Акустические свойства ударных инструментов
Барабаны (Bass-drum, snare drum и др.) — не настраиваемые инструменты, дающие глухие звуки неопределенной высоты. Барабаны имеют древнюю историю (были известны уже в IV тысячелетии до н. э.), они постоянно использовались в музыке различных культур Индии, Африки, Азии и др. и в настоящее время чрезвычайно широко применяются в симфонических оркестрах, ансамблях и т. д.
Имеется огромное многообразие барабанов различной конструкции, значительно различающихся по своим акустическим параметрам: индийские, латиноамериканские, индонезийские и др. (том-томы, табла, конги, бонго и т. д.). Необходимо отметить, что хотя большинство из них относится к не настраиваемым инструментам, игра на некоторых барабанах дает достаточно отчетливое ощущение высоты тона. Например, барабаны типа табла имеют на верхней мембране вставку из более плотного материала, что позволяет сдвинуть спектр собственных частот мембраны и сделать его близким к гармоническому ряду (звук получается бочкообразный, но с отчетливо выраженной высотой тона). Барабаны имеют обычно цилиндрический корпус с натянутыми на него верхней и нижней мембранами. Большие концертные барабаны (Bass-drum) имеют диаметр от 610 до 920 мм, высоту корпуса (кадла) 400-500 мм. На больших барабанах играют колотушками с шарообразным или цилиндрическим наконечником, обтянутым войлоком или резиной. В качестве материала корпуса используются дерево, металл, пластмасса. Для мембран применяются пленки из натуральной кожи или синтетические пленки из майлара толщиной ~ 0,25 мм. В отличие от литавр барабаны имеют цилиндрический корпус с натянутыми на него верхней и нижней мембранами, т. е. корпус не имеет жесткой задней стенки и поэтому не создаются условия для образования резонансных колебаний внутри корпуса (нижняя мембрана прогибается под действием столба воздуха при ударе по верхней мембране и поэтому не образуется стоячая волна на резонансных частотах). Колебательная механическая система представляет собой две мембраны, соединенные через объем воздуха. Обычно верхняя мембрана настраивается на большее натяжение, чем нижняя. Однако имеются рекомендации для разного соотношения величин натяжений обеих мембран в зависимости от применения барабанов (музыка оркестровая, джазовая и т. д.). Изменение этих соотношений сдвигает нижние собственные частоты мембран, изменяет время затухания и влияет на тембр звучания барабана. Возбуждение происходит обычно при ударе по центру мембраны, при этом моды колебаний с числом узловых окружностей и диаметров (0,1), (1,1), (2,1), (3,1)... дают почти гармонический ряд, что могло бы дать ощущение определенной высоты тона в области низких частот, но наличие большого количества негармонических обертонов в диапазоне 200-1000 Гц с достаточно большими амплитудами, по-видимому, маскирует слабый виртуальный тон, и ощущение высоты звука не возникает. Интересно отметить, что при колебаниях сдвоенных мембран могут возникать «дуплеты», т. е. формы колебаний с одинаковым числом узловых линий, но с несколько различающимися частотами, а это способно вызвать ощущение биений. Этот эффект свидетельствует о нелинейных колебательных процессах в мембране; последние проявляются также следующим образом: при сильном ударе прогиб мембраны оказывается настолько большим, что это приводит к существенному увеличению натяжения мембраны и повышению первой частоты (0,1) почти на 10%. Однако поскольку это происходит в области очень низких частот, влияние этого сдвига не ощущается на слух. Таким образом, хотя большие барабаны не имеют определенной высоты тона, изменение натяжения мембран, а также изменение высоты цилиндрического корпуса влияют на воспринимаемый тембр (плоские корпуса дают более яркий тембр, глубокие - более глухой). Способ возбуждения также оказывает существенное влияние: например, при возбуждении колотушкой с мягкой головкой получается более глухое и мягкое звучание.
|
|
|
|
|
|
Акустические характеристики большого барабана.
|
|
|
Диапазон воспроизводимых частот составляет 50-2000 Гц, максимальная энергия в диапазоне до 300 Гц, спектр имеет шумовой характер. Динамический диапазон достигает 75-80 дБ, общая акустическая мощность может достигать 20 Вт (это также один из самых громких инструментов оркестра). Переходные процессы: время атаки — 10 мс, время затухания достаточно большое — 0,2-1 с (в зависимости от силы и места удара может продолжаться до 3 с). Поскольку звук излучается от обеих мембран, то характеристика направленности имеет двунаправленный характер. Тембр звучания большого барабана низкий, глухой, длительный. При ударе у края барабана звук получается выше и суше.
