Настройка фортепиано: принципы и особенности

Введение

Профессия

Настройка фортепиано — это процесс регулирования натяжения струн акустического фортепиано для точной настройки музыкальных интервалов между ними. Понятие «настроенности» в контексте настройки фортепиано – это не просто определенный фиксированный набор высот звука. Тонкая настройка фортепиано требует оценки взаимодействия колебаний между нотами, которое уникально для каждого инструмента и, следовательно, на практике требует незначительных отклонений от любого теоретического стандарта. Фортепиано обычно настраивают с использованием модифицированной системы, называемой равным темпераментом. (См. раздел «Частоты клавиш фортепиано» для теоретической настройки.) Во всех системах настройки каждая высота звука выводится из ее соотношения с выбранной опорной высотой, обычно A440 (440 Гц) – нотой ля первой октавы. В классическом фортепиано и музыкальной теории средняя до обычно обозначается как C4 (в соответствии с научной нотацией высоты звука); однако в определении стандарта MIDI эта средняя до (261,626 Гц) обозначается как C3. На практике программное обеспечение MIDI может обозначать среднюю до как C3 или C5, что может приводить к путанице, особенно у начинающих. Настройкой фортепиано занимаются различные специалисты: независимые мастера, реставраторы, технические сотрудники магазинов и любители. Профессиональное обучение и сертификация доступны в организациях и гильдиях, таких как Гильдия техников фортепиано. Многие производители фортепиано рекомендуют проводить настройку два раза в год.

Предыстория

Многие факторы приводят к расстройке фортепиано, особенно изменения атмосферных условий. Например, изменения влажности влияют на строй фортепиано: высокая влажность заставляет звуковую деку расширяться, растягивая струны и повышая строй, а низкая влажность оказывает противоположный эффект. Изменения температуры также могут влиять на общий строй фортепиано. В новых фортепиано струны постепенно растягиваются, а деревянные детали усаживаются, что приводит к понижению строя, в то время как в старых фортепиано штифты (удерживающие струны) могут ослабевать и хуже держать строй. По этим причинам многие производители фортепиано рекомендуют настраивать новые инструменты четыре раза в первый год и два раза в год в дальнейшем. Расстроенное фортепиано часто можно узнать по характерному "хонки-тонку" или эффекту биений, который оно издает. Это колебание громкости звука возникает из-за одновременного звучания двух (или более) тонов с близкими частотами. Например, если струна фортепиано, настроенная на 440 Гц (вибраций в секунду), звучит вместе со струной, настроенной на 442 Гц, результирующий тон будет иметь биения с частотой 2 Гц из-за конструктивной и деструктивной интерференции между двумя звуковыми волнами. Аналогично, если струна, настроенная на 220 Гц (с гармоническим обертоном на 440 Гц), звучит вместе со струной, настроенной на 442 Гц, будет слышно то же самое биение в 2 Гц. Поскольку в фортепиано обычно несколько струн для каждой клавиши, эти струны должны быть настроены на одну и ту же частоту, чтобы устранить биения. Высота звука определяется частотой колебаний. Для вибрирующей струны частота определяется ее длиной, массой и натяжением. Струны фортепиано обмотаны вокруг колков, которые поворачиваются для регулировки натяжения струн.

