Почему звучит саксофон? Это введение в физику саксофона не требует никакой математики, кроме умножения и деления, или каких-либо технических знаний в области акустики. Чтобы получить некоторую предварительную информацию о звуках и вибрации, можно почитать введение в разделе Почему звучат деревянные духовые инструменты?. Для получения справочной информации по темам акустики (волны, частоты, резонансы, децибелы и т. д.) там же можно почитать раздел «Основы» на панели навигации слева.
Введение
Саксофонист обеспечивает поток воздуха с давлением выше атмосферного (технически это давление в несколько кПа или несколько процентов выше атмосферы, применительно к водяному манометру, позволило бы поддерживать разницу в высоте водяного столба около 30 см). Это источник энергии, подаваемой на инструмент, но это источник постоянной, а не "вибрационной" энергии. В полезной аналогии с электричеством это похоже на электрическую мощность постоянного тока. Звук создается колебательным движением или потоком воздуха (например, электричеством переменного тока). В саксофоне трость действует как колеблющийся клапан (технически это управляющий генератор). Трость вместе с резонансами воздуха внутри инструмента, создает колеблющуюся составляющую как потока, так и давления. Когда воздух в саксофоне вибрирует, часть энергии излучается в виде звука из раструба и любых открытых отверстий. Гораздо большее количество энергии теряется в виде трения (вязких потерь) со стенкой. В продолжительной ноте, эта энергия заменяется энергией, вложенной исполнителем. Столб воздуха в саксофоне на одних частотах колеблется намного легче, чем на других (т.е. он резонирует на определенных частотах). Эти резонансы в значительной степени определяют частоту колебания и, следовательно, высоту звука. И, по сути, исполнитель выбирает желаемые резонансы с помощью подходящих комбинаций клавиш. Давайте теперь посмотрим на эти компоненты по очереди и подробно.
Трость контролирует воздушный поток
Трость упругая и может гнуться. Фактически, она сама по себе может колебаться, как пружина - для саксофониста это плохая новость: так получается писк. Как мы увидим, обычно вибрация язычка контролируется резонансами воздуха в саксофоне. Но верно также и то, что вибрация трости контролирует поток воздуха в саксофон: они взаимосвязаны.
Представим себе равномерный поток без вибрации и его зависимость от разницы в давлении между ртом исполнителя и мундштуком. Если вы увеличите эту разницу давлений, больше воздуха должно проходить через узкий зазор, оставшийся между кончиком язычка и кончиком мундштука. Таким образом, график зависимости расхода от перепада давления быстро растет: он имеет положительный наклон. Однако по мере того, как давление становится достаточно большим, чтобы согнуть трость, он воздействует на тонкий конец язычка и стремится подтолкнуть его вверх, чтобы закрыть отверстие, через которое входит воздух (стрелка на эскизе слева). Действительно, если подуть достаточно сильно, он полностью закроется, и поток упадет до нуля. Таким образом, диаграмма потока-давления выглядит так, как на графике, представленном ниже, с верхней кривой для небольшой силы прикуса и нижней кривой для большего прикуса. (Изгиб сильно зависит от жесткости язычка, угла установки и кривизны рельсов.)
Трость (как скажет вам любой саксофонист) - это ключ к созданию звука. Исполнитель действительно работает, чтобы обеспечить поток воздуха с давлением выше атмосферного: это источник энергии, но он (более или менее) устойчивый. Что преобразует постоянную мощность (постоянный ток) в акустическую (переменный ток), так это трость. Первая часть графика представляет собой что-то вроде сопротивления: поток увеличивается с увеличением разницы давлений. Как и электрическое сопротивление, акустический резистор теряет мощность. Таким образом, в этом режиме саксофон не играет, хотя есть некоторый хриплый шум, поскольку воздух бурно проходит через зазор между язычком и мундштуком. Рабочий режим - это наклонная вниз часть кривой. Вот почему существует как минимальное, так и максимальное давление (для любой трости), при котором воспроизводится нота. Дуете слишком слабо, и вы получите воздушный шум (левая часть графика), дуете слишком сильно, и отверстие закрывается (где график пересекает ось справа). (На приведенной выше диаграмме верхняя кривая может представлять более жесткую трость или более открытый мундштук, или меньшее усилие губ: в любом случае требуется большее давление, чтобы закрыть язычок.)
Читатели, знакомые с электричеством, видя область кривой, в которой поток уменьшается с увеличением давления, распознают это как отрицательное (переменное) сопротивление. В то время как положительное сопротивление забирает энергию из цепи, отрицательное сопротивление вводит энергию в цепь (как это происходит, например, в генераторе с туннельным диодом). В саксофоне именно это отрицательное сопротивление переменного тока обеспечивает потерю энергии в остальной части инструмента. Большая часть энергии теряется внутри отверстия в виде вязких и тепловых потерь на стенки, а относительно небольшая часть выделяется в виде излучаемого звука.
Другой способ понять активную роль трости - это рассмотреть небольшую волну избыточного давления, исходящую из отверстия в мундштуке. Это немного приоткрывает отверстие под тростью, впуская больше воздуха изо рта игрока. Этот дополнительный воздух еще больше увеличивает давление в мундштуке, поэтому большая волна давления отражается обратно вниз по каналу. И наоборот, волна отрицательного давления, поступающая в мундштук, немного закрывает язычок, уменьшая поток и еще больше уменьшая давление.