Духовой инструмент — это музыкальный инструмент , содержащий некоторый тип резонатора (обычно трубку), в котором столб воздуха приводится в колебание игроком, дующим в (или над) мундштук, установленный на конце резонатора или около него. Высота вибрации определяется длиной трубки и ручными изменениями эффективной длины вибрирующего столба воздуха. В случае некоторых духовых инструментов звук извлекается путем дуновения через трость; другие требуют жужжания в металлический мундштук, в то время как третьи требуют, чтобы игрок дул в отверстие на краю, которое разделяет столб воздуха и создает звук.
Почти все духовые инструменты используют последний метод, часто в сочетании с одним из других, для расширения своего регистра.
Духовые инструменты обычно делятся на две группы: [1]
Духовые инструменты из дерева изначально изготавливались из дерева, как и медные инструменты из латуни, но инструменты классифицируются на основе того, как воспроизводится звук, а не по материалу, из которого они сделаны. Например, саксофоны обычно изготавливаются из латуни, но являются духовыми инструментами из дерева, потому что они производят звук с помощью вибрирующей трости . С другой стороны, диджериду , деревянный корнет (не путать с корнетом ) и серпент сделаны из дерева (или иногда из пластика), а олифант сделан из слоновой кости , но все они принадлежат к семейству медных инструментов, потому что вибрация инициируется губами исполнителя.
В схеме классификации музыкальных инструментов Хорнбостеля-Сакса духовые инструменты классифицируются как аэрофоны .
Звукоизвлечение во всех духовых инструментах зависит от поступления воздуха в клапан управления потоком , прикрепленный к резонансной камере ( резонатору ). Резонатор обычно представляет собой длинную цилиндрическую или коническую трубку, открытую на дальнем конце. Импульс высокого давления от клапана будет перемещаться по трубке со скоростью звука . Он будет отражаться от открытого конца как обратный импульс низкого давления. При подходящих условиях клапан будет отражать импульс обратно с повышенной энергией, пока в трубке не сформируется стоячая волна .
Язычковые инструменты, такие как кларнет или гобой, имеют гибкую трость или трости у мундштука, образуя клапан, управляемый давлением. Увеличение давления внутри камеры уменьшит перепад давления на трости; трость откроется больше, увеличив поток воздуха. [2] [3] Увеличенный поток воздуха еще больше увеличит внутреннее давление, поэтому импульс высокого давления, поступающий в мундштук, отразится как импульс более высокого давления обратно вниз по трубке. Стоячие волны внутри трубки будут нечетными кратными четверти длины волны , [4] с пучностью давления у мундштука и узлом давления на открытом конце. Трость вибрирует со скоростью, определяемой резонатором .
Для инструментов Lip Reed ( медные духовые ) игроки контролируют натяжение губ так, чтобы они вибрировали под воздействием проходящего через них воздуха. [5] [6] Они регулируют вибрацию так, чтобы губы были максимально закрыты, а поток воздуха был минимальным, когда импульс низкого давления достигает мундштука, чтобы отразить импульс низкого давления обратно вниз по трубке. Стоячие волны внутри трубки будут нечетными кратными четверти длины волны , с пучностью давления у мундштука и узлом давления на открытом конце.
Для инструментов Air Reed ( флейта и фипл -флейта) тонкая скользящая воздушная струя (плоская струя), протекающая через отверстие (рот) в трубе, взаимодействует с острым краем (губой) для создания звука. [7] Струя создается исполнителем, когда он дует через тонкую щель (дымоход). Для блокфлейт и труб органа эта щель изготавливается изготовителем инструмента и имеет фиксированную геометрию. В поперечной флейте или пан-флейте щель формируется музыкантами между губами.
Из-за акустических колебаний трубы воздух в трубе попеременно сжимается и расширяется. [8] Это приводит к попеременному потоку воздуха в трубу и из нее через устье трубы. Взаимодействие этого поперечного акустического потока с плоской воздушной струей вызывает на выходе из дымохода (источнике струи) локализованное возмущение профиля скорости струи. Это возмущение сильно усиливается внутренней нестабильностью струи по мере того, как жидкость движется к губе. Это приводит к глобальному поперечному движению струи в губе.
