Введение

Звукоизвлекающий компонент музыкального инструмента
оркестровый раздел

Струна — это вибрирующий элемент аккордофонов, таких как гитара, арфа, фортепиано (фортепианная струна) и семейство скрипичных инструментов, который производит звук. Струны представляют собой отрезки гибкого материала, которые музыкальный инструмент удерживает под натяжением, чтобы они могли свободно, но контролируемо вибрировать. Это необходимо для того, чтобы струна вибрировала на желаемой высоте, сохраняя при этом низкий профиль и достаточную гибкость для игры. Существует два основных типа струн: простые и обмотанные. "Простые" струны состоят из цельного куска цилиндрического материала, обычно нейлона или кишок, в то время как "обмотанные" струны имеют центральный сердечник и дополнительный материал, плотно намотанный вокруг струны (обычно из различных металлов). До Второй мировой войны струны для многих инструментов (включая скрипки и гитары) изготавливались из кишок – типа шнура из очищенных натуральных волокон кишечника животных. Такая ситуация сохранялась до 1950-х годов, когда популярность струн из кишок снизилась, и стальные и нейлоновые струны стали более предпочтительными. Несмотря на это, струны из кишок до сих пор ценятся многими музыкантами благодаря их уникальному звучанию. Изобретение обмотанных струн (особенно стальных) стало важным шагом в технологии струнных инструментов, поскольку металлическая обмотанная струна может издавать более низкий тон, чем простая струна из кишок той же толщины. Это позволило создавать струнные инструменты с более тонкими басовыми струнами. На струнных инструментах, где музыкант непосредственно щиплет или смычком извлекает звук (например, на контрабасе), это позволило мастерам использовать более тонкие струны для самых низких нот, что облегчило игру на них. На струнных инструментах с клавиатурой, где механизм ударяет по струнам (например, на фортепиано), это позволило конструкторам использовать более короткие и толстые струны для получения самых низких басовых нот, что дало возможность создавать компактные пианино для небольших комнат и учебных классов.

Структура струн

Конец струны, который крепится к механизму настройки инструмента (часть инструмента, которая вращается для натяжения или ослабления струны), как правило, гладкий. В зависимости от инструмента, другой, фиксированный конец струны может иметь гладкий конец, петлю или шаровидный наконечник (короткий латунный цилиндр), который крепит струну к концу, противоположному механизму настройки. При использовании шаровидного наконечника или петли на гитаре это обеспечивает надежную фиксацию струны в бридже гитары. При использовании шаровидного наконечника или петли на инструментах семейства скрипки это удерживает конец струны в подструннике. Струны Fender Bullet имеют цилиндр большего размера для более стабильной настройки на гитарах, оснащенных синхронизированными тремоло-системами. Концы некоторых струн могут быть обмотаны шелком для их защиты. Цвет и узор шелка часто указывают на характеристики струны, такие как производитель, размер, предполагаемый строй и т.д.

Скрученная

Круглые струны – самые простые и базовые из витых струн, они состоят из круглого провода, плотно намотанного по спирали вокруг круглой или шестигранной основы. Такие струны обычно просты в производстве, самые доступные по цене и удобные в использовании. Несмотря на эти преимущества, у них есть и недостатки: круглые струны имеют шероховатый профиль поверхности (выступы обмотки), создающий трение при касании пальцами. Это вызывает скрип, когда пальцы скользят по струнам, особенно при использовании с электрогитарой и усилителем или с акустической гитарой, подключенной к звуковой системе. (Некоторые музыканты используют этот звук в творческих целях, например, гитаристы хардкор-панка и хэви-метала, которые намеренно скребут медиатором вниз по более толстым струнам для создания эффекта.) Шероховатый профиль круглых струн может ускорить износ накладки грифа и ладов по сравнению с более гладкими плоскими струнами. Если основа струны круглая, обмотка может быть менее надежной и свободно вращаться вокруг основы, особенно если обмотка повреждена в процессе эксплуатации.

