Воздух является упругим телом. Столб воздуха в трубе или ящике обладает определенным набором собственных частот. В столбе воздуха могут возникать стоячие волны. Если труба закрыта с двух концов, то на ее краях образуются узлы стоячей волны. Частоты собственных колебаний будут определяться формулой
: n = v k / 2l
где v — скорость звука, l — длина трубы, к=1, 2,3,… Если труба открыта с одного конца, то у открытого конца образуется пучность смещений. Поэтому вдоль трубы (или ящика) при колебаниях основной частоты укладывается четверть длины волны. Частота основного тона равна в этом случае
: n = v /' 4l
Основной тон резонаторного ящика совпадает с собственной частотой колебаний камертона. Поэтому под влиянием периодической силы, с которой камертон действует на крышку ящика, в ящике возбуждается интенсивная стоячая волна. Звуковая волна создается в основном за счет колебаний воздуха в ящике, а не ветвей камертона. В духовых музыкальных инструментах (орган, кларнет, саксофон и т. д.) под действием воздушной струи возбуждаются колебания с частотой, очень близкой к собственной частоте колебаний столба воздуха в трубе. В зависимости от длины трубы возбуждаются колебания той или иной частоты.
Стоячие волны в ящике, изображенном на рис.6: а) основное колебание; б) первый обертон; в) второй обертон.
Рис.6
Роль резонаторов играют корпуса всех струнных музыкальных инструментов (гитары, скрипки, рояля и т.п.). Но резонатор камертона должен усиливать только один, основной тон, а корпуса музыкальных инструментов - множество тонов и гармоник.
Изменение любой детали в архитектуре, например, скрипки, обязательно приведет к изменению характера ее звучания, тембра. Полный и точный расчет оптимальной формы музыкального инструмента пока выходит за пределы возможностей современной науки из-за необычайной сложности. И в настоящее время создание инструмента – это скорее искусство, чем техника, это итог творчества мастера, интуитивно придающего нужный облик своему творению. Поэтому до сих пор остаются непревзойденными шедевры гениальных мастеров Амати, Гварнери, Страдивари. Вид резонатора определяет, какие из обертонов будут усилены («подчеркнуты» в звучании), а какие ослаблены или вовсе подавлены. Именно это отличает звук одного музыкального инструмента от другого, даже если они звучат на одной ноте. Любой духовой инструмент состоит из двух элементов: генератора шума (источника звука, излучающего звуки всех частот) и резонатора в виде столба воздуха, находящегося внутри трубы. Генератором шума служит мундштук, трость и т.п., помещенные в закрытом конце трубы. Из всего множества звуков разных частот, издаваемых генератором шума, резонатор усиливает те, которые удовлетворяют условиям возникновения стоячих волн, и подавляет все остальные. Если музыкант желает извлечь звук другого тона (сыграть другую ноту), он изменяет длину резонирующего воздушного столба.
