Орган - музыкальный инструмент двадцати восьми веков. Как это сделано, как это работает, как это устроено Орган электрический музыкальный инструмент

Орган - музыкальный инструмент двадцати восьми веков. Как это сделано, как это работает, как это устроено Орган электрический музыкальный инструмент
Орган - музыкальный инструмент двадцати восьми веков. Как это сделано, как это работает, как это устроено Орган электрический музыкальный инструмент
16.06.2019

Источник: « В мире науки» , №3, 1983. Авторы: Невиль Х. Флетчер и Сусанна Туэйтс

Величественное звучание органа создаётся благодаря взаимодействию строго синхронизированных по фазе воздушной струи, проходящей через разрез в трубе, и воздушного столба, резонирующего в её полости.

Ни один музыкальный инструмент не может сравниться с органом по силе, тембру, диапазону, тональности и величественности звучания. Подобно многим музыкальным инструментам, устройство органа постоянно совершенствовалось благодаря усилиям многих поколений искусных мастеров, медленно накапливавших опыт и знания. К концу XVII в. орган в основном приобрёл свою современную форму. Два наиболее выдающихся физика XIX в. Герман фон Гельмгольц и лорд Рэлей выдвинули противоположные теории, объясняющие основной механизм образования звуков в органных трубах , но из-за отсутствия необходимых приборов н инструментов их спор так и не был решён. С появлением осциллографов н других современных приборов стало возможным детальное изучение механизма действия органа. Оказалось, что как теория Гельмгольца, так и теория Рэлея справедливы для определённых величин давления, под которым воздух нагнетается в органную трубу. Далее в статье будут изложены результаты последних исследований, которые во многом не совпадают с объяснением механизма действия органа, приводимым в учебниках.

Трубки, вырезанные из камыша или других растений с полым стеблем, были, вероятно, первыми духовыми музыкальными инструментами. Они издают звуки, если дуть поперёк открытого конца трубки, или дуть в трубку, вибрируя губами, или, защемив конец трубки, вдувать воздух, заставляя вибрировать её стенки. Развитие этих трёх видов простейших духовых инструментов привело к созданию современной флейты, трубы и кларнета, из которых музыкант может извлекать звуки в довольно большом диапазоне частот.

Параллельно создавались и такие инструменты, в которых каждая трубка предназначалась для звучания на одной определённой ноте. Простейший из таких инструментов – это свирель (или «флейта Пана»), которая обычно имеет около 20 трубок различной длины, закрытых с одного конца и издающих звуки, если дуть поперёк другого, открытого конца. Самым большим и сложным инструментом этого типа является орган, содержащий до 10000 труб, которыми органист управляет при помощи сложной системы механических передач. Орган ведёт своё происхождение из глубокой древности. Глиняные фигурки, изображавшие музыкантов, играющих на инструменте из многих труб, снабжённых мехами, были изготовлены в Александрии ещё во II в. до н.э. К X в. орган начинает использоваться в христианских церквях, и в Европе появляются написанные монахами трактаты об устройстве органов. По преданию, большой орган , построенный в Xв. для Винчестерского собора в Англии, имел 400 металлических труб, 26 мехов и две клавиатуры с 40 клавишами, где каждая клавиша управляла десятью трубами. На протяжении последующих столетий устройство органа совершенствовалось в механическом и музыкальном отношении, и уже в 1429 г. в Амьенском соборе был построен орган, имевший 2500 труб. В Германии к концу XVII в. органы уже приобрели свою современную форму.

Орган, установленный в 1979 г. в концертном зале Сиднейского оперного театра в Австралии, является самым большим и технически совершенным органом в мире. Спроектирован и построен Р. Шарпом. В нем имеется около 10500 труб, управляемых с помощью механической передачи пятью ручными и одной ножной клавиатурами. Орган может управляться автоматически магнитной лентой, на которой в цифровой форме ранее было записано исполнение музыканта.

Термины, применяемые для описания устройства органа , отражают их происхождение от трубчатых духовых инструментов, в которые воздух вдувался ртом. Трубы органа сверху открыты, а снизу имеют суженную конусообразную форму. Поперёк сплющенной части, над конусом, проходит «ротик» трубы (разрез). Внутри трубы помешен «язычок» (горизонтальное ребро), так что между ним и нижней «губой» образуется «лабиальное отверстие» (узкая щель). Воздух нагнетается в трубу большими мехами и поступает в её конусообразное основание под давлением от 500 до 1000 паскалей (от 5 до 10 см вод. ст.). Когда при нажатии соответствующей педали и клавиши воздух входит в трубу, он устремляется вверх, образуя при выходе из лабиальной щели широкую плоскую струю. Струя воздуха проходит поперёк прорези «ротика» и, ударяясь о верхнюю губу, взаимодействует с воздушным столбом в самой трубе; в результате создаются устойчивые колебания, которые и заставляют трубу «говорить». Сам по себе вопрос, каким образом происходит в трубе этот внезапный переход от молчания к звучанию, очень сложен и интересен, но в данной статье он не рассматривается. Разговор в основном будет идти о процессах, которые обеспечивают непрерывное звучание органных труб и создают их характерную тональность.

Органная труба возбуждается воздухом, поступающим в её нижний конец и образующим струю при прохождении через щель между нижней губой и язычком. В разрезе струя взаимодействует с воздушным столбом в трубе у верхней губы и проходит то внутри трубы, то вне её. В воздушном столбе создаются установившиеся колебания, заставляющие трубу звучать. Давление воздуха, изменяющееся по закону стоячей волны, показано цветной штриховкой. На верхний конец трубы насаживается съемная муфта или заглушка, которые позволяют при настройке слегка изменять длину воздушного столба.

