Духові, звичайно, бувають різні. Деякі, наприклад флейта і блок-флейта, відкриті з обох кінців, тоді як у кларнета, гобоя і тромбона один кінець закритий (утім вони мають отвір, у який удмухують музиканти). Але всі вони утворюють звук, коли внаслідок нагнітання повітря, яке зазвичай вдувають через рот, виникає коливання стовпа повітря всередині інструмента.
Дути в духовий інструмент або нагнітати в нього повітря — це те саме, що щипати гітарну струну або проводити по струні скрипки смичком. Передаючи енергію повітряному стовпу, ви скидаєте в повітряну порожнину цілий спектр частот, а повітряний стовп сам обирає частоту, на якій він резонуватиме. Ця частота здебільшого залежить від його довжини. Як це відбувається, уявити складно, хоча умовно просто обчислити результат. Повітряний стовп усередині інструмента визначить свою основну частоту, а також кілька вищих гармонік і почне вібрувати на них. Коливання стовпа стискають і розріджують навколишнє повітря так само, як коливаються зубці камертона, посилаючи звукові хвилі до вуха слухача.
У випадку з гобоєм, кларнетом і саксофоном потрібно дмухати у так звану тростину, яка передає енергію повітряному стовпу, змушуючи його резонувати. У флейтах, блок-флейтах і флейтах-піколо резонанс виникає, коли музикант дме у край отвору або в мундштук. А щоб видобути звук з мідних духових, потрібно міцно стиснути губи і погудіти в інструмент — не маючи практики, зробити це вкрай складно. Я в підсумку лише наплював у цю штуковину!
У відкритих з обох кінців інструментах, таких як флейта чи флейта-піколо, повітряний стовп може коливатися на частотах своїх гармонік, кожна з яких кратна основній частоті, так само, як у випадку зі струнами. Щодо дерев’яних духових інструментів, закритих з одного кінця і відкритих з другого, то тут усе залежить від форми отвору. Якщо внутрішній канал має конічну форму, як у гобоя чи саксофона, то звучатимуть усі гармоніки. Проте якщо внутрішній канал циліндричний, як у кларнета, повітряний стовп резонуватиме тільки на непарних кратних частотах, вищих за основну у три, п’ять, сім, дев’ять разів тощо. Щоб не вдаватися в довгі пояснення, скажу лише, що всі мідні духові резонують на частотах усіх гармонік, як флейта.
Зрозуміліше те, що зі збільшенням висоти повітряного стовпа знижується частота й висота звуку, який видає інструмент. Якщо поділити трубу навпіл, частота першої гармоніки подвоїться. Саме тому звук флейти-піколо такий високий, а фагота — такий низький. Це загальне правило також пояснює, чому труби органа мають такі різні довжини і діаметр: діапазон деяких органів — дев’ять октав. Щоб прозвучав основний тон частотою приблизно 8,7 герца (це нижче порога людського сприйняття, але ми можемо відчути вібрацію), потрібна довжелезна труба — 19,5 метра (відкрита з обох кінців). У світі лише дві такі велетенські труби, тому що вони геть не зручні. Труба, в 10 разів коротша, дасть у 10 разів вищий основний тон — тобто 87 герців. У 100 разів коротша — основний тон частотою приблизно 870 герців.
Музиканти, що грають на духових, не тільки дмуть у свої інструменти. Вони також закривають і відкривають розташовані на інструменті отвори, практично скорочуючи або подовжуючи повітряний стовп і таким чином змінюючи частоту звуку. Саме тому, якщо закрити пальцями всі отвори дитячого свистка, збільшивши довжину повітряного стовпа, він звучатиме нижче. Те саме стосується і мідних духових інструментів. Що довший стовп повітря, навіть якщо йому доводиться рухатися по спіралі, то нижча нота, а отже, й частота всіх гармонік. Трубка туби з найнижчим строєм, яку називають контрабасовою тубою, або тубою в строї сі-бемоль, має довжину 6 метрів і основну частоту приблизно 30 герців. Допоміжні поворотні вентилі дозволяють знизити тон до 20 герців. Труба в строї сі-бемоль складається із трубки завдовжки 1,4 метра. Натискаючи на вентилі на трубі чи тубі, можна відкрити або закрити додаткові трубки та змінити висоту резонансних частот. Найкраще це демонструє тромбон. Якщо витягнути кулісу, тобто висувну трубку, довжина повітряного стовпа збільшиться, а резонансні частоти знизяться.
