Струна — это вибрирующий элемент хордофонов , таких как гитара , арфа , фортепиано ( фортепианная струна ) и семейство скрипок , который производит звук . Струны представляют собой куски гибкого материала, которые музыкальный инструмент удерживает под натяжением , чтобы они могли свободно, но контролируемо вибрировать. Это делается для того, чтобы струна вибрировала с желаемой высотой , сохраняя при этом низкий профиль и достаточную гибкость для игры в действии.
Существует два основных типа строк; простой и ранимый. «Обычные» струны представляют собой просто один кусок цилиндрического материала, обычно состоящего из нейлона или жилы, тогда как «навитые» струны имеют центральный сердечник, а также другой материал, который плотно наматывается на струну (обычно из различных металлов ). [1]
Исторически струны многих инструментов (включая скрипки и гитары ) состояли из материала, известного как кетгут , типа шнура, изготовленного из очищенных натуральных волокон кишечника животных. Так было до конца Второй мировой войны, когда массовая популярность упала, а стальные и нейлоновые струны стали более предпочтительными в производстве струн, хотя многие музыканты все еще ценили их. [2] Изобретение намотанных струн (особенно стальных) стало решающим шагом в технологии струнных инструментов, поскольку струна с металлической обмоткой может производить более низкий звук, чем простая струна с жилой такой же толщины. Это позволило изготавливать струнные инструменты с более тонкими басовыми струнами.
На струнных инструментах, на которых игрок щипает или смыкает напрямую (например, контрабас ), это позволило производителям инструментов использовать более тонкие струны для струн с самым низким тоном, что облегчило игру на струнах с более низким тоном. На струнных инструментах, в которых игрок нажимает на клавиатуру , заставляя механизм ударять по струнам, например, на фортепиано , это позволило производителям фортепиано использовать более короткие и толстые струны для воспроизведения самых низких басовых нот, что позволило создавать пианино меньшего размера. предназначен для небольших комнат и тренировочных залов.
Конец струны, которая крепится к механизму настройки инструмента (часть инструмента, которая поворачивается, чтобы затянуть или ослабить натяжение струны), обычно простой. В зависимости от инструмента другой фиксированный конец струны может иметь простой, петлевой или шаровой конец (короткий латунный цилиндр), который прикрепляет струну к концу, противоположному механизму настройки. Когда на гитаре используется шарик или петля , это гарантирует, что струна останется зафиксированной на подставке гитары. Когда шарик или петля используются со скрипичными инструментами, конец струны фиксируется в струнодержателе . Струны Fender Bullet имеют цилиндр большего размера для более стабильной настройки на гитарах, оснащенных синхронизированной системой тремоло . Струны некоторых инструментов могут быть обернуты на концах шелком, чтобы защитить струну. Цвет и рисунок шелка часто определяют такие характеристики струны, как производитель, размер, предполагаемый шаг и т. д.
Существует несколько разновидностей намотанных струн.
Простейшие струны с намоткой имеют круглую намотку: круглая проволока намотана тугой спиралью вокруг круглого или шестиугольного сердечника. Такие струны обычно просты в изготовлении и наименее дороги. Однако у них есть несколько недостатков:
Струны с плоской намоткой также имеют круглый или шестигранный сердечник. Однако обмоточный провод имеет округло-квадратное сечение, которое при тугой намотке имеет более мелкий профиль (в поперечном сечении). Это обеспечивает более комфортную игру и снижает износ ладов и накладок (что делает их популярным выбором для безладовых инструментов). Скрипящие звуки, возникающие при скольжении пальцев по струнам, также значительно уменьшаются. Струны с плоской намоткой также имеют более длительный срок службы из-за меньших канавок, в которых скапливается грязь и масло.
