В музыке струны — это длинные гибкие конструкции на струнных инструментах , которые производят звук посредством вибрации . Струны удерживаются под натяжением , чтобы они могли свободно вибрировать, но под контролем. Это делается для того, чтобы заставить струну вибрировать на желаемой высоте тона , при этом более свободные струны производят более низкие тона, а более тугие — более высокие. Однако вибрирующая струна сама по себе производит очень мало звука. Поэтому большинство струнных инструментов имеют деку для усиления звука. [1]
Существует два основных вида струн: простые и витые. «Простые» струны — это просто один кусок длинного цилиндрического материала, обычно из нейлона или кишок. «Витые» струны имеют центральный сердечник, а другой материал плотно намотан вокруг струны. [2]
До Второй мировой войны струны многих инструментов (включая скрипки и гитары ) изготавливались из материала, известного как кетгут , типа шнура, изготовленного из очищенных натуральных волокон кишок животных . Однако в середине двадцатого века стальные и нейлоновые струны стали более предпочтительными при изготовлении струн. Хотя кетгут по-прежнему ценится многими музыкантами сегодня из-за его уникального звучания. [3] Изобретение струн с обмоткой (особенно стальных) стало решающим шагом в технологии струнных инструментов, поскольку струна с металлической обмоткой может воспроизводить более низкий тон, чем простая струна из жил такой же толщины. Это позволило изготавливать струнные инструменты с более тонкими басовыми струнами.
На струнных инструментах, которые исполнитель щипком или смычком извлекает напрямую (например, контрабас ), это позволило производителям инструментов использовать более тонкие струны для самых низких струн, что облегчило игру на струнах с низким тоном. На струнных инструментах, в которых исполнитель нажимает на клавиатуру , заставляя механизм ударять по струнам, например, пианино , это позволило производителям фортепиано использовать более короткие и толстые струны для получения самых низких басовых нот, что позволило создавать меньшие пианино, предназначенные для небольших помещений и репетиционных залов.
Конец струны, который крепится к механизму настройки инструмента (часть инструмента, которая поворачивается, чтобы затянуть или ослабить натяжение струны), обычно гладкий. В зависимости от инструмента, другой, фиксированный конец струны может иметь либо гладкий, петлевой, либо шарообразный конец (короткий латунный цилиндр), который крепит струну к концу, противоположному механизму настройки. Когда шар или петля используются с гитарой , это гарантирует, что струна останется зафиксированной в подставке гитары. Когда шар или петля используются с инструментом семейства скрипок, это удерживает конец струны зафиксированным в струнодержателе . Струны Fender Bullet имеют больший цилиндр для более стабильной настройки на гитарах, оборудованных синхронизированными системами тремоло . Струны для некоторых инструментов могут быть обернуты шелком на концах для защиты струны. Цвет и рисунок шелка часто идентифицируют атрибуты струны, такие как производитель, размер, предполагаемая высота тона и т. д.
Струны с круглой обмоткой являются самыми простыми и базовыми струнами с обмоткой, они имеют круглую проволоку, намотанную в плотную спираль вокруг круглого или шестиугольного сердечника. Такие струны обычно просты в изготовлении, являются наименее дорогими и удобными. Однако, несмотря на эти преимущества, у них есть несколько недостатков:
Струны с плоской обмоткой — это струны с круглым или шестигранным сердечником и обмоткой, имеющей закругленное квадратное поперечное сечение, которое имеет более мелкий профиль (в поперечном сечении) при плотной обмотке. Это обеспечивает более комфортную игру и снижает износ ладов и грифовых накладок (это делает их популярным выбором для безладовых инструментов). Скрипящие звуки из-за скольжения пальцев по струнам также значительно уменьшаются. Струны с плоской обмоткой также имеют более длительный срок службы из-за меньших канавок для скопления грязи и масла.
