Энергоэффективность скрипки: ключевые конструктивные особенности повышают акустическую мощность скрипки

Теперь акустики и специалисты по гидродинамике из Массачусетского технологического института вместе со скрипачами из школы Норт-Беннет-Стрит в Бостоне проанализировали измерения сотен скрипок кремонской эпохи, выявив ключевые конструктивные особенности, которые способствуют акустической мощности этих конкретных скрипок или полноте звука.
Команда приобрела технические чертежи скрипок кремонской эпохи из музеев, коллекционных баз данных и книг, а также рентгеновские снимки и компьютерная томография инструментов. Они сравнили размеры различных элементов от одного инструмента к другому, а также измерения акустических резонансов между инструментами.
Исследователи обнаружили, что ключевой особенностью, влияющей на звук скрипки, является форма и длина ее «f-отверстий», f-образных отверстий, через которые выходит воздух: чем они более вытянуты, тем больше звука может воспроизводить скрипка.

Более того, удлиненное звуковое отверстие занимает мало места на скрипке, но при этом производит полный звук – конструкция, которую исследователи обнаружили более энергоэффективной, чем более округлые звуковые отверстия предков скрипки, такие как средневековые скрипки, лиры и ребеки.
Толщина спинки скрипки также влияет на ее акустическую мощность. Вырезанные из дерева скрипки относительно эластичны: поскольку инструмент издает звук, тело скрипки может реагировать на колебания воздуха, мгновенно сжимаясь и расширяясь.

Они обнаружили, что более толстая задняя пластина усилит звук скрипки.
Исследователи обнаружили, что, поскольку скрипки создавались сначала Амати, затем Страдивари и, наконец, Гварнери, они постепенно превратились в более удлиненные f-отверстия и более толстые задние пластины.

Но были ли изменения в дизайне преднамеренными? Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи преобразовали измерения сотен скрипок кремонской эпохи в эволюционную модель и обнаружили, что любое изменение в дизайне можно разумно объяснить естественной мутацией – или, в данном случае, ошибкой изготовления.

Другими словами, производители могли создавать скрипки с более длинными звуковыми отверстиями и более толстыми задними пластинами не по дизайну, а случайно.
«Мы обнаружили, что если вы попытаетесь воспроизвести звуковую дыру в точности из последней, которую вы сделали, у вас всегда будет небольшая ошибка», – говорит Николас Макрис, профессор механики и океанической инженерии в Массачусетском технологическом институте. "Вы режете ножом тонкую древесину и не можете получить ее идеально, а ошибка, о которой мы сообщаем, составляет около 2 процентов всегда в пределах того, что произошло бы, если бы это было эволюционное изменение, случайно из случайных колебаний."
Макрис подчеркивает, что, хотя каждый скрипач, несомненно, обладал хорошим слухом – чтобы распознавать и воспроизводить скрипки, которые звучали лучше всего, – вопрос о том, распознали ли они конкретные элементы дизайна, которые способствуют более мощному звучанию, все еще остается предметом споров.
«Людям нужно было слушать, и они должны были выбирать вещи, которые были более эффективными, и хорошо выбирали, какой инструмент имитировать», – говорит Макрис. «Понимали ли они:« О, нам нужно сделать [звуковое отверстие] более тонким », – сказать мы не можем.

Но они определенно знали, какой инструмент лучше воспроизвести."
Макрис и его коллеги из Массачусетского технологического института и школы North Bennett Street публикуют свои результаты на этой неделе в Proceedings of the Royal Society: A.

В форме есть сила
Макрис изначально не намеревался изучать акустику скрипки: его работа в основном связана с исследованием океана с акустикой, разработкой и применением технологий для ощущения морской жизни и океанских явлений на больших территориях. Но около десяти лет назад он занялся новым хобби – игрой на лютне.
«Я эксперт по акустике, но пообещал себе, что не буду думать об акустике инструмента, я просто буду играть на нем», – вспоминает Макрис.

Это мышление длилось недолго, так как Макрис начал разговаривать с создателями света и музыкантами, пытаясь лучше понять инструмент, который когда-то был самым популярным в Европе, но фактически исчез за столетия до своего недавнего возрождения. Лютня намного тише скрипки: помимо других конструктивных отличий, ее звуковые отверстия имеют круглую, а не f-образную форму, с сложной внутренней резьбой, известной как розетки, унаследованной от ближневосточного предка лютни, уда.
Несколько лет назад известный лютнист подошел к Макрису с интригующим затруднением: имеют ли резные фигурки в звуковом отверстии лютни значение для общего звука, производимого??

Макрис понял, что соответствующие частоты звука находятся в диапазоне, в котором воздушный поток через звуковое отверстие ведет себя почти как несжимаемая жидкость, и заручился помощью Юмин Лю, главного научного сотрудника отдела машиностроения Массачусетского технологического института.
Команда смоделировала воздушный поток через простое круглое отверстие, а также отверстие с более сложной структурой того же диаметра и обнаружила, что в обоих случаях воздух течет быстрее всего по периферии отверстия; его внутренняя часть, открытая или частично заполненная, не оказывала существенного влияния на воздушный поток.

Ответ на простой вопрос музыканта превратился в семилетний проект, в котором команда исследовала акустическую динамику струнных инструментов во времени, от уда, лютни и средневековых скрипок до гитары и, в конечном итоге, скрипки – период, охватывающий период с 10-го века. век до 18 века. Анализ скрипки проводился по настоянию члена команды Романа Барнаса, директора по изготовлению и ремонту скрипок в школе North Bennet Street, эксперта по созданию ранних инструментов.
В течение 800-летнего периода исследователи отметили эволюцию формы звукового отверстия – от простого круглого отверстия до полукруга, который в конечном итоге превратился в c-образную форму, которая стала более вытянутой, в конечном итоге приняв f-образную форму. скрипка. Периметр этих форм неуклонно увеличивался, а площадь внутренней пустоты постепенно уменьшалась.

Как и в случае эволюции длины фа-отверстия скрипки в кремонский период, команда Макриса обнаружила, что общая форма предков скрипки постепенно эволюционировала, чтобы стать более мощной и более акустически эффективной – хотя не обязательно по дизайну.
«Мы думаем, что эти изменения все еще находятся в пределах вероятности естественной мутации», – говорит Макрис. «Все эти тонкие параметры формы мы смоделировали и можем сделать очень хорошие прогнозы относительно того, какое влияние будет на частоту и мощность."
Макрис говорит, что результаты группы могут быть полезны мастерам-скрипачам, желающим разработать более мощные, более полные инструменты, хотя он признает, что создание качественной скрипки – это нечто большее, чем настройка нескольких параметров.
«Тайна – это хорошо, и в скрипке есть волшебство», – говорит Макрис. "Некоторые производители, я не знаю, как они это делают – это искусство.

У них есть свои приемы и методы. Но здесь, для нас, хорошо понять с научной точки зрения как можно больше."

Это исследование частично финансировалось Управлением военно-морских исследований.

Блог автомобилиста