История

Настройка фортепиано стала профессией в начале 1800-х годов, с распространением "пианофорте". Ранее музыканты владели клавесинами, которые было намного проще настраивать, и обычно делали это самостоятельно. Первые настройщики обучались и работали на фабриках фортепиано, часто проходя обучение в течение 5–7 лет. Первые настройщики сталкивались с трудностями, связанными с большим разнообразием новых и постоянно меняющихся фортепиано, а также с отсутствием стандартизированных камертонов. Исторически клавишные инструменты настраивались с использованием чистой интонации, пифагорейского строя и среднетоновой системы темперации, что означало, что такие инструменты могли звучать стройно в одном или нескольких тональностях, но при этом содержать больше диссонансов в других. Развитие хорошей темперации позволило инструментам с фиксированной высотой звука достаточно хорошо звучать во всех тональностях. Знаменитый "Хорошо темперированный клавир" Иоганна Себастьяна Баха использовал это достижение, с прелюдиями и фугами, написанными во всех 24 мажорных и минорных тональностях. Однако, хотя неприятные интервалы (такие как волчий интервал) были устранены, размеры интервалов все еще не были одинаковыми в разных тональностях, и поэтому каждая тональность сохраняла свой особый характер. В течение 1800-х годов эта вариативность привела к увеличению использования квазиравномерной темперации, в которой частотное соотношение между каждой парой соседних нот на клавиатуре было почти равным, что позволяло транспонировать музыку между тональностями, не изменяя взаимосвязь между нотами. Фортепиано обычно настраиваются на стандарт A440, который был принят в начале 20-го века в ответ на широкое разнообразие существующих стандартов. Ранее стандарты высоты звука постепенно повышались с примерно A415 в конце 18-го и начале 19-го веков до A435 к концу 19-го века. Хотя A440 обычно является стандартом, некоторые оркестры, особенно в Европе, используют более высокую высоту звука, например A442.

Овертоны и гармоники

Натянутая струна может вибрировать в различных модах, или гармониках, и когда молоток фортепиано ударяет по струне, он возбуждает сразу несколько гармоник. Первая гармоника (или основная частота) обычно самая громкая и определяет воспринимаемую высоту звука. В теории, более высокие гармоники (также называемые обертонами или парциальными тонами) вибрируют на целых кратных основной частоты. (Например, струна с основной частотой 100 Гц будет иметь обертоны на 200 Гц, 300 Гц, 400 Гц и т. д.) На практике частоты обертонов незначительно повышаются из-за нелинейности, вызванной жесткостью струн. Отношение между двумя высотами звука, называемое интервалом, представляет собой отношение их абсолютных частот. Наиболее легко распознаваемые и настраиваемые интервалы – это те, у которых частоты нот имеют простое целочисленное соотношение (например, октава с соотношением 2:1, чистая квинта с соотношением 3:2 и т. д.), поскольку гармоники этих интервалов совпадают и возникают биения, когда они расстроены. (Для чистой квинты 3-я гармоника более низкой ноты совпадает со 2-й гармоникой более высокой ноты.)

Растягивайся .