С другой стороны, струны с плоской обмоткой звучат менее ярко, чем струны с круглой обмоткой, и их сложнее сгибать, что приводит к вибрато . Плоские струны также дороже, чем струны с круглой обмоткой, из-за меньшего спроса, меньшего производства и более высоких накладных расходов. Производство также сложнее, поскольку необходимо поддерживать точное выравнивание плоских сторон обмотки (некоторое вращение обмотки на струнах с круглой обмоткой допустимо). [4] [5]
Современные смычковые струны — простые (обычно более тонкие струны с высоким тоном) или с плоской обмоткой, что обеспечивает плавную игру и снижает ломкость волоса смычка. Существует нишевый рынок для струн для скрипки с круглой обмоткой.
Полукруглые (также называемые струнами с полуобмоткой, заземленной обмоткой или намотанными под давлением) струны, которые представляют собой нечто среднее между круглой обмоткой и плоской обмоткой. Такие струны обычно изготавливаются путем намотки круглой проволоки вокруг круглого или шестигранного сердечника, затем полировки, шлифовки (отсюда и название, заземленная обмотка ) или прессования внешней части обмотки до тех пор, пока она не станет практически плоской. Это приводит к плоскому, удобному ощущению игры на плоской обмотке, а также к меньшему скрипу с яркостью, как правило, между круглой и плоской обмоткой. Процесс полировки удаляет почти половину массы обмотки; таким образом, чтобы компенсировать это, производители используют обмотку более толстой проволоки. Из-за дополнительного производственного процесса они обычно дороже, чем круглой обмотки, но дешевле, чем плоской обмотки.
Струны с шестигранной обмоткой — это, по сути, шестиугольные версии струн с круглой обмоткой, в которых они имеют шестигранный сердечник с круглой обмоткой, которая обернута в форме шестиугольника. Этот процесс обмотки решает вторую проблему: он закрепляет обмотку вокруг сердечника, чтобы она не могла вращаться и скользить под пальцами, и улучшает тон за счет более тесной связи между сердечником и обмоткой. Недостатком струн с шестигранной обмоткой раньше было то, что относительно острые шестиугольные углы были менее удобны для пальцев и изнашивали гриф и ладовую проволоку даже быстрее, чем обычные струны с круглой обмоткой, но этот недостаток был устранен путем слегка скругления углов, чтобы сделать их более удобными для пальцев и защитить гриф и лады от царапин.
Существует три типа или формы сердечника проволоки, обычно используемого в намотанной струне.
Струны Hexcore состоят из шестиугольной проволоки-сердечника и плотной (обычно круглой) обмотки. Конструкция струны Hexcore предотвращает проскальзывание обмотки вокруг сердечника, что может произойти со струнами с круглым сердечником. Это может улучшить стабильность настройки, гибкость и уменьшить разрыв струны по сравнению со струнами с круглым сердечником. [6]
Круглые струны состоят из обычного круглого сердечника и плотной (обычно круглой) обмотки. Круглый сердечник является традиционным «винтажным» способом изготовления и обеспечивает лучший контакт между обмоткой и сердечником струны.
Струны с восьмиугольным сердечником (производства Mapes) имеют восьмиугольный сердечник с плотной круглой обмоткой. Конструкция струны с восьмиугольным сердечником сочетает в себе гибкость струны с круглым сердечником и стабильность настройки струны с шестиугольным сердечником в одном.
Струны смычковых инструментов, таких как скрипка или виолончель, обычно описываются натяжением, а не калибром. Струны ладовых инструментов (гитара, банджо и т. д.) обычно описываются калибром — диаметром струны. Тон струны частично зависит от веса и, следовательно, от ее диаметра — калибра. Обычно производители струн, которые не описывают струны по натяжению, указывают диаметр струны в тысячных долях дюйма ( 0,001 дюйма = 0,0254 мм). Чем больше диаметр, тем тяжелее струна. Более тяжелые струны требуют большего натяжения для той же высоты тона и, как следствие, их сложнее прижать к грифу . Ладовый инструмент , который перенастраивается с использованием струн другого калибра, может потребовать регулировки высоты струны над ладами (« строя »), чтобы сохранить легкость игры или предотвратить дребезжание струн о лады. Высота строя безладовых инструментов также регулируется в соответствии с калибром или материалом струн, а также предполагаемым стилем игры.
