Что такое штег у пианино

8 90 50 395 680

Казань, Уфа, Пенза, Ижевск, Ульяновск,
Киров, Пермь, Нижний Новгород, Самара,
Тольятти, Йошкар-ола и др.

Гарантийное обслуживание Современные материалы

Высокое качество Аксессуары

Поиск по сайту

Отзывы

Рубрики

Рубрика покупка пианино

Маленькая трещина — большая проблема

В начале моей карьеры фортепианного мастера я получил немало уроков по устройству фортепиано, но один запомнился особо.

Три раза подряд, в течение месяца я приходил настраивать одно и то же пианино, почему он быстро расстраивался, я не понимал. Колки сидели плотно (год назад они были заменены). Пришлось идти за советом к старым мастерам. Они и посоветовали мне обратить внимание на штег .

Причиной, из-за которой фортепиано быстро расстраивалось, была небольшая, на первый взгляд, трещинка на басовом штеге пианино.

Для того чтобы она приобрела такой вид как на фотографии, должно было пройти много лет.

В штег забиты специальные штифты, проходя через которые струна немного изгибается. Этим достигается плотное прилегание струн к штегу. Однако при натягивании струны в месте изгиба создается очень большое давление, оно и способствует разрыву древесины.

На фотографии видно, в каком положении находились струны до разрушения штега.

При настройке такого пианино, дополнительное натяжение просто разрушает штег дальше и фортепиано расстраивается в течение недели или месяца (зависит от степени разрушения)

Если в басовом регистре звук неестественно глухой, раздается посторонние призвуки, в первую очередь необходимо обратить внимание на басовый штег.

Для того чтобы отремонтировать подобный дефект, необходимо ослабить колки, снять все струны басового регистра, демонтировать сам штег, изготовить его (на каждый инструмент эта деталь делается со своими параметрами), затем установить штег и струны. В тяжелых случаях приходится заменить и колки басового регистра.

Подобная работа требует высокой квалификации и временных затрат, а потому достаточно дорога.

Современные инструменты выпускаются со штегами несколько другой конструкции.

Установка штифтов в разбежку и ступенчатый скос препятствует образованию трещин, и такой дефект на них встречается гораздо реже.

Дополнительную информацию о том почему расстраивается пианино Вы найдете «Здесь»

Источник

Что такое штег у пианино

Игра на фортепиано приносит массу удовольствия, но при соблюдении определённых условий. Одним из таких условий является содержание самого инструмента в порядке. Настройте ваше фортепиано, и Вы увидите, что на настроенном инструменте играть намного приятнее!

Словарь терминов

Вагебанк — средний брусок клавиатурной рамы, на штифты которого надеваются клавиши.

Верхняя панель/рамка — деревянный щит, закрывающий верхнюю часть пианино, находящуюся над клавиатурой.

Вирбель/колок — металлический стержень, предназначенный для закрепления и натяжения струны.

Вирбельбанк/колковая доска/колковый щит — многослойный деревянный щит, состоящий из нескольких слоёв прочных и вязких пород дерева (бук, клён), в который вбиваются металлические колки (вирбели), служащие для закрепления и натяжения струн.

Гаммербанк — прочная деревянная или алюминиевая горизонтальная планка , на которой монтируются все узлы молоточкового механизма.

Гаммерштиль — деревянный стержень, несущий на себе молоток.

Дека — резонансный щит в пианино (рояле), изготовленный из специально отобранной резонансной ели. На обратной стороне деки, перпендикулярно волокнам дерева, расположены так называемые рипки — бруски из качественной ели. Задача деки — усилить звук фортепиано. Дека своими краями наклеивается на переднюю сторону футора.

Демпфер (нем. dämpfer — глушитель от dämpfen — заглушать) — устройство для гашения и предотвращения колебаний струн; проще говоря — глушитель струн.

Демпфергальтер — основная часть демпферного узла, предназначенная для крепления демпферов.

Друк клавиатурный — глубина опускания передней части клавиши от исходного положения до упора в суконную друкшайбу штульрамы.

Друкклётц — шаблон для измерения друка клавиш.

Друкшайба — деталь в виде шайбы с отверстием по центру, располагающаяся на переднем штифте клавиатуры. Имеется 2 вида друкшайб: суконные (из толстого сукна) и бумажные — для тонкой регулировки .

Интонировка — процесс изменения тембра (окраски) звука и его качества путём обработки молоточковых головок.

Канитель — навивка из медной проволоки на струнах в басовом и, частично, среднем регистрах.

Клавиатура — механизм, состоящий из 85 или 88 белых и чёрных клавиш, расположенных на деревянном щите — штульраме. Клавиатура большинства современных пианино и роялей состоит из 88 клавиш. Встречаются рояли и с бОльшим количеством клавиш: к лавиатура роялей «Bösendorfer» состоит из 97 клавиш; расширенная клавиатура роялей «Stuart and Sons» имеет 102 клавиши.

