Какова математика того, как ключи/отверстия на деревянных духовых инструментах влияют на высоту тона?

Чтобы сделать этот вопрос более конкретным, я приведу пример того, что я имею в виду.

Допустим, у вас есть инструмент, представляющий собой просто трубку, в которую вы дуете, и в ней есть одно отверстие ровно посередине трубки (я знаю, что это не «инструмент», но я говорю теоретически). Если дуть в инструмент, не закрывая отверстие, скажем, получается си-бемоль 4. Если закрыть отверстие в центре и дуть, как это повлияет на звук? Изменит ли это октаву Bb с 4 на 3 или 5, поскольку отверстие находится ровно посередине трубки?

https://en.wikipedia.org/wiki/Музыка_и_математика

В этой статье в разделе "Частота и гармония" есть таблица с частотами и прочим, но я не понимаю, как это применимо к духовым инструментам. Я понимаю столбец «Общее имя» и «Пример имени Гц», но другие меня сильно смущают. Я не уверен, поможет ли это мне понять, о чем я просил больше, но похоже на то.

Надеюсь, это имеет какой-то смысл.

Просто для ясности: эта теория применима к деревянным духовым, где трость или «карман» (в случае флейты) является источником вибраций. Медные духовые инструменты, где источник (губы) представляет собой прямоугольную волну, звучат ужасно , если вы попытаетесь изменить высоту тона через отверстия в трубе.
@CarlWitthoft Все в порядке. Я не должен указывать каждую мелочь в этом вопросе. Пока понятно. Крис Эрвин был достаточно любезен, чтобы подробно ответить на мой вопрос, доказав, что он его понял. Этот вопрос больше касается звуковых волн и инструментов, а не того, насколько «хорошо» звучит духовой инструмент.

Ответы (4)

Закрытие отверстия приведет к снижению ноты до Bb 3. С закрытым отверстием (или вообще без отверстия) вы получите стоячую волну с длиной волны, вдвое превышающей длину инструмента, в качестве основного тона.

Причина этого в том, что инструмент представляет собой трубку, способную удерживать давление в середине, но не способную удерживать давление на любом конце (допустим, флейта с открытыми концами). Когда вы визуализируете волну, помните, что длина волны идет от 0 до самого высокого пика, обратно до нуля, вниз до самого низкого пика и снова до нуля. Выровняйте два из этих нулей на обоих концах трубки, и теперь у вас внутри прибора половина длины волны, и это самая длинная волна, которая помещается в приборе.

Когда вы открываете отверстие точно в центре, подумайте о волне, у которой 0 на обоих концах и 0 у отверстия. Самая длинная волна, способная на это, имеет длину волны 1L, где L — длина прибора.

По сути, какая бы комбинация отверстий ни была открыта, единственные ноты, которые будут резонировать, это те, где длины волн работают так, что узлы давления выстраиваются в линию у отверстий.

Теперь вернемся к закрытию всех отверстий. Не забывайте, что вы можете сильнее дуть на флейту (и, что более важно, на духовые инструменты), чтобы поднять частоту. Единственные ноты, которые будут резонировать, это те, у которых есть узлы (0 давление) на обоих концах инструмента. Так как Bb3 является основным шагом, вы потенциально можете сыграть Bb4, F5, Bb5, D6, F6, Ab6 и так далее.

Вот где мы попадаем в эту диаграмму на странице википедии. Он показывает A2 с частотой 110 Гц. Чтобы получить A3, мы удваиваем это число (220). Чтобы получить А4, нам нужно удвоить ЭТО, верно? так 440. А как же 3х 110(330)? Вот где вы получаете E4.

«Отношение в пределах октавы» означает соотношение между данной нотой и ля под ней (поскольку эта таблица основана на ля). Итак, что касается частоты, E4 в 3 раза больше A2, но в 1,5 раза больше A3. C # 5 - это 5x A2 (основной тон), но 1,25x ближайший A, A4. На октаву приходится 1200 центов (100 на ноту), так что в этом столбце просто указано, на сколько из 1200 приращений она выше ля под ней.

