Реферат: Физика музыкальных инструментов

История сохранила сведения об уникальных инструментах. Итальянский композитор и теоретик музыки Вичентано, например, сконструировал клавесин вообще без клавиатуры! Интересный инструмент построили амстердамские мастера. Как бы в противовес спорам между сторонниками клавесина и клавикорда они объединили эти два инструмента в одном корпусе. Справа размещалась клавиатура клавикорда, слева — клавесина. Один музыкант мог чередовать в своей практике оба инструмента, но можно было сесть вдвоем и сыграть дуэтом на клавикорде и клавесине. (Позже точно так же был создан инструмент, объединяющий клавесин и фортепиано.)

Но как ни старались мастера, они не могли преодолеть основной недостаток клавесина — его однообразное по громкости звучание. Громкость звука зависела не от того, с какой силой музыкант ударял пальцем по клавише, а от упругости перышка, защипывающего струну. Искусные музыканты могли взять звук чуть-чуть тише, но такой небольшой разницы в силе звучания уже не хватало. Были скованы и композиторы. В нотах музыкальных пьес, предназначенных для клавесина, они не могли указать "фортиссимо", т.е. "очень громко", т.к. звали, что громче какого-то среднего уровня клавесин звучать не может. Не могли указать "пиано" и тем более "пианиссимо", те. "тихо" и "очень тихо", т.к. знали, что на такие нюансы этот инструмент тоже не способен. Клавесины снабжались двумя и даже тремя клавиатурами и комплектами струн, разными и по тембру, и по громкости, так что два разных музыкальных предложения можно было играть с различной громкостью, однако внутри предложения звуки были однообразными.

Фортепиано. История возникновения

Назревала идея нового инструмента, который сохранил бы все достоинства клавесина, а точнее, клавишеструнника вообще, но вдобавок стал бы более послушен то энергичным, то мягким движениям пальцев музыканта. Иначе говоря, мог бы как угодно гибко звучать и "форте", и "пиано". Стоит ли удивляться, что новый инструмент, воплотивший в себе эту главную идею, так и стал называться — фортепиано?

Однако сразу надо сказать, что полностью задача, которая была поставлена старыми мастерами, не решена до сих пор. Да, родился новый клавишеструнник, но это был другой инструмент, в тембре звучания которого инструмент, к которому нужно было привыкать заново.

Обычно историю фортепиано выводят по такой простой схеме: клавикорд — клавесин — фортепиано. Но эта схема говорит больше о возрасте каждого клавишеструнника. действительно, раньше всех появился клавикорд, потом клавесин, а самый молодой инструмент — фортепиано. Однако, если мы отбросим хронологию и примем во внимание устройство главного узла, который передает механическое движение с клавиши на струну, то убедимся, что предшественником фортепиано был не клавесин, а клавикорд. В клавикорде и фортепиано происходит удар по струне, а в клавесине струна защипывается. Правда, этот главный узел стал в фортепиано очень сложным, никак не похожим на тангент клавикорда, но принцип остался прежним — удар по струне. Поэтому и клавикорд, и фортепиано можно классифицировать как струнно-клавишно-ударный инструмент, а клавесин — как струнно-клавишно-щипковый.

Изобретение фортепиано принято связывать с именем флорентийца Бартоломео Кристофори. Но когда идея носится в воздухе, ее воплощают почти одновременно и независимо друг от друга разные люди. Так случилось и с фортепиано. Во Франции Жан Мариус, в Германии Готлиб Шрётер предложили свои конструкции нового инструмента.

Первые инструменты были настолько несовершенными, что о немедленном и безоговорочном их признании не могло быть и речи Жан Марнус, например, не предусмотрел глушители для струн, и во время игры звучание сливалось в сплошной гул. У инструмента Шрётера все было наоборот: струны заглушались так быстро, что не получалась певучая мелодия. Инструмент Кристофори оказался более удачным, да и публике был продемонстрирован раньше.

Бартоломео Кристофори работал хранителем в реставратором музея музыкальных инструментов во дворце флорентийского герцога Медичи. Однажды гостям герцога объявили, что их ожидает сюрприз: изобретенное Кристофори фортепиано. Но ожидаемой радости не получилось. Фортепиано гостям не понравилось — его звучание показалось чересчур грубым по сравнению с клавикордам и клавесином. Вряд ли кто-нибудь из гостей мог предположить, что присутствует при рождении инструмента, которому уготовано столь блестящее будущее.

Не будем обвинять вельможных визитеров герцога в отсутствии вкуса. Звучание первого фортепиано, продемонстрированного в 1709 г., действительно было грубым. Хотя инструмент был способен даже в одной музыкальной фразе издавать то очень тихие, то громкие звуки, сами звуки были маловыразительными. Поэтому в Италии эксперимент так и остался экспериментом. Фортепиано было забыто здесь на многие десятилетия, да и потом с большим трудом обретало популярность.