На лекції я граю на дерев’яному тромбоні «Jingle Bells», і студенти в захваті — я не кажу їм, що це єдина мелодія, яку я вмію грати. Якщо чесно, з мене такий собі музикант: хоч і читав цю лекцію безліч разів, а досі доводиться щоразу репетирувати. Я навіть зробив на кулісі позначки — цифри 1, 2, 3 і так далі: бо не навчився читати ноти. Але як я вже казав, відсутність музичних здібностей не заважає мені насолоджуватися музикою та з величезним задоволенням експериментувати з нею.
Пишучи це, я здійснюю цікаві досліди зі стовпом повітря в літровій пластиковій пляшці з-під газованки. Цей стовп аж ніяк не ідеальної форми, тому що її шийка поступово розширюється до повного діаметра пляшки. Фізика пляшкової шийки, як ви можете уявити, досить складна. Але тут усе одно виконується основний принцип духових інструментів — зі збільшенням довжини повітряного стовпа резонансні частоти знижуються. Ви також можете спробувати здійснити цей дослід.
Наповніть майже до верху пляшку з-під газованої води або вина (водою!) і подмухайте над шийкою. З першого разу, може, не вдасться, утім через деякий час стовп повітря почне коливатися на своїх резонансних частотах. Спочатку звучатиме висока нота, але що більше ви відпиватимете (тому я й запропонував воду), то довшим ставатиме повітряний стовп, і висота основного тону знижуватимуться. Також я помітив, що зі збільшенням довжини повітряного стовпа звучання стає приємнішим. Що нижча частота першої гармоніки, то більше шансів, що виникнуть додаткові вищі гармоніки і звук матиме насиченіший тембр.
Вам може здатися, що цей звук видає пляшка, вібруючи, подібно до струни, і ви й справді відчуєте вібрацію пляшки, так само, як ви, можливо, відчували вібрацію саксофона. Але знову-таки — резонує тут стовп повітря всередині пляшки. Щоб добре це затямити, подумайте над такою загадкою. Якщо взяти два однакові келихи — один порожній, а другий наполовину повний і видобути з них звук, легко стукаючи по них ложкою або водячи по обідку вологим пальцем, котрий з них звучатиме вище і чому? З мого боку нечесно ставити таке запитання, бо я підвів вас до неправильної відповіді (вибачте!). Але, можливо, ви зможете розв’язати цю загадку.
Такий само принцип використовується в іграшці з гнучкої гофрованої пластикової трубки завдовжки 80 сантиметрів. Очевидно, ви бачили таку або гралися нею. Пам’ятаєте, що треба робити? Коли ви розкручуєте трубку над головою, то спочатку чуєте низький звук. Звісно, ви вирішуєте, що це перша гармоніка, як і я, коли вперше грався із цією іграшкою. Проте чомусь я так і не зміг отримати першу гармоніку. Я завжди чую другу. Розкручуючи трубку швидше, можна отримати дедалі вищі гармоніки. Реклама в інтернеті стверджує, що з цієї трубки можна видобути чотири різні ноти, але, можливо, ви почуєте лише три: для четвертої ноти (п’ятої гармоніки) доведеться крутити дуже-дуже швидко. Я обчислив частоти перших п’яти гармонік для труби завдовжки 80 сантиметрів, і результати такі: 223 герци (цієї я так і не почув), 446, 669, 892 і 1115 герців. Висота звуку зростає досить швидко.
Небезпечний резонанс
Фізика резонансу аж ніяк не обмежується демонстраційними експериментами. Подумайте про те, яку безліч різних настроїв створює музика за допомогою такого різноманіття інструментів. Музичний резонанс звертається до наших емоцій, викликаючи радість, тривогу, спокій, шанобливий трепет, страх, щастя, сум... Недарма ми говоримо про емоційний резонанс, з якого можуть вирости насичені й глибокі стосунки, про нотки розуміння, ніжності й бажання. Навряд чи це випадково, що ми хочемо бути з кимось «у гармонії». І як прикро втрачати цей резонанс, тимчасово чи назавжди, коли те, що раніше здавалося гармонією, перетворюється на какофонію та емоційний шум. Згадайте Джорджа і Марту із п’єси Едварда Олбі «Хто боїться Вірджинії Вулф?». Вони влаштовують гучні сварки. Коли Джордж і Марта кидаються одне на одного, створюючи величезну напругу, їхні гості все ще спостерігають за «грою». Подружжя стає значно небезпечнішим, коли об’єднує зусилля, щоб зіграти в гру «дошкуль гостю».
