Ударный музыкальный инструмент

Ударный музыкальный инструмент

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к технической акустике и может быть использовано при изготовлении ударных музыкальных инструментов различного назначения.

Генерация звуковых колебаний посредством удара относится к наиболее древним, простым и эффективным способам и широко используется в музыкальных инструментах, для ритуальной надобности, как физиотерапевтическое средство, а также в системах связи и средствах сигнализации.

Неотъемлемыми частями ударных музыкальных инструментов являются одно или несколько звучащих элементов и ударник в форме бойка. В зависимости от назначения звучащий элемент выполняют в виде плоских пластин с радиальными канавками и выточками (DE 0364651, 1922; DE 0399870, 1923), пластин с отверстиями (SU 055936, Майков, 1939), наборов трубок разной длины (DE 10029631 C1, Hillig, 2000), в форме колоколов (ЕР 0196720, Koninkl..., 1986; SU 1794259 A3, Панкратов, 1993). В устройствах типа металлофона пластины располагают горизонтально, а к корпусу их прикрепляют через механически ослабленные части пластин. Так, например, в идиофоне (DE 3807467, Sassmannshausen, 1989) звучащее пластинчатое тело по периферии ослаблено сквозными отверстиями и за эту часть закреплено, что уменьшает демпфирующее действие подвески.

Известны плоские колокола - "plate bells" (англ.), которые представляют собой одну или несколько прямоугольных металлических пластин, подвешенных вертикально к раме на шнурах. К их преимуществам относят возможность имитации звучания традиционных колоколов, но при значительно меньших массе и габаритах (см. Шариков В.Г., Жихарев А.И., Маркелов П.Г. Использование бил в православном звоне. - М., 1996; Шариков В.Г., священник Владимир Наумов и др. Практическое руководство для звонарей православных храмов. - М., 1997, с.47-50). Как следует из описания патента (US 6072111, Senn, 2000), в плоских колоколах шнуры подвеса закреплены через отверстия в узлах колебаний (нейтральных зонах), которые расположены на расстоянии 1/5 диагонали от вершины углов. Пластина подвешивается так, чтобы широкая сторона была горизонтальна.

Известен также звучащий элемент (било, била) ударного музыкального инструмента, выполненный в виде металлической прямоугольной пластины толщиной 4-70 мм, на плоской поверхности которой в нейтральных зонах выполнены отверстия для закрепления подвеса, толщина пластины составляет 0,02-0,05 ее длины, длина пластины 1,3-1,45 ее ширины, а расстояние между отверстиями равно частному от деления соответственно длины и ширины пластины на показатель, равный 1,4-1,9. Звучащий элемент может быть выполнен, в частности, из алюминиевого сплава и позволяет, как указывается в описании изобретения, генерировать первые две гармоники с соотношением частот 1:2 (интервал октавы) и имитировать благозвучие традиционного колокола (RU 2144703 С1, Жихарев и др., 2000 - ближайший аналог). Для обеспечения более точной настройки элемента по спектру генерируемого звука (тембровых характеристик) осуществляют коррекцию геометрической формы - проводят стачивание углов. Однако последнее изменяет совокупность мод колебаний, возбуждаемых при ударе, и соответственно, местоположение узлов колебаний - областей, где колебания отсутствуют и куда через отверстия прикрепляют шнуры подвеса, что снижает звуковые возможности инструмента.

Задачей настоящего изобретения является расширение спектра и повышение гармоничности звучания инструмента ударного действия путем конкретизации параметров ступенчатого профиля образующих на наружной и внутренней поверхностях звучащего элемента, а также уменьшение влияния подвеса на формируемую ударом совокупность мод колебаний.

Технический результат изобретения - обеспечение более высокой частоты звука и снижение материалоемкости при обеспечении полифонии в октавном интервале.

