Физика и музыка

«По одежке протягивай ножки» — этой пословице приходится следовать и обертонам в резонаторах. В простенькой флейте стоячим волнам негде развернуться. Набор их там самый бедный. Зато в гобоях, фаготах с их расширяющимися трубами «варится» более богатая смесь обертонов. А в кларнете вы найдете даже своеобразный духовой флажолет. В стволе — маленькая дырочка, через которую воздушная «пружина» на трети своей длины слегка касается наружной атмосферы. Открыть это отверстие — значит заглушить нечетные обертоны и придать звуку особое своеобразие.

У всех духовых инструментов, называемых деревянными, есть общая черта: трубы их резонаторов являются посудой в самом точном смысле этого немузыкального слова. Они не колеблются, а служат лишь вместилищем для воздуха. Потому их и делают из самых разнообразных материалов, лишь бы были попрочнее, полегче да поудобнее в обработке. И вычисления подобных резонаторов не очень сложны — в принципе мало отличаются от расчета вибрации струн.

Другое дело — медные (а вернее, латунные) духовые инструменты. В них и стенки резонаторов подают голос. Звук труб и валторн — это дуэт металла и газа, который уже не столь просто поддается математическому исследованию. Лишь в последние десятилетия ученые развили акустическую теорию духовых резонаторов, обосновали их рациональные формы.

Но рекордсмены сложности — тонкие деревянные коробки резонаторов струнных инструментов. И как все дороги ведут в Рим, так любые разговоры о музыкальных инструментах возвращаются в конце концов к скрипке. Нам не остается ничего другого, как последовать этим путем»

ГЛАВА 3

СОПЕРНИКИ СТРАДИВАРИ

Почему скрипка продолговатая, а не круглая, как, скажем, банджо?

Потому что ее делают из дерева. Дерево волокнистое. В разные стороны оно сжимается и растягивается неодинаково. Звук бежит вдоль Деревянной доски быстрее, чем поперек нее. Потому-то скрипки, гитары, мандолины, домры и имеют продолговатую форму. И, как правило, отношение их длины к ширине такое же, как отношение «продольной» и «поперечной» скоростей звука. Точно соблюсти это отношение — значит заставить деревянный резонатор колебаться в наивыгоднейшем режиме. Пока дека вспучится вдоль волокон, она поспеет выгнуться и поперек них — резонатор будет вибрировать с наибольшим размахом, как единое целое. И понятно, что экспериментальное изучение дерева тут полезно как нигде: по его итогам форму инструмента можно надежно и обоснованно вычислить.

Правда, такой расчет не полон. Особенно если речь идет о скрипке.

Чуткий корпус скрипки — слишком деликатная музыкальная «посуда». Коробка ее ведь не плоская, а выгнутая, сводчатая. В ней звучат не только деревянные части, но и опять-таки воздух («дуэт дерева и газа»).

В корпусе скрипки бесчисленными голосками поют пригнанные друг к другу воздушные пружинящие столбики: словно миллион флейт собрались вместе — разной длины, толщины, открытые и закрытые. Сложнейший, запутаннейший акустический процесс! И нет ничего удивительного в том, что всесторонней теории скрипичного резонатора нет до сих пор, хоть многие физики трудились над этой проблемой.

Однако борьба за научно обоснованную скрипку велась, ведется и будет вестись. Борьба упорная, многолетняя и увенчавшаяся уже многими победами.

„ГРОБ" КОНСТРУКЦИИ САВАРА

...Начало XIX века.

Молодой страсбургский врач Феликс Савар больше медицины любил физику и музыку. Восторженный поклонник скрипки, он первый отнесся к ней как к физическому прибору, первый назвал ее хрупкое тельце в ту пору новым и кощунственным для музыканта словом: резонатор.

Раздобыв драгоценный инструмент работы Страдивари, Савар принялся выделывать с ним всевозможные эксперименты. То снимал со скрипки струны и, по врачебной привычке, тщательно выстукивал ее крутую грудь, то дул в нее, как во флейту, то приклеивал к разным местам скрипки деревянные палочки и прислушивался к звуку, издаваемому той или иной деталью.