Плоская рана

Плоскозакрученные струны – это струны с круглым или шестигранным сердечником, обмотанные проволокой с плоским поперечным сечением, которая при плотной намотке образует более пологий профиль. Это обеспечивает более комфортную игру и снижает износ ладов и накладки грифа (поэтому они популярны для инструментов без ладов). Также значительно уменьшается скрип, возникающий при скольжении пальцев по струнам. Плоскозакрученные струны служат дольше, так как в них скапливается меньше грязи и масла. С другой стороны, они звучат менее ярко, чем струны с круглой намоткой, и их сложнее подтягивать, что затрудняет создание вибрато. Плоскозакрученные струны также дороже струн с круглой намоткой из-за меньшего спроса, меньших объемов производства и более высоких производственных затрат. Их изготовление сложнее, поскольку требуется точное выравнивание плоских сторон обмотки (некоторая ротация обмотки на струнах с круглой намоткой допустима). Современные смычковые струны обычно изготавливаются гладкими (чаще всего более высокие и тонкие струны) или плоскозакрученными, чтобы обеспечить плавную игру и уменьшить поломку смычкового волоса. Существует нишевый рынок струн с круглой намоткой для скрипки.

Полукруглый, полузакрученный, закрученный, закрученный

Полукруглые (также известные как полуобмоточные, шлифованные или струны под давлением) – это струны, представляющие собой нечто среднее между круглыми и плоскими обмотками. Обычно они изготавливаются путем намотки круглого провода на круглый или шестигранный сердечник, после чего внешняя часть обмотки полируется, шлифуется (отсюда и название «шлифованные») или прессуется до практически плоского состояния. Это обеспечивает плотное и комфортное ощущение при игре, как у плоских струн, с меньшим скрипом и яркостью, находящейся между круглыми и плоскими обмотками. Процесс полировки удаляет почти половину массы обмоточного провода; поэтому, для компенсации, производители используют провод обмотки большего калибра. Из-за дополнительного производственного процесса они обычно дороже круглых струн, но дешевле плоских.

Типы ядра

Существует два типа, или вида, основной проволоки, обычно используемой в струнах с намоткой.

Хекскор

Струны Hexcore состоят из шестигранной сердечной проволоки и плотной (обычно круглой) обмотки. Конструкция шестигранного сердечника предотвращает проскальзывание обмотки вокруг сердечника – что может происходить со струнами с круглой сердцевиной. Это может улучшить стабильность строя, гибкость и снизить вероятность обрыва струны по сравнению со струнами с круглой сердцевиной.

Круглый узел

Круглые струны состоят из обычной круглой основы и плотной (обычно круглой) обмотки. Круглая основа – это традиционный "винтажный" способ изготовления, который обеспечивает более плотный контакт между обмоткой и основой струны.

Галка

Струны смычковых инструментов, таких как скрипка или виолончель, обычно характеризуются натяжением, а не калибром (диаметром). Струны щипковых инструментов (гитара, банджо и т.д.) обычно характеризуются калибром – диаметром струны. Звук струны частично зависит от её веса, а следовательно, и от диаметра – её калибра. Обычно производители струн, не указывающие натяжение, приводят 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 достижения одной и той же высоты звука и, как следствие, их труднее прижимать к грифу. При перестроении щипкового инструмента струнами другого калибра может потребоваться регулировка высоты струн над ладами ("action") для сохранения удобства игры или предотвращения дребезжания струн о лады. Высота "action" у безладовых инструментов также регулируется в зависимости от калибра или материала струн, а также от предполагаемого стиля игры.

Гитара

Стальные струны для шестиструнной гитары обычно продаются в наборах подобранных струн. Наборы обычно обозначаются либо калибром первой струны (например, 9), либо парой калибров первой и последней струн (например, 9–42); измерения в тысячных дюйма являются фактическим стандартом, независимо от того, используются ли имперские единицы измерения в стране. У некоторых производителей могут быть незначительно отличающиеся последовательности калибров; представленные ниже данные взяты из таблиц калибров струн D'Addario для обычных, круглого сечения, никелированных струн.

Акустическая гитара

Калибр струн зависит от личных предпочтений музыканта, но акустические гитары обычно оснащаются струнами большего калибра, чем электрогитары. Необходимость в громком звучании из-за отсутствия усиления – одна из основных причин этого.