Технический результат обеспечивается тем, что ударный музыкальный инструмент содержит по меньшей мере один звучащий элемент в виде тела вращения со ступенчатой образующей и разновеликими основаниями, с соосной сквозной полостью, имеющей ступенчатую образующую, толщина периферийной части которого, отсчитанная от большего основания, уменьшается в радиальном направлении, закрепленный дискретно в точках, расположенных на окружности в пределах площади малого основания. Сквозная полость имеет число ступеней, равное семи, при этом расстояние в осевом направлении, отсчитанное от большего основания, уменьшается в радиальном направлении. Шаги ступеней обеих образующих, отсчитываемые и нумеруемые в осевом направлении, выбраны попарно одинаковыми.

Инструмент может характеризоваться тем, что геометрические параметры звучащего элемента удовлетворяют условиям:

0,5<d_бо/D_бо<0,7

0,87<b_n/b_n+1<0,90

0,02<h_макс/D_бо<0,25

0,11<d_мо/D_бо<0,15

0,17<D_мо/D_бо<0,7

0,1<D_подв/D_бо<0,2,

где, в мм:

D_бо - диаметр большего основания;

h_макс - общая толщина звучащего элемента;

d_мо - диаметр полости в плоскости меньшего основания;

d_бо - диаметр полости в плоскости большего основания;

D_мо - диаметр меньшего основания;

D_подв - диаметр окружности закрепления звучащего элемента;

b_n, b_n+1 - шаг двух смежных ступеней, нумерованных в осевом направлении от большего основания к меньшему, n=1...7.

Инструмент может характеризоваться тем, что величины диаметров ступеней обеих образующих, отсчитываемые и нумеруемые в осевом направлении от большего основания к меньшему, определяются по формулам:

D_n=A·K_m, мм, d_n=0,5A·K_m, мм,

где: А=1274,2; К_m - коэффициент гармонического деления, выбираемый группами по семь n=1...7 из следующего ряда: K₁=1; К₂=0,7848; К₃=0,61592; K₄=0,48338; K₅=0,37936; K₆=0,29772; K₇=0,23365; K₈=0,1838; K₉=0,14392; K₁₀=0,11294; K₁₁=0,08864; K₁₂=0,06956; K₁₃=0,05460; K₁₄=0,04284.

Инструмент может характеризоваться, кроме того, тем, что шаг ступеней обеих образующих, отсчитываемых и нумеруемых в осевом направлении от большего основания к меньшему, определяется по формуле:

b_n=В·К_m, мм,

где: В=1,72; К_m - коэффициент гармонического деления, выбираемый группами по семь n=1...7, из следующего ряда: К₁=1; К₂=1,122; К₃=1,279; К₄=1,430; К₅=1,628; К₆=1,826; К₇=2,076; К₈=2,326; К₉=2,645; К₁₀=2,965.

Существо изобретения поясняется на чертежах, где:

на фиг.1 представлен звучащий элемент, периферийная часть которого имеет образующую ступенчатой формы;

на фиг.2 - звучащий элемент в соответствии с данным изобретением, периферийная часть и сквозная полость которого имеют образующие ступенчатой формы с равным шагом ступеней;

на фиг.3 - то же, что на фиг.2, но с разным шагом ступеней;

на фиг.4 - то же, что на фиг.1, 2 - вид со стороны меньшего основания;

на фиг.5 показана запись акустического сигнала, зарегистрированного микрофоном в момент удара (а), и спектр колебаний в момент удара (б) для образца 1;

на фиг.6 - акустический сигнал (а) и спектр колебаний в установившемся режиме (б) для образца 1;

на фиг.7 - то же, что на фиг.5 для образца 2;

на фиг.8 - то же, что на фиг.6 для образца 2.

Звучащий элемент ударного музыкального инструмента содержит по меньшей мере один закрепленный звучащий элемент 1 с боевой частью 2, боек 3 (показан условно) (см. фиг.1-4).

