Акустика инструментов
Акустические характеристики струнных музыкальных инструментов
Струнные музыкальные инструменты представляют собой акустические системы, в которых звукообразующими элементами (вибраторами) являются туго натянутые струны, а резонаторами — деки и объем корпуса инструмента. По методу возбуждения вибраторов они делятся на смычковые (скрипка, виолончель и др.), щипковые (арфа, гитара и др.) и ударные (фортепьяно и др.).
Смычковые инструменты. Эти инструменты обладают средней мощностью. Для скрипки она изменяется"от 0,06 до 900 мкВт. Максимальный уровень звукового сигнала этого инструмента достигает 75 дБ, а минимальный — 35 дБ. Отсюда динамический диапазон его составляет 40 дБ. Наименьший диапазон из инструментов этой группы имеет контрабас, для которого он равен 35 дБ. Как известно, решение уравнения одномерной колебательной системы (струны) имеет вид:
Из него следует, что колебания струны
складываются из суммы n гармонических колебаний, амплитуды которых в направлении длины струны изменяются по закону стоячей волны. (2.2)
Частоты этих колебаний зависят от плотности материала р, длины г, диаметра d и
силы натяжения — t струны. Путем подбора этих параметров каждую из четырех струн скрипки настраивают соответственно на частоты 196, 294, 440 и 659 Гц. Кроме того, уменьшение длины струны путем прижатия ее к грифу позволяет получить более высокие основные тона. В результате этого все они располагаются в частотной области от 196 до 200 Гц, а вместе с гармоническими составляющими частотный диапазон скрипки расширяется, как это
видно из рис. 2.6, до 8000 -10 000 Гц. При возбуждении струн смычком создаются пилообразные колебания почти постоянной амплитуды, происходит перераспределение амплитуд и частот, составляющих звучание. Воздействие резонатора сказывается в подчеркивании некоторых частотных областей.
Эти области (форманты) для скрипки лежат вблизи частот 400, 800 и в полосах 2000-f-2600 и 3000-4-4000 Гц. По мере смещения главной форманты к частоте 4000 Гц качество звучания скрипки возрастает до наивысшего. Все это приводит к усложнению частотных спектров струн скрипки (рис. 2.7), с чем связаны богатство тембра, певучесть и звучность этого инструмента. Основные частоты альта и виолончели соответственно ниже скрипичных на квинту и на октаву с квинтой, в связи с чем для первого из инструментов равны 131, 196, 294 и 440 Гц, а для второго— 65, 98, 147 и 220 Гц. При сравнении огибающих частотных спектров, струн скрипки и виолончели (см. рис. 2.7) обнаруживается, что последние из них более спокойны. .Однако и они имеют формантные выбросы и в области частот 250 -г- 300, 400-=-500 и 1500 Гц. Общие частотные диапазоны альта и виолончели укладываются в пределах 131-9000 и 65-7-8000 Гц (см. рис. 2.6). В отличие от них основные частоты контрабаса еще более смещены в низкочастотную
область и равны 41, 56, 73 и 98 Гц. Звучание этого инструмента богато обертонами в низкочастотной области и сравнительно бедно — в высокочастотной. Форманты лежат в полосах 70-7-250 и 400-500 Гц, а полный диапазон занимает область от 41 до 5000 Гц.
Длительность непрерывного звучания струн, возбуждаемых движением смычка, зависит от характера музыкального произведения и метода звукоизвлечения. Так, при игре «легато» эта длительность может достигать З-т-5 с, тогда как при игре «пиццикато» создается пульсирующее звучание с длительностью отдельных импульсов около 0,2 с. Разнообразие методов звукоизвлечения заметно влияет и на время возникновения (атаки) звуков смычковых инструментов, которое изменяется в пределах 154-500 мс. Интересно, что тембр звучания скрипки определяется не только составом обертонов, но еще и тем, что во время атаки наиболее высокие из них (5, 4) и вслед за ними низкие - (3, 2) заметно опережают звучание основного тона (рис. 2.8).
Для смычковых инструментов характерна ярко выраженная неравномерность пространственного распределения излучаемой ими энергии. В направлении, совпадающем с нормалью к резонаторным отверстиям деки (эфы), уровень сигнала наибольший. При изменении же угла вправо и влево от нормали уровень сигнала заметно падает. Степень падения, как видно из характеристик направленности скрипки (рис. 2.9), зависит от частоты сигнала и маскирующего
влияния тела исполнителя. Очевидно, направленные свойства альта, виолончели и особенно контрабаса будут менее ярко выраженными, так как их частотные спектры значительно смещены в сторону низких частот.
