Духовой инструмент — это музыкальный инструмент , который содержит резонатор определенного типа (обычно трубку), в котором столб воздуха приводится в вибрацию, когда игрок дует в мундштук (или над ним), установленный на конце резонатора или рядом с ним. Высота вибрации определяется длиной трубки и ручной модификацией эффективной длины вибрирующего столба воздуха. В некоторых духовых инструментах звук создается путем дуновения через трость; другие требуют жужжания в металлический мундштук, а третьи требуют, чтобы игрок дул в отверстие на краю, что 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 группируются в два семейства: [1]
Деревянные духовые инструменты изначально делались из дерева, так же как духовые инструменты делались из латуни, но инструменты классифицируются в зависимости от того, как производится звук, а не по материалу, из которого они изготовлены. Например, саксофоны обычно изготавливаются из латуни, но являются деревянными духовыми инструментами, поскольку издают звук с помощью вибрирующей трости . С другой стороны, и диджериду , и деревянный корнет (не путать с корнетом ), и змей — все они сделаны из дерева (а иногда и пластика), а олифант — из слоновой кости , но все они относятся к семейство духовых инструментов, потому что вибрация инициируется губами музыканта.
В схеме классификации музыкальных инструментов Хорнбостеля-Сакса духовые инструменты относят к аэрофонам .
Звукообразование во всех духовых инструментах зависит от поступления воздуха в клапан регулирования расхода , прикрепленный к резонансной камере ( резонатору ). Резонатор обычно представляет собой длинную цилиндрическую или коническую трубку, открытую на дальнем конце . Импульс высокого давления от клапана будет распространяться по трубке со скоростью звука . Он отразится от открытого конца в виде обратного импульса низкого давления. При подходящих условиях клапан будет отражать импульс обратно с повышенной энергией, пока в трубке не образуется стоячая волна .
Тростниковые инструменты, такие как кларнет или гобой , имеют гибкую трость или трости на мундштуке, образующие клапан с регулируемым давлением. Увеличение давления внутри камеры уменьшит перепад давления на язычке; трость откроется больше, увеличивая поток воздуха. [2] [3] Увеличенный поток воздуха еще больше увеличит внутреннее давление, поэтому импульс высокого давления, достигающий мундштука, отразится как импульс более высокого давления обратно в трубку. Стоячие волны внутри трубки будут иметь величину, кратную четверти длины волны , [4] с антиузлом давления на мундштуке и узлом давления на открытом конце. Трость вибрирует со скоростью, определяемой резонатором .
На инструментах Lip Reed ( духовые ) музыканты контролируют напряжение губ так, что они вибрируют 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 в трубку. Стоячие волны внутри трубки будут иметь величину, кратную четверти длины волны , с антиузлом давления на мундштуке и узлом давления на открытом конце.
В инструментах Air Reed ( флейта и флейта ) тонкий скользящий воздушный слой (плоская струя), проходящий через отверстие (рот) в трубе, взаимодействует с острым краем (губы), создавая звук. [7] Струя генерируется игроком при продувке через тонкую щель (дымоход). Для самописцев и дымоходных труб эта прорезь изготавливается производителем приборов и имеет фиксированную геометрию. В поперечной флейте или пан-флейте щель образуется музыкантами между губами.
За счет 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 (начале струи) локализованное возмущение профиля скорости струи. Это возмущение сильно усиливается из-за внутренней нестабильности струи, когда жидкость движется к губам. Это приводит к глобальному поперечному движению струи на губах.
Усиление возмущений струи за счет ее внутренней неустойчивости можно наблюдать, глядя на шлейф сигаретного дыма. Любое движение руки, держащей сигарету, с небольшой амплитудой приводит к раскачиванию 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, в чем можно убедиться, помахав другой рукой.
Колебания струи вокруг губ приводят к колебательной силе воздушного потока на губах. Согласно третьему закону Ньютона, губы оказывают на поток противоположную силу реакции. Можно продемонстрировать, что эта сила реакции является источником звука, вызывающего акустические колебания трубы.
Количественная демонстрация природы этого типа источника звука была предоставлена Аланом Пауэллом [9] при исследовании плоской струи, взаимодействующей с острой кромкой в отсутствие трубы (так называемый Edgetone). Звук, излучаемый краевым тоном, можно предсказать на основе измерения нестационарной силы, создаваемой потоком струи на острой кромке (губной губе). Звукопроизводство в результате реакции стены на нестационарную силу потока вокруг объекта также создает эоловый звук цилиндра, расположенного перпендикулярно воздушному потоку (феномен поющей проволоки). Во всех этих случаях (флейта, эджтон, эоловый тон...) воспроизведение звука не связано с вибрацией стены. Следовательно, материал, из которого изготовлена флейта, не имеет отношения к принципу воспроизведения звука. Существенной разницы между золотой и серебряной флейтой нет. [10]
Производство звука во флейте можно описать моделью сосредоточенных элементов, в которой труба действует как акустическое колебание (система масса-пружина, резонатор ), которое преимущественно колеблется с собственной частотой, определяемой длиной трубки. Нестабильность струи действует как усилитель, передающий энергию от установившегося струйного течения на выходе из дымохода к колеблющемуся потоку вокруг губ. Труба образует со струей петлю обратной связи. Эти два элемента соединены на выходе дымохода и на губах. На выходе из дымохода поперечный акустический поток трубы возмущает струю. На губах колебание струи приводит к генерации акустических волн, которые поддерживают колебания трубы.
Акустический поток в трубе при установившихся колебаниях можно описать с помощью стоячих волн . Эти волны имеют узел давления у устья и еще один узел давления на противоположном конце открытой трубы. Стоячие волны внутри такой открытой-открытой трубки будут кратны половине длины волны . [4]
В грубом приближении трубка около 40 см. будут демонстрировать резонансы вблизи следующих точек:
Однако на практике получение ряда музыкальных 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 меняется в зависимости от плотности воздуха . Изменение температуры и лишь в гораздо меньшей степени 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, ничтожно мал по сравнению с тепловым воздействием на воздух.
Раструб духового инструмента представляет собой круглое расширяющееся отверстие напротив мундштука . Он встречается на кларнетах, саксофонах, гобоях, валторнах, трубах и многих других инструментах. На духовых инструментах акустическая связь канала канала с внешним воздухом для всех нот происходит в раструбе, а форма раструба оптимизирует эту связь. Он также играет важную роль в преобразовании резонансов инструмента. [11] На деревянных духовых инструментах большинство нот исходят из самых верхних открытых тональных отверстий; только самые низкие ноты каждого регистра полностью или частично звучат в колоколе, и функция колокола в этом случае заключается в улучшении согласованности тона между этими нотами и другими.
Игра на некоторых духовых инструментах, особенно на тех, которые требуют высокого сопротивления дыханию, 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, наблюдалось «временное, а иногда и резкое повышение и колебания ВГД». [12] Другое исследование показало, что величина повышения внутриглазного давления коррелирует с внутриротовым сопротивлением, связанным с инструментом, и связывает периодическое повышение внутриглазного давления от игры на духовых инструментах с высоким сопротивлением с частотой потери поля зрения. [13] Было показано, что диапазон внутриротового давления, возникающий у различных классов этнических духовых инструментов, таких как индейские флейты , в целом ниже, чем у западных классических духовых инструментов. [14]