Малые барабаны (Snare drum) — имеют диаметр 320-450 мм, высоту 75-270 мм. Внутри корпуса у них часто натянуты через нижнюю мембрану шнуры — 2-4 струны (жильные, шелковые с вплетенной медной или серебряной канителью или металлические спиральки), которые создают специфический шумовой эффект. Степень взаимодействия мембраны и шнуров зависит от массы и натяжения мембраны. При достаточно большой амплитуде смещения нижней мембраны в определенные периоды колебаний нарушается контакт мембраны и шнуров, при обратном движении мембрана ударяется по ним, создавая характерный трескучий звук. Чем больше сила натяжения шнуров, тем больше должна быть амплитуда колебания мембраны, чтобы получился слышимый удар. Расстояние между мембраной и шнурами может регулироваться. Для этих барабанов используются жесткие палочки (из палисандрового или эбенового дерева), что способствует появлению высоких обертонов в спектре и более «жесткому» тембру звучания. Особый эффект достигается при использовании металлических щеток. Взаимодействие при колебаниях верхней и нижней мембраны осуществляется через воздушный объем и через стенки корпуса барабана. При колебаниях, соответствующих первой моде колебаний мембраны (0,1), обе мембраны движутся в одном и том же направлении; на следующей моде (1,1) верхняя и нижняя мембрана движутся в противоположных направлениях; затем по мере усложнения форм колебаний, совмещенные колебания мембран приобретают более сложный характер. При наличии узловых диаметров на мембране воздух в корпусе начинает перемещаться также и в продольных направлениях вдоль мембраны, и присоединенная масса воздуха при этом снижает несимметричные частоты.
|
|
|
Необходимо отметить, что при больших амплитудах смещения мембран в корпусе барабана также возникают сложные формы колебаний с узловыми диаметрами и узловыми окружностями. Такая сложная форма колебаний корпуса влияет на излучаемый спектр собственных частот и, соответственно, тембр звучания барабанов этого типа. Зависимость излучаемого спектра от силы удара при натяжении струн 0,03 H
Акустические характеристики малого барабана.
Диапазон воспроизводимых частот составляет 80-10000 Гц, основная энергия в области 200-1000 Гц. Как видно из представленных результатов, спектр звука у шнуровых барабанов значительно смещается в сторону высоких частот по сравнению с большими (басовыми) барабанами Динамический диапазон составляет 60 дБ, максимальная выходная мощность 12 Вт. Переходные искажения: время атаки — 7 мс, время затухания 0,2-0,4 с
(спад на 30 дБ). Характеристика направленности имеет такой же характер, как и у больших барабанов. Тембр — сухой, трескучий, его можно варьировать за счет изменения расстояний между шнурами и нижней мембраной и изменения силы удара.
Тарелки (cymbals) — древнейшие музыкальные инструменты, известные во многих музыкальных культурах (особо высокий уровень их изготовления был достигнут в Турции и Китае). В Европе они стали популярны в конце XVII века, сейчас применяются в симфонических, военных оркестрах и джаз-ансамблях. Оркестровые тарелки представляют собой две круглые бронзовые пластины диаметром 250-600 мм и толщиной 1,5-2,5 мм. Обычно в оркестре используются две пары 380/405 мм и 460 мм в диаметре. Тарелки имеют слегка вогнутый профиль, т. к. их центральную часть делают в виде сферического сегмента (за счет проковки). Колебания в них возбуждаются ударом: или друг о друга по кольцевой линии (затем скользящим движением тарелки разводятся друг от друга в стороны, при этом получаются резкие, звенящие звуки без определенной высоты, но с преобладанием средних и высоких частот); или мягкой палочкой (звук получается более мягким); или металлической метелочкой (возникает звенящий шелест). Расчет и голографический анализ форм колебаний тарелок показывает, что они практически совпадают с формами колебаний плоских пластин, но на высоких частотах могут возбуждаться близкие собственные частоты - «дуплеты» - и может происходить наложение различных форм колебаний. Исследования показали, что колебания тарелок при ударах большой силы носят нелинейный характер. Это проявляется в различных эффектах: образовании «бегущей волны», т. е. смещении узловых линий в процессе звучания, что создает особый эффект «плавания» звука; появлении вибраций хаотического характера; образовании особого вида переходных процессов с выраженными биениями. В момент удара в тарелках возбуждается очень широкий спектр шумового типа (до 20 кГц), затем через 2 с низкие частоты начинают затухать и за счет нелинейных процессов происходит конверсия энергии в высокочастотную часть спектра, причем в течение 1-4 с после удара начинает формироваться пик энергии в районе 300^00 Гц, что придает звучанию характерный тембр. Через 10 с в спектре остаются в основном низкочастотные составляющие. Максимальная интенсивность звука получается при ударе на половине радиуса тарелки.
Акустические характеристики тарелок
Диапазон воспроизводимых частот: 80-16000 Гц, один из самых широких среди оркестровых инструментов. Динамический диапазон достигает 66 дБ. Максимальный уровень звукового давления 116 дБ (средний — 90-95 дБ). Излучаемая акустическая мощность 9,5 Вт. Переходные процессы: время атаки — 3 мс. Время затухания (на 30 дБ) от 7 до 5 с в диапазоне до 1 кГц и 4 с в диапазоне до 16 кГц. Тембр — блестящий, звучный, звенящий, существенно зависит от способа возбуждения и манеры игры.
Инструменты ударной установки обладают параметрами сходными с ударными инструментами симфонического оркестра. Некоторое уменьшение их размера потребовалось не для получения особых акустических свойств, а для объединения в ударную установку, с целью возможности исполнения на них одним музыкантом. Хотя, их расположение, обусловленное удобством исполнителя, затрудняет работу звукорежиссера.
Дата добавления: 2020-01-07; просмотров: 195; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!