Настройка, описанная выше, обеспечивает хорошее приближение равной темперации в диапазоне темпераментной октавы. Однако при дальнейшем расширении фактическая настройка инструмента становится все более неточной из-за отклонения реальных парциальных тонов от теоретических гармоник – парциальные тоны фортепиано слегка повышаются, по мере достижения все более высоких порядков гармонического ряда. Эта проблема смягчается путем "растяжения" октав при настройке выше (и в некоторой степени ниже) темпераментной области. При растяжении октав они настраиваются не на самый низкий совпадающий обертон (второй парциальный тон) ноты ниже, а на более высокий обертон (часто четвертый парциальный тон). Это равномерно расширяет все интервалы, тем самым сохраняя интервальную и тональную согласованность. Вся западная музыка, а особенно западная классическая литература, требует этого отклонения от теоретической равной темперации, поскольку музыка редко исполняется в пределах одной октавы. Пианист постоянно играет ноты, охватывающие как минимум три и четыре октавы, поэтому крайне важно, чтобы средний и верхний регистры тесситуры были растянуты или расширены для лучшего соответствия негармоничным обертонам нижних регистров. Поскольку растяжение октав воспринимается, а не измеряется, настройщик определяет, какая октава нуждается в большем или меньшем растяжении "на слух". Хорошая настройка требует компромисса между яркостью звучания, точной интонацией и пониманием градации тембра по всей тесситуре инструмента. Это изменение ширины строя называется "октавой настройщика фортепиано", в отличие от простой октавы 2:1, ожидаемой от (теоретического) гармонического осциллятора. Величина растяжения, необходимая для достижения желаемого компромисса, – это сложное определение, теоретически описываемое как функция масштабирования струн. Масштабирование струн учитывает натяжение, длину, диаметр, вес на единицу длины струны и неэластичность как в основных проводах струны, так и в любой обмотке, используемой для изменения веса провода. Обмотки обычно изготавливаются из более плотного, тяжелого, но менее "упругого" металла, чем сталь, используемая для основы. Несовершенная "упругость" в любом месте струны заставляет ее парциальные тоны отклоняться от математически чистых гармоник, и ни один реальный материал, используемый для генерации музыкальных тонов, не является идеально эластичным. Кривая Рейлсбека – это результат измерения фундаментальных частот растянутых настроек и построения графика их отклонений от нерастянутой равной темперации. В небольших фортепиано негармоничность настолько велика, что установление растяжения на основе тройной октавы приводит к заметному биению одиночных октав, а широкие, быстрые интервалы биения в верхнем регистре звучат хаотично – особенно большие септимы (две октавы + большая терция). По необходимости настройщик будет стремиться ограничить растяжение. В больших фортепиано, таких как концертные рояли, меньшая негармоничность позволяет более полно растянуть струны, не оказывая негативного влияния на близкие октавы и другие интервалы. Поэтому, хотя может быть правдой, что меньшее фортепиано получает большее растяжение относительно основной высоты звука, только октавы концертного рояля могут быть полностью расширены, чтобы тройные октавы звучали без биений. Это способствует отзывчивости, яркости и "поющему" качеству, которые предлагают концертные рояли. Преимущество растяжения октав заключается в коррекции диссонанса, который равная темперация придает совершенной квинте. Без растяжения октав медленное, почти незаметное биение квинт в темпераментной области (от чуть более одного биения каждые две секунды до примерно одного в секунду) удваивалось бы с каждой восходящей октавой. В верхней части клавиатуры теоретически (и идеально) чистая квинта билась бы более восьми раз в секунду. Современный западный слух легко переносит быстрые биения в нечистых интервалах (вторых и септимах, терциях и секстах), но не в совершенных октавах или квинтах. К счастью для пианистов, растяжение струн, которое компенсирует негармоничность на концертном рояле, также почти точно смягчает накопление диссонанса в совершенной квинте. Другие факторы, физические и психоакустические, влияют на способность настройщика достичь темперации. К физическим факторам относятся негармоничные эффекты из-за резонанса деки в басовых струнах, плохо изготовленные струны или особенности, которые могут вызывать "ложные биения" (ложные, потому что они не связаны с манипуляциями с биениями во время настройки). Основной психоакустический фактор заключается в том, что человеческий слух склонен воспринимать более высокие ноты как пониженные по сравнению с нотами в среднем регистре. Растяжение настройки для учета негармоничности струн часто недостаточно для преодоления этого явления, поэтому настройщики фортепиано могут еще больше растянуть верхнюю октаву или около того.