С другой стороны, струны с плоской намоткой звучат менее ярко, чем с круглой намоткой, и их сложнее сгибать . Плоские раны также обычно стоят дороже, чем круглые, из-за меньшего спроса, меньшего производства и более высоких накладных расходов. Изготовление также сложнее, так как необходимо соблюдать точное выравнивание плоских сторон обмотки (допускается некоторое вращение обмотки на струнах с круглой обмоткой). [3] [4]
Современные смычковые струны бывают простыми (обычно более высокие и тонкие) или с плоской намоткой, что обеспечивает плавную игру и уменьшает ломкость волосков смычка. Существует нишевый рынок струн для скрипок с круглой обмоткой.
Полукруглые (также называемые струнами с полунамоткой , намоткой на землю или струнами с намоткой под давлением ) представляют собой нечто среднее между струнами с круглой и плоской намоткой. Такие струны обычно изготавливаются путем намотки круглого провода сначала на круглый или шестигранный сердечник, затем полировки, шлифования (отсюда и название, шлифованная намотка ) или прессования внешней части обмотки до тех пор, пока она не станет практически плоской. Это приводит к более плоскому и комфортному ощущению игры с плоскими ранами, а также к меньшему скрипу и яркости, как правило, между круглыми и плоскими ранами. В процессе полировки удаляется почти половина массы обмоточного провода; поэтому, чтобы компенсировать это, производители используют обмоточную проволоку более тяжелого сечения. Из-за дополнительного производственного процесса они обычно дороже, чем изделия с круглой обмоткой, но дешевле, чем изделия с плоской обмоткой.
Существует два типа или формы сердцевинной проволоки, обычно используемой в намотанных струнах.
Струны Hexcore состоят из шестиугольной проволоки и плотной (обычно круглой) обмотки. Конструкция струн с шестигранным сердечником предотвращает скольжение обмотки вокруг сердечника, что может произойти со струнами с круглым сердечником. Это может улучшить стабильность и гибкость настройки и уменьшить поломку струны по сравнению со струнами с круглым сердечником. [5]
Струны с круглым сердечником состоят из обычного круглого сердечника и плотной (обычно круглой) обмотки. Круглый сердечник является традиционным «винтажным» способом изготовления и обеспечивает больший контакт между обмоткой и сердечником струны.
Струны смычковых инструментов, например, скрипки или виолончели, обычно характеризуются натяжением, а не калибром. Струны ладовых инструментов (гитары, банджо и т. д.) обычно характеризуются 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 накладке грифа . Инструменту с ладами , на котором установлены струны разного калибра, может потребоваться регулировка высоты струны над ладами (« действие »), чтобы сохранить легкость игры или предотвратить жужжание струн по ладам. Высота действия безладовых инструментов также регулируется в соответствии с толщиной или материалом струн, а также предполагаемым стилем игры.
Стальные струны для шестиструнной гитары обычно поставляются в наборах одинаковых струн. Наборы обычно обозначаются либо калибром первой струны (например, 9), либо парой первой и последней струны (например, 9–42); измерения в тысячах дюймов являются стандартом де-факто , независимо от того, используются ли в стране имперские единицы . У некоторых производителей последовательность датчиков может немного отличаться; приведенные ниже примеры данных взяты из таблиц струн D'Addario для обычных никелированных струн с круглой намоткой.
