместилищем для воздуха. Потому их и делают из самых разнообразных материалов, лишь бы были попрочнее, полегче да поудобнее в обработке. И вычисления подобных резонаторов не очень сложны — в принципе мало отличаются от расчета вибрации струн.

Другое дело — медные (а вернее, латунные) духовые инструменты. В них и стенки резонаторов подают голос. Звук труб и валторн — это дуэт металла и газа, который уже не столь просто поддается математическому исследованию. Лишь в последние десятилетия ученые развили акустическую теорию духовых резонаторов, обосновали их рациональные формы.

Но рекордсмены сложности — тонкие деревянные коробки резонаторов струнных инструментов. И как все дороги ведут в Рим, так любые разговоры о музыкальных инструментах возвращаются в конце концов к скрипке. Нам не остается ничего другого, как последовать этим путем»

Почему скрипка продолговатая, а не круглая, как, скажем, банджо?

Потому что ее делают из дерева. Дерево волокнистое. В разные стороны оно сжимается и растягивается неодинаково. Звук бежит вдоль Деревянной доски быстрее, чем поперек нее. Потому-то скрипки, гитары, мандолины, домры и имеют продолговатую форму. И, как правило, отношение их длины к ширине такое же, как отношение «продольной» и «поперечной» скоростей звука. Точно соблюсти это отношение — значит заставить деревянный резонатор колебаться в наивыгоднейшем режиме. Пока дека вспучится вдоль волокон, она поспеет выгнуться и поперек них — резонатор будет вибрировать с наибольшим размахом, как единое целое. И понятно, что экспериментальное изучение дерева тут полезно как нигде: по его итогам форму инструмента можно надежно и обоснованно вычислить.

Правда, такой расчет не полон. Особенно если речь идет о скрипке.

Чуткий корпус скрипки — слишком деликатная музыкальная «посуда». Коробка ее ведь не плоская, а выгнутая, сводчатая. В ней звучат не только деревянные части, но и опять-таки воздух («дуэт дерева и газа»).

В корпусе скрипки бесчисленными голосками поют пригнанные друг к другу воздушные пружинящие столбики: словно миллион флейт собрались вместе — разной длины, толщины, открытые и закрытые. Сложнейший, запутаннейший акустический процесс! И нет ничего удивительного в том, что всесторонней теории скрипичного резонатора нет до сих пор, хоть многие физики трудились над этой проблемой.

Однако борьба за научно обоснованную скрипку велась, ведется и будет вестись. Борьба упорная, многолетняя и увенчавшаяся уже многими победами.

...Начало XIX века.

Молодой страсбургский врач Феликс Савар больше медицины любил физику и музыку. Восторженный поклонник скрипки, он первый отнесся к ней как к физическому прибору, первый назвал ее хрупкое тельце в ту пору новым и кощунственным для музыканта словом: резонатор.

Раздобыв драгоценный инструмент работы Страдивари, Савар принялся выделывать с ним всевозможные эксперименты. То снимал со скрипки струны и, по врачебной привычке, тщательно выстукивал ее крутую грудь, то дул в нее, как во флейту, то приклеивал к разным местам скрипки деревянные палочки и прислушивался к звуку, издаваемому той или иной деталью.

После акустических опытов Савар убедился, что резонатор кремонской скрипки настроенный. И на выстукивание и на дутье он даже без струн отзывается всегда одинаковым тоном — «до» первой октавы. Так был открыт важный акустический признак хорошей скрипки.

Но детали резонатора звучали иначе. Подставка для струн, дно, дека («крыша»), душка (распорка между дном и декой) обладали собственными голосами. В резонаторе, как и в струне, объявился целый ансамбль деревянных хористов!

Разыскав его, Савар задался вопросом: а нельзя ли повторить этот хор в ином резонаторе? Обязательна ли традиционная форма итальянской скрипки с ее сводами, округлостями, «талией»?

И слова эксперименты.

Савар изучает, как бегут упругие волны в деревянной пластинке, как меняются они при переходе из одной детали в другую. Чтобы точно подсчитывать частоту звуковых колебаний, он ставит опыты с только что изобретенной паровой сиреной и заодно впервые определяет границы слышимых звуков.