Стальные струны для шестиструнной гитары обычно поставляются в наборах подобранных струн. Наборы обычно обозначаются либо калибром первой струны (например, 9), либо парой первой и последней (например, 9–42); измерения в тысячных долях дюйма являются фактическим стандартом, независимо от того, используются ли в стране имперские единицы . У некоторых производителей могут быть немного иные последовательности калибров; приведенные ниже данные взяты из таблиц струн D'Addario для обычных, круглой обмотки, никелированных струн.
Калибр струн зависит от личных предпочтений музыканта, но акустические гитары обычно имеют более толстый калибр, чем электрогитары. Необходимость проекции из-за отсутствия усиления является одной из основных причин этого. [7]
Струны для бас-гитары иногда изготавливаются для определенной длины мензуры и бывают короткими, средними, длинными и сверхдлинными (иногда называемыми супердлинными). Почти все струны для бас-гитары изготавливаются с обмоткой. Типичные струны для бас-гитары имеют следующие калибры:
Начиная с 20-го века, с появлением стальных и синтетических струн, большинство производителей струн для смычковых инструментов продают свои струны по натяжению, а не по диаметру. Обычно они выпускают наборы струн с тремя уровнями натяжения: тяжелое , среднее и легкое (немецкие stark , mittel и weich ). Эти уровни натяжения не стандартизированы между производителями и не соотносятся с конкретными диаметрами. Струны среднего размера одного бренда могут иметь совершенно иное натяжение, чем струны среднего размера другого бренда. Согласно имеющимся историческим записям, струны из кишок продавались до 1900 года аналогичным образом.
С другой стороны, современные струны с жильным сердечником и металлической обмоткой, как правило, продаются либо без калибра для менее дорогих брендов, либо по определенному калибру. Компания Gustav Pirazzi в Германии ввела измерение метра Пирацци (PM) в начале 20-го века. Один PM равен 0,05 мм. Например, струна калибра 14 1/2 PM имеет диаметр 0,725 мм. Pirazzi (теперь известная как Pirastro) продолжает продавать свои премиальные струны с жильным сердечником под брендами Oliv, Eudoxa и Passione калибром PM. Каждая струна доступна в 5 или более дискретных калибрах. Производители традиционных простых струн из жильного сердечника, часто используемых в исторически обоснованном исполнении, продают свою продукцию по легким/средним/тяжелым, по PM, по мм или в некоторой комбинации.
Сталь образует сердечник большинства металлических струн. Некоторые клавишные инструменты (например, клавесин) и гэльская арфа используют латунь. Другие натуральные материалы, такие как шелк или кишки , или синтетические материалы, такие как нейлон и кевлар, также используются для сердечников струн. (Сталь, используемая для струн, называемая музыкальной проволокой , закалена и отпущена.) Некоторые скрипичные струны E позолочены для улучшения качества тона.
Стальные или металлические струны стали основой струн для электрогитары и баса. Они имеют приятно яркий тон по сравнению с нейлоновыми струнами гитар. Их металлический состав сильно различается, иногда в качестве покрытия используется множество различных сплавов. Большая часть истории металлических струн развивалась благодаря инновациям в пианино. Фактически, первые когда-либо использованные струны из витого металла использовались в пианино. Однако когда дело дошло до получения струн сверхмалого диаметра с хорошими эластичными свойствами, электрогитара вывела металлические струны на новый уровень, адаптировав их для использования со звукоснимателями.
Из-за более сильного натяжения стальных струн гитары со стальными струнами более прочны, чем «классические» гитары, в которых используются синтетические струны. Большинство джазовых и фолк-гитаристов предпочитают струны со стальным сердечником из-за их более быстрого отклика, низкой стоимости и стабильности настройки. [8]
Нейлоновая (обычно 610 или 612) струна [9], традиционно используемая для классической музыки , имеет более мягкий тон, и ее отзывчивость обычно используется в фолке, но другие стили музыки также используют ее (например, Вилли Нельсон играет на гитаре с нейлоновыми струнами). Нейлоновые струны сделаны из более мягкого, менее плотного материала и натянуты меньше, чем стальные струны (примерно на 50% меньше). Это означает, что их можно использовать на старых гитарах, которые не могут выдержать натяжение современных стальных струн.