Клавиша — часть клавиатуры фортепиано, предназначенная для передачи энергии пальцев пианиста механике фортепиано. Чаще всего к лавиатура фортепиано содержит 52 белые и 36 чёрных клавиш («полутона», или «диезы»). Клавиши фортепиано изготавливаются исключительно из дерева. На деревянную основу клавиш приклеиваются соответствующие накладки белого или чёрного цвета.

Клап (клавиатурная крышка) — откидная крышка, закрывающая клавиатуру.

Консоль пианино — вертикальная фигурная стойка в корпусе пианино, соединяющаяся вверху с бачкой, а снизу — с ножкой пианино. Консоли не являются обязательным конструктивным элементом и присутствуют не во всех моделях пианино .

Контрфенгер — тормозной башмачок — часть молоточкового узла в механизме фортепиано, взаимодействующая с фенгером .

Молоток ( ч асть механики фортепиано ) — деталь из плотного войлока, закрепленного на деревянной основе, предназначенная для извлечения звука путём удара по струне .

Мостик басового штега — часть басового штега, которая служит для передачи звуковых колебаний струн на штег и далее — на деку.

Настройка фортепиано — установление заданной высоты для каждого тона звукоряда пианино (рояля) . В широком (точнее сказать, народном) значении слова под настройкой понимают комплекс работ по обслуживании фортепиано, включающий в себя собственно настройку, а также, мелкий ремонт, регулировку, интонировку и т.д.

Накладка клавиши — внешняя часть клавиши белого или чёрного цвета. Отличаясь по цвету и высоте, накладки обеспечивают пианисту необходимые визуальные и тактильные ощущения. Белые накладки изготавливаются из пластика либо слоновой кости. Для изготовления чёрных накладок (полутонов) используется пластик, либо чёрное дерево, либо (редко) другие сорта твёрдой древесины, окрашенные в чёрный цвет. В связи с запретом на торговлю слоновьей костью в современных пианино и роялях для белых клавиш используют только пластик. Некоторые фирмы в качестве компромисса используют с добавлением органических веществ.

Нахдрук — дополнительный ход клавиши после вывода толкающего рычага шпилера из-под молоточкового узла (иными словами, после момента срыва ауслезера). Нормальный нахдрук должен составлять ровно 2 мм.

Нижняя панель/рамка — деревянный щит, закрывающий нижнюю часть пианино, находящуюся под клавиатурой .

Обвязка рамы футора — часть рамы футора, расположенная горизонтально и служащая для соединения со шпрейцами.

Панцирь — часть металлической рамы, закрывающая вирбельбанк.

Педаль, педальный механизм — одна из важных систем в устройстве фортепиано, состоящая из 2 или 3 педалей, штоков, педальных цуг и регулировочных винтов.

Правая педаль отодвигает демпферы от всех струн одновременно , вследствие чего звук всех нажатых клавиш «тянется» и гаснет только после отпускания педали.

Левая педаль приближает все молоточки к струнам, чем уменьшает силу удара молотков. Как следствие, при нажатой левой педали звук пианино становится более тихим. В рояле левая педаль работает по другому принципу, но достигая той же цели — уменьшения силы звука: механика сдвигается в сторону, вследствие чего молоточки начинают бить по двум струнам вместо трёх.

Средняя педаль пианино (её часто называют третьей педалью) располагается между правой и левой педалями. Средняя педаль пианино опускает так называемый модератор, вследствие чего сила звука во много раз уменьшается. В роялях средняя педаль имеет совершенно иное назначение и служит для задержания отдельных демпферов в поднятом состоянии.

Источник

Что такое штег у пианино

Когда клавиша фортепиано нажата, молоток ускоряется от своего положения покоя через ряд рычагов, называемый механикой, и ударяет струну. Незадолго до удара прямой контакт между клавишей и молотком прерывается, и молоток остальную часть пути к струне проходит по инерции.

Форма и амплитуда импульса силы, воздействующей на струну, определяется конечной скоростью молотка и сочетанием механических свойств головки молотка и струны (соотношение масс, место удара и жесткость молотка). Молотки и струны разработаны таким образом, чтобы в дискантах импульс силы был короче, чем в басу (см. рис. 1).

Такой импульс соответствует спектру, который охватывает широкий диапазон частот (до 10 кГц для дискантового молотка). Из этого непрерывного спектра импульса струна отфильтровывает частотные компоненты, соответствующие ее резонансным частотам. Энергию этих компонент спектра колебаний струна передает штегу. Свойства материала струны и ее размеры оказывают влияние на перенос энергии.

Рис. 1. Импульсы силы удара молотка по басовой струне (хор № 2 = А#0) и по дискантовой (№ 88 = C8).

