При увеличении натяжения мембрана барабана сильнее сопротивляется отклонению и обычно колеблется быстрее, поэтому звук становится выше. При ослаблении натяжения характерные частоты снижаются. Но барабан создаёт сразу несколько колебательных режимов, а его звучание зависит ещё от размера, массы мембраны, воздуха внутри и второй мембраны, если она есть. Поэтому поворот настроечных винтов меняет не только высоту, но иногда и тембр, длительность и чистоту звука.
Что происходит после удара
Палочка на короткое время прогибает мембрану, передавая ей энергию. Натянутый материал стремится вернуться к исходному положению, но по инерции проходит через него и отклоняется в другую сторону. Возникают колебания. Мембрана толкает окружающий воздух, создаёт изменения давления, и звуковая волна распространяется к слушателю.
Удар не задаёт единственную частоту напрямую. Он возбуждает те движения, которые допускает конструкция инструмента. Поэтому одна палочка способна извлечь разные звуки из большого и маленького барабана. Дальнейшее движение определяется свойствами системы, а не только тем, как быстро рука ударила. То, как эти колебания превращаются в ощущение звука, описано в статье как человек слышит.
Почему более сильное натяжение повышает частоту
Представим небольшой участок мембраны, который отклонили от плоскости. Соседние участки тянут его обратно. При большем натяжении возвращающая сила при таком же отклонении оказывается сильнее. Материал быстрее меняет направление движения, и полный цикл занимает меньше времени. Большее число циклов за секунду соответствует более высокой частоте.
Для идеальной тонкой мембраны скорость распространения поперечной волны возрастает с натяжением и уменьшается с увеличением массы единицы площади. Зависимость не прямая, а через квадратный корень: удвоение натяжения не означает удвоения частоты. Реальный барабан сложнее этой модели, однако она верно объясняет основное направление изменения при настройке одного и того же исправного инструмента.
Мембрана колеблется не как одна точка
Круглая мембрана закреплена по краю. Одни возможные формы движения напоминают общий купол, другие разделяют поверхность на области, которые одновременно движутся в противоположные стороны. Между ними возникают линии, остающиеся сравнительно неподвижными. Такие устойчивые формы колебаний называют собственными модами. У каждой есть своя характерная частота.
После удара обычно возбуждается несколько мод сразу. Мы слышим их сочетание, причём одни быстро затухают, а другие сохраняются дольше. Поэтому звук барабана нельзя полностью описать одной нотой. Даже если слушатель уверенно говорит «этот барабан звучит выше», речь может идти об изменении нескольких важных составляющих спектра и общем впечатлении от короткого ударного звука.
Почему не каждый барабан даёт ясную ноту
У идеальной круглой мембраны частоты собственных мод не образуют такой простой ряд, как гармоники идеальной струны. Из-за этого у многих барабанов ощущение точной музыкальной высоты менее определённо. Слышны удар, низкий тон, звонкие компоненты и шумовые детали, которые складываются в узнаваемый тембр, но не всегда соответствуют одной клавише фортепиано.
Литавры устроены так, что взаимодействие мембраны с воздухом и корпусом помогает сформировать более определённую высоту. Обычный том и малый барабан дают другой результат. У малого барабана к звучанию дополнительно примешивается работа подструнника. Поэтому одинаковое натяжение двух похожих по размеру инструментов ещё не гарантирует одинаковую ноту или одинаковый характер атаки.
Натяжение не следует путать с громкостью. Более сильный удар обычно передаёт мембране больше энергии и увеличивает размах её движения. Настройка же изменяет условия, в которых происходят колебания. Это разные способы воздействия на инструмент. На практике сильный удар способен немного менять высоту из-за нелинейного поведения мембраны, поэтому сравнение лучше проводить одинаковыми лёгкими ударами. Так проще услышать именно результат настройки. Если один раз едва коснуться поверхности, а другой ударить изо всех сил, разница в громкости и спектре может отвлечь от изменения характерных частот и создать неверное впечатление о работе винтов.
Зачем винты затягивают равномерно
По краю мембраны расположен обруч, который удерживают настроечные винты. Если сильно затянуть один участок и оставить другой слабым, напряжение распределится неоднородно. Это меняет условия колебаний, может создавать складки и нежелательные звуковые компоненты. Поэтому при настройке стараются согласовать натяжение по окружности, а не просто добиться большого сопротивления одного винта.
Лёгкие удары возле разных винтов помогают услышать различие участков. Затем настройку уточняют небольшими изменениями, учитывая рекомендации изготовителя. Число оборотов само по себе не является универсальной мерой высоты: отличаются мембраны, резьба, посадка обруча и начальное состояние. Кроме того, рабочий диапазон ограничен; чрезмерное затягивание способно испортить звук и повредить детали, а не сделать инструмент бесконечно более звонким.
Почему размер и толщина тоже важны
При прочих равных более крупная мембрана допускает более низкие характерные частоты: волне приходится проходить большее расстояние между закреплёнными границами. Более тяжёлая мембрана также обычно колеблется медленнее при одинаковом натяжении. Но сравнение «при прочих равных» существенно: два барабана редко отличаются только одним размером, сохраняя совершенно одинаковыми все остальные свойства.
Смена материала, покрытия или числа слоёв влияет не только на массу, но и на потери энергии и жёсткость. Отсюда разница между тонким открытым звучанием и более коротким приглушённым. Другой пример влияния нагрузки на частоту разобран в статье почему бокал меняет тон после добавления воды. Механизмы различаются, но в обоих случаях частоту задаёт вся колеблющаяся система.
Почему место удара меняет тембр
Удар в центр и удар ближе к краю неодинаково возбуждают собственные моды. Если воздействие приходится в область, которая почти неподвижна для определённой формы колебаний, эта форма получает мало энергии. В другом месте она может зазвучать заметнее. Поэтому музыкант способен менять окраску звука без поворота настроечных винтов.
Различается и действие палочки, мягкой колотушки, щётки или ладони. Короткий жёсткий удар возбуждает один набор составляющих, более длительный мягкий контакт – другой. Чтобы проверить именно влияние натяжения, нужно сохранять место и способ удара примерно одинаковыми. Иначе изменение высоты можно спутать с изменением тембра. Настройка определяет возможности мембраны, а исполнитель выбирает, какие из этих возможностей проявятся в конкретном звуке.