В следующей таблице указаны размеры в дюймах: ( Примечание: струны в темно-серых коробках намотаны. Все остальные — простые. )
В следующей таблице указаны размеры в миллиметрах:
Толщина струн зависит от личных предпочтений музыканта, но струны акустических гитар обычно имеют более толстый калибр, чем электрогитары. Необходимость проецирования из-за отсутствия усиления является одной из основных причин этого. [6] ( Примечание: струны в темно-серых коробках намотаны бронзой. Все остальные — гладкие. Они предназначены для гитар со стальными струнами, а не для классических нейлоновых/кишечных струн. Размеры указаны в дюймах. )
Струны для бас-гитары иногда изготавливаются для определенной длины мензуры и бывают короткими, средними, длинными и сверхдлинными (иногда называемыми сверхдлинными). Почти все струны бас-гитары намотаны. Типичные струны для бас-гитары бывают следующих размеров:
Начиная с 20-го века, с появлением струн со стальным и синтетическим сердечником, большинство производителей струн для смычковых инструментов продают свои струны по натяжению, а не по диаметру. Обычно они изготавливают наборы струн с тремя уровнями натяжения: тяжелым , средним и легким (немецкий Stark , Mittel и Weich ). Эти уровни натяжения не стандартизированы между производителями и не соответствуют конкретным диаметрам. Средние струны одной марки могут иметь совсем другое натяжение, чем струны другой марки. Судя по имеющимся историческим данным, жильные струны продавались аналогичным образом до 1900 года.
С другой стороны, современные струны с жильным сердечником и металлической обмоткой обычно продаются либо без калибра для менее дорогих брендов, либо определенного калибра. Компания Gustav Pirazzi в Германии представила счетчик Пирацци (PM) в начале 20 века. Один ПМ равен 0,05 мм. Например, струна калибра 14 1/2 PM имеет диаметр 0,725 мм. Pirazzi (теперь известная как Pirastro) продолжает продавать струны премиум-класса с внутренним сердечником брендов Oliv, Eudoxa и Passione калибра PM. Каждая струна доступна в 5 или более дискретных калибрах. Производители традиционных струн с гладкой жилой, часто используемых в исторически обоснованном исполнении, продают свою продукцию по легкому/среднему/тяжелому, по PM, по миллиметрам или по какой-либо их комбинации.
Сталь составляет основу большинства металлических струн. В некоторых клавишных инструментах (например, клавесинах) и гэльской арфе используется медь. Для изготовления сердечников струн также используются другие натуральные материалы, такие как шелк или кишка , или синтетические материалы, такие как нейлон и кевлар . (Сталь, используемая для изготовления струн, называемая музыкальной проволокой , закалена и закалена.) Некоторые струны E для скрипки позолочены для улучшения качества звука.
Стальные или металлические струны стали основой струн для электрогитары и баса. У них приятный яркий звук по сравнению с гитарами с нейлоновыми струнами. Их металлический состав сильно различается, иногда в качестве покрытия используется множество различных сплавов. Большая часть истории металлических струн возникла благодаря инновациям в области фортепиано. Фактически, первые металлические струны с намоткой использовались в фортепиано. 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 высокого натяжения стальных струн гитары со стальными струнами более прочны, чем «классические» гитары, в которых используются синтетические струны. Большинство исполнителей джаза и фолка предпочитают струны со стальным сердечником из-за их более быстрого отклика, низкой стоимости и стабильности настройки. [7]
Нейлоновая струна, [8] традиционно используемая для классической музыки , имеет более мягкий тон, и ее отзывчивость обычно подходит для фолка, но она также используется в других музыкальных стилях (например, Уилли Нельсон играет на гитаре с нейлоновыми струнами). ). Нейлоновые струны изготовлены из более мягкого и менее плотного материала и испытывают меньшее натяжение, чем стальные струны (примерно на 50 % меньше). Это означает, что их можно использовать на старых гитарах, которые не выдерживают натяжения современных стальных струн.
Нейлоновые струны не работают с магнитными звукоснимателями , для которых требуются железные струны, которые могут взаимодействовать с магнитным полем звукоснимателей для создания сигнала.
В настоящее время многожильный нейлон является одним из самых популярных материалов для изготовления сердечников струн скрипки, альта, виолончели и контрабаса. Он часто продается под торговой маркой Перлон . Нейлоновые гитарные струны были впервые разработаны Альбертом Августином Стрингсом в 1947 году. [9]
Кишка или кишка овец, крупного рогатого скота и других животных (иногда называемая кетгутом , хотя кошки никогда не использовались в качестве источника этого материала) является одним из первых материалов, используемых для изготовления музыкальных струн. [10] Фактически, древнегреческое слово «хорд», обозначающее струну, имеет первоначальное значение «кишка».
