Физика и музыка

Вы наверняка слышали назидательные рассказы об этом печальном событии и знаете его причину: явление резонанса.

Мост разрушился потому, что ритмические удары солдатских сапог попали в такт, в резонанс с его собственными колебаниями (ведь и мост похож на струну), он «слишком усердно раскачался» и «лопнул».

Мост здесь выступал в роли резонатора, предмета, который раскачивается уже не от толчка, не от удара, не от трения, а под влиянием колебаний, полученных извне. В музыке подобных приспособлений сколько угодно. И тут применение их ведет к более приятным последствиям.

Пусть оркестранты не обижаются, но многих из них хочется сравнить с поварами. На кухне не обойтись без горшков, кастрюль, сковородок. И в музыке: что ни инструмент — посудина. В духовом оркестре звук «варится» во всевозможных трубах, в струнном — в фигурных коробках.

Музыкальная посуда сложнее и разнообразнее кухонной: и открытая и закрытая, и деревянная и металлическая. На качество звуковых «кушаний» она влияет очень сильно. Чуть испортишь корпус инструмента — и «блюдо» никуда не годится. Выломать дно у скрипки — все равно что у суповой миски: музыка «вытечет», пропадет. Кстати сказать, немые скрипки без дна иногда делают — чтобы скрипачи могли упражняться, поддерживая добрые отношения с соседями по квартире.

Так что же такое звуковая посуда, почему она столь необходима?

Это и есть резонаторы — усилители колебаний вибраторов.

Ведь струны, трости, язычки сами по себе звучат чуть слышно. Они маленькие и раскачивают ничтожные объемы воздуха. Для того чтобы передать движение вибраторов большим воздушным массам, и ставятся резонаторы — «акустические рычаги» в виде деревянных и металлических корпусов, дек, труб и прочей «посуды».

Как же они действуют?

Ответил на этот вопрос знаменитый немецкий естествоиспытатель Герман Гельмгольц, творчество которого развернулось во второй половине XIX века.

ЗАСЛУЖИВШИЙ СЛАВУ

Коварный Сальери, отравитель Моцарта, в драме Пушкина хвастался:

...Звуки умертвив,

Муз'ыку я разъял, как труп. Поверил

Я алгеброй гармонию...

Пожалуй, правильнее было бы эту заслугу приписать доброму гению Гельмгольца. Человек необычайной многогранности, он сказал свое веское слово во многих областях физики, двигал вперед медицину, развивал физиологию органов чувств. Именно он впервые изучил резонаторы, разложил музыкальный звук в спектр, раскрыл секрет тембра, создал теории человеческого голоса и слуха, математически объяснил закономерности музыкальной гармонии.

Гельмгольц принадлежал к тем удачливым ученым, труды которых при жизни снискали всеобщее признание. Его эксперименты повторялись и подтверждались в десятках лабораторий. Врачи, инженеры, музыканты избирали его в свои общества, монархи награждали орденами. В его честь чеканились медали и учреждались стипендии. В Берлине, в Вене, в Петербурге ему устраивались пышные встречи, шумные овации.

Одного не хватало прославленному ученому — личного счастья, простого человеческого благополучия. Рано умерла жена, безвременно погиб сын — талантливый инженер, надежда и гордость отца; сын от второго брака оказался слабоумным.

Зато труд, беззаветный и напряженный, наполнял радостью и силами жизнь Гельмгольца.

В самом простом, обыденном ученый находил загадки и упрямо решал их. Он никогда не проходил мимо непонятного, всему стремился найти научное объяснение.

СВЕРЧОК НА ПЕЧИ

...После трудового дня ученый устал. Пришел к себе в спальню, разделся, задул свечу, и вдруг... сверчок! Обыкновенный сверчок, певец старорежимного домашнего уюта, затянул свою трель. Гельмгольц забывает об утомлении, садится в кровати и слушает, сверчка. Слушает по-своему, ушами физика.

И думает о том, как бы сразу же изучить этот случайный звук — его частотный состав, тембр. Из подвернувшейся картонки быстро сворачивает маленькую трубочку и вставляет ее в собственное ухо. Ага! Звук слышен хуже! Значит, воздух в трубочке не резонирует на песенку ночного гостя. Сворачивается другая трубочка, третья, при лунном свете на клочке бумаги вычисляется собственная частота импровизированного резонатора; мысль работает дальше, вот уже сделаны выводы... И наблюдение над сверчком попадает в фундаментальную монографию Гельмгольца «Учение о слуховых ощущениях как физиологическая основа для теории музыки».

Какие только эксперименты не описаны в этом классическом труде! Прежде всего — опыты с наипростейшей «музыкальной посудой»: полыми шариками и закрытыми трубками из латуни. В них пружинящие воздушные тельца колеблются самым примитивным способом: без обертонов. Чем больше шарик, тем реже вибрирует в нем воздух, тем ниже «чистый тон».

На лабораторном столе выстроилась длинная шеренга шариков-резонаторов. Все разные, мал мала меньше. Это как бы «слушатели», и перед ними выступает настоящий музыкант-скрипач, или трубач, или флейтист.

Раздается музыкальный звук. Гельмгольц приникает ухом к каждому шарику. Некоторые молчат, другие «подпевают» — резонируют. Записав заранее вычисленные частоты отозвавшихся резонаторов, ученый устанавливает, из каких чистых тонов сложена звуковая смесь, выясняет «рецепт» тембра. Так впервые появляются акустические спектры, происходит подлинное «разъятие» музыки, «разборка» звука.

Для регистрации колебаний в лаборатории Гельмгольца строятся остроумные приборы.

Анализу подвергается множество всевозможных звуков.

Подтверждаются выводы, сделанные неутомимым Юнгом из наблюдений над струной. Во всех случаях «мягкость», «глубина», «округлость», «теплота» тембра — это избыток низкозвучащих обертонов, а «яркие», «светлые», «острые», «ясные» тембры изобилуют высокими призвуками.

Звук не только испытывается, но и все глубже объясняется.

Если Юнг вычислил типичный вибратор — струну, то Гельмгольц построил математическую теорию типичного резонатора — органной трубы. Ради этого он придумал остроумнейший метод расчета, который и поныне служит технике. Мало того:

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.

ВОЗДУХ КАК ПРУЖИНА

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.