Кіріспе

Пианиноның дыбысына әсер ететін физикалық қасиеттер жиынтығы – пианино акустикасы. Бұл – музыкалық акустиканың зерттеу саласы.

Жіптің ұзындығы, массасы және кернеуі

Пианиноның ішектері диаметрі бойынша әр түрлі, демек, ұзындығына шаққандағы массасы да әр түрлі, төменгі ішектері жоғарғыларынан жуан. Типик диапазон – ең төменгі бас ішектері үшін , ішек өлшемі 13, ең жоғары тіршілік ішектері үшін. Ішектердің қалыңдығындағы осы айырмашылықтар, ішектердің жақсы түсінілген акустикалық қасиеттерінен туындайды. Егер екі ішек бірдей тартылып, салмағы бірдей болса, біреуі екіншісінен екі есе ұзын болса, ұзын ішек қысқа ішекке қарағанда бір октава төмен дірілдейді. Дегенмен, егер осы принципті пианиноны жобалау үшін қолдансақ, яғни ең жоғары ноталардан бастап, әр төменгі октава үшін ішектердің ұзындығын қайта-қайта екі есеге арттырсақ, бас ішектерін кез келген ақылға қонымды өлшемдегі каркасқа орналастыру мүмкін болмас еді. Сонымен қатар, ішектер дірілдегенде, дірілдің ені ішек ұзындығымен байланысты; осындай гипотетикалық өте ұзын пианинода, ойнағанда ең төменгі ішектер бір-біріне тиіп кетер еді. Оның орнына, пианино жасаушылар ауыр ішектің бірдей ұзындығы мен кернеулі жеңіл ішекке қарағанда баяу дірілдейтінін пайдаланады; осылайша, пианинодағы бас ішектері «әр октавамен екі еселеу» ережесі болжағаннан қысқа және қалғандарына қарағанда әлдеқайда жуан. Биіктікке ұзындығынан, тығыздығынан және массасынан басқа әсер ететін тағы бір фактор – кернеу. Концерттік рояльдегі жеке ішектің кернеуі орташа , ал олардың жиынтық кернеуі әрқайсысынан асып түсуі мүмкін.