Щипковые инструменты делят на группы грифовых и безгрифовых. У инструментов первой группы (гитара, мандолина и др.) каждая струна в зажатом состоянии создает ряд основных тонов, а все струны вместе обеспечивают достаточно широкий частотный диапазон. К второй группе относятся инструменты, струны которых не изменяются по длине в процессе игры (арфа, цитра), поэтому для создания звучаний в широком частотном диапазоне число «струн у них должно быть большим.
Струны инструментов этого типа при возбуждении их щипком совершают собственные затухающие колебания. Мощность таких колебаний невелика, а уровни тихих и громких звучаний равны 42 и 56 дБ. Вот почему динамический диапазон этих инструментов не превышает 20 дБ. Особенно он мал у арфы, для которой используются струны малой массы и резонатор небольших размеров.
Струны гитары настраивают на частоты 73, 98,, 124, 146, 196, 246, 294 Гц. Путем укорочения их можно получить ряд основных тонов до 1200 Гц. Общий же частотный диапазон с обертонами, имеет для гитары (рис. 2.10) границы у частот 70 и 9000 Гц, причем число формант, расположенных в области низких и средних частот, невелико.
Основная из них совпадает с резонансной частотой объема V воздуха в корпусе. Рассматривая- корпус, как резонатор Гельмгольца без горловины, эту частоту можно определить по известной формуле:
Различие в характере щипка (мякотью пальцев, ногтями или медиатором) приводит к изменению частотного состава звучания.
При щипке с помощью ногтей или медиатора атака получается более жесткой, а звуковой сигнал приобретает дополнительное число гармонических составляющих. Как видно из сравнения огибающих спектров струн банджо, возбуждаемых медиатором, и струн гитары, возбуждаемых мякотью пальцев (рис. 2.10), в первом случае
не только увеличивается содержание обертонов, но и появляются: шумовые призвуки (заштрихованная зона). Влияние выбора точки приложения силы очень заметно на примере арфы.
На рис. 2.11 показаны спектры ее струн С (131 Гц), С1 (262 Гц), С2 (523 Гц) и Сз (1047 Гц) при возбуждении их на середине (а) и на 0,3 длины (б). В первом случае с пучностью смещения основной частоты совпадают пучности нечетных гармонических составляющих, имеющих: сравнительно малые амплитуды, тогда как во втором — такое совпадение имеет место для четных более сильных и ярких гармоник, что заметно обогащает спектр. Вообще же амплитуды гармонических составляющих звучания арфы малы, потому что резонатор работает малоэффективно. Ее единственная форманта вблизи частоты 250 Гц заметно маскируется шумами. Из рис. 2.6. следует, что излучаемая арфой энергия сосредоточивается в области 100 - 1250 Гц, а ее общий частотный диапазон укладывается в пределах:
367-15000 Гц.
Щипковые инструменты создают ряд импульсных свободно затухающих сигналов, следующих друг за другом. Время нарастания сигнала невелико, оно, как и время затухания, зависит от силы щипка, толщины и длины струны. Уменьшение этих параметров сокращает время послезвучания, что особенно характерно для звуков
высокого регистра.
Струнные ударные инструменты. Наиболее часто используемый инструмент с ударным методом возбуждения струн — фортепиано. Будучи безгрифовым, этот инструмент для создания широкого звукоряда .должен иметь большое количество струн.
Сила звука струн невелика и все уменьшается по мере повышения частоты собственных колебаний. Чтобы выровнять интенсивность звука по всему частотному диапазону, звуковые колебания первых 12 низких тонов создаются одиночными струнами, следующие 14-16 — двойными, а все остальные — тройными в унисон настроенными струнами. Для усиления сигналов под струнами размещается резонансная дека, обладающая большим числом собственных частот. Эти меры, а также большая масса низкочастотных струне позволяют при большой силе удара повысить уровни тонов с частотами ниже 500-600 Гц до 80-85 дБ (ff), тогда как наименьший уровень, характерный для высокочастотных тонов, не превышает 35--37 дБ (рр). Следовательно, динамический диапазон этого инструмента достигает 45-50 дБ. Такого широкого диапазона не имеет ни один из существующих музыкальных инструментов.