Штег служит соединительным элементом между струной и декой, передавая колебания струны в деку. Струны распределены по всей длине штега, который проходит приблизительно по диагонали через деку. Как следствие, струны передают свою энергию вибрации на деку в различных точках, а это значит, что все они будут сталкиваться с различными условиями этой передачи.

Дека преобразует механические колебания в излучаемый звук. В первом приближении, дека действует как большая диафрагма, зажатая по ее краям. Как и все диафрагмы, дека демонстрирует ряд резонансов, индивидуальные интенсивности которых определяется точкой возбуждения.

Если на время забыть о резонансах, то эффективность излучения диафрагмы увеличивается с ростом частоты и достигает теоретического максимума в области верхних дискантов. Это означает оптимальное соответствие между декой и окружающей средой в верхнем участке диапазона фортепиано, но при условии отсутствия потерь в древесине деки. Однако потери происходят, и это приводит к уменьшению звукового излучения в дискантах.

С увеличением частоты размеры деки также растут по отношению к длине волны в деке. Это означает, что дека больше не вибрирует, как одна жесткая мембрана, но, как правило, разделяется на ряд отдельных вибрирующих областей. Результатом является выраженное обострение направленности излучения, а также уменьшение излучаемой акустической энергии: воздух бесцельно перекачивается между областями, колеблющимися в противоположных фазах.

В самом нижнем частотном диапазоне отсутствие разделения между верхней и нижней поверхностями деки также уменьшает излучение звука (акустическое короткое замыкание).

В целом, эти явления приводят к тому, что область эффективного акустического излучения ограничена частотами в диапазоне от примерно от 100 Гц до 2000 Гц.

Возвращаясь к резонансам деки, отметим, что ее особенно легко заставить вибрировать на резонансных частотах. Используя постоянную колебательную силу, мы получаем высокую амплитуду колебаний и скорость на этих частотах. Отношение силы к скорости дает нам высокоинформативную величину, называемую механическим импедансом; его можно легко измерить в зависимости от частоты (см. график ниже). Резонансные частоты деки в кривой импеданса соответствуют впадинам, минимальным значениям кривой. Вклад в звуковое излучение от каждого резонанса, однако, должен быть определен из другого измерения, а именно, уровня звука в зависимости от частоты. Эту величину также легко измерить.

Кроме того, с помощью современной техники, называемой модальным анализом, разные виды колебаний деки на резонансных частотах могут быть вычислены на основе данных простых измерений и визуализированы на экране монитора. Этот метод позволяет также осуществлять компьютерное моделирование изменений формы и толщины деки, которая, таким образом, может быть оценена до того, как новый прототип инструмента будет реально построен.

Энергия вибрации струны передается на деку, преобразуется ею из механической в акустическую энергию и излучается в виде звука в воздух. Эффективность передачи этого потока энергии определяется свойствами деки («потребитель») по отношению к свойствам струны (источник). В инженерных терминах это отношение называется мерой согласования импедансов. Нагрузка, оказываемая декой на струну, может быть выражена с помощью ее входного импеданса (Z), который определяется как сила возбуждения (F), деленная на результирующую скорость (v) в точке возбуждения.

Высокое значение входного импеданса означает, что бо́льшая сила должна быть израсходована для достижения определенной скорости вибрации, в то время как низкий импеданс означает, что меньшая сила достаточна для достижения той же скорости. На самом деле импеданс также включает в себя фазовый угол (φ), который говорит нам о характере импеданса (инертный или упругий).

Установка для измерения входного импеданса фортепианной деки показана на рис. 2 (Wogram 1984). Электродинамический вибратор установлен на каретке, которая может быть закреплена в любой позиции на деке. На вибраторе смонтирована головка измерения импеданса, которая состоит из двух датчиков, позволяющих измерять возбуждающую силу и скорость вибрации одновременно, другими словами — две величины, необходимые для получения входного импеданса. Блок-схема измерения и описание методики измерений приведены в таблице ниже.

Рис. 2a. Установка для измерения импеданса деки. Стенд (вертикальные балки) и перекладина с подвижной кареткой.

Рис 2b. Крупный план: вибратор, головка импеданса и металлический штырь, соединяющий их со штегом.

Чтобы получить репрезентативный набор измерений для каждого инструмента, были проанализированы не менее четырнадцати точек измерения на расстоянии около 12 см друг от друга вдоль штегов (см. рис. 3). Струны были заглушены полосками войлока, чтобы предотвратить влияние индуцированных вибраций струн на результаты измерений.

Рис. 3. Дека пианино с положением точек измерения (MP1 — MP14), отмеченным на штегах.