Арманониясыздық және фортепианоның өлшемі

Кез келген дірілдемелі нәрсе негізгі дыбыс биіктігінен жоғары бірнеше жиілікте дірілдер тудырады. Бұлар қосымша дыбыстар деп аталады. Егер қосымша дыбыстар негізгі жиіліктің толық еселіктері болса (мысалы, 2 есе, 3 есе, 6 есе), онда серпімділіктерді ескермегенде, дірілдеме кезеңді болады, яғни ол үнемі бірдей түрде дірілдейді. Көптеген адамдар кезеңді дірілдемелердің дыбысын ұнатады; осы себепті көптеген музыкалық аспаптар, соның ішінде фортепианолар, кезеңді дірілдемелерді шығару үшін, яғни негізгі дыбыстың гармоникаларына мүмкіндігінше жақын дыбыстарды жасау үшін құрылған. Идеалды дірілдемелі жіпте, созылған жіптегі толқын ұзындығы жіптің қалыңдығынан әлдеқайда үлкен болғанда (теориялық идеал – қалыңдығы және иілуге қарсы тұруы нөлге тең жіп), жіптегі толқын жылдамдығы тұрақты болады және қосымша дыбыстар гармоникалар болып табылады. Сондықтан көптеген аспаптар жұқа жіптерден немесе жұқа ауа бағаналарынан жасалады. Дегенмен, қысқа толқын ұзындығы бар жоғары қосымша дыбыстар үшін, олар жіптің диаметріне жақын, жіп қалың металл таған сияқты әрекет етеді: оның иілуге қарсы механикалық кедергісі кернеуге қосымша күш болады, бұл қосымша дыбыстың биіктігін көтереді. Тек иілу күші жіптің кернеуінен әлдеқайда аз болған жағдайда ғана оның толқын жылдамдығы (және гармония ретінде дыбыс шығарылған қосымша дыбыстар) өзгермейді. Жиілігі жоғары қосымша дыбыстар (гармониядан жоғары), «жартылай дыбыстар» деп аталады, және гармониясыздық деп аталатын жағымсыз әсерді тудыруы мүмкін. Гармониясыздықты азайтудың негізгі стратегиялары: жіптің қалыңдығын азайту немесе оның ұзындығын арттыру, төмен иілу күші бар иілгіш материалды таңдау және кернеу күшін иілу күшінен әлдеқайда үлкен болуы үшін арттыру. Жіпті орау жіптің қалыңдығын тиімді түрде азайтуға мүмкіндік береді. Оралған жіпте тек ішкі өзек ғана иілуге қарсы тұрады, ал орамдар жіптің сызықтық тығыздығын арттыру үшін ғана қызмет етеді. Ішкі өзек қалыңдығы оның беріктігімен және кернеуімен шектеледі; мықты материалдар жоғары кернеуде жіңішке өзектерді жасауға мүмкіндік береді, бұл гармониясыздықты азайтады. Сондықтан фортепиано жасаушылар жоғары сапалы болаттан жасалған жіптерді таңдайды, өйткені оның беріктігі мен төзімділігі жіп диаметрін азайтуға көмектеседі. Егер жіп диаметрі, кернеу, салмақ, біркелкілік және ұзындығы ғана факторлар болса, барлық фортепианолар кішкентай, спинет өлшемді аспаптар болар еді. Алайда фортепиано жасаушылар ұзын жіптердің аспаптың қуатын, гармониясын және дыбыстың ұзақтығын арттыратынын және дұрыс күйде дыбыс шығаруға көмектесетінін анықтаған. Ұзын жіптер бар үлкен фортепианолар қажетті ұзын толқын ұзындығына және дыбыстық сипаттамаларға қол жеткізеді. Дизайнерлер фортепианоның корпусына мүмкіндігінше ұзын жіптерді орнатуға тырысады; сонымен қатар, басқа барлық факторлар бірдей болса, ақылды сатып алушы бюджеті мен кеңістігіне сәйкес келетін ең үлкен аспапты алуға тырысады. Гармониясыздық фортепианоның ортасынан алысқан сайын үнемі артады және аспаптың жалпы диапазонының практикалық шектерінің бірі болып табылады. Ең төменгі, ең ұзын жіптер фортепианоның өлшемімен шектеледі. Қысқа фортепианоны жасаушы масса тығыздығын арттыру үшін қалың жіптерді қолдануға мәжбүр болады, сондықтан ол үлкен гармониясыздықты қабылдауға мәжбүр болады. Ең жоғары жіптер ең үлкен кернеуде болуы керек, сонымен қатар массасы аз болуы үшін жеткілікті жұқа болуы керек. Болаттың шектеулі беріктігі (яғни тым жұқа жіп кернеу кезінде жыртылады) фортепиано дизайнерін өте қысқа және сәл қалың жіптерді қолдануға мәжбүр етеді, олардың қысқа толқын ұзындығы осылайша гармониясыздықты тудырады. Фортепианоның табиғи гармониясыздығын күйлеуші фортепианоның дыбысын сәл өзгерту үшін пайдаланады. Күйлеуші ноталарды созады, жоғары ноталарды сәл көтереді және төмен ноталарды төмендетеді, төмен ноталардың қосымша дыбыстарын жоғары ноталардың негізгі дыбыстарымен бірдей жиілікке ие етеді. Сондай-ақ қараңыз: Фортепиано жіптері, Фортепианоны күйлеу, Психоакустика.

Рельсбек қисығы

Railsback қисығы, алғаш рет О. Л. Railsback өлшеген, гармониясыздық ескерілетін созылған фортепианоның настройкасы мен теориялық тұрғыдан дұрыс, тең темпераментті настройка арасындағы айырмашылықты көрсетеді. Тең темпераменттегі жақын ноталардың жиіліктері тұрақты қатынаста болады, бұл қатынас екінің он екінші тамырына тең. Фортепианодағы кез келген нота үшін, оның қалыпты биіктігі мен тең темпераменттік биіктігі арасындағы айырмашылық центтермен (жарым тонның жүзден бір бөлігі) өлшендіріледі. Railsback қисығы көрсеткендей, жақсы настройкаланған фортепианода октавалар көбінесе созылады. Яғни, жоғары ноталар математикалық түрде дұрыс тең темпераментті шкаладан жоғары, ал төмен ноталар төмендеу реттеледі. Railsback пианиноның осылай настройкалану себебінің, дәлдік жетіспеушілігі емес, сымдардағы гармониясыздық екенін анықтады. Идеалды жағдайда, нотаның жоғарғы гармониялық қатары нотаның негізгі жиілігінің толық еселігінен тұрады. Бірақ іс жүзінде, фортепиано сымдарындағы гармониясыздық жоғарғы гармонияларды олардың "керекті" деңгейінен жоғарырақ етеді.