Бас-гитара

Струны для бас-гитары иногда изготавливаются под определенную мензуру и выпускаются короткой, средней, длинной и очень длинной (иногда называемой сверхдлинной) длины. Почти все струны для бас-гитары изготовлены с обмоткой. Типичные струны для бас-гитары имеют следующие калибры:

Свёрнутые струны

С начала XX века, с появлением стальных и синтетических струн, большинство производителей струн для смычковых инструментов стали продавать свои струны по напряжению, а не по диаметру. Обычно они предлагают наборы струн трех уровней натяжения: сильное, среднее и слабое (немецкие stark, mittel и weich). Эти уровни натяжения не стандартизированы у разных производителей и не соответствуют конкретным диаметрам. Струны со средним натяжением одной марки могут значительно отличаться по натяжению от струн со средним натяжением другой марки. Судя по имеющимся историческим данным, струны из кишок продавались до 1900 года аналогичным образом. С другой стороны, современные струны с кишечной основой и металлической обмоткой обычно продаются либо без указания калибра для более дешевых брендов, либо с указанием конкретного калибра. Компания Густава Пирацци в Германии в начале XX века ввела измерение в Пирацци-метрах (ПМ). Один ПМ равен 0,05 мм. Например, струна калибра 14 1/2 ПМ имеет диаметр 0,725 мм. Pirazzi (ныне известная как Pirastro) продолжает продавать свои струны премиум-класса марок Oliv, Eudoxa и Passione, указывая калибр в ПМ. Каждая струна доступна в 5 или более дискретных калибрах. Производители традиционных струн из цельной кишки, часто используемых при исторически обоснованном исполнении, продают свою продукцию по категориям: сильные/средние/слабые, в ПМ, в мм или в какой-либо комбинации.

Материалы ядра

Сталь составляет основу большинства металлических струн. Некоторые клавишные инструменты (например, клавесин) и гэльская арфа используют латунь. Для изготовления струн также применяются другие натуральные материалы, такие как шёлк или кишка, а также синтетические материалы, такие как нейлон и кевлар. (Сталь, используемая для струн, называемая музыкальной проволокой, подвергается закалке и отпуску.) Некоторые струны скрипки "ми" позолачиваются для улучшения тембра.

Сталь

Стальные или металлические струны стали основой для струн электрогитары и бас-гитары. Они обладают приятным, ярким тембром по сравнению с гитарами с нейлоновыми струнами. Их металлический состав сильно варьируется, часто используются различные сплавы в качестве покрытия. Большая часть истории металлических струн связана с инновациями в области фортепиано. Фактически, первые витые металлические струны были использованы именно в фортепиано. Однако, когда потребовались струны сверхмалого диаметра с хорошими эластичными свойствами, электрогитара подняла металлическую струну на новый уровень, адаптировав её для использования с звукоснимателями. Из-за более высокого натяжения стальных струн, гитары со стальными струнами имеют более прочную конструкцию, чем "классические" гитары, использующие синтетические струны. Большинство джазовых и фолк-исполнителей предпочитают струны с стальным сердечником за их быстрый отклик, доступную цену и стабильность строя.

Нейлон

Нейлон (обычно 610 или 612), традиционно используемый для классической музыки, обладает более мягким тембром, а его отзывчивость особенно ценится в народной музыке, хотя он также используется и в других жанрах (например, Уилли Нельсон играет на гитаре с нейлоновыми струнами). Нейлоновые струны изготавливаются из более мягкого и менее плотного материала и находятся под меньшим натяжением, чем стальные (примерно на 50% меньше). Это позволяет использовать их на старых гитарах, которые не рассчитаны на натяжение современных стальных струн. Нейлоновые струны не работают с магнитными звукоснимателями, которым необходимы стальные струны, способные взаимодействовать с магнитным полем звукоснимателя для генерации сигнала. В настоящее время нейлон является одним из самых популярных материалов для сердечников струн скрипок, альтов, виолончелей и контрабасов. Он часто продается под торговой маркой Perlon. Нейлоновые струны для гитары были впервые разработаны компанией Albert Augustine Strings в 1947 году.