Нейлоновые струны не работают с магнитными звукоснимателями , для которых требуются железные струны, способные взаимодействовать с магнитным полем звукоснимателей для создания сигнала.
В настоящее время многожильный нейлон является одним из самых популярных материалов для сердечников струн скрипки, альта, виолончели и контрабаса. Он часто продается под торговой маркой Perlon . Нейлоновые гитарные струны были впервые разработаны Albert Augustine Strings в 1947 году . [10]
Кишечник или внутренности овец, крупного рогатого скота и других животных (иногда называемые кетгутом , хотя кошки никогда не использовались в качестве источника этого материала) являются одним из первых материалов, используемых для изготовления музыкальных струн. [11] Фактически, древнегреческое слово, обозначающее струну, «khordḗ», изначально имело значение «кишка».
Кишечник животных в основном состоит из эластомеров , что делает их очень гибкими. Но они также чрезвычайно гигроскопичны, что делает их восприимчивыми к колебаниям высоты тона в результате изменения влажности. Воздействие влаги от пота рук музыканта может привести к тому, что простые (необмотанные) струны из кишок изнашиваются и в конечном итоге рвутся. Это не такая большая проблема для струн из кишок из кишок, в которых сердцевина из кишок, защищенная от контакта с потом металлической обмоткой (и подслоем, если таковой имеется), служит гораздо дольше. Тем не менее, поскольку такая струна из кишок стареет и постоянно реагирует на циклические изменения температуры и влажности, сердцевина становится слабой и хрупкой и в конечном итоге рвется. Кроме того, все струны из кишок подвержены расстройке из-за изменений влажности воздуха .
Однако даже после введения металлических и синтетических материалов на основе сердечника многие музыканты по-прежнему предпочитают использовать струны из кишок, полагая, что они обеспечивают превосходный тон. Музыканты, связанные с движением исполнения периода, используют струны из кишок с обмоткой и без обмотки в рамках усилий по воссозданию звучания музыки классического, барочного и ренессансного периодов, как слушатели могли слышать ее во время сочинения.
Для исполнителей на щипковых инструментах струны Nylgut являются недавно разработанной альтернативой струнам из кишок. Они изготавливаются из специального нейлона и, как предполагается, обладают теми же акустическими свойствами, что и струны из кишок, но без проблем с настройкой.
Фторполимерные струны доступны для классической гитары, арфы и укулеле. Это тот же материал, который используется для моноволоконных лесок , а типичным используемым химикатом является PVDF . Эти струны обычно продаются под такими названиями, как фторуглерод , углеродное волокно или углерод , что является научно неверным.
Так называемый материал Carbon имеет более высокую плотность , чем нейлон, поэтому нейлоновую струну можно заменить углеродной струной меньшего диаметра. Это улучшает точность нот на высоких ладах, а полученное вибрационное поведение приводит к более яркому звуку с улучшенными гармониками . В частности, классические гитаристы , которые считают, что нейлоновая струна G звучит слишком скучно, могут использовать струны, включающие углеродную струну G. [12]
Также использовались другие полимеры, включая полиэфирэфиркетон и полибутилентерефталат . [13] [14]
Шелк широко использовался в Китае для традиционных китайских музыкальных инструментов, пока в 1950-х годах его не заменили металлические и нейлоновые струны. Только чисто шелковые струны, используемые для гуциня, все еще производятся, в то время как некоторые шелковые струны с серебряной обмоткой все еще доступны для классических гитар и укулеле. Качество в древние времена было настолько высоким, что один бренд хвалили как «ледяные струны» за их гладкость и полупрозрачный вид. [15]
Алюминий , серебро и хромированная сталь являются обычными обмотками для смычковых инструментов, таких как скрипка и альт, в то время как струны акустической гитары обычно обматываются бронзой, а струны фортепиано — медью . Чтобы противостоять коррозии от пота, алюминий может использоваться в качестве стойкого сплава, такого как гидроналий . Струны классической гитары, как правило, нейлоновые, а басовые обматываются либо серебром, либо бронзой. Струны электрогитары обычно обматываются никелированной сталью; также используются чистый никель и нержавеющая сталь. Струны бас-гитары чаще всего обматываются нержавеющей сталью или никелем . Медь , золото , серебро и вольфрам используются для некоторых инструментов. Серебро и золото стоят дороже и используются из-за их устойчивости к коррозии и гипоаллергенности .
