Резонанс в музыкальной акустике и живой природе

Размещено на http://www.allbest.ru/

Резонанс в музыкальной акустике и живой природе

1. Музыкальные инструменты как резонаторы

Резонанс используется главным образом для усиления звучания и формирования нужного тембра.

Духовые музыкальные инструменты являются... резонаторами, снабжаемыми... приспособлениями для изменения их резонирующей способности, по желанию играющего на них музыканта.

Музыкальные инструменты различных народов и эпох ярко демонстрируют нам важнейшую роль резонаторов как усилителей звука. Эолова арфа, изобретение которой приписывается монаху-иезуиту Атанасиусу Кирхеру (1601-1680), обладавшая нежным, но весьма слабым звуком, получила пропуск на сцены музыкальных театров, лишь приобретя резонатор. Впрочем, прототипом современной арфы, вероятно, можно считать и более древние струнные инструменты с резонансными полостями и деками. музыкальный резонатор духовой тон

Наиболее яркой аналогией голосовому аппарату певца служат духовые музыкальные инструменты: органы - медные и деревянные. Знакомство с механизмами их звукообразования нам весьма важно для понимания роли резонаторов и в певческом процессе. Поскольку описание музыкальных инструментов можно найти в распространенных учебниках по музыкальной акустике, в частности, в замечательной книге под редакцией Н.А. Гарбузова «Музыкальная акустика», я обращаю внимание читателей лишь на некоторые особо важные для нас свойства музыкальных инструментов.

Во-первых, все духовые инструменты, их корпуса - это и есть прежде всего резонаторы, звуковысотными свойствами которых управляет музыкант путем либо изменения длины резонатора (медные, тростиевые), либо выбора той или иной звучащей трубы-резонатора, как в органах.

Во-вторых, возбудитель тона в духовых, как в язычковом органе, или в медных трубах (губы трубача) и, тем более, в деревянных (гобой, фагот), находится в сильной зависимости от корпуса-резонатора данного инструмента. Так, в гобое и фаготе язычок-возбудитель сам по себе может издавать практически лишь один высокий тон. Однако под действием резонатора инструмента (настраиваемого музыкантом на разные тоны в процессе игры путем изменения его длины нажатием клавиш) язычок издает разные тоны, высота которых продиктована резонатором-инструментом.

Это очень важное свидетельство сильнейших обратных влияний резонатора на колебания вибратора, что несомненно имеет место в определенной мере и в голосовом аппарате человека (см. § 3.5.).

«Командная роль» резонатора как генератора музыкального тона ярко проявляется в лабиальных органных трубах. Как известно, возбудителем трубы-резонатора является шум, образующийся в результате рассечения струи воздуха щелью (лабиумом), т.е. звук (шум), не имеющий ничего общего с музыкальным. Тем не менее, труба-резонатор органа «конструирует» из этого абсолютно негармоничного шума прекрасно звучащий музыкальный тон, соответствующий по длине волны удвоенной длине органной трубы (для открытых труб) и учетверенной (для закрытых).

Таким образом, органная труба с полным основанием может быть названа не только резонатором, но и генератором звука и его источником, ибо не назовешь же музыкальным тоном шум воздушной струи, рассекаемой лабиальной щелью. Шум этот не более, чем возбудитель истинного источника и генератора музыкального тона, которым является органная труба-резонатор. Это еще одно замечательное свойство органных труб-резонаторов, которое позволяет нам провести определенные аналогии их с ролью надставной трубы (т.е. верхних резонаторов) голосового аппаратапевца, образующих в функциональной взаимосвязи с голосовыми связками (а также и с нижним резонатором!) единый генератор певческого звука.