Фортепиано позволяет извлекать 88 основных тонов. Самый низкий из них имеет частоту 27,5 Гц (ля субконтроктавы). Частоты всех последующих звуков увеличиваются в 1,059 (на полтона) или в 1,122 (на тон) раза. Учитывая это, самый высокий из основных звуков имеет частоту 4186 Гц (до пятой октавы). Частоты и амплитуды гармонических составляющих, так же как и основных, тонов, зависят от материала и размеров струн и силы их натяжения,
места, длительности и силы удара молоточков по струне. Наибольшее число этих составляющих сосредоточивается в области низких частот и усиливается резонатором особенно в пределах 100-г- 1200 Гц. Это видно по кривой 5 рис. 2.6, которая позволяет считать, что частотный диапазон фортепиано лежит в интервале частот 284-6000 Гц.
Временные процессы для фортепиано имеют важное значение. Нарастание уровня звука при ударе молоточка по струне и почти сразу же следующее за ним затухание влияют на изменение частотного состава звучания и придают ему новые качественные особенности. Так, короткое время нарастания, равное примерно 10 мс для высокочастотных и 20 мс для низкочастотных сигналов, обеспечивает , большую четкость и разделимость отдельных тонов в музыкальных
пассажах. Длительный процесс затухания, достигающий из-за большой массы струны многих секунд, делает звучание
фортепиано близким по мелодичности к стационарному звучанию скрипки.
Учитывая, что быстрее всего затухают слабые высокочастотные составляющие, обогащенный обертонами сигнал к концу процесса принимает вид гармонического. Время послезвучания можно регулировать с помощью педали.
Особое расположение струн и деки, форма корпуса фортепиано, наличие верхней крышки, отражающей звуковые волны, придают его характеристикам направленности специфический вид. Как следует из рис. 2.12, на котором показаны эти характеристики для сигналов с основными частотами 130 Гц (до малой октавы) и 880 Гц (ля второй октавы), их интенсивности, будучи максимальными в направлении клавиатуры и узкого закругленного конца инструмента, распределяются крайне неравномерно. Эта неравномерность зависит от частоты основного сигнала.
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. Усиление потока вдуваемого воздуха (передувание) вызывает повышение частоты колебаний. Изменить частоту сигнала можно еще путем изменения мензуры — отношения диаметра трубы к ее длине.
У флейты это достигается изменением ее эффективной длины путем открытия и закрытия боковых отверстий, у органа же сменой труб, различающихся по длине или диаметру. По способу возбуждения духовые инструменты делят на три группы.
Дульцевые-(лабиальные), в которых возбуждение звуковых колебаний 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 возможно только когда на длине трубы укладывается соответственно нечетное или четное число-
четвертей длины волны.
У 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 медленнее, что видно из рис. 2.14, на котором показаны кривые нарастания сигнала основной частоты (131 Гц) и трех его гармоник (кривые 1, 2, 3 и 4).
Замедленный 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 возникновения его частотных составляющих. В этом легко убедиться при сравнении групп кривых 1, 2, 3, 4 и 1а, 2а, За, 4а (рис. 2.14), каждая из которых построена для случая использования одного из резонаторов (тонального или регистрового). Кроме того, переходные процессы органа, складываясь с реверберационным процессом зала, придают звучанию инструмента особую выразительность. Это объясняет, почему для хорошего звучания органа необходимо помещение со значительным временем реверберации.
Дульцевые инструменты, Флейты и некоторые из труб органа относятся к группе открытых труб этого типа. Как видно из равенства (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 (ff). Следовательно, в этой области частот динамический диапазон флейты равен 35 дБ, а амплитуда звукового давления, изменяется в 50 раз. На низких и высоких частотах вследствие повышения наименьшего уровня диапазон суживается до 20 дБ. У флейты-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- 1200 Гц, а флейты-пикколо — в пределах 576-2500 Гц. Огибающие спектров ряда .основных звуков этих инструментов, приведенные на рис. 2.13, показывают малое содержание в них гармонических составляющих, вместе с которыми диапазоны расширяются соответственно до частот 9000 и 12000Гц. Низкочастотные трубы органа, имеющие по сравнению с флейтой большую длину и мензуру , создают звучания очень низкой частоты, начиная с 16 Гц. Спектр их не очень богат, однако, управляя регистрами, его можно изменять. Верхняя граница диапазона— 16000 Гц.
