ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы ШИПЕНИЕ. СВИСТ, ГУДЕНИЕ, ГРОХОТ из "Шум " Надеюсь, я не слишком разочарую читателя, кото-рый уже мнит себя знатоком по части труб с поршнями и пульсирующих баллонов, если скажу ему, что, по всей вероятности, ни те, ни другие ему нигде не встретятся, разве только в какой-нибудь лаборатории. Реальные источники звука гораздо сложнее, чем эти схемы. В книге, посвященной шуму, возможно, и следовало бы начать с пневматических перфораторов и сверхзвуковых самолетов, но, соблюдая последовательность, мы в первую очередь остановимся на некоторых простых звуковых машинах , применение которых не ограничено рамками лабораторий. В этих устройствах происходит большинство процессов образования шумов, которые так нам досаждают. Речь пойдет о музыкальных инструментах. В них применены нанлучшие способы создания звуков, и, познакомившись с ними, мы по крайней мере будем знать, чего следует избегать при конструировании различных механизмов. [c.37] Примерами инструментов первой группы (издающих звуки аэродинамически) могут служить некоторые духовые инструменты, в частности блок-флейта (продольная флейта, или рекордер) и диапазонные органные трубы. Произвести звук без подачи энергии невозможно. Мы уже видели, что звук —это просто способ передачи энергии сквозь воздух или какую-либо другую среду в виде волн давления, в которых энергия непрерывно и быстро переходит из одной формы в другую из потенциальной в кинетическую и обратно. При колебании поршня в трубе энергию поставлял вращающийся коленчатый вал, в случае пульсирующего баллона — насос. В духовой инструмент энергию подает сам музыкант, который давлением своих легких вдувает в него модулированную струю воздуха. На рис. 5 изображена блок-флейта. Воздух, сжатый в легких, вдувается через узкую щель мундштука и выходит из него в виде короткой струи при этом то по одну, то по другую сторону от струи образуются вихри. Они возникают потому, что по обе стороны от быстро движущегося потока воздуха давление падает. Это можно увидеть, например, если дунуть на монетку, лежащую на столе монетка перевернется. Падение давления вызывает отсасывание струи с боков поэтому большая скорость воздуха, выходящего из мундштука, и турбулентность струи приводят к образованию вихрей. Затем эти вихри сталкиваются с клиновидным выступом амбушюра флейты и проходят сверху или снизу выступа. Практически именно положение этого выступа определяет частоту образования вихрей чем меньше расстояние от отверстия мундштука до выступа, тем чаще образуются вихри. Точно так же, чем сильнее дует музыкант, тем больше скорость воздушной струи и частота образования вихрей. [c.38] Образование вихрей и прохождение их то по одну, то по другую сторону от клиновидного выступа вызывает колебания давления в ближайших слоях воздуха. Если распилить блок-флейту сразу же позади выступа, издаваемый ею звук окажется весьма немузыкальной смесью из шипения и свиста, и его высота будет зависеть от силы, с которой музыкант дует в мундштук. В этом случае колебания давления далеко не такие простые, как при пульсациях баллона, но принцип возникновения звука тот же. Расширяясь и сжимаясь, баллон сжимает и разрежает окружающий сферический слой воздуха это вызывает колебания давления, передаваемые во всех направлениях от одного слоя к другому со скоростью звука. Различие между баллоном и отпиленным мундштуком блок-флейты состоит в том, что последний производит сжатия и разрежения не путем колебания поверхности, а в результате колебаний самого воздуха и что возникающие при этом волны не имеют правильной сферической формы. [c.39] Почему мы отпилили мундштук от нашей блокфлейты Только потому, что остальная часть инструмента не имеет никакого отношения к созданию звука, а только видоизменяет звук, возникающий в мундштуке. Если закрыть отверстия в стенке корпуса инструмента, он будет напоминать трубу, в которой ходит поршень. Но в предыдущей главе мы опустили одно важное обстоятельство, касающееся поведения такой трубы с поршнем. Предполагалось, что волны сжатия, бегущие вдоль трубы, исчезают, добежав до ее конца. В действительности это вовсе не так. Когда звуковая волна достигает открытого конца трубы, она внезапно встречает бесконечный объем воздуха в не-ограииченном наружном пространстве. Ничтожный объем воздуха, который волна переместит из узкой трубы в наружное пространство, не в состоянии повысить давление снаружи и поэтому волна не сможет выйти наружу, а, отразившись от открытого конца трубы, побежит в обратную сторону. Явление отражения звука играет важнейшую роль в акустике, и мы рассмотрим его гораздо подробнее в дальнейшем. [c.39] Взглянув снова на график стоячей волны, мы обнаружим еще одно существенное обстоятельство на открытых концах трубы всегда оказываются минимумы (нулевые значения) амплитуды. Следовательно, вдоль