Длина волны, генерируемая открытой органной трубой, теоретически равная удвоенной длине трубы, на самом деле оказывается несколько длиннее этой величины. Удлинение ее вызвано тем, что, выходя из открытого конца трубы, резонирующая звуковая волна встречает слабое сопротивление окружающего воздуха (импеданс) и поэтому как бы выпячивается из выходного отверстия трубы наружу на величину около 5-10%. При этом, чем больше диаметр трубы, тем больше удлиняется волна. Но удлинение волны означает понижение звука. Поэтому длина органных труб и других духовых всегда несколько короче теоретически вычисленной для каждого инструмента. Различные музыкальные мастера на основе своего опыта делали поправки к длине резонаторов инструментов. Так, известный французский органный мастер Кавайе-Колль (Cawaille-Coll) дал такую формулу для открытых цилиндрических труб-резонаторов:

L= L_o -1,67D

где L - фактическая длина трубы; L_o - длина полуволны издаваемого ею звука ; D - диаметр трубы.

Я привожу эти данные, чтобы пояснить, что голосовой аппарат певца как «духовой музыкальный инструмент» (такая аналогия признается всеми исследователями) также подчиняется данной закономерности и ее необходимо учитывать даже при весьма приблизительных расчетах длины волны низкой певческой форманты (см. § 3.2.2.), а также при объяснении некоторых специфических певческих ощущений (см. гл. 5).

Корпуса-резонаторы духовых музыкальных инструментов помимо того, что они командуют звуковысотным строем каждого инструмента, придают им и специфические тембры за счет генерирования обертонов разной частоты и амплитуды.

В струнных музыкальных инструментах роль резонаторов как усилителей звука и генераторов тембра также весьма велика, но не распространяется на звуковысотные свойства инструментов, которыми целиком заведуют струны. Высота тона (Fo), издаваемого струной, пропорциональна ее натяжению и жесткости (Т) и обратно пропорциональна длине (L) и толщине, т.е. колеблющейся массе (М)¹.

Именно поэтому струны рояля (гитары, арфы и др.) для низких звуков более длинные и толстые, а для высоких звуков - тонкие, короткие и сильней натянуты.

Корпуса струнных, в отличие от духовых, усиливающих определенные тоны, являются множественными резонаторами, усиливающими звуки всего звуковысотного диапазона, свойственного каждому, например смычковому инструменту (скрипка, альт, виолончель, контрабас и др.), с характерным преимущественным усилением тонов, специфических для тембра каждого типа инструмента: для скрипки - si-do¹, для альтов - 1а, для виолончели Fa-Sol.

Струя воздуха через канал Л и камеру В под давлением вытекает через узкую щель С и при этом рассекается острым краем губы Д образуя шум, из которого труба-резонатор формирует чистый тон. Высота тона зависит от длины трубы: открытая труба дает звук, длина волны которого в два раза больше длины трубы, а длина волны звука закрытой трубы в четыре раза больше ее длины. У открытых частей трубы всегда создается пучность Е (максимальная амплитуда звуковых колебаний), а у закрытых - узел G (минимум амплитуды). Если в середине органной трубы проделать даже небольшое отверстие а (рис. 5, справа), то там также образуется пучность, и труба будет звучать на октаву выше. На этом основан механизм регулирования высоты звука флейты. Помимо основного тона органные трубы-резонаторы, также как и все духовые инструменты, генерируют гармонические обертоны.

Резонансные свойства корпуса смычковых зависят от его размеров (объема), толщины стенок и конструктивных особенностей (не вполне разгаданных, как у знаменитых скрипок Страдивари). Недавние исследования вибрации корпусов скрипок известных кремон-ских мастеров с помощью лазерной техники показали, что спектр их излучения имеет формантные частоты, близкие к женскому певческому голосу. Это, естественно, повышает эмоционально-эстетическое воздействие тембра данных скрипок на слушателей.

2. О голосовых резонаторах братьев наших меньших

Если в конструкции музыкальных инструментов проявляется вековой опыт человека, то в строении голосовых аппаратов животных, равно как и нашего голосового органа, - опыт природы и мудрость Создателя.

Между звуками музыкальных инструментов и голосами животных, несмотря на их очевидные различия, есть и существенное сходство: и те и другие должны быть слышны на достаточно большом расстоянии - одни со сцены для удовольствия слушателей в зале, а другие - для оповещения сородичей о весьма важных жизненных событиях. Так, песня соловья, имеет смысл призывной любовной серенады, а заодно и предупреждения соперникам, что этот участок леса уже занят для гнездования. Но о пернатых певцах попозже, а сначала о других.