Измерение входного сопротивления и уровня звука

Метод, используемый для измерения импеданса, состоит, вкратце, в следующем. Вибратор колеблет деку в выбранной точке на штеге, колебательная сила передается через головку измерения импеданса. Вибратор питается синусоидальным сигналом в диапазоне частот от 20 Гц до 10 кГц, подаваемым от перестраиваемого генератора через регулируемый усилитель (AVC). Выходной сигнал датчика ускорения (A) в головке импеданса интегрируется и подается на усилитель в качестве сигнала скорости (V). Этот усилитель регулирует входной сигнал вибратора так, чтобы колебательная скорость на штеге оставалась постоянной во всем диапазоне частот. Так как скорость остается постоянной, то сила (F) пропорциональна входному импедансу (Z). Это означает, что при правильной калибровке полученная кривая силы может быть истолкована как кривая импеданса.

Полученная таким образом величина импеданса регистрируется самописцем уровня, а угол сдвига фаз — с помощью второго аналогичного прибора. Еще один самописец связан с другими измерительными приборами, одновременно регистрирующими уровень звукового давления на расстоянии 2 м от деки. Таким образом, мы получаем три кривые для каждой точки измерения, характеризующие величину импеданса (Z), его фазовый угол (φ), и уровень звука (L). Эти три кривые суммируют акустические свойства деки.

Рис. 4. Блок-схема измерения входного импеданса и уровня звука.

На рис. 5 показан пример измеренных кривых входного импеданса и уровня излучаемого звука для макета пианино, состоящего из деревянного футора, рамы и деки со струнами, настроенными на стандартный строй. Можно видеть, что кривая импеданса характеризуется выраженными высокими пиками и глубокими впадинами, с постоянным снижением от 100 Гц до самых высоких частот. Для читателей, которые особенно заинтересованы в технических деталях, мы можем добавить, что импеданс достигает значений около 1000 кг/с на частоте 100 Гц и около 10 кг/с при 10 000 Гц.

Рис. 5. Акустические измерения на собранном макете пианино, состоящем из футора, рамы, деки с настроенными струнами. Входной импеданс (вверху), фазовый угол (в средине), уровень звука (внизу). Уровень 0 дБ для полного импеданса соответствует 1000 кг/с.

Все точки измерения характеризуются равномерным уменьшением импеданса выше 1000 Гц со спадом около 6 дБ на октаву, без каких-либо заметных резонансных пиков. Угол сдвига фаз близок к –90 °, что означает, что входное сопротивление доминирует в этой области за счет упругости деки. Мы находим подобную же ситуацию в экстремальной области низких частот (ниже 100 Гц); здесь фазовый угол также почти –90º, и никакие резонансные пики не проявляются (пики ниже 50 Гц порождаются не декой, а стойками и перекладиной, держащими электродинамический вибратор).

Соответствующая кривая уровня звука (рис. 5, внизу) показывает, что дека не способна излучать звук ниже 100 Гц. Выше этой частоты становятся заметными отдельные резонансы, которые могут усиливать излучение звука. В области приблизительно 1000 Гц достигается наилучшее излучение. Выше этой частоты звуковой уровень неуклонно снижается.

Связь между резонансами деки и соответствующим излучением звука можно продемонстрировать довольно просто. Постучав по деке пальцем (предпочтительно близко к точке измерения МР 9), мы услышим звук глухого удара с определенной высотой. Спектр этого звука показывает заметный пик на частоте 102 Гц (см. 6, вверху). Этот пик, который определяет высоту звука, возникает из-за основного резонанса деки. Этот же резонанс можно видеть как впадину на кривой входного импеданса на соответствующей частоте (рис. 6, в середине). Также и последующим максимумам кривой уровня звука (резонансам) на 135, 150 и 165 Гц соответствуют минимумы на кривой импеданса.

Рис. 6. Тон деки при ударе и влияние массивной нагрузки. Дека ударялась в точке 9 дискантового штега. Спектр звука (вверху), входной импеданс (в середине), входной импеданс с массивной нагрузкой (550 г), близкой к точке измерения (внизу). Вертикальные линии показывают частоты основного резонанса деки.

Кривые входного импеданса также могут быть использованы для демонстрации изменений свойств деки. Резонансы деки определяются распределением массы, жесткостью и демпфированием. Изменяя массовое распределение деки (с дополнительной массой на дискантовом штеге), мы получим модифицированную кривую импеданса (рис. 6, внизу). Резонансы ниже 100 Гц, не изменились (свойства вибратора и балок), в то время как основной резонанс деки сдвинут вниз от 102 Гц до 95 Гц. Это также легко услышать, постучав по деке.