Звучащий элемент 1 представляет тело вращения с двумя разновеликими основаниями - меньшим 4 и большим 5 и сквозной полостью 6, ось симметрии которой совпадает с осью 7 симметрии тела вращения. На фиг.1-4 для удобства использованы следующие обозначения: D_бо=D₁ - диаметр большего основания; d_мо=d₇ - диаметр сквозной полости в плоскости меньшего основания; d_бо=d₁ - диаметр сквозной полости в плоскости большего основания; D_мо=D₇ - диаметр меньшего основания.

Закрепление звучащего элемента 1 осуществляется дискретно в точках 8, расположенных на окружности 9 в пределах площади меньшего 4 основания. Толщина h периферийной части 10, отсчитанная от большего 5 основания, уменьшается от оси 7 в радиальном направлении. Боевая часть 2 располагается в области звучащего элемента с минимальной толщиной h_мин. Периферийная часть 10 звучащего элемента 1 имеет образующую 11 ступенчатой формы.

На фиг.1 показан пример выполнения звучащего элемента 1 с плоским основанием 5 и сквозной полостью 6, имеющей прямолинейную образующую 12 (образец 1).

На фиг.2, 3 показан пример выполнения звучащего элемента 1 со сквозной полостью 6, имеющей образующую 13 ступенчатой формы с числом ступеней, равным семи. С увеличением расстояния вдоль оси 7, отсчитанного от большего 5 основания, в радиальном направлении уменьшается и диаметр ступеней образующей 13. Характеристики образцов с разными размерами приведены в Таблице.

Шаги b ступеней обеих образующих 11 и 13, отсчитываемые и нумеруемые в осевом направлении, выбраны попарно одинаковыми, то есть в сечении звуковой элемент 1 представляет собой монолитное тело вращения, состоящее из совокупности семи цилиндрических дисков, внутренний и наружный диаметры которых плавно уменьшаются в направлении от большего основания к меньшему вдоль оси 7 симметрии. Пример 2 относится к конструкции, имеющей одинаковый шаг ступеней (фиг.2), а пример 3 - к конструкции с плавно изменяемым шагом ступеней (фиг.3).

Геометрические параметры звучащего элемента 1 удовлетворяют условиям:

0,02<h_макс/D_бо<0,25

0,11<d_мо/D_бо<0,15

0,17<D_мо/D_бо<0,7

0,1<D_подв/D_бо<0,2,

0,1<h_мин./h_макс<0,15

где, в мм: Д_бо - диаметр большего основания; d_мо - диаметр сквозной полости в плоскости меньшего основания; D_мо - диаметр меньшего основания; D_подв - диаметр окружности закрепления звучащего элемента.

Параметры звучащего элемента (фиг.3), в котором высоты b ступеней увеличиваются от большего основания к меньшему, в дополнение к вышеприведенным соотношениям, должны дополнительно удовлетворять следующим условиям:

0,5<d_бо/D_бо<0,7; 0,87<b_n/b_n+1<0,90,

где, в мм: d_бо - диаметр сквозной полости в плоскости большего основания; b_n, b_n+1 - шаг двух смежных ступеней, нумерованных в осевом направлении от большего основания к меньшему, n=1...7.

Значения диаметров D_n, d_n ступеней обеих образующих, отсчитываемые и нумеруемые группами по семь в осевом направлении от большего основания к меньшему, определяются по формулам:

D_n=А·К_m, мм, d_n=0,5А·К_m, мм,

где: А=1274,2; К_m - коэффициент гармонического деления, выбираемый группами по семь n=1...7 из следующего ряда: К₁=1; К₂=0,7848; К₃=0,61592; К₄=0,48338; К₅=0,37936; К₆=0,29772; К₇=0,23365; К₈=0,1838; К₉= 0,14392; К₁₀=0,11294; К₁₁=0,08864; К₁₂=0,06956; К₁₃=0,05460; К₁₄=0,04284.