Язычковые инструменты. К ним относятся одноязычковые (кларнет и Cаксофон) и двухъязычковые (гобой, фагот и некоторые другие). 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 подчеркнутых 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, сосредоточенных 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 располагаются у частот 500 и 1500 Гц. Полный частотный диапазон для гобоя укладывается в пределах 230 -8500 Гц, для фагота — в пределах 604-2500 Гц.
Для кларнета — инструмента с малым объемом воздуха — время нарастания сигнала при острой атаке на всех частотах почти одинаково и равно 15 -20 мс, при мягкой атаке оно возрастает до 50 мс. Для гобоя и фагота, имеющих большие объемы, нарастание при острой и мягкой атаке на низких частотах длится соответственно 20 и 100 мс, на высоких же — в два раза меньше. Такая длительность переходных процессов не позволяет получать при игре быстрое и четкое чередования отдельных тонов.
Язычковые инструменты с амбушюром. Эта группа инструментов отличается от предыдущей большой массой и гибкостью «язычков», роль которых выполняют губы музыканта, малой мензурой и, главное, наличием небольшого резонатора. Таким резонатором является амбушюр(мундштук). Чашкообразный мундштук, применяемый при игре на трубе и тромбоне, подчеркивает высокочастотные составляющие, а воронкообразный, как у валторны, ослабляет 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 динамический диапазон сокращается с 35 дБ до 15 дБ. У валторны динамический диапазон больше. Для низкочастотных сигналов он равен 40 дБ, а для высокочастотных — 20 дБ. Для тромбона возможно изменение амплитуды звукового давления в 60 раз, что отвечает динамическому .диапазону в 36 дБ. Самый большой динамический 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, изменение эффективной длины и скорости воздушного потока приводит к созданию ряда основных тонов. У обычной трубы эти сигналы лежат в границах 230-1180 Гц. Наличие в ее спектре 25 гармонических 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 обертонов располагаются вблизи частоты 800 Гц. Такая бедность высокочастотных составляющих связана с конусообразной формой мундштука. Правда, частотный спектр валторны сильно зависит от уровня сигнала (рис. 2.16, б). Когда уровень мал (рр), спектр получается редким и заканчивается у частоты 2000 Гц. При среднем уровне.
{mf) диапазон расширяется до 4000-5000 Гц, а при наибольшем 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 обертонами 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, причем нечетные составляющие выражены более ярко, чем четные.
Время жесткой атаки для трубы (рис. 2.17) равно примерно 10-20 мс. Как можно заметить, сравнивая кривые этого рисунка с кривыми рис. 2.8, полученными для скрипки, возникновение гармоник у трубы происходит не с опережением основного тона, а вслед за ним. Длительность процесса нарастания для всех гармоник одинакова, кроме третьей, для которой она в 2—3 раза больше. Для валторны процесс нарастания при мягкой атаке занимает 50 мс, что снижает ритмическую четкость звучания этого инструмента. Переходные процессы для тромбона и трубы очень похожи, но время нарастания сигнала у тромбона несколько больше и составляет 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 колебаний такой же, как у язычковых инструментов с амбушюром. Управление 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 гармонических составляющих расширяет его до 5000 и даже 7000 Гц. В спектре ярко выделяется певческая форманта вблизи частоты 20004-3000 Гц. Для голоса характерно также специфическое распределение гармонических составляющих в начальный период звучания. Как видно из рис. 2.18, одни из гармонических составляющих опережают основной тон, другие отстают от него, и время их нарастания изменяется от 10 до 150 мс. В широких пределах изменяются и амплитуды гармоник. Так, наиболее запаздывающая третья гармоника по амплитуде оказывается в 44-5 раз больше основного тона.
Акустические характеристики ударных музыкальных инструментов и шумовых источников
В инструментах ударного типа в качестве звукообразующего элемента используются бруски, пластины или мембраны, а их возбуждение осуществляется ударом пластин друг о друга, 1(тарелки) или ударом колотушки (ксилофон, челеста; и др.). Очень тонкие, гибкие пластины {мембраны) натягиваются на жесткие каркасы (литавры, барабаны).