Влияние натяжения струн

В нашей экспериментальной работе использовался полный акустический блок пианино, состоящий из футора, рамы, деки и струн, настроенных на номинальную высоту тона. Это означает, что дека находится под той же нагрузкой, как в готовом пианино. Однако нужно гарантировать, что струны заглушены и не могут вибрировать во время измерений. Для этой цели их демпфируют узкими полосками войлока, как упоминалось выше. Эта операция требует затрат времени, поэтому встал вопрос, можно ли провести эксперименты на деке без струн, или, хотя бы, с малым их натяжением, без серьезного изменения результатов.

Чтобы ответить на этот вопрос, мы провели измерения на акустическом блоке пианино с последовательно опущенным строем A4 = 440, 415, 220 и 0 Гц. И, наконец, струны были удалены полностью. С этими изменениями нагрузка на деке постепенно уменьшалась до нуля, что привело к изменению изгибной жесткости деки. Когда струны были удалены, изменилась и колеблющаяся масса. Теория говорит нам, что и величина импеданса, и резонансные частоты должны измениться при изменении этих параметров.

Эксперименты показали, что опустив струны на полтона, или даже октаву, мы производим лишь небольшое изменение жесткости деки на изгиб. Это можно увидеть на кривых импеданса для первых трех условий, которые практически идентичны (см. рис. 7). Лишь при полностью снятом натяжении наблюдалось влияние на кривую импеданса (рис. 7 d). В нижней области частот резонансы деки были сдвинуты вниз. Самый низкий резонанс (крайняя левая впадина на Z-кривой) был сдвинут от 115 до 90 Гц, когда натяжение струны спустили полностью, в то время как резонансы выше 200 Гц оставались по существу не незатронутыми.

Рис. 7. Влияние натяжения струн на входной импеданс деки (точка МР7):
(a) нормальная настройка (A4 = 440 Гц),
(b) на полтона ниже (A4 = 415 Гц),
(c) на октаву ниже (A4 = 220 Гц),
(d) полностью ослабленные струны,
(e) струны удалены.

Когда струны были полностью удалены, самый низкий резонанс опустился еще ниже (до 70 Гц), но теперь и верхние резонансы были также снижены (рис. 7 е). Тем не менее, общая конфигурация кривой импеданса оставалась практически неизменной.

Кривые излучения звука показывают несколько иную картину. Выше примерно 1000 Гц излучение не меняется в сколько-нибудь заметной степени — изменения проявляются только в области средних и низких частот. Однако общая конфигурация кривой остается практически неизменной.

Можно сделать вывод, что наличие и настройка струн не абсолютно необходимы для получения репрезентативных измерений свойств деки. Основные характеристики кривых импеданса и звукового излучения остаются практически неизменными, когда нагрузка удаляется. Только нижние резонансы находятся под ее влиянием, в результате чего они сдвигаются вверх примерно на 50 Гц, когда струны настроены в номинал. Однако это может быть легко принято во внимание при анализе данных.

Задача деки — излучение звука с большой громкостью в широком диапазоне частот. Это могло бы означать, что как можно больше энергии колебаний струны должно быть передано в деку. Однако дело обстоит не так просто. Если передача энергии происходит слишком эффективно, затухание звука будет слишком быстрым. Чтобы достичь разумной продолжительности звука, дека должна отражать значительную часть энергии колебаний обратно в струны. Таким образом, конструкция деки имеет компромиссный характер.

Придавая жесткость деке, мы улучшаем эффективность излучения звука, так как жесткая дека менее склонна разделяться на небольшие вибрирующие области. Одна из целей рипок заключается именно в том, чтобы сделать деку жестче, поскольку она на самом деле слишком тонкая по отношению к ее площади. Другая цель состоит в том, чтобы «гомогенизировать» деку путем уравнивания отличий в жесткости на изгиб (модуль упругости) вдоль и поперек волокон древесины. Модули упругости в этих двух направлениях соотносятся примерно как 20:1 (анизотропия). Если эта анизотропия не компенсируется за счет добавления рипок, проходящих поперек волокон, эффективная излучаемая площадь уменьшается, а эффективность излучения падает в широкой полосе частот.

Рипки должны увеличить жесткость на изгиб, но, с другой стороны, не нагрузить деку слишком большой дополнительной массой. По этой причине были проведены опыты по определению общего влияния рипок на входной импеданс и излучение звука. Эксперименты проводились с декой, на которой высота ребер постепенно уменьшалась с шагом 25% от первоначальной высоты. Рипки сострагивались, без снятия их с деки, с помощью электрической фрезы.

Теоретически момент инерции рипок определяет их жесткость. Момент инерции I рипки с прямоугольным поперечным сечением равен:

где b — ширина и h — высота поперечного сечения. Если высота уменьшается без изменения ширины, то результатом является быстрое уменьшение момента инерции и, следовательно, усиливающего эффекта рипки, в то время как масса уменьшается гораздо медленнее (см. рис. 8 ).

