Физика и музыка

из колебаний камертонов. Чашечки камертонных резонаторов пели хором то как флейта, то как труба. Даже человеческие голоса — звуки гласных — удавалось воспроизводить искусственно. Камертоны буквально «произносили» гласные «а», «о», «и», «у».

После исследований Гельмгольца физика действия «музыкальной посуды» стала ясной, во всяком случае, принципиально.

ВОЗДУХ КАК ПРУЖИНА

В музыкальном резонаторе главной составной частью служит воздух. Это доказал Гельмгольц. Мы знаем, что воздух упруг. Значит, упруги и столбики его, «налитые» в стволы рогов и флейт, валторн и тромбонов. А как должно вести себя длинное упругое тело? Как струна.

Разница, разумеется, есть. Струна вибрирует поперек своей длины, а воздух — вдоль. Газовый столб скорее похож на длинную спиральную пружину. Кроме того, воздушная пружина неизмеримо легче стальной, колеблется гораздо чаще и очень быстро успокаивается. Потому-то ее и нельзя возбудить одним толчком. Зато на вибрацию она отзовется мерной дрожью собственных вынужденных колебаний. Так воздушный столбик резонирует — откликается громким голосом на почти беззвучные колебания вибраторов.

Флейтист дует в дульце — воздушная «пружина» встряхивается и поет. Флейтист перебирает дырочки — «пружина» удлиняется, укорачивается, звучит разными голосами. Флейтист дует сильнее — «пружина» встряхивается чаще, «ломается пополам», и слышится наш старый знакомый — первый обертон. Еще сильнее дуновение — появляется второй обертон, потом третий и другие — высшие. Такой перелив обертонов — не что иное, как передувание, распространеннейший способ игры на всех духовых инструментах.

«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.

В 1911 году скрипки Чернова подверглись серьезному испытанию: в Малом зале Петербургской консерватории перед собранием опытных музыкантов они звучали попеременно со старинными итальянскими. Скрипачи играли за ширмой — слушатели не знали, какая скрипка звучит в данный момент. И Чернов одержал победу. Многие из его инструментов были оценены не хуже кремонских.

Такие экзамены в последние десятилетия стали традицией. Очень часто их с честью выдерживали мастера-искатели — те, что изучали звук, внимательно читали статьи акустиков, штудировали теорию упругости, сопромат. Прекрасных результатов добилась школа советских творцов смычковых инструментов. Ее основатели — Евгений Францевич Витачек и Тимофей Филиппович Подгорный — были в равной мере мастерами и учеными и передали этот благотворный завет своим многочисленным ученикам и последователям.

Много ценного сделал также немецкий скрипач, мастер и акустик Карл Фур. Он еще дальше продвинул изучение скрипичного резонатора.

Но, пожалуй, наиболее интересные страницы в биографии скрипки были написаны тогда, когда сама жизнь заставила работников музыкальной промышленности обратиться к науке. Произошло это в нашей стране и началось примерно четверть века назад.

ДЕРЕВО ОТДАЕТ СЕКРЕТЫ

Комсомольцы 30-х годов никогда не забудут, за что они бились в горячие дни своей юности. В ту пору во весь рост встало кровью завоеванное богатырское слово наше. За нашу, советскую индустрию, за сталь, выплавленную нами, за уголь, добытый нашими руками.

Как можно меньше заграничного! Великая страна расправляла плечи, рвала кандалы экономической зависимости от жадного Запада. И вместе с делами-гигантами быстро и напористо решалась сравнительно маленькая, частная, но дорогая человеческому сердцу задача созидания отечественной музыкальной промышленности.

Как везде, здесь нашлись свои энтузиасты. Как везде, объявились трудности. Пожалуй, главной послужила проблема материала. И не металла для труб не было. Латунь всюду одинакова. Как ни странно, дело упиралось в древесину.

Уж чем-чем, а лесом мы не бедны. И вдруг — нет досок для скрипок и гитар! Это ли не парадокс!