трубы всегда должно уложиться целое число полуволн звука. Тогда, действительно, в результате последовательных отражений амплитуда стоячей волны достигает значительной величины происходит резонанс. При резонансе отраженные волны комбинируются так, что усиливают друг друга — это так называемая конструктивная интерференция волн. Если же на длине трубы не укладывается целое число длин волн, то последов а гельные отражения уже не будут усиливать друг друга максимумы одних волн придутся на минимумы других, и в итоге получится стоячая волна малой амплитуды. Резонанс в этом случае отсутствует, и говорят о деструктивной интерференции волн. [c.42] Теперь откроем отверстия в стенке блок-флейты. Мы видели, что стоячие волны возникают в результате отражения волны от обоих концов трубы отражение происходит благодаря внезапности столкновения волны со свободным наружным воздухом. Если открыть отверстие, то такте же отражение возникнет уже ближе к началу блок-флейты, звуковая волна столкнется с наружным воздухом несколько раньше, эффективная длина трубы уменьшится, а значит, ее резонансная частота возрастет. [c.42] Самой низкой частоте резонанса закрытой трубы соответствует длина волны звука, вдвое большая, чем длина трубы. В нашем частном случае длина инструмента должна быть чуть меньше 0,5 м. Резонанс в трубе обеслечивает обратную связь и вызывает образование вихрей точно в такт с резонансной частотой, если только флейтист не дует слишком сильно или слишком слабо. Когда отверстия в корпусе инструмента открыты, резонансная частота возрастает, но в остальном процесс протекает так же флейтист подсознательно варьирует силу, с которой он дует, таким образом, чтобы ускорить образование вихрей, чему способствует и действие обратной связи. Если он будет дуть слишком сильно, то прежде всего слегка увеличится частота звука, издаваемого блок-флейтой, потому что, когда частота образования вихрей близка, но несколько превышает резонансную частоту корпуса, результирующая частота резонанса равна среднему между ними. Если флейтист подует еще сильнее, блок-флейта протестующе взвизгнет (в действительности все происходящее сложнее, и в этой главе мы еще вернемся к данному вопросу). [c.43] Рассмотрим теперь вторую группу музыкальных инструментов и попробуем сравнить нх с блок-флейтой. К этой группе относится семейство скрипок скрипка позволяет познакомиться со многими возможными механизмами образования шума. [c.43] Впрочем, существует и другой, более научный подход к колебанию струны, позволяющий выявить сходство струны с трубой. Если взять очень длинную слабонатянутую струну и ущипнуть ее у одного конца, то созданное щипком смещение побежит вдоль струны, подобно звуковой волне в длинной трубе. И тЬчно так же, достигнув конца струны, смещение отразится и побежит в обратную сторону. Если вместо однократного щипка непрерывно возбуждать колебания струны, отраженная волна будет накладываться на исходную и струна будет выглядеть подобно подвижному графику стоячей волны в трубе. Учитывая последовательные отражения от обоих концов струны, можно понять, каким образом струна совершает резонансные колебания такие, как воздух в трубе, с тем отличием, что пучности и узлы соответствуют не точкам большого и малого давления, как в трубе, а точкам максимального и нулевого смещений. Резонансная частота струны также обратно пропорциональна ее длине. [c.45] Подобно тому как можно варьировать резонансную частоту трубы, изменяя плотность или упругость газа, ее заполняющего, и таким образом изменяя скорость звука, а следовательно, длину звуковой волны, можно варьировать и резонансную частоту струны. Аналогия состоит в том, что, увеличивая массу струны или уменьшая ее натяжение при постоянной длине струны, можно уменьшить ее резонансную частоту, и наоборот. В этой возможности не отдавали себе отчета до ХУП в., что чрезвычайно задержало появление современного фортепьяно. Для того чтобы сохранить диапазон в семь с половиной октав, которым располагает современный инструмент, рояль со струнами, обладающими одинаковой погонной плотностью и равным натяжением, должен был бы иметь длину более 12 м. [c.45] Как уже упоминалось, сами по себе струны не могут издавать сильных звуков. Однако они колеблются весьма энергично. Струна обладает энергией, и ее движение имеет колебательный характер, что достаточно для создания звука, но передача звука от струн в воздух очень мала. Это затруднение устраняет корпус скрипки через подставку колебания струны передаются деревянному корпусу, который действует как наш воображаемый пульсирующий баллон, с той разницей, что звуковые волны создаются не только снаружи, но и внутри корпуса. Корпус усиливает передачу звука в воздух, так как на воздух воздействует поверхность гораздо большая, чем поверхность струны. Звуковые волны, возникающие внутри