The tuning described by the above beating plan provides a good approximation of equal temperament across the range of the temperament octave. If extended further, however, the actual tuning of the instrument becomes increasingly inaccurate because of deviation of the real partials from the theoretical harmonics, pianos' partials run slightly sharp, as increasingly higher orders of the harmonic series are reached. This problem is mitigated by "stretching" the octaves as one tunes above (and to an extent below) the temperament region. When octaves are stretched, they are not tuned to the lowest coincidental overtone (second partial) of the note below, but instead to a higher overtone (often the 4th partial). This widens all intervals equally, thereby maintaining intervallic and tonal consistency. All western music, but western classical literature in particular, requires this deviation from the theoretical equal temperament because the music is rarely played within a single octave. A pianist constantly plays notes spread over three and four octaves, at least, so it is critical that the mid and upper range of the treble be stretched, or widened, to better match with the inharmonic overtones of lower registers. Since the stretch of octaves is perceived and not measured, the tuner determines which octave needs more or less octave stretching "by ear". Good tuning requires compromise between tonal brilliance, accurate intonation, and an awareness of gradation of timbre through the compass of the instrument. The name of this modification of the width of the scale is called the piano tuners' octave, as opposed to the simple 2:1 octave expected from a (theoretical) harmonic oscillator. The amount of stretching necessary to achieve the desired compromise is a complicated determination described theoretically as a function of string scaling. String scaling considers the string's tension, length, diameter, weight per unit length, and inelasticity in either the strings' core wires or any overwinding used to modify the wire's weight. The overwindings are normally made from a denser, heavier, but less "springy" metal than the steel used for the core. Imperfect "springiness" anywhere in the string wire makes its partials deviate slightly from mathematically pure harmonics, and no real material used to generating musical tones is perfectly elastic. The Railsback curve is the result of measuring the fundamental frequencies of stretched tunings and plotting their deviations from unstretched equal temperament. In small pianos the inharmonicity is so extreme that establishing a stretch based on a triple octave makes the single octaves beat noticeably, and the wide, fast beating intervals in the upper treble beat wildly – especially major 17ths (two octaves + a major 3rd). By necessity the tuner will attempt to limit the stretch. In large pianos like concert grands, less inharmonicity allows for a more complete string stretch without negatively affecting close octaves and other intervals. So while it may be true that the smaller piano receives a greater stretch relative to the fundamental pitch, only the concert grand's octaves can be fully widened so that triple octaves are beatless. This contributes to the response, brilliance, and "singing" quality that concert grands offer. A benefit of stretching octaves is the correction of dissonance that equal temperament imparts to the perfect fifth. Without octave stretching, the slow, nearly imperceptible beating of fifths in the temperament region (ranging from little more than one beat every two seconds to about one per second) would double each ascending octave. At the top of the keyboard, then, the theoretically (and ideally) pure fifth would be beating more than eight times per second. Modern western ears easily tolerate fast beating in non just intervals (seconds and sevenths, thirds and sixths), but not in perfect octaves or fifths. Happily for pianists, the string stretch that accommodates inharmonicity on a concert grand also nearly exactly mitigates the accumulation of dissonance in the perfect fifth. Other factors, physical and psychoacoustic, affect the tuner's ability to achieve a temperament. Among physical factors are inharmonic effects due to soundboard resonance in the bass strings, poorly manufactured strings, or peculiarities that can cause "false beats" (false because they are unrelated to the manipulation of beats during tuning). The principal psychoacoustic factor is that the human ear tends to perceive the higher notes as being flat when compared to those in the midrange. Stretching the tuning to account for string inharmonicity is often not sufficient to overcome this phenomenon, so piano tuners may stretch the top octave or so of the piano even more.

Инструменты и методы

Обычные инструменты для настройки пианино включают в себя настройный рычаг или "молот", различные глушители и камертон или электронное устройство для настройки. Настройный рычаг используется для поворота и "установки" колков, увеличивая или уменьшая натяжение струны. Глушители используются для приглушения струн, которые в данный момент не настраиваются. При настройке темпераментной октавы обычно помещают полоску войлока в темпераментную (среднюю) секцию пианино; её вставляют между трихордами каждой ноты, приглушая две крайние струны, чтобы вибрировала только средняя струна. Глушитель Паппса выполняет ту же функцию в вертикальном пианино и устанавливается через механизм пианино для приглушения либо двух левых струн (трихорды), либо двух правых струн аналогичным образом. После того, как все средние струны настроены (или правые, если используется глушитель Паппса), полоску войлока можно удалять по одной ноте, настраивая крайние струны относительно средних. Клиновидные глушители вставляются между двумя струнами для их приглушения, а глушитель Паппса обычно используется для настройки высоких нот в вертикальных пианино, поскольку он легче скользит между стойками молоточков. При настройке на слух камертон используется для настройки первой ноты (обычно Ля4) пианино, а затем темпераментная октава настраивается между Фа3 и Фа4 с использованием различных интервалов и проверок, пока настройщик не убедится, что все ноты в октаве настроены правильно. Остальная часть пианино затем настраивается относительно темпераментной октавы, используя октавы и другие интервалы в качестве контрольных точек. Если используется электронное устройство для настройки, этап темперамента может быть пропущен, поскольку настройщик может настраивать ноты напрямую с помощью устройства в любом разумном порядке.