Инструменты пластинчатого типа. Ударные инструменты, в которых используются упругие бруски или пластины, делятся на инструменты с определенной частотой (ксилофон, челеста и др.) и с неопределенной частотой колебаний при большом содержании негармонических составляющих (тарелки, кастаньеты).
Динамический диапазон этих инструментов зависит от материала пластин (их упругости, внутреннего сопротивления), силы и характера удара. Для разных инструментов он неодинаков. Если для тарелок диапазон очень широк и достигает 62 дБ, для ксилофона и металлофона — 254-300 дБ, то для челесты он равен только 20 дБ.
При ударе посредине пластины, расположенной на опорах, в ней возникают колебания, которые, считая толщину пластины малой, будут распространяться вдоль двух координатных осей х и у. Смещение каждой точки пластины, по подобию с (2.1) для линейной системы, будет характеризоваться выражением:
а частота колебаний определится равенством:
Из равенства (2.7) следует, что кроме основной и кратных ей частот будут еще частоты, зависящие от I и b. Это делает частотные спектры звучания ксилофона и металлофона нерегулярными, что хорошо замечается на слух .
Основные звуки ксилофона, создаваемые набором все, укорачивающихся пластин, укладываются в диапазоне частот 500-4500 Гц, расширяясь из-за шумов и дополнительных тонов до 9000 Гц. Металлофон вместо деревянных имеет металлические пластины, а челеста — еще и резонаторы. Частотные диапазоны этих инструментов
равны соответственно 1050-4200 Гц, 260 -4200 Гц. Огибающие частотного спектра для тарелок и треугольника (рис. 2.19), являющихся инструментами с неопределенной частотой звучания, показывают, что каждый из них имеет много гармонических и негармонических составляющих, которые для тарелок укладываются в пределах 304-16000 Гц, а для треугольника — от 800 до 16000 Гц.
Наименьшую длительность звучания имеют деревянные инструменты этой группы, наибольшую — металлические. Так, металлофон звучит после удара 3-4 с и последними затухают колебания с частотами 500-1000 Гц. Время послезвучания тарелок больше и особенно долго не затухают составляющие, лежащие в области 1000-4000 Гц.
Мембранные инструменты. Эта группа инструментов даже от ударных пластинчатых отличается своей большой мощностью в широким динамическим диапазоном.
Литавры — единственные инструменты этой группы, имеющие определенные частоты звучания. Это достигается использованием трех различных по диаметру мембран, натяжение которых может изменяться в процессе игры. Каждая из мембран имеет свой резонатор в виде металлического котла. Мощность инструмента достигает 20-25 Вт, что в два раза превосходит мощность органа и в 5 раз — мощность фортепиано. Отношение между минимальной
(рр) и максимальной (fff) амплитудами сигнала достигает 1:10000 а динамический диапазон — 80 дБ. Динамические диапазоны большого и малого барабанов, сигналы которых не имеют определенной частоты, также велики и равны 72-и 70 дБ.
Возможность настройки литавр позволяет возбуждать колебание в диапазоне частот от 30 до 1500 Гц. Наличие же в них гармонических и негармонических составляющих делают спектр частот крайне неравномерным, что можно заметить по кривой 1 рис. 2.20. Еще больше негармонических составляющих характерно для барабанов —
большого и малого (кривые 2 и 3). Их частотные диапазоны соответственно лежат в пределах 50—6000 Гц с наибольшей интенсивностью в области 350—400 Гц и 1000—4000 Гц с максимумом вблизи частот 500—1000 Гц.
Длительность послезвучания достигает нескольких секунд и зависит от массы и силы натяжения мембраны.
Шумовые источники, такие, как двигатели самолетов и автомашин, падающая вода, шелестящие листья, по своей природе более всего похожи на ударные музыкальные инструменты. Звукообразующие элементы у этих источников — твердые или жидкие тела, возбуждаемые ударом или трением. Они создают сигналы чаще всего негармонического типа. Уровни этих сигналов изменяются в широких пределах: от 110 дБ (мотор самолета, движущийся поезд) до
70-60 дБ (легковой транспорт) и даже до 13-25 дБ (шум дождя и листьев). Частотный спектр этих сигналов также крайне разнообразен. То он приближается к спектру «белого» шума с меняющейся плотностью по частоте, то занимает сравнительно узкую частотную полосу (гудки, сирены и др.).
