Введение

Резонансные явления в звуковых и музыкальных устройствах, механический резонанс звука, включая музыкальные инструменты.

Акустический резонанс – это явление, при котором акустическая система усиливает звуковые волны, частота которых совпадает с одной из её собственных естественных частот колебаний (резонансных частот). Термин «акустический резонанс» иногда используется для ограничения механического резонанса диапазоном частот, воспринимаемых человеческим слухом, но поскольку акустика определяется в общих чертах как изучение колебательных волн в веществе, акустический резонанс может возникать на частотах, выходящих за пределы диапазона человеческого слуха. Акустически резонирующий объект обычно имеет более одной резонансной частоты, особенно на гармониках наиболее сильного резонанса. Он будет легко колебаться на этих частотах и менее интенсивно – на других. Он будет "выделять" свою резонансную частоту из сложного воздействия, такого как импульс или широкополосный шумовой сигнал. По сути, он фильтрует все частоты, кроме резонансных. Акустический резонанс является важным фактором для создателей инструментов, поскольку большинство акустических инструментов используют резонаторы, такие как струны и корпус скрипки, длина трубки флейты и форма барабанной мембраны. Акустический резонанс также важен для слуха. Например, резонанс жесткого структурного элемента, называемого базилярной мембраной, внутри улитки внутреннего уха позволяет волосковым клеткам на мембране обнаруживать звук. (У млекопитающих мембрана имеет сужающиеся резонансы по всей длине, так что высокие частоты концентрируются на одном конце, а низкие – на другом.) Как и механический резонанс, акустический резонанс может привести к катастрофическому разрушению вибрирующего элемента. Классическим примером является разбитие винного бокала звуком на его точной резонансной частоте.

Резонанс струн в музыкальных инструментах

Струнный резонанс возникает на струнных инструментах. Струны или их части могут резонировать на основной частоте или на гармониках, когда звучат другие струны. Например, струна Ля (A) с частотой 440 Гц вызовет резонанс струны Ми (E) с частотой 330 Гц, поскольку у них есть общая гармоника – 1320 Гц (3-я гармоника Ля и 4-я гармоника Ми).

Резонанс воздушной трубки

Резонанс воздушного столба в трубке зависит от длины трубки, ее формы и от того, закрыты или открыты ее концы. Многие музыкальные инструменты по своей конструкции напоминают конические или цилиндрические трубки (см. канал). Трубка, закрытая с одного конца и открытая с другого, называется закрытой, а трубка, открытая с обоих концов – открытой. Современные оркестровые флейты ведут себя как открытые цилиндрические трубки, кларнеты – как закрытые цилиндрические трубки, а саксофоны, гобои и фаготы – как закрытые конические трубки. Большинство современных инструментов с амбушюрным тростником (медные духовые инструменты) акустически схожи с закрытыми коническими трубками, хотя и имеют некоторые отклонения (см. педальные тоны и ложные тоны). Подобно струнам, вибрирующие воздушные столбы в идеальных цилиндрических или конических трубках также имеют резонанс на гармониках, хотя существуют и некоторые различия.

Цилиндры

Любой цилиндр резонирует на нескольких частотах, производя множество музыкальных тонов. Самая низкая частота называется основной частотой или первой гармоникой. Цилиндры, используемые в качестве музыкальных инструментов, как правило, открыты, либо с обоих концов, как у флейты, либо с одного конца, как некоторые органные трубы. Однако цилиндр, закрытый с обоих концов, также может быть использован для создания или визуализации звуковых волн, например, в трубе Рубенса. Резонансные свойства цилиндра можно понять, рассматривая поведение звуковой волны в воздухе. Звук распространяется как продольная волна сжатия, заставляя молекулы воздуха двигаться вперед и назад вдоль направления распространения. Внутри трубы формируется стоячая волна, длина волны которой зависит от длины трубы. На закрытом конце трубы молекулы воздуха малоподвижны, поэтому этот конец трубы является узлом смещения в стоячей волне. На открытом конце трубы молекулы воздуха могут свободно перемещаться, образуя антиузел смещения. Узлы смещения соответствуют антиузлам давления и наоборот.

Разбивание стекла звуком через резонанс

Это классическая демонстрация резонанса. У стекла есть собственная частота резонанса – частота, на которой стекло легко приходит в колебание. Следовательно, стекло необходимо приводить в движение звуковой волной именно на этой частоте. Если сила, передаваемая звуковой волной и заставляющая стекло вибрировать, достаточно велика, амплитуда колебаний возрастет настолько, что стекло разрушится. Для надежного проведения демонстрации в научных целях требуется практика и тщательный выбор стекла и динамика.

В музыкальной композиции

Несколько композиторов начали делать резонанс темой своих произведений. Элвин Люсье использовал акустические инструменты и генераторы синусоидальных волн для исследования резонанса объектов различного размера во многих своих композициях. Сложные негармонические обертоны нарастающего и убывающего крещендо на тамтаме или другом ударном инструменте взаимодействуют с резонансами помещения в "Коане" Джеймса Тенни: "Никогда не написав ноты для ударных". Полин Оливерос и Стюарт Демпстер регулярно выступают в больших реверберационных пространствах, таких как цистерна в Форт-Вордене, штат Вашингтон, обладающая реверберацией с 45-секундным затуханием. Кент Олофссон, профессор композиции и композитор Мальмёской академии музыки, в своей пьесе "Терпсихорд для ударных и предварительно записанных звуков использует резонансы акустических инструментов для создания звуковых мостов к предварительно записанным электронным звукам, которые, в свою очередь, продлевают резонансы, преобразуя их в новые звуковые жесты."