Кто не слышал многоголосый хор весенних лягушек, собравшихся в болоте на свадебные церемонии?! Голоса их слышны чуть ли не за сотню метров. Подойдите незаметно, чтобы не спугнуть, присмотритесь: у квакушек по бокам рта выросли пузыри-резонаторы! И конечно же для того, чтобы солистов было слышно издалека: мало ли какая лягушка где-то далеко в соседнем болоте на концерт опаздывает.

Но что там лягушки. Даже подводные обитатели - рыбы и те умудряются использовать воздушные резонаторы! Давайте опустим в воду гидрофон (подводный микрофон) в пору икрометания горбылевых, и мы услышим... барабанный бой. Эти звуки издаются рыбами в результате ритмических мышечных сокращений их плавательного пузыря, наполненного воздухом. Барабаны, как известно, широко используются человеком в различных ритуальных музыкальных действах. Но рыбы придумали их раньше.

Ну а у крупногабаритных братьев наших резонаторы помощней. Трубный глас оленя («Всех, любовию сгорая, всех зову на смертный б-о-о-о-й!») раздается на километры в округе, усиленный мощным грудным резонатором-трахеей. Грозен бас этот для соперников и не менее сладок для олених. И те и другие спешат на зов рогатого дуэлянта...

У обезьян-ревунов (название вполне подходящее) имеются для усиления голоса огромные горловые мешки-резонаторы - по несколько литров воздуха! Это уже не просто голосовой аппарат. Это поистине «дальнобойное акустическое орудие», пробивающее многие километры лесной чащи! Такова сила резонанса, взятого на вооружение этими лесными «вокалистами».

А теперь о птицах, чьи мелодические трели милее нашим музыкальным вкусам. Недаром Н.А. Римский-Корсаков делал специально нотные записи птичьих голосов и вводил их в звучание большого симфонического оркестра. Так, в опере «Снегурочка» встречается звучание голоса кукушки, любимого композитором снегиря и других птиц. Некоторые считают, что Л. Бетховен в Пасторальной симфонии использовал мелодии пения соловья, перепела, кукушки и песню иволги. Своеобразие пения птиц трудно передать средствами инструментальной музыки. Поэтому некоторые композиторы предпочитают вводить звучание птичьих голосов в музыкальное произведение, так сказать, в натуральном виде.

Итак, птицы - виртуозные музыканты, не только вдохновляющие композиторов, но и выступающие солистами в сопровождении симфонических оркестров! В чем же тайна птичьей голосистости?

Как, очевидно, предвидит читатель, ответ однозначен: в максимальном использовании резонаторов!

Птицы обладают весьма оригинально устроенным «музыкальным инструментом». По сравнению с голосовым аппаратом человека он имеет как черты сходства, так и признаки существенных различий. Сходство в том, что оба эти голосовых аппарата принадлежат к типу духовых «музыкальных инструментов», звук в них образуется за счет движения воздуха, выдыхаемого из легких. Воздушная струя приводит в колебание упругие перепонки, которые и рождают звуковую волну. У человека такими перепонками, или вибраторами (источником звука), являются голосовые связки, расположенные в гортани. У трубача роль вибратора выполняют вибрирующие губы, особым образом вставленные в мундштук духового музыкального инструмента.

Долгое время считали, что голосовой аппарат птиц устроен так же, как и у человека. Однако оказалось, что у пернатых певцов не одна гортань, а целых две: верхняя (larings), как у всех млекопитающих, и, кроме того, нижняя (sirings). Причем главная роль в образовании звуков принадлежит как раз не верхней, а именно нижней гортани, устроенной очень сложно.

Наличие нижней гортани - это оригинальное эволюционное приобретение птиц, не встречающееся у других животных. Располагается нижняя гортань птиц в нижней части трахеи, как раз там, где трахея разветвляется на два главных бронха.