Это все сбивает с толку, но подумайте о настройке пианино. Вы начинаете с настройки A440. Теперь вы играете на этом A440 с буквой A под ним. Если он расстроен, частота не будет точно удвоена. Если бы это было так, волны бы выстроились в линию, и это звучало бы великолепно. Когда волны не совсем выстраиваются в линию, вы получаете «биения», когда волны чередуются между сложением их звука вместе и легким подавлением друг друга. Вы настраиваете А3 до тех пор, пока удары не прекратятся, что означает, что это ровно 220.

Затем вы можете настроить E на это. Поскольку E4 в 1,5 раза больше A3, волны также выстраиваются в линию, когда они настроены. Когда они расстроены, вы слышите биты и можете подстраиваться, пока они не совпадут. Вот почему это 1,5x важно.

Что подводит нас к кругу 5th. Как только вы настроите этот E4 на A3, вы сможете настроить все E. И затем вы можете настроить B, потому что они в 1,5 раза больше ближайшей E. Затем F# и так далее. 12 нот спустя, и вы снова в ля и настроили пианино. Я не буду вдаваться в темперамент, хотя.

Вот отличная статья об акустике флейты с полезными изображениями: https://newt.phys.unsw.edu.au/jw/fluteacoustics.html .

Большое спасибо! Теперь это имеет смысл, но я не могу открыть статью, потому что мой компьютер, а также мой мобильный телефон блокируют ее.
Не знаю, почему вы не можете открыть статью. Может быть, версия https вызывает проблемы? Попробуйте эту ссылку: newt.phys.unsw.edu.au/jw/fluteacoustics.html
Благодарю вас! Однако я хочу спросить вас еще об одном. Из того, что написано в статье, высота тона зависит от частоты волны от конца инструмента до первого открытого отверстия (возможно, я ошибаюсь). Что, если бы между двумя открытыми отверстиями была звуковая волна? Какой "шаг" будет играть? Извините, если это не имеет смысла.
Полностью пропустил ваш комментарий, и вы, вероятно, никогда этого не увидите, но краткий ответ заключается в том, что если у вас есть два отверстия и два открытых конца, инструмент будет играть ноту, где каждый конец и два отверстия выстраиваются в линию на узлах давления ( 0 давление). Это не просто расстояние между двумя отверстиями, это наименьшее общее кратное расстояния между концом и первым отверстием, первым отверстием и вторым отверстием, вторым отверстием и другим концом.

Другой ответ вводит в заблуждение. Отверстия не просто заставляют узлы резонировать с волнами. Предположим, что вы закрыли все отверстия, кроме нижнего, и вы услышите ноту на 1 или 2 полутона выше, чем самая низкая нота (в зависимости от конструкции флейты), что означает, что длина волны на 6-12% короче. Это точно не гармоника, выбранная из исходного набора. Также учтите, что при изготовлении самодельных флейт их настраивают, просверливая маленькие отверстия и постепенно расширяя их, начиная снизу, пока каждая нота не станет правильной. Расположение отверстий гораздо менее важно для настройки!

Вы должны рассмотреть, как создаются стоячие волны в первую очередь: отражения. Флейта имеет три основных типа отражений: жесткая граница (у устья), отражающая волну, обращенную к исходной, мягкая граница (открытый конец), отражающая волну, соответствующую фазе исходной, и смешанная граница (открытые отверстия). различных размеров), которые отражают волны различной фазы к оригиналу в зависимости от того, насколько размер отверстия действует как открытая граница.

В простейшем случае, когда все отверстия закрыты, задействованы только первые два отражения, и в результате получается стоячая четвертьволна, длина которой в 4 раза больше длины трубки.