Иілгіштің пішіні

Сызықтың гармониясыздығы негізінен серіктіктен туындайды. Бұл серіктік – пианино сымдарының ішкі қаттылығы мен созылғыштығы, сонымен қатар сымның тартылу күші, қалыңдығы және ұзындығының нәтижесі. Тюнерлер сымның тартылуын реттегенде, олар бұрыннан күйленген ноталарға қатысты жаңа биіктіктерді белгілейді. Бұрын күйленген ноталардың гармониясыздықтан көтерілген обертондықтары жаңа орнатылған биіктікті осы көтерілген обертонға сәйкес етуге мәжбүр етеді. Күйлендіру гамма бойынша жоғары және төмен қарай ілгерілеген сайын, гармониясыздық, демек, созылу жинақталады. Көптеме қате түсінік бар, яғни Railsback қисығы фортепианоның ортаңғы бөлігі жоғарғы және төменгі бөліктерге қарағанда аз гармониясыз екенін көрсетеді. Бірақ бұл тек солай көрінеді, себебі күйлендіру осы бөліктен басталады. "Созылу" – салыстырмалы ұғым: анықтамасы бойынша, күйлендіру қандай биіктіктен басталса да, созылу болуы мүмкін емес. Сонымен қатар, фортепианоның жоғарғы ноталары ерекше гармониясыз деп жиі есептеледі, өйткені олар күрт созылғандай көрінеді. Шындығында, олардың созылуы фортепианоның ортаңғы бөлігіндегі сымдардың гармониясыздығын көрсетеді. Атап айтқанда, жоғарғы ноталардың гармониясыздығы күйлендіруге ешқандай әсер етпейді, өйткені олардың жоғарғы обертондықтары адам есту қабілетінің шегінен тыс. Күткендей, нақты күйлендіру графигі тегіс қисық емес, биік және төмен нүктелері бар тігірулі сызық болып келеді. Бұл дәл емес күйлендірудің, қате өлшеудің немесе фортепианоның сымдар масштабындағы туа біткен өзгергіштігінің салдары болуы мүмкін. Монте-Карло симуляциясы бойынша, мұндай пішін адамдардың биіктік аралықтарын қабылдау тәсілінен де туындауы мүмкін.

Көпті жолдар

Пианиноның ең төменгі ноталарынан басқа барлық ноталар бірдей жиілікке келтірілген бірнеше ішектерден тұрады. Екі ішекті ноталар бихорд, ал үш ішекті ноталар трихорд деп аталады. Бұл пианиноға шабуыл кезінде күшті дыбыс пен жылдам өшуге, бірақ шабуыл-өшу-ұзақтық-тоқтату (ADSR) жүйесінде ұзаққа созылатын дыбысқа мүмкіндік береді. Трихордтар үш қалыпты режимді (әрқайсысы екі поляризациялы) құрайтын байланысты осциллятор жасайды. Ішектердің байланысы нашар болғандықтан, қалыпты режимдердің жиіліктері өте аз айырмашылыққа ие. Бірақ олар өзінің дірілдеу энергиясын дыбыс тақтасына әртүрлі жылдамдықпен жеткізеді. Үш ішектің бірдей дірілдеуі энергияны жеткізуде ең тиімді, себебі барлық үш ішек бір уақытта бір бағытта тартылады. Бұл күшті дыбыс тудырады, бірақ ол тез өшеді. Осы қалыпты режим нотаның жылдам "Шабуыл" бөлігіне жауапты. Қалған екі қалыпты режимде ішектердің барлығы бірдей тартылмайды, мысалы, біреуі жоғары, ал қалған екеуі төмен тартылады. Бұл дыбыс тақтасына энергияның баяу берілуіне алып келіп, жұмсақ, бірақ тұрақты дыбыс тудырады.