Оригинальность ее строения заключается в том, что она имеет не один вибратор, или источник звука, как у человека и всех других млекопитающих, а два или даже четыре (!) вибратора, работающих независимо друг от друга. Таким образом, голосовой аппарат птицы представляет собой как бы мини-оркестр (дуэт или квартет), при помощи которого птица и исполняет виртуозные «музыкальные произведения». Строение нижней «певческой» гортани птиц так сложно и так значительно различается у разных видов птиц, что у исследователей до сих пор нет единого мнения о механизмах ее работы.

Образование у птиц второй гортани в нижнем отделе трахеи дало возможность использовать трахею в качестве сильнейших резонаторов. У многих птиц трахея сильно разрастается, увеличиваясь в длину и в диаметре. Увеличиваются в объеме также и бронхи, в каждом из которых у многих птиц находится по независимому источнику звука (две гортани). Движениями тела и натяжением специальных мышц птица может в значительной степени изменять форму этой сложной системы резонаторов и таким образом управлять звуковысотными и тембральными свойствами своего голоса.

Ритмические характеристики звука зависят от работы верхней гортани, выступающей в роли своеобразного стоп-крана на пути звукового потока и работающей в рефлекторном содружестве с нижней гортанью.

Голосовой аппарат птиц по своим размерам занимает значительную часть тела (гортань вместе с резонаторами). Особенно это характерно для маленьких певчих птичек. Поэтому в процесс пения у них вовлекается весь организм. Понаблюдаем хотя бы за вездесущей певчей птичкой зябликом, когда он, сидя на каком-либо видном месте, исполняет свою незамысловатую демонстративную песенку с характерным росчерком в конце. Все тельце птички трясется от напряжения, шейка вытянута, маленький ротик широко раскрыт, как воронка, давая простор переполняющим его грудь звукам, слегка растопыренные крылышки и хвостик трепещут в такт издаваемым трелям. Пение целиком захватывает птицу эмоционально и физически. Разнообразие в строении голосового аппарата и способах издавания звука соответствует и разнообразию самих звуков голоса пернатых певцов. Они простираются от низких басовых криков, характерных для гусей, уток, ворон, резонаторы которых имеют большой объем, до высочайших мелодических свистов у певчих птиц из семейства воробьиных, имеющих маленькие резонаторные полости.

В начале 60-х годов в голосе птиц были обнаружены даже ультразвуковые обертоны, не воспринимаемые слухом человека (зарянка, просянка, серая славка, зеленушка и др.). Ультразвуковые обертоны голоса у певчих простираются до 50 000 колебаний в секунду. Встречаются даже некоторые виды птиц, песня которых целиком состоит из ультразвуков. Мы видим, как эта птичка широко раскрывает рот и вся напрягается, несомненно издавая звуки, но самих звуков не слышим, так как они находятся выше пределов нашей слуховой чувствительности, то есть в области ультразвуков.

Столь же недоступны для нашего слуха оказываются и темпо-ритмические возможности пения многих птиц. По мнению Грин-волта, разрешающие возможности птичьего голосового аппарата в этом отношении в 50-100 раз превышают возможности слуха человека. Таким образом, мы, люди, слышим голоса птиц совсем не так, как сами птицы, воспринимая звуковой узор, генерируемый чудо-голосовым аппаратом птицы, лишь частично.

3. Резонаторы голосового аппарата певца

Заговорив о живых резонаторах, рассмотрим кратко строение голосового аппарата человека.

Голосовой аппарат певца принято делить на три части в соответствии с особым функциональным назначением этих частей.

Гортань с голосовыми связками. Этот орган называем вибратором и возбудителем звука. Термин «голосовой источник» в свете РТИП не предпочтителен, о чем будет специальный разговор далее.

Дыхательный аппарат - общеупотребительный термин, синонимов не требует, хотя иногда называем энергетической системой, так как дыхание - изначальный поставщик энергии голосу. Включает легкие, трахею, бронхи, дыхательные мышцы, межреберные, брюшные, диафрагму, а также гладкую мускулатуру бронхов.

Резонаторы, или резонаторная система, поскольку резонаторов много и они в процессе пения объединяются (или необъединяются - это у кого как!) в единую взаимосвязанную систему, т.е. единый звучащий комплекс.