Усиление возмущений струи ее внутренней нестабильностью можно наблюдать, глядя на шлейф сигаретного дыма. Любое малоамплитудное движение руки, держащей сигарету, приводит к колебанию шлейфа, увеличивающемуся с расстоянием вверх и в конечном итоге к хаотическому движению (турбулентности). Такое же колебание струи может быть вызвано слабым потоком воздуха в помещении, что можно проверить, помахав другой рукой.
Колебание струи вокруг губы приводит к колебательной силе воздушного потока на губе. Согласно третьему закону Ньютона губа оказывает на поток противоположную силу реакции. Можно показать, что эта сила реакции является источником звука, который вызывает акустические колебания трубы.
Количественная демонстрация природы этого типа источника звука была предоставлена Аланом Пауэллом [9] при изучении плоской струи, взаимодействующей с острым краем в отсутствие трубы (так называемый edgetone). Звук, излучаемый edgetone, можно предсказать по измерению нестационарной силы, вызванной потоком струи на острый край (губу). Производство звука реакцией стенки на нестационарную силу потока вокруг объекта также производит эоловый звук цилиндра, расположенного перпендикулярно потоку воздуха (феномен поющей проволоки). Во всех этих случаях (флейта, edgetone, aeolian tone...) производство звука не включает в себя вибрацию стенки. Следовательно, материал, из которого сделана флейта, не имеет значения для принципа производства звука. Нет существенной разницы между золотой или серебряной флейтой. [10]
Звукоизвлечение во флейте можно описать с помощью модели сосредоточенных элементов, в которой труба действует как акустический колебательный механизм (система масса-пружина, резонатор ), который преимущественно колеблется на собственной частоте, определяемой длиной трубки. Нестабильность струи действует как усилитель, передающий энергию от устойчивого потока струи на выходе из дымохода к колеблющемуся потоку вокруг губы. Труба образует со струей петлю обратной связи. Эти два элемента связаны на выходе из дымохода и на губе. На выходе из дымохода поперечный акустический поток трубы возмущает струю. На губе колебание струи приводит к генерации акустических волн, которые поддерживают колебание трубы.
Акустический поток в трубе может быть описан в терминах стоячих волн для установившихся колебаний . Эти волны имеют узел давления в устье и другой узел давления в противоположном открытом конце трубы. Стоячие волны внутри такой открытой-открытой трубы будут кратны половине длины волны . [4]
В грубом приближении трубка диаметром около 40 см будет демонстрировать резонансы вблизи следующих точек:
Однако на практике получение диапазона музыкально полезных тонов от духового инструмента во многом зависит от тщательной конструкции инструмента и техники игры.
Частота колебательных мод зависит от скорости звука в воздухе, которая изменяется с плотностью воздуха . Изменение температуры, и только в гораздо меньшей степени также изменение влажности, влияет на плотность воздуха и, следовательно, на скорость звука, и, следовательно, влияет на настройку духовых инструментов. Эффект теплового расширения духового инструмента, даже медного, пренебрежимо мал по сравнению с тепловым эффектом на воздух.
Раструб духового инструмента — это круглое, расширяющееся отверстие напротив мундштука. Он встречается на кларнетах, саксофонах, гобоях, валторнах, трубах и многих других видах инструментов. На медных духовых инструментах акустическая связь канала с внешним воздухом происходит в раструбе для всех нот, и форма раструба оптимизирует эту связь. Она также играет важную роль в преобразовании резонансов инструмента . [ 11] На деревянных духовых инструментах большинство нот выходят через самые верхние открытые тоновые отверстия; только самые низкие ноты каждого регистра выходят полностью или частично в раструб, и функция раструба в этом случае заключается в улучшении согласованности тона между этими нотами и другими.
Игра на некоторых духовых инструментах, в частности, на тех, которые связаны с высоким сопротивлением давлению дыхания, приводит к повышению внутриглазного давления , что связано с глаукомой как потенциальным риском для здоровья. В одном исследовании 2011 года, посвященном медным и деревянным духовым инструментам, наблюдались «временные и иногда резкие повышения и колебания ВГД». [12] Другое исследование показало, что величина повышения внутриглазного давления коррелирует с внутриротовым сопротивлением, связанным с инструментом, и связывает прерывистое повышение внутриглазного давления при игре на духовых инструментах с высоким сопротивлением с частотой потери поля зрения. [13] Было показано, что диапазон внутриротового давления, задействованный в различных классах этнических духовых инструментов, таких как флейты коренных американцев , в целом ниже, чем у западных классических духовых инструментов. [14]