В следующем простейшем случае с одним открытым отверстием у вас есть дополнительное отражение. Интересным свойством синусоид является то, что сумма любых двух синусоид одной и той же частоты представляет собой единую синусоиду этой частоты с некоторым сдвигом фазы. Таким образом, отражение от отверстия и отражение от открытого конца трубы фактически эквивалентны одиночному отражению от некоторой виртуальной конечной точки между ними. Учитывая это, применяется тот же математический результат, что и выше, и вы получите стоячую четверть волны, в 4 раза превышающую длину волны этой виртуальной точки отражения. Размер отверстия определяет амплитуду и фазу отражения отверстия, что, в свою очередь, определяет положение точки виртуального отражения (это похоже на средневзвешенное значение, большее отверстие приближает виртуальное отражение к отверстию,

В случае с несколькими открытыми отверстиями применяются те же принципы, и приблизительно среднее значение конца трубы и местоположения каждого открытого отверстия, взвешенное по размеру отверстия, дает функциональную конечную точку резонансной трубы. (Здесь средневзвешенное значение, на самом деле имеющее в виду то, как векторные суммы в комплексной плоскости имеют результирующие фазы, которые напоминают средние фазы входных данных, взвешенных по их амплитудам)

Есть несколько страниц, которые подробно рассказывают об этом. Кларнеты здесь: https://newt.phys.unsw.edu.au/jw/clarinetacoustics.html На этой странице есть ссылки на другие.

Помимо математики, на высоту ноты практического инструмента влияет несколько факторов. Магнитофон близок к вашему "теоретическому инструменту" и с ним я хорошо знаком, поэтому я буду использовать его в качестве примера.

Рекордеры имеют 2 октавы и тональный диапазон. Нижняя октава - это основные ноты, а верхние октавные ноты "раздуты" в октаве. Отверстие для большого пальца используется для введения контролируемой утечки, которая побуждает инструмент резонировать на удвоенной частоте. Большинство нот имеют одинаковую аппликатуру в обеих октавах - только отверстие для большого пальца частично открыто (сжато) для воспроизведения ноты верхней октавы.

Так что же определяет высоту ноты?

  1. Базовая высота ноты определяется размером и положением первого открытого отверстия под закрытыми отверстиями (например, на дисканте или теноровой магнитофоне аппликатура G имеет отверстие для большого пальца, а также отверстия 1, 2 и 3 закрыты, поэтому отверстие 4 — основное отверстие для настройки G). Перемещение отверстия вверх по трубке или его увеличение обостряет ноту.
  2. Нижние октавные ноты более чувствительны к расстоянию по трубе, чем к размеру отверстия.
  3. Ноты верхней октавы более чувствительны к размеру отверстия, чем к расстоянию по трубе.
  4. Внутренняя форма трубы имеет значение. Ранние регистраторы были цилиндрическими, регистраторы в стиле барокко - коническими, поэтому расстояние между отверстиями другое. На более крупных инструментах производители часто меняют форму отверстия, чтобы сместить отверстия ближе друг к другу, чтобы уменьшить потребность в ключах.
  5. Внутренний профиль отверстия оказывает небольшое влияние. Подрезание отверстия дает примерно тот же результат, что и его расширение.
  6. Инструмент с толстыми стенками будет немного снижать высоту тона каждого отверстия по мере того, как столб воздуха становится немного длиннее.
  7. На небольших инструментах два маленьких отверстия на шарнире ножки обычно просверливаются под углом. Это перемещает их вниз по течению ближе к правильному акустическому положению в канале ствола, но удерживает их на удобном физическом расстоянии от вашего правого мизинца.
  8. На более крупных инструментах пэды затеняют свои открытые отверстия, слегка сглаживая ноту.

Таким образом, процесс настройки рекордера включает в себя:

  1. Придание внешней стороне корпуса конусообразной формы и расширение внутреннего конуса с помощью развертки.
  2. Регулировка размера отверстия и положения каждого отверстия, чтобы настроить обе октавы. Этот шаг будет повторяться много раз.
  3. Возможно изменение конусности отверстия для устранения проблем с настройкой.

Для всех, кто хотел бы глубже изучить акустику магнитофона, эта книга бесценна и доступна по разумной цене.