Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

Со струной, по которой проводят смычком, все происходит не так, как при игре на гитаре, поскольку звуковые волны создаются в скрипичной струне не в результате единичного щипка. Когда скрипач ведет смычком по струне, из-за трения смычок периодически то зацепляется за струну, то срывается, то есть движение смычка — это последовательность захватов-срывов . Струна вначале может зацепиться за смычок, и он ее потянет, но потом струна все равно отцепится, и в этот момент от точки отрыва по струне побегут два импульса в противоположных направлениях. Один побежит в сторону скрипача, а другой — в противоположную сторону. Каждый из них отразится (и перевернется при отражении) от закрепленного конца струны и побежит по ней в обратном направлении к другому концу. Все это время смычок продолжит скользить по струне вверх. В момент, когда какой-то из импульсов вернется к смычку, струна снова захватится смычком и снова будет тянуться за ним, пока опять не сорвется. И тогда по струне опять побегут два импульса.

Скрипач должен так натренировать свои интуицию и слух, чтобы синхронизовать движение смычка с движением этих импульсов, которые он, естественно, не видит. Если эти волны возбудить правильно, вызванные ими колебания струны будут создавать более сильные изменения давления воздуха, которые распространятся от скрипки в окружающую среду в виде звуковых волн. Эти колебания могут войти в резонанс с собственными колебаниями деревянного корпуса скрипки и заполненной воздухом полости, и эти две серии колебаний дадут дополнительные тона на различных частотах, добавляя богатство окраски, или тембр, звукам скрипки.

Смычок сделан из конских волос, снаружи покрытых твердыми ороговевшими кератиновыми клетками, а внутри содержащих более мягкие клетки. Поскольку смычок постоянно «пилит» струну, на волосе постепенно образуются канавки на стороне, которая трется о струну, и там обнажается мягкая сердцевина. Когда волос покрывают канифолью, ее крупицы частично внедряются в мягкую внутреннюю часть волоса, и их поверхность как раз образует те зоны, которыми смычок захватывает струну, когда им ведут по струне. Если играть долго, частички канифоли постепенно стираются, и это значит, что нужно еще раз проканифолить смычок, чтобы восстановить правильный режим сцепления-расцепления смычка со струной.

Считается, что звука либо не будет вовсе, либо он будет ужасным, если вести смычком по средней точке струны. Я полагаю, что это происходит из-за равенства путей распространения импульсов, возбуждаемых смычком в средней точке. Обычно эти импульсы проходят разные пути до концов струны. Но если смычок находится посередине, они проходят одинаковые пути и, отразившись, приходят обратно к смычку одновременно. И тогда эти импульсы складываются и приводят к большему, чем обычно, отклонению струны в этой точке, а это нарушает обычный режим захвата-срыва струны смычком. И тогда струна либо не издаст звука вообще, либо издаст резкий, режущий слух звук.

Чтобы извлечь звук на частоте субгармоники, скрипач сильно давит на мостик [52]или даже поворачивает его, когда ведет смычком по кетгутовым (не синтетическим) струнам. Почему при этом частота звука становится ниже основной, не совсем ясно, но, возможно, в этом случае кроме смещения струны вбок возникает ее кручение, то есть начинают играть роль крутильные колебания . Соответствующие волны будут распространяться вдоль струны медленнее, чем волны, о которых говорилось выше, и это приведет к тому, что струны будут колебаться с более низкой частотой, следовательно, и звук получится более низкой частоты.

Когда мы слушаем скрипку, звуки с частотой меньше 1000 Гц несутся к нам от самой скрипки, а вот звуки с большей частотой будто приходят с разных сторон для разных частот. Поэтому, когда частота такого звука меняется, создается ощущение, что меняется местоположение его источника. И нам кажется, что звук не привязан к точке в пространстве, где находится сама скрипка. Это можно сравнить с мерцающими огнями фейерверка. Что вызывает такое ощущение?

ОТВЕТ •Когда источник звука мал по сравнению с длиной волны звука, мы, естественно, слышим, откуда пришел звук, даже если частота звука изменилась. Однако, когда источник звука велик по сравнению с длиной волны, разные части источника могут восприниматься как отдельные источники, каждый испускающий свой звук. На каждой заданной частоте звуковые волны от этих источников перекрываются, в результате появляется интерференционная картина с областями разной интенсивности. При изменении частоты картина смещается. Если вы слышите целый набор высоких частот, эта разница в интерференционных картинах для разных частот может дать иллюзию того, что звук разной частоты приходит от источников, расположенных в разных местах.

Когда скрипка издает звук, он приходит в основном от всего деревянного корпуса. Когда частота звука превышает 1000 Гц, длина волн достаточно мала — менее 30 см, и отдельные части деревянного корпуса скрипки воспринимаются как разные источники звука, и тогда может возникнуть иллюзия мерцающего звучания скрипки.

В прежние времена в раковину трубили, чтобы предупредить корабли об опасности столкнуться со скалой в густом тумане. Сейчас это делают в основном на торжественных церемониях. Чтобы подудеть в раковину, нужно прижаться губами к узкому отверстию на ее кончике (кончик следует аккуратно отбить или стесать напильником). Почему раковина издает такой громкий звук?

Почему, если вы на пляже подберете большую морскую раковину и приложите ее к уху, вы услышите шум, напоминающий звук разбивающихся о берег волн?

ОТВЕТ •Если вы подуете в морскую раковину, возникнет два вида колебаний: губы будут колебаться (дрожать) примерно так, как колеблется гитарная струна, а если частота колебаний ваших губ совпадет с собственной частотой раковины, смогут возбудиться и звуковые колебания внутри раковины. Вы можете заставить губы колебаться, если прижмете их к отверстию раковины и будете выдувать через них воздух. Если делать это осторожно, губы будут колебаться сразу на нескольких частотах гармонического звукоряда . В одной серии экспериментов измерили самую низкую частоту ( основную частоту ), равную 47,5 Гц, и более высокие частоты, равные основной частоте, умноженной на целые числа: 2 × 47,5 = 95 Гц, 3 × 47,5 = 142,5 Гц и так далее.

Колебания губ создают в раковине звуковые волны с теми же частотами, что и частоты колебаний губ. Б о льшая часть волн просто гасит друг друга, но некоторые, частота которых равна одной из резонансных частот раковины, усиливают друг друга и образуют сильную звуковую волну (громкий звук). В упомянутом выше эксперименте самая низкая резонансная частота раковины оказалась равной 332,5 Гц.