Διάλεξη 12. Η Φυσική της Μουσικής Τ.Ε.Ι. Ιονίων Νήσων. Ξύλινα Πνευστά Όργανα: Μονής γλωττίδας Διπλής γλωττίδας (Γλωττίδα αέρα)

Transcript

1 Η Φυσική της Μουσικής Τ.Ε.Ι. Ιονίων Νήσων Διάλεξη 12 Ξύλινα Πνευστά Όργανα: Μονής γλωττίδας Διπλής γλωττίδας (Γλωττίδα αέρα)

2 Ξύλινα Πνευστά Όργανα Τα ξύλινα πνευστά αποτελούν τη μια από τις δύο ομάδες οργάνων που παίζονται φυσώντας αέρα μέσα σε αυτά (η άλλη ομάδα είναι τα χάλκινα όργανα). Παραδείγματα ξύλινων πνευστών οργάνων είναι το φλάουτο, το κλαρινέτο, το σαξόφωνο, το όμποε και το φαγκότο. Τα κοινά χαρακτηριστικά των ξύλινων πνευστών είναι: Μια ταλαντούμενη «γλωττίδα» στο άκρο του επιστομίου Μια στήλη αέρα ανοικτή στο απομακρυσμένο άκρο Τονικές οπές κατά μήκος της στήλης αέρα Τα ξύλινα πνευστά ήταν αρχικά κατασκευασμένα από ξύλο. 2

3 Ροή Ενέργειας και Ανάδραση Η πηγή ενέργειας σε ένα ξύλινο πνευστό όργανο είναι η ανάσα του εκτελεστή. Σε ένα ξύλινο πνευστό υπάρχουν δύο συνηχητές: η γλωττίδα και η αέρια στήλη. Οι συνηχούμενες συχνότητες της γλωττίδας είναι πιο ψηλές από αυτές της αέριας στήλης. Οι δύο συνηχητές αλληλεπιδρούν μέσω μιας διαδικασίας ανάδρασης. Ο εκτελεστής μεταφέρει ενέργεια απευθείας στη γλωττίδα, και κατόπιν μέρος αυτής της ενέργειας, με τη σειρά της, αποθηκεύεται στην αέρια στήλη. Λιγότερο από το 1% της ενέργειας του εκτελεστή ακτινοβολεί ως ήχος. 3

4 Κατηγορίες Ξύλινων Πνευστών Τα ξύλινα πνευστά χωρίζονται με βάση τη φύση τους σε τρεις κατηγορίες σύμφωνα με τον τύπο της γλωττίδας που χρησιμοποιούν: Όργανα μονής γλωττίδας (κλαρινέτο, σαξόφωνο) Όργανα διπλής γλωττίδας (όμποε, φαγκότο) Όργανα γλωττίδας αέρα (φλάουτο, σφυρίχτρα) γλωττίδες Από καλάμι Arundo Donax 4

5 Τα Ξύλινα Πνευστά στην Ορχήστρα 5

6 6

7 Όργανα Μονής Γλωττίδας: Κλαρινέτο 7

8 Όργανα Μονής Γλωττίδας: Σαξόφωνο Το σαξόφωνο αποτελεί πρόσφατη πρόσθεση στα ξύλινα (εφευρέθηκε το 1846 από τον Adolphe Sax). Soprano sax Alto sax Tenor sax Baritone sax 8

9 Corn Anglais Όργανα Διπλής Γλωττίδας: Όμποε Οι διπλές γλωττίδες διαμορφώνονται από ένα διπλωμένο κομμάτι καλάμι: 9

10 Contrabassoon Όργανα Διπλής Γλωττίδας: Φαγκότο επιστόμιο 10

11 Στάσιμα Κύματα στην Αέρια Στήλη Όλα τα ξύλινα πνευστά έχουν το ένα άκρο τους ανοικτό, το οποίο πρέπει, επομένως, να είναι αντιδεσμός για κάθε στάσιμο κύμα στην αέρια στήλη (υποθέτοντας ότι όλες οι οπές δακτυλισμών είναι καλυμμένες). Οι συνοριακές συνθήκες στο άκρο του επιστομίου εξαρτώνται από τον τύπο της γλωττίδας που χρησιμοποιείται: Τα όργανα με γλωττίδες από καλάμι είναι κατ αρχήν κλειστά : το επιστόμιο είναι δεσμός. Τα όργανα με γλωττίδα αέρα είναι κατ αρχήν ανοικτά: το επιστόμιο αποτελεί αντιδεσμό. 11

12 Ανασκόπηση Στάσιμων Κυμάτων f 1 =v/2l 2f 1 Γλωττίδα αέρα 3f 1 4f 1 f 1 =v/4l 3f 1 Γλωττίδα καλάμου 5f 1 7f 1 12