Кишечник

Кишечник овец, крупного рогатого скота и других животных (иногда называемый кишками, хотя кошки никогда не использовались в качестве источника этого материала) – один из первых материалов, применяемых для изготовления музыкальных струн. Фактически, древнегреческое слово "хордḗ", означающее "струна", изначально обозначало "кишечник". Кишечник животных состоит в основном из эластомеров, что делает его очень гибким. Однако он также чрезвычайно гигроскопичен, из-за чего струны подвержены колебаниям высоты тона при изменении влажности. Воздействие влаги от пота рук музыканта может привести к расщеплению и последующему разрыву простых (необмотанных) кишковых струн. Эта проблема менее выражена у обмотанных кишковых струн, где сердцевина из кишок, защищенная от контакта с потом благодаря металлической обмотке (и подложке, если она есть), служит значительно дольше. Тем не менее, по мере старения кишковая струна и постоянного воздействия циклических изменений температуры и влажности, сердцевина становится слабой и хрупкой, и в конечном итоге рвется. Более того, все кишковые струны уязвимы к расстройке из-за изменений атмосферной влажности. Однако даже после появления металлических и синтетических струн, многие музыканты по-прежнему предпочитают использовать кишковые струны, считая, что они обеспечивают превосходный тембр. Исполнители, придерживающиеся принципов исторически обоснованного исполнения, используют обмотанные и необмотанные кишковые струны в рамках усилий по воссозданию звучания музыки классической, барочной и эпохи Возрождения, таким, каким его слышали современники композиторов. Для исполнителей на щипковых инструментах струны Nylgut являются относительно новой альтернативой кишковым струнам. Они изготавливаются из специального нейлона и, как утверждается, обладают теми же акустическими свойствами, что и кишковые струны, но не требуют такой частой настройки.

Фторполимеры (также известные как "углерод")

Для классической гитары, арфы и укулеле доступны фторполимерные струны. Это тот же материал, что используется для монофиламентных рыболовных лесок, и типичным химическим веществом, используемым при их производстве, является ПВДФ (PVDF). Эти струны обычно продаются под названиями фторуглерод, углеволокно или просто углерод, что является научным заблуждением. Так называемый "углерод" имеет более высокую плотность, чем нейлон, поэтому нейлоновую струну можно заменить струной из "углерода" меньшего диаметра. Это повышает точность звучания на высоких ладах, а результирующее колебательное поведение обеспечивает более яркий звук с улучшенными гармониками. В частности, классические гитаристы, которым нейлоновая G-струна кажется недостаточно яркой, могут использовать струны, включающие G-струну из "углерода".

Другие полимеры

Также использовались другие полимеры, в том числе полиэфирэфиркетон и полибутилентерефталат.

Шелк

Шелк широко использовался в Китае для изготовления традиционных китайских музыкальных инструментов до 1950-х годов, когда его заменили металлические и нейлоновые струны. В настоящее время производятся только чисто шелковые струны для гуциня, а также доступны некоторые шелковые струны с серебряной обмоткой для классических гитар и укулеле. Качество струн в древности было настолько высоким, что один бренд прозвали «ледяными струнами» за их гладкость и полупрозрачность.

Материалы для намотки

Алюминий, серебро и хромированная сталь – распространенные материалы для обмотки смычковых инструментов, таких как скрипка и альт, в то время как струны акустической гитары обычно обматывают бронзой, а струны фортепиано – медью. Для защиты от коррозии, вызванной потом, алюминий может использоваться в виде устойчивого сплава, например, гидроналия. Струны классической гитары обычно изготавливают из нейлона, а басовые струны обматывают серебром или бронзой. Струны для электрогитары обычно обматывают никелированной сталью, также используются чистый никель и нержавеющая сталь. Струны для бас-гитары чаще всего обматывают нержавеющей сталью или никелем. Медь, золото, серебро и вольфрам используются для некоторых инструментов. Серебро и золото дороже и применяются благодаря их устойчивости к коррозии и гипоаллергенным свойствам. Некоторые "струны с исторически обоснованной конструкцией" используют открытую металлическую обмотку, напоминающую "барберский столб". Эта практика улучшает акустические характеристики более толстых струн, увеличивая их массу и делая их тоньше при заданном натяжении. Экземпляры таких струн с открытой обмоткой известны с начала XVIII века и хранятся в коллекции артефактов Антонио Страдивари. "Шелковые и стальные" струны для гитары – это стальные струны, обмотанные дополнительным слоем с шелковыми нитями под обмоткой.