Рис. 8. Изменение массы и жесткости рипки прямоугольного сечения по мере уменьшения ее высоты.

Эксперименты показали, что на верхнем конце дискантового штега заметных изменений во входном сопротивлении при уменьшении высоты рипок не происходило. Здесь рипки не играют решающей роли, как в отношении жесткости, так и в плане добавленной массы, и большее влияние оказывают граничные условия на стыке между декой и рамой.

Но с другой стороны, в центральной области деки мы наблюдаем развитие выраженных резонансов (впадин) в кривой импеданса ниже 200 Гц по мере уменьшения высоты рипок (см. рис. 9). Резонансные частоты здесь постепенно смещаются вниз, и в то же время резонансы становятся более резко очерченными. Разница в уровне между пиками и впадинами возрастает, в то время как среднее значение для импеданса уменьшается ниже 200 Гц. Выше 500 Гц кривая импеданса испытывает лишь незначительное влияние, и не наблюдается никакого смещения верхних резонансных частот.

Не было найдено равномерного соотношения между последовательными этапами уменьшения высоты рипок и изменениями во входном импедансе деки. Влияние первого уменьшения (от 100 до 75% высоты рипки) было значительно меньше, чем второго (от 75 до 50%). Влияние становится больше, как только основная жесткость была удалена, и больше нет какой-либо компенсации анизотропии в модулях упругости.

Вернемся к излучению звука. Здесь наблюдались такие же эффекты, как и для входного импеданса; наиболее низкие резонансные частоты смещаются вниз, и излучение звука уменьшается. Тем не менее, в отличие от эффекта на импедансе, уменьшение звукового излучения распространяется по всему диапазону частот, даже выше 500 Гц. Это происходит из-за короткого замыкания — явления, уже упомянутого во введении. Выше определенной частоты дека больше не вибрирует как единое целое, но делится на ряд вибрирующих областей, что приводит к более низкой эффективности излучения. Кроме того, отсутствие компенсации анизотропии приводит к уменьшению общей вибрирующей площади и, следовательно, к ухудшению излучения.

По результатам измерений можно сделать вывод о том, что две наиболее важные функции рипок — это придание жесткости деке и компенсация разницы в жесткости на изгиб параллельно и поперек волокон (анизотропия). Жесткость на изгиб оказывает большее влияние, чем масса. Поэтому более выгодно использовать узкие и высокие рипки, чем рипки с низким и широким сечением.

Мы также исследовали изменения акустических свойств деки при уменьшении числа рипок, а не их высоты. Использовался акустический блок пианино того же типа, что и в эксперименте с высотой рипок. Каждую вторую рипку удаляли, срезая ее до уровня деки, и измеряли входной импеданс и излучение звука. Сравнение этих данных с данными предыдущего эксперимента показало, что снижение на 50% числа рипок эквивалентно 25%-ному уменьшению их высоты. Это относится как к входным импедансам, так и к излучению звука. Измерения четко показывают, что изменение количества рипок оказывает меньшее влияние на акустические свойства деки, чем изменение их высоты, а все остальные параметры не изменяются.

Как объяснил Габриэль Вайнрайх в предыдущей лекции, затухание фортепианного звука имеет комплексный характер. Начальная фаза затухания, так называемый быстрый звук, имеет важное значение в оценке качества тона. Поэтому представляется целесообразным измерить время затухания в начале звука, от максимального уровня до –20 дБ (T20). Этот параметр должен зависеть главным образом от деки, а более конкретно — от согласования импеданса между струной и движением деки в вертикальном направлении. Это так, поскольку начальный удар молотка задает струне вибрации в основном в этом направлении.

Чтобы проверить эту гипотезу, акустический блок пианино с футором, рамой и декой был оснащен одной струной в нескольких точках измерения. Согласование импеданса варьировалась путем настройки струны на резонансных частотах деки и близко к ним (см. рис. 10). Изменение согласования импеданса было зарегистрировано путем наблюдения за изменением времени затухания основного тона возбужденной щипком струны. Начнем со струны на дискантовом штеге. Эта струна сначала была настроена на D4 = 294 Гц (точка 1 на рис. 10, вверху), затем натяжение струны медленно снижалось до 210 Гц (точка 3). С помощью этих расстроек мы смогли сравнить времена затухания на пиках, впадинах и в промежуточных точках с одинаковым значением импеданса. Из двух промежуточных точек одна расположена на восходящем склоне кривой, соответствующем положительному фазовому углу (точка 5), в то время как другая находится на нисходящем склоне с отрицательным фазовым углом (точка 4).

Рис. 10. Изменение согласования импеданса между струной и декой при изменении настройки струны; дискантовый штег MP 8 (вверху) и басовый штег MP 12 (внизу). Отмеченные цифрами точки обозначают последовательные частоты настроек одиночной струны.