13 Συνοριακές Συνθήκες: Τόνος και Ηχόχρωμα Οι δύο κύριες διαφορές μεταξύ αυτών των συνοριακών συνθηκών είναι ότι: Οι γλωττίδες καλάμου έχουν χαμηλότερη θεμελιώδη συχνότητα για το ίδιο μήκος οργάνου. Το κλαρινέτο και το φλάουτο έχουν περίπου το ίδιο μήκος αλλά η χαμηλότερη νότα του κλαρινέτου είναι περίπου μια οκτάβα χαμηλότερη από αυτή του φλάουτου. Οι γλωττίδες καλάμου χάνουν (ιδεατά) όλες τις άρτιες αρμονικές Η απώλεια των αρτίων αρμονικών επηρεάζει το ηχόχρωμα του οργάνου με χαρακτηριστικό τρόπο. 13

14 Αλληλεπιδράσεις Αέρα - Γλωττίδας Η αέρια στήλη και η επιστόμια γλωττίδα είναι και τα δύο συνηχητικά συστήματα, το καθένα με τις δικές του συχνότητες συντονισμού. Ένα κοινό χαρακτηριστικό των ξύλινων πνευστών είναι ότι οι συχνότητες συντονισμού της γλωττίδας είναι πολύ υψηλότερες από τις συχνότητες συντονισμού της αέριας στήλης. Πώς αλληλεπιδρούν η γλωττίδα και η αέρια στήλη για τον καθορισμό της καθολικής συνηχητικής απόκρισης του οργάνου; 14

15 Μια και η πηγή ενέργειας (αναπνοή) είναι μια πηγή θορύβου, η ενέργεια που διατίθεται στο όργανο καλύπτει ευρύ φάσμα συχνοτήτων. Υπάρχουν 3 πιθανότητες: Οι ταλαντώσεις της γλωττίδας κυριαρχούν στην καθολική συμπεριφορά Οι ταλαντώσεις της αέριας στήλης κυριαρχούν στην καθολική συμπεριφορά Οι ταλαντώσεις της γλωττίδας και του αέρα συνυπάρχουν Τα έγχορδα όργανα επίσης αποτελούνται από δύο κύριους συνηχητές (χορδές και σώμα) των οποίων οι ταλαντώσεις συνυπάρχουν για την παραγωγή του ήχου. 15

16 Στα ξύλινα πνευστά, συνεργάζονται δύο παράγοντες για την εξασφάλιση ότι οι ταλαντώσεις της αέριας στήλης κυριαρχούν στην απόκριση του οργάνου : Η στήλη του αέρα είναι πιο συμπαγής συνηχητής από τη γλωττίδα. Η συνήχηση της γλωττίδας έχει χαμηλότερη ποιότητα λόγω απόσβεσης (π.χ., λόγω της επίδρασης των χειλέων του εκτελεστή σε μια γλωττίδα καλάμου). Η διαδικασία μέσω της οποίας ένας συνηχητής υπερέχει και αναγκάζει τον άλλο συνηχητή σε μη-συντονισμένες ταλαντώσεις καλείται ανάδραση. 16

17 Παράδειγμα: Ανάδραση σε Κλαρινέτο Αν φυσήξουμε απαλά μέσα σε ένα επιστόμιο κλαρινέτου, η αναπνοή διέρχεται απρόσκοπτα. Φυσώντας περισσότερο απότομα, η πίεση του αέρα που εξασκούμε αναγκάζει τη γλωττίδα να κλείσει μερικώς. 17

18 Ένας παλμός αέρα που στέλνεται μέσα στο όργανο από το επιστόμιο έχει αρνητική ανάκλαση από το ανοικτό άκρο. Υψηλή πίεση της αναπνοής κλείνει τη γλωττίδα Χαμηλή πίεση από το επιστόμιο κλείνει τη γλωττίδα t = 0 t = L/v t = 2L/v Όταν αυτός ο αρνητικός παλμός επιστρέφει στ επιστόμιο, δημιουργεί αναρρόφηση που ωθεί τη γλωττίδα να κλείσει και αποκόπτει τη ροή αέρα μέσα στο όργανο. 18

19 Ο αρνητικός παλμός ανακλάται από το επιστόμιο και διανύει ένα ακόμη κύκλο. Αυτή τη φορά, η αρνητική ανάκλαση επαναφέρει τον αρχικό θετικό παλμό. Χαμηλή πίεση αναπνοής ανοίγει τη γλωττίδα t = 2L/v t = 3L/v Υψηλή πίεση επιστομίου ανοίγει τη γλωττίδα t = 4L/v Ο επιστρέφων παλμός ωθεί τη γλωττίδα να ανοίξει καθώς φθάνει στο επιστόμιο, σε χρόνο 4L/v μετά τον αρχικό παλμό. 19

