Дж.В. Стретт - Теория звука (1124008), страница 47
Текст из файла (страница 47)
Когда вынимают пробки из частично наполненных бутылок или когда резко снимают крышки круглых картонных пеналов, свободные колебания резонирующих столбов воздуха возбуждаются именно этим путем. Если колебания необходимо поддерживать для того, чтобы обеспечить непрерывное непускание внука, то колеблющееся тело должно быть соединено с источником энергии (й 68а); при этом взаимодействие между источником и телом должно быть таким, чтобы имело место правильное соотношение фаз. Вопрос о том, что именно является источником звука — источник энергии или резонатор, — не имеет особенного значения, и на него можно ответить по-разному, в зависимости от точки зрения в данный момент.
В органе источником звука является скорее труба, нежели сжатый воздух внутри мехов или даже струя воздуха, но когда звучание подобной трубы поддерживается пламенем, то преимущественная роль в их соединенном эффекте обычно отдается последнему. До настоящего момента истолкование незатухающих (поддер>киваемых) колебаний довольно просто, но для полной теории в каком-либо частном случае требуется такое исследование взаимодействия, которое определит соотношение между фазами.
От этого зависит вопрос о том, будет ли взаимодействие благоприятным или неблагоприятным для продолжения колебаний; определить же это часто очень трудно. 2!4 [гл. хш теОРия Резонатогов Прежде чем перейти к обсуждению действия дутья, целесообразно остановиться несколько подробнее на свойствах органной трубы, рассматриваемой просто как резонатор. Мы видели (8 314), как следует учитывать верхний открытый конец, но согласно правилу Кавайе-Колла полная поправка, которую нужно прибавить к измеренной длине открытой трубы, чтобы получить приблизительное согласие с простой формулой (8) 8 255, достигает величины 3'/а)2, что значительно больше поправки 1,2)с, необходимой для простой трубы кругового сечения, открытой с обоих концов. Это расхождение иногда приписывается дутью. Следует, однако, вспомнить, что нижний конец открыт значительно меньше, чем верхний, и что если бы для последнего требовалась заметная поправка за счет того, что он недостаточно открыт, то, вероятно, значительно большая поправка была бы нужна для первого.
Наблюдения авторат) показали, что это действительно так. Труба с выдвижным коленом настраивалась в максимальный резонанс с данным (256) камергоном, как в эксперименте Блэйкли (8 314). Через нее затем продували воздух хорошо отрегулированными мехами с измеренным давлением; высота полученных этим путем звуков сопоставлялась по методу биений (8 30) с высотой камертона, Резулыаты показали, что высота трубы„ приведенной в звучание потоком воздуха при практически доступных давлениях, была выше, чем ее собственная нота максимального резонанса, так что значительную поправку к длине, найденную Кавайе-Коллем, нельзя приписать дутью, а следует отнести за счет того, что нижний конец †узк — в элементарной теории трактуется как открытый.
Чтобы оценить собственную ноту, потребовалась бы еще большая «попразка к длине». Увеличение высоты за счет дутья возрастает вместе с давлением, Так, в рассмотренном выше случае труба при давлении в 1,06 дюйма (2,7 см) водяного столба давала ноту приблизительно иа 2 колебания в секунду выше ноты камертона, но когда давление дутья возрастало до 4,2 дюйма (10,7 слг), избыток был около 11 колебаний в секунду.
Когда давление увеличивалось еще больше, труба перегружалась (очег 51ожп) и давала октаву своего собственного тона, что, несомненно, соответствует другому виду колебания воздушного столба. Остается рассмотреть поддерживающее колебания действие дутья. Колебания столба воздуха можно усилить, либо вводя в том месте, где изменяется плотность, в момент сжатия (или же удаляя з момент разрежения) жидкость, либо сообщая соответствующее ускорение частям столба воздуха, расположенным около пучности. Так как дутье органа действует у открытого конца трубы, то ясно,что здесь мы имеем дело со второй возможностью. Струя воздуха, направлен- г) Рдгг.
Май., том Щ стр 462, !877; том ХП!, стр. 840, 1882. 322и] 215 ЗВУК ОРГАННЫХ ТРУВ ная поперек края трубы, легко отклоняется. Когда во время колебания внешний воздух стремится войти в трубу, он увлекает с собой струю более или менее полностью. На полпериода позднее, когда собственный поток направлен наружу, струя отклоняется в соответствующем направлении. В каждом из случаев струя усиливает преобладающее движение и делает, таким образом, возможным поддер>канне колебаний.
Для хорошего звучания необходимо, чтобы струя воздуха была отрегулирована очень точно. Однако Шнеебели') показал, что если колебание уже однажды возникло, свободы оказывается больше. В одной экспериментальной установке струя была отрегулирована так, что она проходила целиком вне трубы. При этих условиях звучание было несовершенным, пока с помощью не очень сильного дутья, направленного на нее снарухси, струя не прогибалась внутрь трубы до нужного положения. Труба тогда начинала звучать и продолжала действовать, пока давлением в обратном направлении струя не отклонялась назад. Движение струи можно было сделать видимым с помощью дыма или кусочка папиросной бумаги, удерживавшегося так, чтобы он колебался вместе с ней.