Некоторые «исторически обоснованные» струны используют открытую металлическую обмотку с внешним видом « барбер-пиль ». Эта практика улучшает акустические характеристики более толстых струн из жил, добавляя массу и делая струну тоньше для ее натяжения. Образцы таких струн с открытой обмоткой известны с начала 18 века в коллекции артефактов Антонио Страдивари . Гитарные струны «Silk and Steel» — это стальные струны с обмоткой, под которой находятся шелковые нити.
Фосфорная бронза была представлена D'Addario в начале 1970-х годов. Говорят, что фосфорная бронза сохраняет свой "новый" звук дольше, чем другие струны. В бронзовую смесь добавляют небольшое количество фосфора и цинка. Это делает фосфорную бронзу немного более устойчивой к коррозии, чем бронза 80/20.
Струны из бронзы 80/20 на 80 процентов состоят из меди и на 20 процентов из цинка. [16] Цинк также придает им более яркий тон, дополнительную твердость и замедляет процесс старения. С дополнительным покрытием струн они сохраняются еще лучше. Хотя, если часть покрытия нанесена плохо, струны могут потерять свой тон всего за несколько часов, а если их оставить в условиях высокой влажности, они могут позеленеть из-за меди и со временем подвергнуться коррозии. Название «бронза 80/20» является неправильным, поскольку бронза по определению является сплавом меди и олова . Струны из « бронзы 80/20 » правильнее было бы называть латунью . [17]
Некоторые акустические гитаристы используют струны, обмотанные никелированной сталью, предназначенные для электрогитары. Свойства никелированных струн делают их хорошим выбором для гитар с плоской верхней декой и магнитными звукоснимателями, установленными в резонаторном отверстии.
[18] Все металлические струны подвержены окислению и коррозии . В обмотке струн с обмоткой обычно используются такие металлы, как латунь или бронза . Эти два металла очень уязвимы для коррозии. Сальная железа на коже игрока вырабатывает масла, которые могут быть кислотными. Масла, соли и влага с пальцев игрока являются крупнейшим источником коррозии. Состав масла и кислорода в воздухе также способствуют окислению и коррозии струн. В стальных струнах кислород реагирует с железом в стали, и это создает ржавчину. В результате струна со временем теряет свой блеск. [19] [20] Вода, еще один побочный продукт окисления, увеличивает вероятность кислотной коррозии в маслах. Струны с обмоткой, такие как бронзовые акустические струны, очень трудно поддерживать свежим звучанием из-за отсутствия коррозионной стойкости. Чтобы помочь решить проблему коррозии, струны либо покрываются металлом, либо покрываются полимером. Утверждается, что полимерное покрытие уменьшает скрип пальцев и износ ладов, а также имеет лучшую настраиваемость. Некоторые компании продают смазочные масла, которые замедляют процесс окисления, увеличивая срок службы струны. Эти специальные смазочные масла наносятся на струны в качестве барьера для воздуха, чтобы замедлить процесс окисления.
