Почему при взятии щипка по струне ситара слышится резкий «тунг» и что такое звук вообще
Редакция «Бигьян» публикует материал о том, почему при взятии щипка по струне ситара слышится резкий «тунг» и что такое звук вообще. В статье на простом языке, без математических формул, объясняется, как выглядит звук в виде волн, почему одни звуки кажутся музыкальными, а другие — шумом, и как разные музыкальные инструменты вырабатывают характерное звучание.
Звук возникает от колебаний — вибраций. Любая исходная вибрация должна преобразоваться в колебание окружающего воздуха, чтобы дойти до нашего уха. Аналогия с камнем, брошенным в спокойный пруд: место падения камня вызывает волну, которая расходится по воде. Точно так же при колебании струны она толкает молекулы воздуха, попеременно сжимая их (создавая зоны высокого давления) и разрежая (зоны низкого давления). Эти чередующиеся перепады давления распространяются в виде волн со скоростью порядка нескольких сотен метров в секунду и, доходя до барабанной перепонки, воспринимаются мозгом как звук.
Различие между музыкальным тоном и шумом кроется в геометрии этих волн. Музыкальный звук — это периодическая волна: молекулы воздуха толкаются равными, периодическими интервалами, как стройная военная колонна, и барабанная перепонка получает регулярные, одинаковые толчки. На графике это выглядит как повторяющийся ритмичный рисунок изменения давления во времени. Шум же — это геометрический беспорядок: при падении, например, бокала, воздушные возмущения хаотичны, множество несовпадающих колебаний накладываются друг на друга, и мозг воспринимает это как раздражающий, беспорядочный звук.
Реальные музыкальные инструменты дают не идеальную синусоиду, а более сложный периодический рисунок. Когда струна или другой источник создаёт основной тон, одновременно образуются и дополнительные более слабые тоны — обертоны. Математические соотношения этих обертонов определяют тембр инструмента; благодаря им пианино и ситар, играя одну и ту же ноту, всё равно звучат по-разному.
Есть три основных способа заставить воздух колебаться, и на их основе сложились большие группы инструментов.
1) Струны со звукобочкой. У инструментов вроде ситара, гитары, скрипки, народных одно- и двухструнных инструментов звук рождается от натянутой струны. Но сама по себе струна создаёт слишком слабое давление воздуха. Для усиления используют пустотелый деревянный корпус — сундбокс. Небольшая вибрация струны передаётся через деку на объёмную деревянную поверхность, и та в свою очередь приводит в движение приличное количество воздуха, превращая тихий щипок в насыщенный, громкий и приятный звук.
2) Духовые инструменты. Здесь нет струн и кож — непосредственно колеблется струя воздуха. Флейтист, дуля в свисток или играющий на духовой инструмент создаёт небольшие вихри у входа в трубу; эти вихри побуждают воздух внутри трубы формировать стоячую волну. Стоячая волна действует как жёсткий распорядитель — она синхронизирует внешние вихри и удерживает колебания на определённой частоте. Ноты меняются, когда музыкант открывает или закрывает отверстия на корпусе флейты: так изменяется эффективная длина резонатора и частота стоячей волны, порождая высокие или низкие звуки.
3) Ударные инструменты. В барабанах звук возникает от удара по натянутой мембране. Мембрана быстро и часто хаотично колеблется, поэтому ударные обычно дают ритм, но не чистый определённый тон, как струнные или духовые. Исключение в субконтинентальной традиции — табла. Центральная чёрная пятно на пластине таблы (губа или санхи) — не просто орнамент: смесь измельчённого железа и крахмала утяжеляет определённые участки мембраны. Это заставляет мембрану колебаться не хаотично, а очень упорядоченно и геометрически правильно, благодаря чему табла даёт чистые, мелодичные и уникальные тона, непривычные для большинства других барабанов.
Когда сложный звук достигает уха, наружная барабанная перепонка испытывает не одну частоту, а набор частот, наложенных друг на друга. Внутри уха есть орган, похожий на раковину — улитка (коклея). Внутри неё расположена базилярная мембрана, действующая как своего рода разложитель частот: один её конец жёсткий и отвечает на высокие частоты, другой — более мягкий и реагирует на низкие. Таким образом сложная комбинация звуков, пришедшая извне, разбирается на составляющие: разные участки мембраны колеблются по-разному в ответ на разные частоты. Это позволяет нам различать одновременно звучащие ноты и, благодаря обертонам, узнавать тембр инструмента или голос.
Физика объясняет, как колеблется воздух и как образуются волны; музыка учит нас ценить эти колебания как мелодию. Соединение физики звука и человеческого восприятия — мост между шумом и музыкальной красотой, одно из самых изящных и научных достижений человеческой культуры.
Авторство: материал подготовлен Онривана Гангопадхьяй, редактор «Бигьян». В тексте использованы объяснения о природе звуковых волн, механизмах генерации звука в струнных, духовых и ударных инструментах, роли обертонов и принципа работы улитки в ухе.