Звучащим телом в певческих резонаторах является воздух, ограниченный стенками дыхательного тракта, а не сами стенки, как иногда приходится слышать.

Другое дело, что стенки голосового тракта приходят в соколебание с резонирующим в полостях воздухом и певец ощущает эти колебания, например, в области грудной клетки (в результате резонанса трахеи) или лицевых тканей в области «маски» (резонанс в носовой полости или в гайморовых пазухах), или в области твердого нёба в «точке Морана» (резонанс в ротовой полости) и т.п. Эти ощущения безусловно можно назвать «ощущениями активности резонаторов», но помнить при этом, что резонируют (т.е. сильно увеличивают амплитуду своих колебаний) объемы воздуха в полостях-резонаторах и колебания свои передают стенкам голосового тракта. Ощущаются они певцом с помощью виброчувствительности, благодаря наличию во всех живых тканях чувствительных нервных окончаний (виброрецепторов), воспринимающих вибрацию и вызывающих специфические певческие резонансные (т.е. вибрационные) ощущения.

Классификацию певческих резонаторов по традиции производим по топографическому, а также функциональному признакам, т.е. по месту их расположения и назначению. Так, различаем верхние резонаторы - все, что выше гортани, и нижние - трахея с крупными бронхами. Верхние резонаторы нередко называют надставной трубой (слово «трубка», иногда употребляемое для столь важной части голосового тракта, звучит как-то пренебрежительно), поскольку они как бы надставлены сверху над гортанью.

Среди верхних резонаторов важнейшую роль в пении (и речи также) имеет ротовая полость, поскольку это наиболее подвижный из всех резонаторов, благодаря участию языка, челюсти, губ, сильно изменяющих объем и форму ротового резонатора, что и обеспечивает артикуляцию гласных, как певческих, так и речевых.

Важнейший резонатор - глотка, также весьма подвижная, изменчивая по объему и форме полость.

Особо важную роль в пении играет небольшая по объему надгортанная полость, образующаяся у хороших певцов путем сужения входа в гортань.

Наконец, к резонаторам относится носовая полость и так называемые придаточные пазухи носа. Это - гайморовы полости (по бокам носовой полости), основная полость, решетчатый лабиринт (в основании черепа) и лобные пазухи (в надбровных частях лобной кости). Они соединены с носовой полостью узкими проходами. Придаточные пазухи я называю резонаторами-индикаторами, поскольку их влияние на голос осуществляется опосредованно.

Функциональную роль в пении всех названных резонаторов мы подробно рассмотрим в последующих разделах.

Термин голосовые связки в настоящее время, по рекомендации анатомов, заменен термином голосовые складки. Тем не менее вокалисты продолжают пользоваться традиционным термином голосовые связки, и этот термин встречается во всех прежних научных и методических трудах по вокальному искусству, а также в высказываниях певцов и вокальных педагогов, которые приводятся в данной книге. Поэтому для избежания путаницы в употреблении этих терминов, я пользуюсь в данной работе традиционным термином - голосовые связки (да простят меня коллеги-ларингологи за это отступление от терминологической формальности). Тем более, что анатомическая структура гортани включает как голосовые складки, состоящие из мышечной ткани, так и голосовые связки, состоящие из особых эластических волокон, пролегающих по наружным краям голосовых складок. Эти эластические тяжи, играющие важнейшую роль в певческом голосообразовании, и обозначаются термином голосовые струны или голосовые связки (ligamentum vocale).

Таким образом, в гортани имеются как голосовые складки, так и голосовые связки. И звук образуется именно в результате вибрации голосовых связок (хотя, конечно, голосовые складки, также как и щито-черпаловидные мышцы и др., играют при этом важную роль). Учитывая все сказанное, у нас имеется основание употреблять и традиционный термин -голосовые связки, - подразумевая под этим голосовые связки с голосовыми складками как единый анатомо-функционалъный комплекс. Это, повторяю, позволяет избежать путаницы в терминологии, поскольку термин голосовые связки встречается в цитируемой мною литературе сотни раз и у меня нет права изменять тексты цитируемых авторов.

Размещено на Allbest.ru