Фосфорная бронза

Фосфорная бронза была представлена компанией D'Addario в начале 1970-х годов. Считается, что фосфорная бронза дольше сохраняет звучание, как у новых струн, по сравнению с другими струнами. В бронзовый сплав добавляются небольшие количества фосфора и цинка. Это делает фосфорную бронзу немного более устойчивой к коррозии, чем бронза 80/20.

80/20 бронза

Бронзовые струны 80/20 состоят на 80 процентов из меди и 20 процентов из цинка. Цинк также придает им более яркий тембр, дополнительную твердость и замедляет процесс старения. При дополнительном покрытии они сохраняются еще дольше. Однако, если покрытие нанесено некачественно, струны могут потерять свой тон всего за несколько часов, а при хранении во влажной среде медь может покрыться зеленоватым налетом и струны со временем будут корродировать. Название "бронза 80/20" является неточным, так как бронза по определению представляет собой сплав меди и олова. Струны "80/20 бронза" было бы правильнее называть латунными.

Никелированная сталь

Некоторые гитаристы, играющие на акустических гитарах, используют струны, обмотанные никелированной сталью, предназначенные для электрогитар. Свойства этих никелированных струн делают их хорошим выбором для акустических гитар с магнитными звукоснимателями, установленными в резонаторном отверстии.

Коррозия и предотвращение коррозии струны

Все металлические струны подвержены окислению и коррозии. В обмотках струн часто используются такие металлы, как латунь или бронза. Эти два металла особенно уязвимы к коррозии. Сальные железы кожи музыканта вырабатывают масла, которые могут быть кислотными. Масла, соли и влага с пальцев музыканта – основной источник коррозии. Состав масла и кислород в воздухе также способствуют окислению и коррозии струн. В стальных струнах кислород реагирует с железом, образуя ржавчину. В результате струна со временем теряет яркость звучания. Вода, являясь побочным продуктом окисления, усиливает потенциал кислотной коррозии в маслах. Струны с обмоткой, такие как бронзовые акустические струны, сложно поддерживать в свежем состоянии из-за их низкой коррозионной стойкости. Для решения проблемы коррозии струны покрывают металлическим напылением или полимером. Полимерное покрытие, как утверждается, уменьшает скрип пальцев и износ ладов, а также улучшает стабильность строя. Некоторые компании продают смазочные масла, замедляющие процесс окисления и увеличивающие срок службы струн. Эти специальные масла наносятся на струны, создавая барьер для воздуха и замедляя окисление.

Покрытие и покрытие

Некоторые распространенные виды металлических покрытий для струн включают олово, никель, золото и серебро. Некоторые металлы, такие как золото и серебро, придают струнам отличное звучание. Среди струн, покрытых полимером, наиболее часто используется (политетрафторэтилен) тефлон. Тефлон устойчив ко многим агрессивным средам, 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 препятствует попаданию жира с рук на струны, но и делает их удобными для игры. Этилентетрафторэтилен (ETFE) – еще один полимер, который иногда используется для покрытия струн. Он устойчив к истиранию и порезам и обладает многими характеристиками, схожими с тефлоном.

Кипящие струны (гитара и бас)

Некоторые музыканты кипятят струны гитары или бас-гитары, чтобы восстановить их звучание. Высокая температура кипящей воды помогает удалить с струн масло, соль и грязь, оставшиеся от рук музыканта. Во время игры на струне очень мелкие металлические частицы, образующиеся при износе ладов, могут отламываться и застревать между витками обмотки. Нагревание струн может расширить эти частицы и отделить их от обмотки. Некоторые музыканты используют деионизированную воду для кипячения струн, считая, что минеральные отложения в водопроводной воде могут ускорить коррозию сердечника струны. После кипячения струны могут потерять эластичность и стать более хрупкими, в зависимости от качества используемых сплавов. Также известно, что струны можно очистить, пропустив их через цикл в посудомоечной машине.