Но так действительно было. Дореволюционные русские мастера пользовались только привозным деревом. По застарелому предрассудку, ревностно поддерживавшемуся владельцами «заветных» рощ и лесов, деки скрипок и виолончелей выделывались из чешской ели, донья — из австрийского клена. О качестве материала судили не по свойствам его, а по обратному адресу, стоявшему на заморской посылке, за которую надо было платить чистым золотом.

Положить конец этой нелепой традиции, разыскать собственные «музыкальные» деревья — так решили в только что организованном в Ленинграде Институте музыкальной промышленности.

Исследования возглавлял профессор Николай Николаевич Андреев, ныне академик, старейшина советских акустиков. И очень скоро он нашел эффективный метод выбора звучащей или, как говорят физики, «резонансовой» древесины.

Свои умозаключения Николай Николаевич поясняет лаконично и наглядно: надо, чтобы деревянная дека как можно быстрее проводила звуковые волны, иначе подведенные к ней колебания будут сталкиваться, образовывать лишние стоячие волны, из-за этого появятся вредные линии узлов, и дека станет раскачиваться словно коромысло — не расталкивать воздух, а перебрасывать его с места на место. Значит, первое требование к резонансовой древесине — высокая скорость звука в ней. Но это не все.

Надо вместе с тем, продолжает ученый, чтобы размах колебаний деки был как можно большим. Лишь тогда скрипка как следует растрясет окружающий воздух. А заметный размах получится только в легкой, подвижной деке. Значит, второе требование к резонансовой древесине — легкость, малая плотность.

И вот уже готова математическая формула: проводится черта дроби, в числителе ставится скорость звука, в знаменателе — плотность. Чем больше величина этой дроби, названной «акустической постоянной», тем лучше, «музыкальнее» древесина.

Если говорить честно, вывод акустической постоянной далеко не так прост. Пришлось изучить внутреннюю структуру дерева методами кристаллофизики. Позднее другой советский акустик, Андрей Владимирович Римский-Корсаков (внук знаменитого композитора), дополнил формулу Андреева еще одной физической величиной, учитывающей скорость затухания колебаний в древесине. Так впервые в мире появилось научное руководство для подбора «музыкального» дерева.

И поехали во все концы страны разведчики резонансовой древесины. И во многих лесах нашлись отличные ее образцы — ничуть не хуже, а порой и лучше заграничных.

КОНВЕЙЕР НАЧИНАЕТ РАБОТУ

А в Москве тем временем разворачивала работу первая в СССР фабрика смычковых инструментов. Ее спроектировал и организовал еще один энтузиаст — главный инженер промышленности музыкальных инструментов Израиль Зеликович Алендер. Немало споров пришлось выдержать этому деятельному, острому на язык человеку.

Ему говорили:

— Невозможно, немыслимо механизировать таинство творчества скрипичного мастера.

А он отвечал:

— Возможно! И не только механизировать, но и автоматизировать! Ибо изготовление скрипки — чистейшей воды деревообделочное производство, соединенное с акустикой.

В подкрепление слов он заказал станки-автоматы для выделки дек и оснастил ими фабрику.

Ему продолжали твердить:

— Скрипка — это плод артистического вдохновения! Это душа, воплощенная в дерево. А он отвечал:

— Идеалистические бредни! Мистика! Скрипка есть материал плюс форма, и ничего больше.

Материал плюс форма. Это определение не претендовало на новизну. Все подлинные мастера его чувствовали. Но теперь оно наполнилось новым содержанием.

Материал отдал науке свои последние секреты. Акустическая постоянная Андреева открыла суть чудесного чутья Страдивари, Знание даже превзошло интуицию легендарного умельца.

