Акустические характеристики инструмента

Акустический аппарат губной гармошки включает в себя голосовые планки с проскакивающими язычками, входные камеры. Тембровые качества определяются в основном параметрами голосовых планок и входных камер.
Голосовая планка представляет собой рамку, в проеме которой колеблется язычок. При разности воздушных давлений с двух сторон планки язычок отклоняется. Когда отклонение язычка становится достаточно большим, отверстие для прохода воздуха также становится большим. Давление воздушного потока на язычок уменьшается, и он под действием упругих сил начинает возвращаться в исходное положение. При этом зазор между рамкой и язычком снова уменьшается и давление воздушного потока на язычок опять возрастает. Язычок изменяет направление движения, и возникает колебательный процесс с частотой, определяемой параметрами язычка.
Для основной частоты (первого частичного тона) для язычков постоянного сечения по длине:

где L – длина рабочей (колеблющейся) части язычка, h – толщина язычка, р – плотность материала язычка, E – модуль упругости материала язычка.

Первые обертоны колебаний язычка постоянного сечения: f₂=6, 267f₁, f₃=17, 551f₁, f₄=34, 393f₁, f₅=56, 848f₁, f₆=84, 925f₁.
Следовательно, обертоны колеблющегося язычка негармоничны, однако, как показывает опыт, амплитуды их весьма малы и быстро убывают с номером обертона.

Пороги возбуждения и срыва. Под порогом возбуждения язычка понимают минимальный перепад воздушного давления с противоположных сторон планки, при котором язычок начинает колебаться с собственной частотой. Порог возбуждения измеряют в паскалях, опыт показывает, что он составляет 40…250 Па.
Под порогом срыва понимают максимальный перепад давлений, при котором наступает срыв (прекращение) колебаний язычка. Порог срыва для язычков связан с порогов возбуждения и составляет обычно 2200…3000 Па. Максимально достигаемый в язычковых инструментах перепад давлений не превышает 2100…2500 Па.

Пороги возбуждения и срыва зависят от их жесткости. Чем меньше жесткость язычка, тем ниже пороги его возбуждения и срыва.

На практике более жесткими оказываются высокочастотные язычки. Пороги возбуждения также зависят от величин предварительных их отгибов в сторону большего воздушного давления.

Изменение частоты колебаний язычков при изменении перепада давлений. С изменением перепада давлений, действующих на язычок, происходит изменение амплитуды и частичное изменение (уход) частоты колебаний. Чем больше перепад давлений, тем выше частота. Экспериментально установлено, что при изменении перепада давлений от 250 до 750 Па уход частоты колебаний язычка изменяется на 5-10 центов на верхних язычках и на 15-35 центов на нижних язычках. Большее изменение частоты соответствует язычкам, имеющим меньшую жесткость. Таким образом, при уменьшении жесткости язычка происходит уменьшение порога возбуждения и увеличение диапазона изменения частоты собственных колебаний с изменением перепада давлений.

Время возбуждения и затухания колебаний язычков. Под временем возбуждения язычков понимают такое время, в течение которого амплитуда колебаний язычка после изменения давления достигает 0.95 максимальной амплитуды колебаний для данного перепада давлений. Время возбуждения зависит от частоты собственных колебаний язычков. Время возбуждения несколько уменьшается с увеличение перепада давлений. Кроме того оно зависит от конструктивных параметров язычка, планки, входной камеры и скорости передачи воздуха к язычку. Процесс затухания язычка зависит от характера прекращения подачи воздушной струи. Если прекращение подачи воздушной струи будет медленным, затухание язычка могут продолжать еще несколько секунд. Если быстро прекратить подачу воздушной струи, звук прекратится приблизительно через 0, 1…0, 5 с.

Влияние входных камер на акустические параметры. Геометрические размеры входных камер определяют их акустические параметры. Колеблющийся язычок и присоединенная к рамке входная камеры образуют связанную колебательную систему. В этой системе частоты негармоничных обертонов свободных колебаний язычка подавляются или частично ослабляются, а основная частота звуковых колебаний язычка несколько снижается (на 7-12 центов), но остается близкой к основной частоте свободных колебаний. Обычно основная частота входной камеры в 3-7 раз превышает основную частоту язычка.

Зависимость порога возбуждения язычка от собственной частоты колебаний входной камеры показана на картинке. Порог возбуждения мало изменяется если собственная частота камеры больше собственной частоты язычка. Если же частота камеры близка, равна или меньше собственной частоты язычка, порог возбуждения растет вплоть до срыва колебаний или скачка на значительную величину.

Число обертонов зависит также от жесткости язычков и частот их собственных колебаний. С понижением жесткости язычков и частот собственных колебаний количество обертонов растет.

Список используемой литературы

1. Алдошина И., Приттс Р., «Музыкальная акустика: Учебник для высших учебных заведений», Санкт-Петербург, 2006 г.

2. Л. А. Кузнецов «Акустика музыкальных инструментов», Москва, 1989 г.

3. Губные гармоники.

https://jam.ua/files/images/manuals/HOHNER_Harmonicas_2011-web.pdf

4. Энциклопедия музыкальных инструментов. https://eomi.ru/free-reed/harmonica/

5. Acoustical and physical dynamics of the diatonic harmonica. https://www.andrew.cmu.edu/user/antaki/articles/Bahnson%20JASA%201998.pdf