корпуса, комбинируются друг с другом, но скрипичный мастер должен рассчитать корпус таким образом, чтобы резонансная частота внутреннего объема скрипки была ниже частоты самой низкой ноты любой струны, иначе какая-то из нот будет доминировать над остальными. Иногда мастеру это не удается, и тогда у скрипки появляется так называемый волчий тон . Резонансы — бич плохих скрипок. [c.46] Если ударить по медной тарелке, в металле побегут изгибные волны, которые отразятся от краев, подобно тому как отражаются волны в струне. Разумеется, тарелка не находится в состоянии натяжения, но роль натяжения играет упругость металла. Тарелка гораздо успешнее, чем струна излучает звук в воздухе это обусловлено ее большой плоской поверхностью ведь только по краям тарелки воздух может обогнуть ее и не подвергнуться сжатию или разрежению. [c.47] Свойства меди как бы обратны свойствам дерева, поэтому для отливки колоколов обычно применяют бронзу. В медных духовых инструментах твердая, гладкая внутренняя поверхность сохраняет в результирующем звуке большую часть гармоник. Сурдина, надеваемая на медную трубу, приглушает ряд гармоник н смягчает тембр. Применяют сурдину и для скрипки, укрепляя зажим на подставке, что вводит трение в колебательное движение струн и сообщает тону мягкость и серебристость. Подробнее о затухании и поглощении звука мы будем говорить в следующих главах. [c.49] Благодаря наличию лишнего измерения набор гармоник у медных тарелок значительно сложнее, чем у струн или труб. В тарелке гораздо богаче возможности взаимного расположения узлов и пучностей геометрия тарелок приводит к возникновению множества резонансов с близкими частотами, благодаря чему тарелки обладают очень красочным, но отнюдь не мелодичным звучанием. [c.49] Частоты гармоник равны основной частоте, умноженной на 2, 3, 4 н т. д. [c.50] ОСНОВНОЙ частоты (иногда называемой первой гармоникой) или, напрягая губы, колебание которых заменяет образование вихрей в блок-флейте, может заставить звучать вторую, третью или множество других гармоник так как по высоте звука низкие гармоники разделены большими интервалами (рис. 10), на таком инструменте, как горн, трудно сыграть что-нибудь более сложное, чем песенка Берн ложку, бери хлеб , содержащую преимущественно интервалы I) квинту и кварту. Играя на трубе, это затруднение можно обойти, потому что труба практически состоит как бы сразу из трех горнов с общими мундштуком и раструбом, но с корпусами различной длины, которые можно открывать и закрывать, пользуясь клапанами. Благодаря этому на трубе можно получить значительно большее число гармоник. [c.50] В отношении нумерации гармоник существует известная путаница музыканты в отличие от акустиков Иногда называют вторую гармонику первой, третью — второй и т. д., но в этой книге первая гармоника — это всегда основная частота, и счет гармоник начинается с нее. [c.50] Посмотрим, что произойдет, если частота второй ноты вдвое больше частоты первой ноты, иначе говоря, интервал между ними составляет одну октаву. Теперь частоты наших нот раЬны соответственно 300 и 600 Гц, и разностный тон также имеет частоту 300 Гц. Следовательно, его частота равна частоте первой ноты, и он сольется с ней так же хорошо, как соединяются ноты, равные по частоте. Вот почему октава представляет собой такой гармоничный интервал— самый гармоничный из возможных. Так же гармонично будут сливаться и гармоники с их разностными тонами. Следующий наиболее гармоничный интервал — квинта, в этом случае частота одной ноты на 50% выше, чем другой, и разностный тон оказывается точно на октаву ниже более низкой из нот. [c.52] Действительно резкое неблагозвучие возникает из набора множества разностных тонов в том случае, когда исчезает упорядоченная зависимость между отдельными нотами и остаются только пульсирующие зруки кошачьего концерта . Если, например, нажать две самые нижние педали 16-футового регистра органа, получится Превосходная имитация шума судового дизельного двигателя. Диссонанс, по существу, проблема количественная, он определяется интенсивностью биений, образующих разностные тоны. Специалистам по электронике, знакомым с принципом гетеродинирования сигналов в радиосвязи, сущность этой проблемы должна быть понятна. [c.52] Мы не коснулись еще одного очень распространенного типа звуков, который также представляет значительный интерес. Все музыкальные инструменты н даже дизельный двигатель производят звуки с периодически повторяющейся формой волны. Но нерегулярные, случайные и совсем не повторяющиеся звуковые волны встречаются столь же часто, как и периодические. Прислушаемся к ветру, к шелесту листьев, к шуму прибрежных волн, разбивающихся о берег, наконец, к реву форсунки парового котла, работающего на жидком топливе. В этих звуках нет ни нот, ни гармоник, ни гармонии, ни диссонанса. [c.53] Вернуться к основной статье