Больше повезло новому инструменту в Германии. Музыкальный мастер Готфрид Зильберман, державший в Дрездене клавесинную фабрику, наладил производство фортепиано. Эти инструменты звучали уже лучше первых моделей, но до более или менее приемлемых им было еще далеко. Многие композиторы в исполнители того времени отзывались о фортепиано неодобрительно. Зильберман показывал один из своих инструментов Иоганну Себастьяну Баху, но ожидаемой похвалы не получил. Бах откровенно сказал, что фортепиано звучит грубо и примитивно. Правда, когда через двадцать лет Зильберман вновь продемонстрировал свои лучшие образцы, великий маэстро высказался значительно более мягко. Тем не менее, фортепиано мало-помалу прокладывало себе дорогу к признанию, хотя почти сто лет не могло конкурировать ни с клавикордам, ни с клавесином.

Принципиальная новизна фортепиано заключалась в том, что по струне ударял молоточек, связанный с клавишей. Забывать о клавише нельзя, потому что просто удар молоточком по струнам был известен и раньше, — так играли, например, на цимбалах. Музыкант держал в каждой руке по молоточку и ударял ими по струнам, натянутым над деревянным резонатором. Понятно, что цимбалист способен извлечь одновременно лишь два звука, а музыкант. Играющий на фортепиано десятью пальцами, — больше.

Молоточек был связан с клавишей не так жестко, как тангент в клавикорде или стойка с перышком в клавесине, между ними были еще в детали-посредники. После нажатия на клавишу молоточек ударял по струне и отскакивал, не дожидаясь, пока клавиша будет отпущена. Причем сила удара зависела от того, мягко или энергично нажималась клавиша. Эта новизна очень значительна, именно она дала жизнь фортепиано. Все остальное — корпус, рама. Струны, колки, дека — было заимствовано у клавесина, во всяком случае, на первых порах.

А дальше, примерно до середины истории фортепиано, шла борьба за качество звука. Поначалу много экспериментировали со струнами, считая, что звучание инструмента можно смягчить, сделать более благородным, если правильно подобрать струны. Эксперименты в этом направлении не принесли заметных успехов. Тогда решили увеличить натяжение струн. Но в старых конструкциях натягивать струны сильно было нельзя, потому что деревянная рама, на которой они держались, коробилась и даже ломалась. Стали укреплять раму железными ребрами, но все равно жесткость оставалась недостаточной. И тогда попробовали отлить раму целиком из чугуна. Результаты сказались сразу же: сильно натянутые на чугунной раме струны зазвучали гораздо лучше. Теперь-то мы знаем, что мастерам надо было учитывать частоту колебаний струн, которая обратно пропорциональна длине струны, прямо пропорциональна квадратному корню из натяжения струны, обратно пропорциональна диаметру и обратно пропорциональна квадратному корню из плотности. Также частота колебаний зависит от материала, из которого изготовлена струна.

Итак, чугунная рама фортепиано появилась в 1825 г., приблизительно в середине его истории. И тут надо сказать, что это время было особенно насыщено усовершенствованиями. Француз Себастьян Эрар дополнил молоточковый механизм так называемым репетиционным (т.е. повторяющим) устройством. До этого нововведения приходилось отпускать клавишу до конца, чтобы она подготовилась к новому удару, поэтому брать подряд быстрые короткие звуки одной высоты не удавалось. Репетиционное устройство при нажатой клавише не возвращало молоточек на свое место, а удерживало вблизи струны, и теперь можно было, чуть отпустив палец, нажать клавишу снова. Музыканту стали доступны очень быстрые повторные звуки. И только когда клавиша отпускалась до конца, молоточек возвращался на свое место.

Прошло каких-нибудь двадцать лет — и вновь серьезное усовершенствование. Деревянный молоточек раньше обтягивался лосиной кожей, а теперь его обтянули фильдем — высококачественной разновидностью технического войлока. Тембр звука стал значительно мягче.

И, наконец, еще через полтора десятка лет обнаружили, что если струны натягивать не строго параллельно друг другу, а так, чтобы они чуть расходились от того места, где расположены молоточки, к заднему краю инструмента, звук получается лучше. Одновременно было внедрено и такое нововведение: струны легли не в одной плоскости, а в двух. Басовые пошли от левой части молоточкового механизма к заднему правому углу инструмента, а тонкие расположились перекрестно к басовым и пошли под ними — от правой части механизма к заднему левому углу. От этого улучшился резонанс деки.

Вот теперь это было то фортепиано, которое мы знаем: с сильным, полным, благородным звучанием. Усовершенствования продолжались и дальше, но они были уже не столь принципиальными, хотя, конечно же, улучшали звук. Так инструмент, который поначалу был, отвергнут как грубый и примитивный, обрел право на жизнь.