Как Шнеебели, так и Смите) настаивают на аналогии струи с язычком язычковой органной трубы, однако, механизм действия в этих двух случаях, повидимому, существенно различен. Изложенная нами точка зрения, принятая Гельмгольцем в четвертом издании его большого труда, повидимому, позволяет дать удовлетворительное общее обьяснение поддержания непрерывных колебаний; однако объяснение это нельзя считать полным. В вопросах этого рода практика обычно опережает теорию и многие поколения практиков довели органную трубу до высокой степени совершенства.
Другая точка зрения, которая была благоприятно встречена многими авторитетами, сводится к тому, что трубе приписывается роль приспособления, усиливающего своим собственным резонансом звук, первоначально возникший благодаря трению струи об ее край; повидимому, возникновение звука таким путем также не допускает сомнений "). Возможно, что между этими двумя точками зрения в конечном счете меньше различия, чем это могло бы показаться вначале, и вторая может оказаться особенно удобной, если речь идет скорее о возникновении звука, нежели собственно о его поддержании. Детальное обсуждение вопроса можно найти в работе ван Шайка 4). Чтобы получить более полное объяснение, мы должны, вероятно, подождать, когда лучше будет иззесгна механика струи. >) 5сппееье)1, Роуд.
Апп., том 153, стр. 301, 1874. а) 5>пйЬ, Гяа(иге, 1873, 1874, 1875. е) См., например, Ме)()е, Алии((Ь, стр. 252; 5опдпанзз, Родд. Апп., том ХС1, стр. 126, 1854. () Чап 5спа)1ь (7еаег и(е Топе>тедипд (и саЬ(и(руе((еп, роттердам, 1891, [гл. хс! 2!6 ТЕОРИЯ РЕЗОНАТОРОВ 322Ь. Характер звука, издаваемого трубой, зависит от того, имеются ли в нем различные обертоны — вопрос, требующий дачьнейшего рассмотрения. Когда система колеблетсясвободно, обертоны лягут быть гармоническими или негармоническими, в зависимости от ее природы, и состав звука зависит от начальных условий. Но в случае незатухающего (поддерживаемого) колебания, которое мы сейчас изучаем, движение строго периодическое и обертоны, если они вообще имеются, должны быть гармоническими.
Частота всего колебания будет приблизительно соответствовать собственной наиболее низкой частоте трубы '), но совпадение между высотой сльнпимого обертона и обертона какого-,тибо свободного колебания может быть значительно менее близким. Интенсивность всякого обертона зависит, таким образом„ от двух вещей: во-первых, от того, в какоИ степени поддерживающие силы обладают компонентой правильного типа, и, во-вторых, от степени близости между обертоном и каким-либо собственным тоном колеблющегося тела.
В органных трубах резкий верхний край и сравнительно небольшая толщина струи воздуха благоприятствуют образованию обертонов; благодаря атому Гельмгольцу удалось в узких открытых трубах отчетливо слышать первые шесть парциальных тонов,?[апротнв,вшироких открытых трубах совпадение между обертонами и собственными тонами менее близкое. Благодаря этому трубы этого класса, особенно деревянные, дают звук более мягкого характера, в котором кроме основного тона можно обнаружить только октаву и дуодецимуэ).
Когда около склянки или сферического резонатора продувают воздух, как в случае органной трубы, то благодаря отсутстви!о соседних с гармониками собственных тонов возникающий звук почти свободен от обертонов. 322с, Когда две органные трубы одинаковой высоты стоят рядом, то возникают осложнения, которые на практике нередко причиняют затруднение. В исключительных случаях трубы могут почти что заставить замолчать друг друга. Но даже когда их взаимодействие более умеренное, оно все же может привести к тому, что заставит трубы звучать в унисон, вопреки неизбежным малым различиям. Простейший случаИ, какой представляется нашему вниманию, †э случай трубы, вдоль средней плоскости которой предположена введенной тонкая жесткая (гез)з[)пд) стенка.
Если эта стенка занимает всю плоскость, то первоначальная труба разделяется на две, независимые друг от друга и идеально одинаковые трубы. Высота этих отрезков одинакова с высотой первоначальной трубы, если пренебрегать трением, так как во время колебаний трубы движение в средней плоскости симметрии отсутствует. Но дело меняется, если стенка образует лишь часть плоскости, заключенной А) Мы не говорим здесь О «чрсзмсрном лугьс» [Очегщосч)пя].
а) )[е!пйойз, Толста!пйтйеп, 4-е издание, стр. !55, !ЗУ7. 322с)) ВЗАИМНОК ВЛИЯНИК ОРГАННЫХ ТРУБ 2!7 внутри трубы, так как тогда два колеблющихся столба могут взаимодействовать. Система з целом имеет две степени свободы — сейчас мы не рассматриваем обертонов, — и свободные колебания совершаются с двумя различными периодами.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