Кишечник животных состоит в основном из эластомеров , что делает его очень гибким. Но они также чрезвычайно гигроскопичны, что делает их подверженными колебаниям высоты звука в результате изменения влажности. Воздействие влаги от пота рук музыканта может привести к тому, что простые (размотанные) жильные струны изнашиваются и в конечном итоге ломаются. Это не такая уж большая проблема с намотанными струнами из кишок, у которых жилка, защищенная от контакта с потом металлической обмоткой (и подслоем, если таковой имеется), служит гораздо дольше. Тем не менее, поскольку такая жилка кишечника стареет и постоянно реагирует на циклические изменения температуры и влажности, ядро становится слабым и хрупким и в конечном итоге ломается. Более того, все струны могут расстроиться из-за изменений влажности воздуха .
Однако даже после появления металлических и синтетических материалов основы многие музыканты по-прежнему предпочитают использовать жильные струны, полагая, что они обеспечивают превосходное звучание. Исполнители, связанные с историческим исполнительским движением, используют намотанные и размотанные жильные струны, пытаясь воссоздать звучание музыки периодов классики, барокко и ренессанса так, как слушатели слышали бы ее во время сочинения.
Для исполнителей на щипковых инструментах струны Nylgut являются недавно разработанной альтернативой жильным струнам. Они изготовлены из специального нейлона и имеют те же акустические свойства, что и жильные струны, без проблем с настройкой.
Струны из фторполимера доступны для классической гитары, арфы и гавайской гитары. Эти струны обычно продаются под такими названиями, как «фторуглерод» , «углеродное волокно » или «углерод» , что неверно с научной точки зрения.
Так называемый карбоновый материал имеет более высокую плотность , чем нейлон, поэтому нейлоновую струну можно заменить карбоновой струной меньшего диаметра. Это повышает точность воспроизведения нот более высоких ладов, а в результате вибрационные характеристики приводят к более яркому звуку с улучшенными гармониками . В частности, классические гитаристы , которым кажется, что нейлоновая струна G звучит слишком скучно, могут использовать струны, в состав которых входит карбоновая струна G. [11]
Также использовались другие полимеры, включая полиэфирэфиркетон и полибутилентерефталат . [12] [13]
Шелк широко использовался в Китае для изготовления традиционных китайских музыкальных инструментов, пока в 1950-х годах его не заменили металлические и нейлоновые струны. До сих пор производятся только чисто шелковые струны, используемые для гуциня , в то время как некоторые шелковые струны с серебряной намоткой все еще доступны для классических гитар и гавайских гитар. Качество в древние времена было настолько высоким, что одну марку хвалили как «ледяные струны» за их гладкость и полупрозрачный вид. [14]
Алюминий , серебро и хромированная сталь являются обычными обмотками для смычковых инструментов, таких как скрипка и альт, тогда как струны акустической гитары обычно наматываются бронзой, а струны фортепиано обычно наматываются медью . Чтобы противостоять коррозии, вызываемой потом, алюминий можно использовать в качестве стойкого сплава, такого как гидроналий . Струны классической гитары обычно изготавливаются из нейлона, а у бас-гитары наматываются либо серебром, либо бронзой. Струны электрогитары обычно наматываются из никелированной стали; также используются чистый никель и нержавеющая сталь. Струны бас-гитары чаще всего наматываются из нержавеющей стали или никеля . Для изготовления некоторых инструментов используются медь , золото , серебро и вольфрам . Серебро и золото стоят дороже и используются из-за их устойчивости к коррозии и гипоаллергенности .