Изобретение, как указано выше, может характеризоваться равномерным шагом обеих ступеней по высоте звукового элемента и неравномерным. В последнем случае шаг ступеней обеих образующих, отсчитываемых и нумеруемых группами по семь в осевом направлении от большего основания к меньшему, определяется по формуле:

b_n=В·К_m, мм, где: В=1,72; К_m - коэффициент гармонического деления, выбираемый группами по семь n=1...7, из следующего ряда: К₁=1; К₂=1,122; К₃=1,279; К₄=1,430; К₅=1,628; К₆=1,826; К₇=2,076; К₈=2,326; К₉=2,645; К₁₀=2,965.

Параметры некоторых изготовленных образцов приведены в Таблице. Все образцы выполнены токарной обработкой из алюминиевого сплава марки Д16Т. Анализ экспериментальных результатов (см. фиг.5-8) подтверждает достижение технического результата в части обеспечения более высокой частоты звука и снижения материалоемкости (массы) при обеспечении полифонии в октавном интервале. Следует отметить, что эксперименты проводились в условиях принципиальной невоспроизводимости параметров удара (по силе, длительности, зоне контакта), свойственной для всех ударных инструментов, а также некотором различии размеров образцов. Возбуждение колебаний проводили ударом бойка в область элемента наименьшей толщины. Акустический сигнал регистрировался микрофоном, расположенным на расстоянии 1,9 м.

В момент удара спектр колебаний характеризуется следующими частотами (Гц) и длительностью звучания (сек) (см. фиг.5 и 7):

Для образца 1: 616/11; 1079/0,3; 1265/7; 1891/4; 2229/0,3; 2485/0,3.

Для образца 2: 544/3; 872/10; 958/0,7; 1185/10; 1271/0,3; 1518/1,5; 1754/0,3; 1879/1; 2278/1; 2501/0,2.

По прошествии примерно 9-10 сек звучания после удара (точные величины - см. по шкалам на фиг.6 и 8) для образца 1 наблюдается только одна линия спектра на частоте 616 Гц, а для образца 2 - две линии: на частотах 872 и 1185 Гц.

Из полученных данных однозначно следует, что для образца с полостью ступенчатой формы, в отличие от образца с цилиндрической сквозной полостью, при рекомендованном выполнении шагов ступеней обеих образующих попарно одинаковыми обеспечивается более выраженная полифония при меньшей массе элемента. Для образца по примеру 3, имеющего меньшие размеры, но примерно одинаковую толщину ступеней, для проанализированного сигнала длительностью около 0,3 сек с момента удара, наблюдаются три наиболее выраженные гармоники с частотами 865, 1664, 2530 Гц.

Установлено также, что критичность к выбору положения точек подвеса оказывается очень слабой, несмотря на то, что расположение точек подвеса не соответствует симметрии картины расположения узловых линий в окрестности сквозной полости. Кроме того, звучание практически не зависело от азимутального положения точки удара при фиксированном расположении точек подвеса.

Звучащий элемент может быть закреплен на подвесе как горизонтально, так и вертикально: подвешен в точках, расположенных на окружности 9, известными методами, например, на шнурах, пропущенных через отверстия и закрепленных в них, либо креплением с помощью крючков или ушек.

В том случае, если используется совокупность нескольких звучащих элементов 1, настроенных на разные частоты собственных колебаний, их крепление может осуществляться совокупностью жестких штырей, пропущенных сквозь отверстия 8 или закрепляться на штанге. В этом случае устройство может содержать несколько бойков по числу звучащих элементов с индивидуальными приводами, объединенными в одну систему.

Для выполнения устройства могут использоваться различные черные и цветные металлы и их сплавы, в частности, алюминиевый сплав марки Д16Т и другие материалы. Формообразование и последующая обработка поверхности могут проводиться с помощью известных технологий металлообработки.