Некоторые распространенные типы металлического покрытия струн включают олово, никель, золото и серебро. Некоторые металлы, такие как золото и серебро, придают струнам другой звук. Среди струн, покрытых полимером ( политетрафторэтиленом), наиболее часто используется тефлон . Тефлон устойчив ко многим едким веществам, таким как: хлор, уксусная кислота, серная кислота и соляная кислота . На микроскопическом уровне тефлон имеет очень плотно упакованные полимерные цепи, и эти плотно упакованные цепи создают скользкую поверхность, которая не только помогает удерживать масло с рук игрока от струн, но и делает их гладкими для игры. [21] Этилентетрафторэтилен (ETFE) — еще один полимер, который иногда используется для покрытия струн. Он устойчив к истиранию и порезам и имеет много характеристик, похожих на тефлон. [22]
Некоторые музыканты кипятят струны гитары или баса, чтобы восстановить их. Высокая температура кипящей воды помогает освободить струны от масла, соли и грязи с рук музыканта. Когда играют на струне, очень маленькая металлическая стружка от износа ладов может отломаться и застрять между обмотками струн. Нагревание струн может расширить эти частицы и отделить их от обмотки. Некоторые музыканты используют деионизированную воду для кипячения струн, полагая, что минеральные отложения в водопроводной воде могут способствовать коррозии сердечника струны. После кипячения струны могут стать менее эластичными и более хрупкими, в зависимости от качества используемых сплавов. Известно также, что цикл мытья струн в посудомоечной машине также помогает. [23]
Струна вибрирует в сложном гармоническом шаблоне. Каждый раз, когда исполнитель приводит струну в движение, определенный набор частот резонирует на основе гармонического ряда . Основная частота является самой низкой и определяется плотностью , длиной и натяжением струны . Это частота, которую мы определяем как высоту тона струны. Выше этой частоты слышны обертоны (или гармоники), каждый из которых становится тише, чем выше. Например, если основная высота тона составляет 440 Гц ( ля выше средней до ), обертоны для идеальной струны, настроенной на эту высоту, составляют 880 Гц, 1320 Гц, 1760 Гц, 2200 Гц и т. д. Названия нот для этих высот будут A, A, E, A, C ♯ и т. д. Однако из-за физической природы струн, чем выше поднимаются обертоны, тем больше они расстроены (или «ложны») по отношению к основной. Это важный момент для настройщиков фортепиано , которые пытаются растянуть настройку по всему фортепиано, чтобы обертоны были более стройными по мере их продвижения вверх по клавиатуре.
В явлении, называемом симпатической вибрацией , струна как будто вибрирует сама по себе. Это происходит, когда звуковые волны ударяют по струне на частоте, близкой к основному тону струны или одному из ее обертонов . Когда внешний источник применяет вынужденную вибрацию, которая соответствует собственной частоте струны, струна вибрирует.
Резонанс может вызвать звуковую обратную связь . Например, в установке с акустической гитарой и системой PA динамик вибрирует на той же собственной частоте струны на гитаре и может заставить ее в колебательное движение. Звуковая обратная связь часто рассматривается как нежелательное явление с акустической гитарой , которая подключена к системе PA , потому что она вызывает громкий воющий звук. Однако с электрогитарой некоторые гитаристы в тяжелой музыке и психоделическом роке намеренно создают обратную связь, держа электрогитару близко к мощному, громкому кабинету динамика гитарного усилителя , с громко включенным искажением , создавая уникальные высокие, устойчивые звуки. Джими Хендрикс и Брайан Мэй были известными пользователями электрогитарной обратной связи.
Для типичной струны из нейлона с высоким содержанием E максимальная поперечная сила примерно в 40 раз больше максимальной амплитуды продольной силы. Однако продольная сила увеличивается пропорционально квадрату амплитуды импульса, поэтому различия уменьшаются с увеличением амплитуды. Модуль упругости (Юнга) для стали примерно в 40 раз больше, чем для нейлона, а натяжение струны примерно на 50% больше, поэтому амплитуды продольной и поперечной силы почти равны. [24]
Настройка струнного инструмента, например, гитары, на высоту тона подвергает струны большому напряжению, что указывает на величину напряжения внутри струны. Напряжение связано с растяжением или удлинением струн. По мере того, как струна настраивается на более высокую высоту тона, она становится длиннее и тоньше. Инструмент может расстроиться, потому что, если он был растянут сверх своего предела упругости, он не восстановит свое первоначальное натяжение. На кривой напряжения и деформации есть линейная область, где напряжение и деформация связаны, называемая модулем Юнга . Более новый набор струн часто будет находиться в области на кривой напряжения и деформации за пределами модуля Юнга, называемой пластической областью. В пластической области происходит пластическая деформация — деформация, от которой материал не может восстановиться. Таким образом, в пластической области зависимость не является линейной (модуль Юнга больше не является константой). Упругая область — это область, где происходит упругая деформация, или деформация, из которой струна может восстановиться. Линейная (т. е. упругая) область — это то, где музыканты хотят играть на своем инструменте. [25]
