В музыке канал духового инструмента (включая деревянные и духовые ) является его внутренней камерой. Это определяет путь потока, по которому движется воздух, который приводится в вибрацию для создания звуков. Форма канала ствола оказывает сильное влияние на тембр инструмента .
Конус и цилиндр — две идеализированные формы , используемые для описания отверстий духовых инструментов . Другие формы обычно не используются, поскольку они имеют тенденцию создавать диссонансные , ангармонические обертоны и немузыкальный звук. Инструменты могут состоять из преимущественно конической или цилиндрической трубки, но начинаются с мундштука и заканчиваются быстро расширяющимся «раструбом» или « колоколом ». Это расширение уменьшает несоответствие акустического импеданса между инструментом и воздухом, позволяя инструменту более эффективно передавать звук в воздух. [1]
Эти формы влияют на выраженность гармоник , связанных с тембром инструмента. Расширяющееся от мундштука отверстие снижает сопротивление дыханию, а сужающееся от рта отверстие увеличивает его по сравнению с цилиндром.
Диаметр цилиндрического отверстия остается постоянным по всей его длине. Акустическое поведение зависит от того, остановлен ли инструмент (закрыт с одного конца и открыт с другого) или открыт (с обоих концов). Для открытой трубы длина волны, создаваемая первой нормальной модой ( основной нотой), примерно в два раза превышает длину трубы. Длина волны, создаваемая второй нормальной модой, вдвое меньше, то есть длины трубы, поэтому ее тон на октаву выше; таким образом, инструмент с открытым цилиндрическим отверстием раздувается на октаве. Это соответствует второй гармонике, и обычно гармонический спектр инструмента с открытым цилиндрическим отверстием силен как на четных, так и на нечетных гармониках. Для остановленной трубы длина волны, создаваемая первой нормальной модой, примерно в четыре раза превышает длину трубы. Длина волны, создаваемая второй нормальной модой, составляет одну треть длины трубы, то есть 4/3 длины трубы, поэтому ее шаг на двенадцатую больше; остановившийся инструмент с цилиндрическим отверстием продувается на двенадцатой позиции. Это соответствует третьей гармонике; Обычно гармонический спектр остановленного инструмента с цилиндрическим отверстием, особенно в его нижнем регистре, силен только в нечетных гармониках. Однако в современных медных духовых инструментах для каждой высоты звука обычно используется вся длина инструмента, и поэтому на них существенно влияют эффекты мундштука и раструба . Они изменяют резонанс инструмента, чтобы он очень напоминал резонанс конической трубы, даже если отверстие в основном цилиндрическое. [2]
К инструментам, имеющим цилиндрическое или преимущественно цилиндрическое отверстие, относятся:
Диаметр конического отверстия изменяется линейно в зависимости от расстояния от конца инструмента. Полное коническое отверстие начинается с нулевого диаметра — вершины конуса. Однако реальные отверстия инструментов напоминают усеченный конус . Длина волны, создаваемая первой нормальной модой, примерно в два раза превышает длину конуса, измеренную от вершины. Длина волны, создаваемая второй нормальной модой, примерно равна длине конуса, поэтому ее шаг на октаву выше. Таким образом, инструмент с коническим отверстием, как и инструмент с открытым цилиндрическим отверстием, имеет завышенную октаву и обычно имеет сильный гармонический спектр как по четным, так и по нечетным гармоникам.
К инструментам, имеющим коническое или приблизительно коническое отверстие, относятся:
Сечения отверстий деревянных духовых инструментов отклоняются от настоящего конуса или цилиндра. Например, хотя гобой и гобой д'амур имеют одинаковую высоту звука, у них есть конечные колокола разной формы. Соответственно, голос гобоя описывается как «пронзительный» по сравнению с более «полным» голосом гобоя д'амур.
Хотя форма отверстия деревянных духовых инструментов обычно определяет их тембр, внешняя геометрия инструментов обычно мало влияет на их голос. Кроме того, внешняя форма деревянных духовых инструментов может не полностью соответствовать форме их отверстий. Например, хотя гобои и кларнеты могут внешне выглядеть одинаково, у гобоев коническое отверстие, а у кларнетов — цилиндрическое.
Канал блокфлейты в стиле барокко имеет «перевернутый» конус: более широкий в верхней части и уже в нижней части инструмента. [3] Большинство современных блокфлейт также имеют такое коническое отверстие, поскольку они очень похожи на блокфлейты в стиле барокко. Однако многие блокфлейты эпохи Возрождения , средневековья , а также современные магнитофоны имеют цилиндрическое отверстие. Некоторые оловянные флажолеты также имеют обратную конусность.
Медные духовые инструменты также иногда классифицируются как конические или цилиндрические, хотя на самом деле большинство из них имеют цилиндрические секции между конической секцией ( конус мундштука или мундштук ) и неконической, нецилиндрической расширяющейся секцией (раструб). Бенаде приводит следующие типичные пропорции: [4]
Эти пропорции меняются в зависимости от работы клапанов или задвижек; приведенные выше цифры относятся к инструментам с открытыми клапанами или полностью вдвинутым затвором. Это отклонение от стандартных моделей цилиндрических и конических трубок означает, что частоты нормальной моды духовых инструментов не соответствуют целым кратным первой моды, которая не используется для игры. . Однако более высокие режимы действительно соответствуют целым числам, кратным «фиктивному основному тону», который часто все еще можно воспроизводить как педальный тон . [5] Исполнители на медных духовых инструментах (в отличие от деревянных духовых инструментов) способны существенно «поднимать» ноты вверх или вниз, а на некоторых инструментах используют привилегированные частоты (тоны педали и ложные тона ), чтобы получить гармоничные ноты за пределами диапазон, разрешенный нормальными режимами. [4]