После акустических опытов Савар убедился, что резонатор кремонской скрипки настроенный. И на выстукивание и на дутье он даже без струн отзывается всегда одинаковым тоном — «до» первой октавы. Так был открыт важный акустический признак хорошей скрипки.

Но детали резонатора звучали иначе. Подставка для струн, дно, дека («крыша»), душка (распорка между дном и декой) обладали собственными голосами. В резонаторе, как и в струне, объявился целый ансамбль деревянных хористов!

Разыскав его, Савар задался вопросом: а нельзя ли повторить этот хор в ином резонаторе? Обязательна ли традиционная форма итальянской скрипки с ее сводами, округлостями, «талией»?

И слова эксперименты.

Савар изучает, как бегут упругие волны в деревянной пластинке, как меняются они при переходе из одной детали в другую. Чтобы точно подсчитывать частоту звуковых колебаний, он ставит опыты с только что изобретенной паровой сиреной и заодно впервые определяет границы слышимых звуков.

В конце концов Савар убеждается, что форма корпуса кремонской красавицы выбрана превосходно. Сказались столетия поисков. Даже слегка заклеенные окошечки — эфы — или чуть сдвинутая подставка для струн резко меняли звук. И все же Савар пытается улучшить резонатор.

Ученый составляет чертеж собственной, прежде невиданной скрипки. Она очень легка в изготовлении: нет плавных изгибов, нет талии, окошечки прямые, без завитков. По заказу Савара скрипку новой конструкции делает известный французский мастер Жан Вильом.

Вот она готова. Натянуты струны. Хитро улыбаясь, Вильом передает новинку в руки волнующегося изобретателя.

Савар берет смычок, ведет по струнам... О! Они звучат! По-настоящему звучат! Немного резко, но ведь это первый образец!

Угловатая, в форме трапеции, с простой коробкой вместо тонкой женственной фигурки, скрипка Савара взбудоражила акустиков. Голос ее был действительно не так уж плох. Не верилось, что его издает корпус столь примитивного вида. Многие копии с итальянских скрипок звучали несравненно хуже.

Новый инструмент снискал было шумный успех. Его одобрило столь авторитетное учреждение, как Парижская академия наук.

Но мало-помалу сенсация утихла. Приговор вынесли не ученые, а музыканты. Никто из них не захотел играть на «научно обоснованной» скрипке. Испытанные шедевры Страдивари и Гварнери пели несравненно лучше.

Нет, не дошел до тонкостей математический расчет Савара. Да и очень неказиста была его скрипка, уж слишком она походила на гроб.

В наши дни редко кто из скрипачей знает об этом поучительном эпизоде. Необыкновенные инструменты французского физика можно увидеть лишь в музеях. В истории науки Феликс Савар больше известен как автор работ в области электромагнетизма.

Но скрипичные мастера и акустики ценят первого исследователя труднейшей проблемы скрипичного резонатора. Полтора столетия назад он пытался разгадать то, что до сих пор понято не до конца. Стоит ли удивляться его неудаче!

МАСТЕРА-УЧЕНЫЕ

А вот другой ученый отнюдь не музыкального направления — металловед Дмитрий Константинович Чернов. И он посвятил немало времени совершенствованию скрипок, заявляя, что «выработка и сборка существенных частей корпуса этих инструментов может быть приравнена к выработке и сборке хронометров, микроскопов, телескопов и тому подобных точных инструментов».

Памятуя печальный опыт Савара, Чернов не стал модернизировать веками сложившуюся форму инструмента. Он поступил иначе: покупал плохие фабричные или кустарные скрипки, исследовал их, а потом разбирал и вносил незначительные, казалось бы, поправки, которые неузнаваемо меняли звук. Цель была ясна: исправить ошибки мастера-«мебельщика», превратить его творение в настоящий физико-акустический прибор, сделать резонатор таким, чтобы он как можно легче воспринимал и воспроизводил колебания струн. И для разных форм, разных материалов это достигалось неодинаковыми средствами.