Акустические особенности гитары

Гитара, как и скрипка, представляет собой сложную колебательную систему. Энергия механических колебаний щипком передается струнам, вызывая в них колебания, которые через подставку передаются на верхнюю деку, а через воздушный объем и пружины передаются на нижнюю деку. Звуковое излучение верхних частот происходит в основном от верхней деки, а нижних частот – от нижней деки и воздушного объема через звуковое отверстие.

Колебания струн. Механизм возбуждения колебаний струны в гитаре очень похож на процесс возбуждения колебаний в струнах скрипки, однако имеются и ряд существенных отличий, связанных прежде всего со способом возбуждения — щипком. При таком способе возбуждения струна отводится в сторону и отпускается, т. е. в этот момент времени она имеет максимальное смещение от положения равновесия и нулевую скорость. Под действием силы натяжения струна начинает двигаться вниз, проходит по инерции положение равновесия, останавливается, затем опять возвращается в положение равновесия — и процесс повторяется, т. е. струна периодически колеблется аналогично маятнику. Для того, чтобы поддерживать колебания струны, необходимо регулярно подводить энергию. Спектр колебаний гитарной струны (а следовательно, тембр ее звучания) существенно зависит от места возбуждения (щипка). Если место возбуждения совпадает с местом расположения узла гармоники, т. е. равно целому числу, то эти гармоники отсутствуют в спектре, их амплитуды равны нулю. Чтобы подчеркнуть определенные гармоники в спектре, надо возбуждать струну в тех точках, где эти гармоники имеют пучность, т. е. максимум смещения. [2]

Кроме того, спектр зависит и от способа возбуждения: если щипок производится пальцем, т. е. место контакта со струной имеет конечные размеры, то те гармоники, которые имеют узлы внутри зоны контакта в спектре, не возбуждаются, поэтому чем больше зона контакта при возбуждении, тем меньше высоких гармоник в создаваемом звуке. Поэтому при возбуждении ногтем (или плектром, у которого зона контакта меньше) звук более яркий и звонкий.

Не гармоничность спектра для гитарных струн, как и для струн других инструментов, является достаточно характерным явлением. Строго гармонический спектр, в котором частота любой гармоники кратна основному тону струны, абсолютно жестко зажатой на концах, упругие свойства которой зависят от натяжения. Причины не гармоничности:

· собственная жесткость,

· неравномерность,

· распределения массы вдоль струны,

· овальность сечения и некоторое изменение длины струны в процессе колебаний за счет закругления опоры,

· подвижность опор, на которые опирается струна.

Поскольку под действием передаваемой энергии подставка гитары начинает колебаться, то это также приводит к сдвигу гармоник в спектре струны. При этом основной сдвиг будет у низкочастотных обертонов – тем больше, чем меньше сопротивление опоры и больше жесткость струны.

При больших смещениях, т. е. на высоких уровнях громкости, в струнах могут возникать и нелинейные колебания из-за упругих свойств материала струн (особенно в жильных или нейлоновых струнах). Поскольку щипком руки трудно выдержать постоянную плоскость возбуждения струны, то из-за реакции опор и трения в них возникают дополнительные крутящие моменты, которые приводят к тому, что плоскость колебаний струны начинает вращаться по эллипсу.

Колебания корпуса гитары. Энергия колебаний струн через подставку передается сначала верхней деке, затем нижней деке и воздушному объему, что приводит в свою очередь к возбуждению в них резонансных колебаний.

Каждый из этих элементов имеет собственный спектр, состоящий из большого количества обертонов. При их взаимодействии образуется сложная система связанных колебательных систем, степень связи между которыми зависит от частоты; при этом суммарный излучаемый звук имеет много резонансную форму амплитудно-частотной характеристики. Существует сильная зависимость формы АЧХ от направления приложения силы к подставке.

Верхняя и нижняя дека представляют собой пластины изогнутой формы с переменной толщиной, форма колебаний которых имеет достаточно сложный характер.

На первом резонансе [в приложении 3] верхняя и нижняя дека движутся в противоположные стороны — это «дыхательный» резонанс (102 Гц); на втором они обе движутся в одну сторону, и движение воздуха также направлено в ту же сторону, что и верхняя дека, что приводит к значительному увеличению уровня излучаемого звука (193 Гц); на третьем резонансе (204 Гц) направление движения воздуха также совпадает с верхней декой, и здесь тоже происходит интенсивное излучение звука.

На более высоких частотах на АЧХ начинают проявляться резонансы дек и воздушного объема более высоких порядков. Чем выше настроена нижняя дека (чем больше ее жесткость), тем меньше ее влияние на сдвиг резонансных частот воздушного объема, поэтому нижнюю деку настраивают как можно выше, усиливая ее жесткость добавлением ребер жесткости (пружин).

Основные акустические характеристики гитары приводятся в учебнике для высших учебных заведений Ирины Алдошиной и Роя Пирттса «Музыкальная акустика»:

«Частотный диапазон гитары составляет 82,4 Гц (Е2)-1046,5 Гц (С6), с учетом обертонов до 9 кГц, форманты в области 100-140 Гц, 200-280 Гц. Основная энергия спектра сосредоточена в диапазоне 100-1000 Гц.

Динамический диапазон составляет порядка 20 дБ. Переходные процессы: короткое время атаки (10-50 мс) и длительное время спада (до 0,2-1 с). Время переходных процессов зависит от направления приложения силы от струны на подставку. [Приложение 3]

Характеристика направленности гитары сильно отличаются для различных частот:

· На частотах 100-200 Гц излучение ненаправленное,

· на частоте 367 Гц (мода колебаний верхней деки 1,0) характеристика имеет дипольный характер,

· на частоте 436 Гц — квадрупольный, на более высоких частотах энергия излучается в передней полуплоскости, по аналогии со скрипкой».[1]