В некоторых «исторически обоснованных» струнах используется открытая металлическая обмотка, имеющая вид « парикмахерской палки ». Эта практика улучшает акустические характеристики струн из толстой кишки за счет увеличения массы и утончения струны для ее натяжения. Образцы таких струн с открытой намоткой известны с начала 18 века, в коллекции артефактов Антонио Страдивари . Гитарные струны «Шелк и сталь» представляют собой навитые стальные струны с шелковыми нитями под намоткой.
Фосфорная бронза была представлена Д'Аддарио в начале 1970-х годов. Говорят, что фосфористая бронза сохраняет свое «новое» звучание дольше, чем другие струны. В бронзовую смесь добавляют небольшое количество фосфора и цинка. Это делает фосфористую бронзу немного более устойчивой к коррозии, чем бронза 80/20.
Бронзовые струны 80/20 состоят на 80 процентов из меди и на 20 процентов из цинка. [15] Цинк также придает ему более яркий тон, дополнительную твердость и замедляет процесс старения. Благодаря дополнительному покрытию струн они сохраняются еще лучше. Однако, если часть покрытия нанесена некачественно, струны могут потерять свой тон всего за несколько часов, а если оставить их в условиях высокой влажности, они могут стать зеленоватыми из-за меди и со временем подвергнуться коррозии. Название «Бронза 80/20» является неправильным, поскольку бронза по определению представляет собой сплав меди и олова . Струны «бронзы 80/20» правильнее было бы называть латунными . [16]
Некоторые акустические музыканты используют струны, намотанные из никелированной стали, предназначенные для электрогитары. Свойства никелированных струн делают их хорошим выбором для гитар с плоской декой и магнитными звукоснимателями, установленными в звуковом отверстии.
[17] Все металлические струны подвержены окислению и коррозии . Для намотки струн с намоткой обычно используются такие металлы, как латунь или бронза . Эти два металла очень уязвимы к коррозии. Сальная железа на коже игрока вырабатывает масла, которые могут быть кислыми. Масла, соли и влага с пальцев игрока являются крупнейшим источником коррозии. Состав масла и кислорода воздуха также способствует окислению и коррозии струн. В стальных струнах кислород вступает в реакцию с железом в стали, вызывая ржавчину. В результате струна со временем теряет свой блеск. [18] [19] Вода, еще один побочный продукт окисления, увеличивает вероятность кислотной коррозии масел. Намотанные струны, например, бронзовые акустические струны, очень трудно сохранить свежее звучание из-за отсутствия коррозионной стойкости. Чтобы решить проблему коррозии, струны либо покрывают металлом, либо полимером. Утверждается, что полимерное покрытие уменьшает скрип пальцев и износ ладов, а также улучшает возможности настройки. 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 и помогают замедлить процесс окисления.
Некоторые распространенные типы металлического покрытия струн включают олово, никель, золото и серебро. Некоторые металлы, такие как золото и серебро, придают струнам другое звучание. Среди струн, покрытых полимером ( политетрафторэтиленом) наиболее часто используется тефлон . Тефлон устойчив ко многим агрессивным агентам, таким как хлор, уксусная кислота, серная кислота и соляная кислота . На микроскопическом уровне тефлон имеет очень плотно упакованные полимерные цепочки, и эти плотно упакованные цепочки создают скользкую поверхность, которая не только помогает предотвратить попадание масла из рук музыканта на струны, но и делает их гладкими при игре. [20] Этилен-тетрафтортилен (ETFE) — еще один полимер, который иногда используется для покрытия струн. Он устойчив к истиранию и порезам и по многим характеристикам аналогичен тефлону. [21]
Некоторые музыканты кипятят гитарные или басовые струны, чтобы омолодить их. Высокая температура кипящей воды помогает освободить руки игрока от масла, соли и грязи. При игре на струне очень мелкая металлическая стружка от износа ладов может оторваться и застрять между витками струн. Нагревание струн может расширить эти частицы и отделить их от обмоток. Некоторые музыканты используют деионизированную воду для кипячения струн, полагая, что минеральные отложения в водопроводной воде могут способствовать коррозии сердечника струны. После кипячения струны могут иметь меньшую эластичность и стать более хрупкими, в зависимости от качества используемых сплавов. Также известно, что веревки можно мыть в посудомоечной машине. [22]
Струна колеблется по сложной гармонической схеме. Каждый раз, когда игрок приводит струну в движение, определенный набор частот резонирует в зависимости от гармонического ряда . Основная частота является самой низкой и определяется плотностью , длиной и натяжением струны . Это частота, которую мы определяем как высоту звука струны. Выше этой частоты слышны обертоны (или гармоники), причем каждый из них становится тем тише, чем выше он находится. Например, если основная высота звука составляет 440 Гц ( A выше среднего C ), то обертоны идеальной струны, настроенной на эту высоту, будут 880 Гц, 1320 Гц, 1760 Гц, 2200 Гц и т. д. Названия нот для этой высоты будут такими: 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 основному тону. Это важное соображение для настройщиков фортепиано , которые пытаются растянуть настройку по всему фортепиано, чтобы сохранить более мелодию обертонов по мере их продвижения по клавиатуре.