А форма? Здесь положение было сложнее Тонкости скрипичного резонатора упорно ускользали от математического расчета. II Алендер решил идти другим путем — путем длительных и кропотливых экспериментов. Упорно анализировать звук и углубляться в физические причины его красоты—вот что надо делать. И, пока с конвейера фабрики сходили дешевые и добротные скрипки для бурно растущей сети музыкальных школ, Алендер подготавливал исследования, дальняя цель которых была фантастически дерзкой: выпускать на автоматических станках инструменты лучше старинных итальянских.

О том, чтобы этот гордый замысел сбылся сразу, с лету, нельзя было и мечтать. Опыт многотрудных поисков, начавшихся еще во времена Савара, доказывал колоссальную сложность поставленной задачи. Но исследователь наметил план на много лет вперед и засучив рукава взялся за дело.

ОБУЧЕНИЕ СЛОВАМ

Началось с азов, с обучения словам. Какие скрипки хотят иметь музыканты? Хорошие? Этого мало. Как бы сказать поточнее?

Скрипачи охотно пустились в объяснения. Желательно, заявили они, чтобы скрипки пели с «глубиной» и «теплотой», с «серебристым» оттенком, неплохи «ясные» и «благородные» тембры, а вот звук «с песочком» или, скажем, «гундосый» нехорош. В лексиконе музыкантов набралось великое множество слов — убедительных, образных, но, по существу, не имевших никакого отношения к звуку. Ведь остротой отличаются топоры, яркостью — краски, теплотой — печи.

Что ж, значит, надо уразуметь, какой акустический смысл скрыт за туманными определениями скрипачей. Надо пригласить музыкантов, поиграть перед ними на разных скрипках, спросить, какая как звучит, и затем рассортированные инструменты подвергнуть научному анализу. На том и порешили.

Собрали музыкантов—целую комиссию. Каждому вручили отпечатанную анкету-ведомость с графами для оценки качества и характера звуков.

Вот опытнейшие знатоки сидят перед ширмой, за которой играют по очереди разные скрипки. Казалось бы, все в порядке. Но до чего же трудно оказалось осуществить задуманное! Очень скоро выяснилось, что скрипачи путаются в своих суждениях. Не видя скрипки, а лишь слушая ее звук, они дают ему иной раз прямо противоположные характеристики.

Профессор консерватории пренебрежительно обзывал какую-нибудь скрипку «гнусавой», а его не менее компетентный коллега награждал ее звук лестным эпитетом «бархатистый». Поди узнай, какова скрипка на самом деле! Причудливо прыгали оценки даже одного и того же эксперта.

Алендер со смехом вспоминает анекдотический случай, когда весьма известный музыкант внезапно и кардинально изменил отношение к «экзаменовавшимся» инструментам. Сперва всем скрипкам подряд он ставил отметки не выше двойки (по пятибалльной системе, как в школе), причем чаще всего — единицы, единицы с минусом и нуди. Ничего ему не нравилось! Даже подмешанный к фабричным инструментам благородный Страдивари получил незаслуженную двойку.

А в один прекрасный день вместо единиц щедро посыпались четверки да пятерки. В чем же дело? Наш эксперт в ту нору, оказывается, добивался руки своей будущей жены. Сначала он получил отказ (период двоек, и единиц), а потом — согласие (период четверок и пятерок).

Неожиданности подстерегали всюду. У экспертов менялось настроение по всевозможным поводам: из-за погоды, из-за международной обстановки, из-за итогов последнего футбольного матча.

Имело значение и состояние скрипача, игравшего. за ширмой. Он-то ведь знал, на каком инструменте играл, и если держал в руках скрипку Страдивари, то невольно относился к ней возвышенно и благоговейно, что немедленно улавливали эмоциональные, чуткие слушатели.

И все-таки это был единственный способ оценки инструментов. Отказаться от мнения музыкантов — значило обречь на провал все дело, как это и произошло в свое время с затеей Савара.

И тут же начались акустические исследования инструментов.

СЕМЬ КИЛОМЕТРОВ ОБОЕВ