Таблица
Параметры звучащих элементов с образующими ступенчатой формы
Параметры звучащего элемента, мм	Пример 1	Пример 2	Пример 3
Dбо	307,0	316,2	233,5
dмо	46,1	31,6	33,9
dбо	46,1	216,8	143,7
Dмо	192,8	77,1	54,6
Dподв	106,3	48,0	45,0
Hмин	1,5	2,19	3,5
Hмакс	10,0	22,78	24,5
Номер ступени, n	Dn	bn	Dn	dn	bn	Dn	dn	bn
1	307,0	1,5	316,2	216,8	2,19	233,5	143,7	3,5
2	293,1	1,5	263,5	175,4	2,48	182,9	112,9	3,5
3	279,2	1,5	216,8	138,8	2,8	143,7	88,5	3,5
4	244,8	1,2	175,4	105,8	3,16	112,8	69,5	3,5
5	230,9	1,5	138,8	77,08	3,56	88,5	54,5	3,5
6	217,1	1,5	105,8	51,6	4,05	69,4	42,8	3,5
7	192,8	1,4	77,1	31,6	4,54	54,6	33,9	3,5

1. Ударный музыкальный инструмент, содержащий по меньшей мере один звучащий элемент в виде тела вращения со ступенчатой образующей и разновеликими основаниями, соосной сквозной полостью, толщина периферийной части которого, отсчитанная от большего основания, уменьшается в радиальном направлении, закрепленный дискретно в точках, расположенных на окружности в пределах площади малого основания, сквозная полость имеет число ступеней, равное семи, при этом с увеличением расстояния в осевом направлении, отсчитанном от большего основания, размер полости в радиальном направлении уменьшается, а шаги ступеней обеих образующих, отсчитываемые и нумеруемые в осевом направлении, выбраны попарно одинаковыми.

2. Инструмент по п.1, в котором геометрические параметры звучащего элемента удовлетворяют условиям

0,5<d_бо/D_бо<0,7

0,87<b_n/b_n+1<0,90

0,02<h_макс/D_бо<0,25

0,11<d_мо/D_бо<0,15

0,17<D_мо/D_бо<0,7

0,1<D_подв/D_бо<0,2,

где (мм) D_бо - диаметр большего основания;

h_макс - общая толщина звучащего элемента;

d_мо - диаметр полости в плоскости меньшего основания;

d_бо - диаметр полости в плоскости большего основания;

D_мо - диаметр меньшего основания;

D_подв - диаметр окружности закрепления звучащего элемента;

b_n, b_n+1 - шаг двух смежных ступеней, нумерованных в осевом направлении от большего основания к меньшему, n=1...7.

3. Инструмент по п.2, в котором величины диаметров ступеней обеих образующих, отсчитываемые и нумеруемые в осевом направлении от большего основания к меньшему, определяются по формулам

D_n=A·K_m, мм, d_n=0,5A·K_m, мм,

где А=1274,2; К_m - коэффициент гармонического деления, выбираемый группами по семь n=1...7 из следующего ряда: K₁=1; К₂=0,7848; К₃=0,61592; K₄=0,48338; K₅=0,37936; K₆=0,29772; K₇=0,23365; K₈=0,1838; K₉=0,14392; K₁₀=0,11294; K₁₁=0,08864; K₁₂=0,06956; K₁₃=0,05460; K₁₄=0,04284.

4. Инструмент по п.2, в котором шаг ступеней обеих образующих, отсчитываемых и нумеруемых в осевом направлении от большего основания к меньшему, определяется по формуле

b_n=B·K_m, мм,

B=1,72; K_m - коэффициент гармонического деления, выбираемый группами по семь n=1...7, из следующего ряда: K₁=1; К₂=1,122; К₃=1,279; K₄=1,430; K₅=1,628; K₆=1,826; K₇=2,076; K₈=2,326; K₉=2,645; K₁₀=2,965.