Любой твёрдый предмет будет издавать те или иные звуки, если по нему ударять или, к примеру, водить по нему смычком. И у любого предмета конечных размеров, как и у струн, есть характерный набор собственных колебаний – возможных простейших движений его частиц. У большинства объемных тел частоты собственных колебаний образуют непрерывный спектр в пределах определённой полосы частот, зачастую весьма широкой, то есть воспринимаются ухом как шум. Например, ударив по столу, вы слышите звук, создаваемый возникающими колебаниями стола, но высоту тона определить не можете. Можно только предсказать, что шум от удара по массивному шкафу будет более низкочастотным, чем от удара по небольшому столику.

Немецкий физик и музыкант Эрнест Хладни сумел сделать видимыми собственные колебания плоских пластин разной формы (круглых, квадратных и прочих). Для этого он возбуждал в них колебания с помощью скрипичного смычка (рис. 6). При этом пластины издавали немузыкальные звуки разной степени «противности». На поверхность пластин он насыпал мелкий песок, который слетал с активно колеблющихся областей и концентрировался в тех местах, которые оставались практически неподвижными. Проводя смычком по краю пластины в разных местах, под разными углами и с различной скоростью, можно возбуждать различные собственные колебания и получать самые разные картины: иногда простые, иногда сложные, иногда красивые, иногда беспорядочные. Каждому типу колебаний соответствуют определённая «песочная картина» и своё неповторимое звучание.

Рис. 6. Примеры фигур Хладни, полученных с помощью насыпанного на поверхность колеблющихся пластин песка

Но вернёмся к музыкальным звукам и струнам. Остаётся вопрос: почему тембры разных струнных инструментов (рояля, скрипки, виолончели и прочих) столь отличаются друг от друга, хотя струны везде практически одинаковые? Всё дело в резонаторах. Давайте разберёмся, что это такое.

До сих пор мы говорили о собственных колебаниях тел – таких колебаниях, которые они совершают «по своему сценарию», стоит только вывести их из равновесия, сообщив запас энергии (ущипнуть струну, постучать по столу, ударить по металлической пластинке, провести смычком и т. д.). Как мы уже знаем, собственные колебания происходят с собственными частотами – с любой из них или одновременно со многими. А что будет, если мы будем извне «навязывать» упругому телу колебания с какой-то частотой? Возникнут колебания, которые называют вынужденными.

Попробуйте закрепить один конец длинного шнура (желательно эластичного), а другой конец периодически раскачивать рукой. По шнуру побежит какая-то рябь. Но постарайтесь подобрать такую частоту качаний, чтобы на длине шнура уложилась одна или несколько полуволн (как на рисунке 5) – шнур отзовётся колебанием значительной амплитуды. Мы наблюдаем при этом явление резонанса – резкое возрастание амплитуды вынужденных колебаний при совпадении частоты вынуждающего периодического воздействия с любой из собственных частот.

Говорят, что Карузо мог разбить бокал голосом, взяв ноту надлежащей высоты. В середине XIX века во Франции рухнул мост, по которому проходил отряд солдат. В Петербурге в XIX веке таким же образом обрушился Египетский мост (с тех пор солдатам запрещено ходить по мостам в ногу). Это всё примеры проявления резонанса.

Слово «резонанс» происходит от французского resonance – звучать, откликаться.

Резонанс может возникнуть только там, где возможны колебания. Колебаться (а значит, и резонировать) могут твердые тела (металл, дерево и прочие), жидкие (вода в сосуде), газообразные (воздух в трубе).

Явление резонанса используют, чтобы усиливать звучание тех или иных частот и формировать нужный тембр музыкального инструмента.

Как сделать резонатор – устройство, которое «откликается» на колебания, близкие к его собственной частоте (любой из них)? Очень просто: берём любой полый предмет, наполненный воздухом и сообщающийся с атмосферой одним или несколькими отверстиями – это и есть резонатор. Главным резонирующим телом является именно воздух внутри полого предмета, хотя и стенки тоже дают свой вклад. Узнаёте в этом описании корпус скрипки, гитары?

Если у вас есть камертон, вы легко убедитесь, что он звучит заметно громче, когда поставишь его ножкой на стол. И звук смартфона будет громче, если вы положите его на твёрдую поверхность стола. Стол играет в этих случаях роль резонатора. Из-за сложной формы стола его собственные частоты образуют широкий непрерывный спектр, так что он с готовностью откликается на любую частоту. Хотя отклик этот будет и не слишком сильным, но всё же благодаря своей большой площади поверхности стол породит более интенсивную звуковую волну в воздухе, чем маленькие ножки камертона или мембрана динамика смартфона.

Резонанс и резонаторы в музыке играют огромную роль. Сама по себе струна звучит едва слышно, потому что площадь её соприкосновения с воздухом очень мала и в колебательное движение вовлекается мало частиц окружающего воздуха. Только в соединении с резонатором струны приобретают надлежащую звучность.

Если резонатор сильно откликается на очень узкий диапазон частот, то это, как говорят физики, добротный резонатор. Примером добротного резонатора может служить длинный полый ящик или труба с одним или двумя открытыми торцами – он будет резонировать только на избранные частоты, а на остальные не реагировать. Но такие резонаторы не годятся для музыкальных инструментов! Все резонаторы музыкальных инструментов «плохие», то есть обладают низкой добротностью: они усиливают звук на всех частотах, но понемножку. Добротные резонаторы были бы для музыкальных инструментов сплошным бедствием: ведь они усиливали бы только звуки избранных резонансных частот.

Голос каждой скрипки, каждого инструмента индивидуален, как и голос каждого человека. Но всё же вы отличаете звучание любой скрипки (и грубой школьной, и шедевра Страдивари) от звучания любой виолончели, флейты или кларнета. По каким признакам вы это делаете?

Секрет спрятан в особой и неповторимой форме резонаторов. Эти формы совершенствовались столетиями в руках мастеров. Хотя резонаторы музыкальных инструментов усиливают звуки любой частоты, но на некоторые полосы частот они откликаются особенно охотно. Области частот, которые усиливаются резонаторами данного вида инструментов лучше остальных частот, называют формантами этого инструмента. Независимо от частоты основного тона, сильнее будут звучать те обертоны, которые попадают в область формант. Форманты всех скрипок одни и те же, как и форманты всех флейт. Так, благодаря избирательному усилению обертонов создаётся характерный узнаваемый тембр инструмента.

Резонатором рояля служит большая дека, на которой крепятся струны. Большая площадь деки позволяет добиваться большой мощности излучения звуковых волн в окружающее пространство, то есть производить громкий звук.

У скрипки и её «родственников» на звучание струн отзываются корпус и воздух в корпусе. Сложная форма корпуса создаёт необходимый набор формант. Прорези эфы нужны для того, чтобы звуковые колебания, усиленные в воздушном резонаторе, могли свободно выходить наружу.

У медных духовых инструментов форманты определяются раструбом, из которого выходит звук.

Индивидуальность же звучания каждой отдельной скрипки прячется в неповторимых деталях: породе и качестве дерева, его возрасте,