20 Βρόχος Ανάδρασης Κλαρινέτου Η γλωττίδα και η αέρια στήλη συγχρονίζονται όταν η γλωττίδα ταλαντώνεται σε f = v/4l. Τα αποτελέσματα της πίεσης μέσα στο επιστόμιο προκαλούν θετική ενίσχυση (ή ανάδραση) στα αποτελέσματα της πίεσης αναπνοής του εκτελεστή. Υψηλή πίεση αναπνοής κλείνει τη γλωττίδα Χαμηλή πίεση επιστομίου κλείνει τη γλωττίδα Υψηλή πίεση επιστομίου ανοίγει τη γλωττίδα Χαμηλή πίεση αναπνοής ανοίγει τη γλωττίδα 20

21 Επίδραση των Τονικών Οπών Έως τώρα, έχουμε υποθέσει ότι όλες οι τονικές οπές είναι κλειστές έτσι ώστε να έχουμε μια απλή αέρια στήλη. Πραγματικό Μήκος Τα πραγματικά ξύλινα όργανα έχουν οπές κατά το μήκος της αέριας στήλης τους. Αυτές οι οπές καλούνται τονικές ή δακτυλικές οπές. Πώς η παρουσία των τονικών οπών αλλάζει τη συνηχητική απόκριση της αέριας στήλης; 21

22 Ανοικτές οι τονικές οπές αλλάζουν το ενεργό μήκος της αέριας στήλης. Μικρή οπή έχει αμελητέα επίδραση ενώ μεγάλη οπή (διάμετρος οπής > διάμετρος οργάνου) ανοίγει πλήρως το όργανο στον αέρα στη θέση της. Ενεργό Μήκος Ενεργό Μήκος Αυτός είναι ο σκοπός των τονικών οπών: να μεταβάλλουν τη θεμελιώδη συχνότητα συντονισμού (νότα) του οργάνου. 22

23 Οι περισσότεροι δακτυλισμοί έχουν όλες τις οπές κλειστές μέχρι μια συγκεκριμένη απόσταση από το επιστόμιο, και μετά όλες τις απομένουσες οπές ανοικτές. Effective Length Στα πραγματικά όργανα, το μέγεθος των οπών βρίσκεται κάπου ανάμεσα στις ακραίες περιπτώσεις, έτσι ώστε δε μπορούμε να αγνοήσουμε το μέρος του οργάνου με τις οπές ανοικτές. 23

24 Οι ανοικτές οπές επιτρέπουν στους ήχους χαμηλής συχνότητας να ακούγονται πιο εύκολα από τους ήχους υψηλής συχνότητας. Γιατί; Η οπή περιέχει τη δική της μικρή αέρια στήλη και επομένως είναι επίσης συνηχητής. Στις χαμηλές συχνότητες, αυτή η μικρή ποσότητα αέρα οδηγείται κάτω από τη συχνότητα συντονισμού της και αντιδρά συμφασικά, επιτρέποντας στον ήχο να διαφύγει. Στις υψηλές συχνότητες, οδηγείται πάνω από τη συχνότητα συντονισμού και αντιδρά εκτός φάσης, εμποδίζοντας τη διαφυγή του αέρα. 24

25 Το καθαρό αποτέλεσμα των ανοικτών τονικών οπών είναι να επιτρέπει στους ήχους χαμηλής συχνότητας να διαφεύγουν, αλλά να παγιδεύει τους ήχους υψηλής συχνότητας. Αυτό σημαίνει ότι οι συνοριακές συνθήκες στο ανοικτό άκρο εξαρτώνται τώρα από τη συχνότητα: το όργανο φαίνεται μακρύτερο στον ήχο υψηλής συχνότητας. Ως αποτέλεσμα, το τονικό τέμπο ενός οργάνου θα εξαρτάται από τον αριθμό των ανοικτών οπών σε συγκεκριμένο δακτυλισμό. 25

26 Επίδραση Κλειστών Τονικών Οπών Οι κλειστές τονικές οπές προσθέτουν περιοχές πρόσκρουσης στην άλλως λεία εσωτερική επιφάνεια του οργάνου. Αυτές οι περιοχές πρόσκρουσης επιβραδύνουν ελαφρά τα ηχητικά κύματα, μεταβάλλοντας την ταχύτητα v κατά την παρακάτω σχέση για τις συχνότητες κάθε στάσιμου κύματος: f n = n (v / 4L), n = 1,3,5, Μείωση της v είναι μαθηματικά ισοδύναμη με αύξηση του L. 26