Вибрация струны

Струна вибрирует в сложном гармоническом узоре. Каждый раз, когда музыкант приводит струну в движение, резонирует определенный набор частот, основанный на гармоническом ряду. Основная частота – самая низкая, и она определяется плотностью, длиной и натяжением струны. Именно эту частоту мы воспринимаем как высоту звука струны. Выше этой частоты слышны обертоны (или гармоники), при этом каждый последующий становится тише. Например, если основной тон равен 440 Гц (ля первой октавы), то обертонами для идеальной струны, настроенной на этот тон, будут 880 Гц, 1320 Гц, 1760 Гц, 2200 Гц и т.д. Соответствующие названия нот для этих тонов – ля, ля, ми, ля, до и т.д. Однако, из-за физических свойств струн, чем выше обертоны, тем сильнее они расстроены (или "фальшивы") относительно основного тона. Это важный фактор для настройщиков фортепиано, которые стремятся растянуть строй инструмента, чтобы обертоны оставались более точными при движении вверх по клавиатуре. В явлении, называемом симпатической вибрацией, струна, кажется, вибрирует сама по себе. Это происходит, когда звуковые волны воздействуют на струну с частотой, близкой к ее основной частоте или одной из ее обертонов. Струна связана с этой похожей звуковой волной через воздух, который улавливает вибрации звуковых волн на той же частоте и, в свою очередь, заставляет струну вибрировать самостоятельно. Когда внешний источник вызывает вынужденные колебания, соответствующие собственной частоте струны, она начинает вибрировать. Резонанс может вызывать акустическую обратную связь. Например, в системе с акустической гитарой и звукоусиливающей аппаратурой динамик вибрирует на той же собственной частоте, что и струна гитары, и может приводить ее в движение. Акустическая обратная связь часто воспринимается как нежелательное явление при подключении акустической гитары к звукоусиливающей аппаратуре, поскольку она вызывает громкий завывающий звук. Однако, при использовании электрогитары, некоторые гитаристы в жанрах хэви-метал и психоделического рока намеренно создают обратную связь, поднося электрогитару близко к мощному и громкому динамику гитарного усилителя с включенной высокой степенью перегрузки, создавая уникальные высокие, протяженные звуки. Джими Хендрикс и Брайан Мэй были известными мастерами использования обратной связи на электрогитаре. Для типичной высокочастотной нейлоновой струны максимальная поперечная сила примерно в 40 раз превышает максимальную продольную амплитуду силы. Однако продольная сила возрастает пропорционально квадрату амплитуды импульса, поэтому разница между ними уменьшается с увеличением амплитуды. Модуль упругости (модуль Юнга) для стали примерно в 40 раз выше, чем для нейлона, а натяжение струны примерно на 50% больше, поэтому амплитуды продольной и поперечной силы почти равны.

Свойства натяжения

Настройка струнного инструмента, такого как гитара, создает в струнах большое напряжение, которое отражает уровень внутренних усилий. Напряжение связано с растяжением или удлинением струн. При повышении высоты звука струна удлиняется и становится тоньше. Инструмент может расстраиваться, если струна растянута за пределы упругости и не возвращается к исходному натяжению. На диаграмме зависимости напряжения от деформации существует линейный участок, где эти величины связаны, и он называется модулем Юнга. Новый комплект струн часто находится на диаграмме напряжения от деформации за пределами модуля Юнга, в так называемой пластической области. В пластической области происходит пластическая деформация – необратимая деформация материала. Следовательно, в пластической области зависимость между напряжением и деформацией перестает быть линейной (модуль Юнга больше не является постоянной величиной). Упругая область – это область, где происходит упругая деформация, то есть деформация, от которой струна может восстановиться. Линейная (то есть упругая) область – это та область, в которой музыканты стремятся играть на своем инструменте.