Из этих экспериментов был сделан ряд наблюдений. Как и ожидалось, время затухания для колебаний струны значительно дольше на пике кривой импеданса (вне резонанса), чем во впадине (в резонансе). Кроме того, затухание больше, когда угол сдвига фаз положителен, чем когда фазовый угол отрицателен. Следовательно, хорошее согласование между струной и декой обнаруживается, когда входное сопротивление деки высокое, а фазовый угол положителен. Те же результаты были получены для струны на басовом штеге (см. рис. 10, внизу).

Глубокие впадины (резонансы) на кривой импеданса оказывают наиболее сильное отрицательное влияние на время затухания звука. Следовательно, одной из характеристик высокого качества деки является то, что кривая импеданса содержит как можно меньше глубоких провалов и резких зигзагов. Кроме того, общий уровень кривой импеданса должен быть достаточно высоким, чтобы обеспечить достаточное отражение энергии от штега в струну, в результате чего возрастет длительность затухания звука.

Времена затухания звуков небольшого пианино изображены на рис. 11. Как можно видеть, время затухания резко изменяется от звука к звуку. Для того, чтобы судить о последствиях нерегулярности кривой, мы можем сравнить две соседние ноты, F#4 и G4. Из графика, мы получаем соответствующие значения T20: 3,5 с и 0,7 с соответственно. Столь большая разница во времени затухания между этими двумя соседними нотами (5: 1) свидетельствует о невысоком качестве инструмента.

Рис. 11. Время затухания (T20) звуков небольшого пианино, соответствующее уменьшению уровня звука на 20 дБ от максимального.

Другим примером последствий нерегулярности времен затухания звуков этого конкретного пианино служат различия между двумя аккордами С3 — С4 — G4 (3,8; 1,7; 0,7 с) и D3 — D4 — A4 (3,4; 3,3; 2,3 с). Эти соотношения между временем затухания означает, что первый аккорд будет состоять в основном из самой низкой ноты (C3) вскоре после атаки, так как две высокие ноты исчезнут очень быстро. В отличие от этого, спектр второго аккорда не будет меняться так же быстро, звучание будет более ярким и полным по сравнению с первым аккордом.

Представленные до сих пор результаты показывают, что входной импеданс и уровень звукового излучения зависят от положения точки возбуждения. Чтобы понять эту зависимость, мы должны знать, как дека вибрирует. и модальный анализ является удобным методом для этой цели. С помощью этого метода можно исследовать отдельные моды колебаний (резонансы), а также измерять их частоты и меру затухания. Виды движения деки при колебаниях в различных модах также могут наблюдаться в медленном движении на экране компьютера, что дает хорошее представление о том, как дека вибрирует.

Рис. 12. Модальный анализ, эскиз метода измерения.

Предварительные данные измерений с анализатора (сложные передаточные функции) позже передаются на маленький компьютер, который вычисляет движение деки при резонансе и показывает анимационную картину колеблющейся деке в медленном движении. При правильном выборе перспективы и усиления, распределение вибрации по всей деке можно ясно видеть. *

* Во время лекции были показаны видеозаписи колеблющейся деки. На рисунках, которые показаны здесь, резонансы деки проиллюстрированы «стоп-кадрами» прогибов на положительных и отрицательных максимумах, соответственно.

Принцип модального анализа поясняется блок-схемой рис. 12. Сеть точек измерения отмечена на деке рояля. Эти точки возбуждаются последовательно ударами небольшого молотка со встроенным датчиком силы. Небольшой микрофон (акселерометр), который крепится к деке в определенном месте, регистрирует результирующие вибрации. Сигнал от акселерометра отправляется в анализатор для компьютерной обработки вместе с сигналом силы от молотка.

С использованием описанной методики были исследованы моды колебаний (резонансы) в деке концертного рояля длиной 2,90 м, с чугунной рамой и настроенными струнами (см. рис. 13 – 16).

Рис. 13. 1-я и 2-я моды колебаний деки концертного рояля (длина 2.9 м).

Первая мода имеет резонансную частоту 62 Гц, а распределение отклонения показывает только один максимум колебаний с одинаковой фазой во всей деке (рис. 13, слева). Зона максимальной вибрации расположена в передней левой трети деки. Высокочастотная область на переднем конце дискантового штега почти не вибрирует вовсе.

Во второй моде на частоте 90 Гц передняя половина деки вибрирует в противофазе по отношению к задней, с зоной небольшого прогиба посередине между этими участками (рис. 13, справа). В этой зоне есть узловая линия, проходящая параллельно клавиатуре вдоль середины деки. (Режимы с этой ориентацией узловых линий иногда называют продольными модами.)

Рис. 14. 3-я и 4-я моды колебаний той же деки.