27 Οπές Ρετζίστρου Οι περισσότεροι δακτυλισμοί έχουν όλες τις τονικές οπές κλειστές μέχρις κάποιου σημείου και τις υπόλοιπες ανοικτές. Μερικές οπές έχουν τοποθετηθεί ειδικά για να δημιουργούν δεσμό ο οποίος σκοτώνει το θεμελιώδες στάσιμο κύμα και αναγκάζει την αέρια στήλη να ταλαντώνεται σε υψηλότερη αρμονική. Αυτές καλούνται οπές ρετζίστρου και κατασκευάζονται αρκούντως μικρές ώστε οι επόμενες οπές του οργάνου να μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αλλαγή του ενεργού μήκους. Ο σκοπός των οπών ρετζίστρου είναι να επιτρέπουν στο όργανο να παίζει σε περισσότερα από ένα ρετζίστρα. 27

28 Επίδραση της Οπής Ρετζίστρου στα Στάσιμα Κύματα f 1 =v/2l 2f 1 Γλωττίδα αέρα 3f 1 4f 1 f 1 =v/4l 3f 1 Γλωττίδα καλάμου 5f 1 7f 1 28

29 Ιδεατά, θα έπρεπε να υπάρχει μια οπή ρετζίστρου για κάθε δακτυλισμό. Στην πράξη, υπάρχουν μόνο μερικές τέτοιες οπές που μοιράζονται από όλους τους δακτυλισμούς. Το όμποε, ως αποτέλεσμα, έχει 3 οπές ρετζίστρου, το σαξόφωνο έχει δύο και το κλαρινέτο μία. Ως αποτέλεσμα αυτού του συμβιβασμού, το τονικό τέμπο ενός οργάνου μπορεί να είναι αρκετά διαφορετικό σε διαφορετικά ρετζίστρα. 29

30 Κυλινδρικές και Κωνικές διατρήσεις Το φλάουτο και το κλαρινέτο έχουν κυλινδρικές διατρήσεις με διαμέτρους περίπου 19mm και 15mm αντίστοιχα. Τα όμποε, φαγκότο και σαξόφωνο έχουν κωνικές διατρήσεις με γωνίες ανοίγματος στις 1.4 o, 0.8 o και 3 o - 4 o αντίστοιχα. (Γωνία κώνου 2 o αντιστοιχεί σε διαπλάτυνση 7mm για κάθε 10cm μήκους). Πώς αλλάζει τον ήχο του οργάνου αυτή η κωνικότητα της αέριας στήλης; 30

31 Στάσιμα Κύματα σε Κωνική Διάτρηση Κωνική αέρια στήλη συντονίζεται κατ ουσία στις ίδιες συχνότητες με μια κυλινδρική αέρια στήλη που είναι ανοικτή και στα δύο άκρα. Εκπληκτικώς, αυτό παραμένεις μια καλή προσέγγιση ακόμη και όταν ο κώνος είναι κοντός και δεν καλύπτει όλο το μήκος έως κάποιο σημείο. 31

32 Καμπάνες Τα κλαρινέτα και τα σαξόφωνα έχουν ένα τμήμα καμπάνας στο άκρο με καμπύλη κατάληξη (αντίθετα με την κωνική κατάληξη). Η καμπάνα έχει σχετικά μικρή επίδραση στο τονικό τέμπο του οργάνου, εκτός από τις χαμηλότερες νότες (όπου σχεδόν όλες οι τονικές οπές είναι κλειστές). Ένας από τους ρόλους της καμπάνας για τις χαμηλές νότες είναι να προσεγγίζει την επίδραση που θα είχε επιπλέον μήκος με ανοικτές τονικές οπές, ταιριάζοντάς τες έτσι με το ηχόχρωμα των νοτών υψηλότερης συχνότητας. 32

33 Διαμορφωτικοί Συντονισμοί Μερικοί συντονισμοί δεν κορυφώνονται απότομα κοντά σε μια συχνότητα, αλλά αντίθετα εκτείνονται σε μεγάλο εύρος συχνοτήτων. Οι ευρείς συντονισμοί καλούνται διαμορφωτικοί και παίζουν ρόλο στο τονικό τέμπο των ξύλινων πνευστών (οι διαμορφωτικοί συντονισμοί παίζουν ακόμα σημαντικότερο ρόλο στην ομιλία και την ωδή). Παραδείγματα διαμορφωτικών συντονισμών: Κλαρινέτο (στα Hz, Hz) Όμποε (στα 1400 Hz, 3000 Hz) Φαγκότο (στα Hz, Hz) 33

34 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο "Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα του ΤΕΙ Ιονίων Νήσων" έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.