Акустические характеристики оркестров и музыкальных ансамблей
Большое различие в мощностях отдельных музыкальных инструментов при их объединении в оркестр могло бы привести к маскировке звучания слабых инструментов наиболее сильными. Однако возможность маскировки исключается тем, что звучание слабых инструментов усиливается пропорциональным увеличением их числа. Таким образом, оркестр следует рассматривать как один большой пространственный источник звука С таким составом и численностью входящих в него групп инструментов, при которых существует определенное равновесие мощностей этих .групп, или так называемый музыкальный баланс. Баланс симфонического оркестра например, обеспечивается в том случае, когда группа струнных инструментов составляет около 70% всего количества ,(доля скрипок—35%, альтов—15%, виолончелей и контрабасов по 10%), группа деревянных духовых при равном числе инструментов — 12 %,
группа медных—10% и ударных —5%.
Если считать, что каждый из инструментов смычковой группы по мощности равен скрипке, то только эта группа симфонического оркестра численностью в 100 исполнителей будет обладать диапазоном 60 дБ. Некоторые авторы считают, что динамический диапазон этого оркестра достигает 75 дБ, а для духового он составляет 70 дБ. Динамические диапазоны малого симфонического оркестра и оркестра легкой музыки несколько меньше и колеблются от 40 до 53 дБ. Для оркестра танцевальной музыки, где динамические оттенки меньше, и мужского хора диапазон около 40 дБ.
Частотный диапазон музыкальных ансамблей и оркестров занимает область от низшей частоты самого низкочастотного инструмента до высшей наиболее высокочастотного. При игре оркестра с органом диапазон расширяется в
сторону низких часто до 16 Гц. О временном распределении сигналов разной интенсивности для симфонического и эстрадного оркестров можно судить по кривым рис. 2.21. Из пего следует, что для эстрадного оркестра более характерно исполнение на повышенном уровне. Для него время, когда , звуковое давление не менее чем 0,4-0,6 от максимального, составляет 50-30% общего времени, тогда как для симфонического оркестра такое же время занимает исполнение при более низких (0,05-0,l) относительных значениях звукового давления. Для сравнения на рис. 2.21 приведена кривая временного распределения сигналов при исполнении на фортепиано.
Схема рис. 2.22 помогает обобщить результаты анализа акустических характеристик ряда источников звука.
1. Человеческий голос в режиме речи и пения отличается по мощности и динамическому диапазону (на ЗО-45 дБ). Частотный его диапазон укладывается в пределах 80 -10 000 Гц.
2. Струнные инструменты имеют среднюю мощность около 600 мкВт и неширокий динамический диапазон (30-35 дБ). Их частотный диапазон неодинаков. Для скрипки он ограничен частотами 192-10 000 Гц, а для контрабаса — частотами 40 и 5000 Гц.
3. Деревянные духовые инструменты имеют среднюю мощность порядка 410-5-700 мкВт, и динамический диапазон такой же, как у струнных. Частотный диапазон их ограничен снизу частотой 60 Гц (фагот), а сверху — частотой 9000 Гц (флейта).
4. У медных инструментов выше средняя мощность (около 0,3 Вт), более широкий динамический диапазон (35—42 дБ) и примерно такой же, как у деревянных, частотный диапазон.
5. Наибольшее различие в акустических параметрах наблюдается У ударных инструментов. Так, их мощности и динамические диапазоны очень, изменяются от малых значений— 12 мкВт и 25 дБ {ксилофон) до больших — 20 Вт и 80 дБ (литавры). Частотные диапазоны или узки, как у литавр, или широки, как у треугольника.
6. Оркестры и музыкальные ансамбли по акустическим параметрам также заметно отличаются друг от друга. Мощность их изменятется от десятых долей до нескольких ватт. Динамический диапазон от 50 до 75 дБ, а частотный диапазон — самый широкий.
7. Источники натуральных шумов еще больше, чем ударные инструменты, различаются по своей мощности (от 0,1 до 10 Вт), динамическому диапазону и частотному спектру.
8. Время нарастания музыкальных сигналов изменяется в пределах от 10-20 мс (труба, флейта и др.) до 300 мс (орган).
9. Характеристики направленности медных духовых обострены больше, чем струнных инструментов. У ударных инструментов они близки к шаровым. Неравномерные характеристики имеют инструменты большой протяженности.