Третья мода при 105 Гц (рис. 14, слева) не является следующей продольной модой, это — вторая поперечная мода. В третьей продольной моде должны были бы появиться три области с противофазным движением, разделенные двумя поперечными узловыми линиями. Но эта третья мода при 105 Гц имеет распределение прогибов как и вторая мода при 90 Гц, за исключением того, что узловая линия теперь расположена продольно (перпендикулярно клавиатуре). В связи с более высокой жесткостью дискантовой области возникает асимметрия в пользу секции низких частот.

Четвертая мода при 127 Гц — снова продольная: четыре вибрирующих области, движущиеся в противоположных фазах, разделены тремя поперечными узловыми линиями (рис 14, справа.).

Для следующих двух мод (187 и 222 Гц) низкая жесткость левой части деки вызывает сильное движение этой области по сравнению с правой частью (см. рис. 15). Кроме того, левая часть делится на три и четыре зоны колебаний, соответственно.

В следующих двух режимах (245 и 325 Гц), вибрирующие участки пока еще могут быть найдены и идентифицированы (см. рис. 16), но для более высоких мод распознать зоны вибрации становится все труднее.

Рис. 15. 5-я и 6-я моды колебаний деки.

Рис. 16. 7-я и 8-я моды.

Важная информация может быть получена из модального анализа в отношении входного импеданса для различных струн, а также для затухания соответствующих звуков. Например, конфигурация моды с большой амплитудой вибрации в определенной точке на штеге подразумевает низкий импеданс и, следовательно, эффективную передачу энергии от струны через штег в данной конкретной точке. Это означает, что время затухания обертонов, близких к частоте этой моды, для струн, проходящих через штег в этой точке, будет относительно коротким.

Я закончу свое выступление кратким обсуждением того, как модальный анализ может быть использован для прогнозирования времени затухания. Программа модального анализа моделирует свойства реальной деки набором гипотетических математических резонансных систем (с одной степенью свободы). Любые изменения в свойствах деки можно смоделировать на компьютере путем изменения значений массы, жесткости и затухания в точках измерения.

Эта методика проиллюстрирована на рис. 17, который показывает форму изгиба деки на своей второй моде 90 Гц (вверху). Наибольшая амплитуда вибрации находится в передней левой секции, наименьшая — вокруг узловой линии (пунктирная линия). Узловая линия пересекает штег вблизи точки (0), где одна из басовых струн отдает свою энергию вибрации к деке. Малая амплитуда колебаний в этой точке указывает на высокое входное сопротивление колебаниям струны и, следовательно, очень долгое время затухания быстрого звука.

Рис. 17. Вторая мода колебаний (90 Гц) деки рояля (вверху)и она же с изменениями, внесенными в компьютерной модели, при 101 Гц (внизу). Изменения в форме моды и в частоте связаны с моделируемым увеличением жесткости в переднем левом углу (заштрихованная область). Узловые линии обозначены пунктирными линиями. Круги указывают на точку на штеге, где закреплены некоторые басовые струн, см текст.

Если жесткость деки в переднем левом углу увеличить в компьютерной модели (внизу, заштрихованная область), форма второй моды изменится. Частота будет повышена до 101 Гц, а узловая линия повернута к продольному направлению деки. Движение в передней левой части уменьшится, как и следовало ожидать. В отличие от этого, амплитуда колебаний в точке, где басовая струна пересекает штег, увеличится. Это означает, что время затухания быстрого звука сократится, как и задумано — однако, насколько именно, спрогнозировать трудно.

Этот пример иллюстрирует, как модальный анализ вместе с последующей компьютерной модификацией могут помочь в развитии роялей, предсказывая общие последствия предлагаемых изменений в конструкции. Использование этой методики может свести к минимуму необходимость в дорогих тестовых прототипах, хотя пока еще не полностью исключить их.

Wogram, K. (1984): «Akustische Untersuchungen an Klavieren,» in H. Junghanns: Der Piano- und Flÿgelbau (Verlag Das Musikinstrument, Frankfurt); English version «Acoustical Research on Pianos: Vibrational Characteristics of the Soundboard,» Das Musikinstrument, Vol. 24, pp. 694-702, 776-782, 872-880 (1980).

Клаус Вограм получил докторскую степень (Dr.-Ing.) на техническом факультете в Университете Брауншвейга в 1972 г. С самого начала своей профессиональной карьеры он был связан с Акустическом отделом Федерального института физики и технолологии (Physikalisch-Technische Bundesanstalt) в Брауншвейге, Западной Германии, где он стал руководителем Лаборатории музыкальной акустики в 1985 году. Его исследования связаны в особенности с медными духовыми инструментами; интерес к ним был приобретен им в его ранние годы и непрерывно поддерживается игрой на джаз-тромбоне.

Источник

Читайте также:  Варвара визбор ты у меня одна ноты
Оцените статью