В явлении, называемом симпатической вибрацией , струна как будто колеблется сама по себе. Это происходит, когда звуковые волны ударяют по струне на частоте , близкой к основной высоте струны или одному из ее обертонов . Струна соединена с подобной звуковой волной через воздух, который улавливает колебания звуковых волн той же частоты и, в свою очередь, заставляет струну вибрировать самостоятельно. Когда внешний источник применяет вынужденную вибрацию, соответствующую собственной частоте струны, струна вибрирует. [23]
Резонанс может вызвать звуковую обратную связь . Например, в установке с акустической гитарой и акустической системой динамик вибрирует с той же собственной частотой, что и струна на гитаре, и может привести ее в вибрационное движение. Звуковая обратная связь часто рассматривается как нежелательное явление для акустической гитары , подключенной к акустической системе , поскольку она вызывает громкий воющий звук. Однако некоторые гитаристы, играющие на электрогитаре в стиле хэви-метал и психоделического рока , намеренно создают обратную связь, держа электрогитару рядом с мощным и громким динамиком гитарного усилителя , при этом искажения становятся громче, создавая уникальные высокие, продолжительные звуки. Джими Хендрикс и Брайан Мэй были известными любителями обратной связи на электрогитаре.
Для типичной нейлоновой струны с высоким содержанием энергии максимальная поперечная сила примерно в 40 раз превышает максимальную амплитуду продольной силы. Однако продольная сила увеличивается пропорционально квадрату амплитуды импульса, поэтому различия уменьшаются с увеличением амплитуды. Модуль упругости (модуль Юнга) стали примерно в 40 раз больше, чем нейлона, а натяжение струны примерно на 50 % больше, поэтому амплитуды продольной и поперечной сил почти равны. [24]
Настройка струнного инструмента, такого как гитара, на высоту звука подвергает струны большой нагрузке, что указывает на величину напряжения внутри струны. Напряжение зависит от растяжения или удлинения струн. Поскольку струна настроена на более высокий тон, она становится длиннее и тоньше. Инструмент может расстроиться, потому что, если он был растянут сверх предела упругости, он не восстановит исходное натяжение. На кривой зависимости напряжения от деформации существует линейная область, где напряжение и деформация связаны, называемая модулем Юнга . Новый набор струн часто будет находиться в области кривой зависимости напряжения от деформации за пределами модуля Юнга, называемой пластической областью. В пластической области возникает пластическая деформация — деформация, от которой материал не может восстановиться. Таким образом, в пластической области зависимость не является линейной (модуль Юнга уже не является константой). Упругая область — это место, где происходит упругая деформация или деформация, из которой струна может восстановиться. Линейная (то есть эластичная) область — это то место, где музыканты хотят играть на своем инструменте. [25]