К сожалению, не все любят фортепиано. И чаще всего потому, что не слышали настоящего звучания этого инструмента. Попытаемся объяснить, в чем дело. Каждый звук фортепиано отчетливо делятся на две части: начало (в момент удара молоточка по струне) и продолжение (когда струна звучит сама по себе). Причем начало звука всегда получается намного более громким, чем продолжение. Можно, конечно, взять тихий звук, но в этом случае продолжение будет еще тише. И вот этих-то продолжений мы очень часто не слышим вообще, если слушаем фортепианное произведение по радиотрансляционному динамику, посредственному транзисторному приемнику или с пластинки, поставленной на проигрыватель.

Один пианист, тонко управляя при ударе не только клавишей, но и педалями, заставляет струну и после удара звучать так, как ему хочется, а другой эти тонкости упускает. У первого продолжения звуков будут богаты разными опенками, у второго же останутся однообразными. Это однообразие — частый спутник любительской игры на фортепиано, поэтому нельзя судить об инструменте, не услышав безукоризненного исполнения, и лучше всего — в концертном зале.

Устройство современного фортепиано.

Пора перейти от родового названия инструмента к видовому: конкретно мы знаем не фортепиано, а пианино и рояль, потому что фортепиано — это собирательное название клавишеструных молоточковых инструментов — роялей и пианино.

Что касается рояля, то его называют королем музыкальных инструментов. К его несомненным достоинствам относится то, что рояль охватывает почти весь слышимый музыкальный диапазон. Если пока брать во внимание только высоту звука, то в музыкальное пространство рояля может уложиться большой симфонический оркестр со всем многообразием инструментов.

Пианино — инструмент компромиссный. Его звучание заведомо хуже, зато это более компактный инструмент. (Тем не менее встречаются великолепные пианино и весьма посредственные рояли.)

Рояль полнозвучен главным образом потому, что в нем можно использовать более длинные струны и большую резонансную деку. Кроме того, можно поднять крышку, и не останется никакой преграды между струнами и слушателями. Зато пианино легко поставить в небольшой комнате, и оно отлично уживется в ней рядом с обычной мебелью.

Очень важная деталь и рояля, и пианино — дека. Это деревянный щит, склеенный из отдельных досок. В рояле дека размещается горизонтально под струнами, а в пианино вертикально. Она не только усиливает звук, но и участвует в формировании тембра инструмента, причем так, что от характерного струнного звука мало что остается, — мы слышим звучание дерева. Деку делают из резонансной ели, иногда из сосны, причем дерево специально подбирают, чтобы слои в нем были узкими и прямыми, без сучков. И конечно же, дерево для деки должно быть сухим и выдержанным.

Если взглянуть на струны рояля, можно заметить, что в способе их крепления много общего с обычными струнными инструментами, например с мандолиной. Одним концом каждая струна крепится на чугунной раме (Рис.6.) (у мандолины — к металлической накладке на корпусе), потом перекидывается через укрепленную на деке деревянную подставку, которая передает деке колебания струн, затем переходит через порожек на противоположной стороне рамы и, наконец, наматывается на колок. Но даже восемь струн мандолины, натягиваясь, способны покоробить корпус инструмента, что же говорить о рояле, в котором две с лишним сотни струн! Чугунная рама должна выдерживать усилие примерно в 20 т. А больше двухсот струн набирается в рояле и пианино оттого, что для каждого звука натягиваются две или три одинаково настроенные. Ведь и в мандолине мы наблюдаем примерно то же самое: считается, что у нее четыре струны, но они двойные, поэтому получается восемь.

Рис. 6. Так натягиваются струны рояля (вверху) и мандолины (внизу). Принципиальной разницы, как видите, нет. Учтите только, что мандолина для наглядности сильно увеличена.

Струны, переходя через подставку на деке, давят на нее с достаточно большей силой — примерно в полтонны. Поэтому дека должна быть не только гибкой, но и очень прочной. Для этого в роялях ее делают чуть выгнутой в сторону струн. Ручные струнные инструменты рас страиваются очень быстро. Мандолину, домру, гитару каждый раз перед игрой приходится подстраивать. Для рояля и пианино это было бы совершенно неприемлемым, хотя бы потому, что тогда и вовсе некогда было бы играть, — процесс настройки этих инструментов долог. По этому колки у них устроены особо: они плотно запрессованы в деревянную раму, которая соединена с чугунной. Каждое отверстие для колка свернётся с таким расчетом, чтобы оно было меньше диаметра самого колкая 1,5 мм, и когда в это отверстие с большим усилием вгоняют колок, он сидит в нем так плотно, что провернуть его можно только специальным ключом.