Может показаться, что задача описания воздушной струи, порождающей и сохраняющей звучание органа, полностью относится к теории потоков жидкостей и газов. Выяснилось, однако, что весьма трудно теоретически рассмотреть движение даже постоянного, плавного, ламинарного потока, что же касается полностью турбулентной струи воздуха, которая движется в органной трубе, то её анализ невероятно сложен. К счастью, турбулентность, представляющая собой сложный вид движения воздуха, в действительности упрощает характер воздушного потока. Если бы этот поток был ламинарным, то взаимодействие струи воздуха с окружающей средой зависело бы от их вязкости. В нашем случае турбулентность заменяет вязкость в качестве определяющего фактора взаимодействия в прямой зависимости от ширины воздушного потока. При строительстве органа особое внимание уделяется тому, чтобы воздушные потоки в трубах были полностью турбулентны, что достигается с помощью мелких нарезок по кромке язычка. Как ни удивительно, в отличие от ламинарного турбулентный поток устойчив и может быть воспроизведён.

Полностью турбулентный поток постепенно смешивается с окружающим воздухом. Процесс расширения и замедления при этом сравнительно несложен. Кривая, изображающая изменение скорости потока в зависимости от расстояния от центральной плоскости его сечения, имеет вид перевёрнутой параболы, вершина которой соответствует максимальному значению скорости. Ширина потока возрастает пропорционально расстоянию от лабиальной щели. Кинетическая энергия потока остаётся неизменной, поэтому уменьшение его скорости пропорционально корню квадратному из расстояния от щели. Эта зависимость подтверждается как расчётами, так и результатами эксперимента (при учёте небольшой области перехода вблизи лабиальной щели).

В уже возбуждённой и звучащей органной трубе воздушный поток попадает из лабиальной щели в интенсивное звуковое поле в прорези трубы. Движение воздуха, связанное с генерацией звуков, направлено через прорезь и, следовательно, перпендикулярно плоскости потока. Пятьдесят лет назад Б. Брауну из колледжа Лондонского университета удалось сфотографировать ламинарный поток задымлённого воздуха в звуковом поле. На снимках было отмечено образование извилистых волн, увеличивающихся по мере их продвижения вдоль потока, пока последний не распадался на два ряда вихревых колец, вращающихся в противоположных направлениях. Упрошенная интерпретация этих и подобных им наблюдений привела к неверному описанию физических процессов в органных трубах, которое можно найти во многих учебниках.

Более плодотворный метод изучения действительного поведения воздушной струи в звуковом поле заключается в экспериментировании с отдельно взятой трубой, в которой звуковое поле создаётся с помощью репродуктора. В результате таких исследований, проведённых Дж. Колтманом в лаборатории компании Westinghouse Electric Corporation и группой с моим участием в Университете Новой Англии в Австралии, были разработаны основы современной теории физических процессов, происходящих в органных трубах. Фактически ещё Рэлей дал тщательное и почти полное математическое описание ламинарных потоков невязких сред. Поскольку обнаружилось, что турбулентность не усложняет, а упрощает физическую картину воздушной струн, оказалось возможным использовать метод Рэлея с небольшими изменениями для описания воздушных потоков, экспериментально полученных и исследованных Колтманом и нашей группой.

Если бы в трубе не было лабиальной щели, то можно было бы ожидать, что воздушная струя в виде полосы движущегося воздуха просто смещалась бы назад и вперёд вместе со всем остальным воздухом в прорези трубы под воздействием акустических колебаний. В действительности же при выходе струи из щели она эффективно стабилизируется самой щелью. Этот эффект можно сравнить с результатом наложения на общее колебательное движение воздуха в звуковом поле строго сбалансированного смешения, локализованного в плоскости горизонтального ребра. Это локализованное смешение, которое имеет ту же частоту и амплитуду, что и звуковое поле, и в результате создаёт у горизонтального ребра нулевое смешение струи, сохраняется в движущемся потоке воздуха и создаёт извилистую волну.

Пять труб разной конструкции производят звуки одинаковой высоты, но разного тембра. Вторая труба слева – это дульсиана, обладающая нежным, тонким звучанием, напоминающим звучание струнного инструмента. Третья труба – открытый диапазон, дающий светлый, звонкий звук, который наиболее характерен для органа. У четвертой трубы звук сильно приглушённой флейты. Пятая труба – Waldflote (« лесная флейта») с мягким звучанием. Деревянная труба слева закрыта заглушкой. Она имеет ту же основную частоту колебаний, что и другие трубы, но резонирует на нечётных обертонах, частоты которых в нечётное число раз больше основной частоты. Длина остальных труб не совсем одинакова, так как для получения одинаковой высоты тона производится «коррекция конца».

Как показал Рэлей для исследованного им типа струи и как мы всесторонне подтвердили для случая с расходящейся турбулентной струёй, волна распространяется вдоль потока со скоростью несколько меньшей половины скорости движения воздуха в центральной плоскости струи. При этом по мере движения вдоль потока амплитуда волны возрастает почти по экспоненте. Как правило, она увеличивается вдвое при перемещении волны на один миллиметр и её воздействие быстро становится преобладающим по отношению к простому возвратно-поступательному боковому перемещению, вызываемому звуковыми колебаниями.

Было установлено, что наибольшая скорость увеличения волны достигается в том случае, когда её длина вдоль потока в шесть раз превышает ширину потока в данной точке. С другой стороны, если длина волны оказывается меньше ширины потока, то амплитуда не увеличивается и волна может вообще исчезнуть. Поскольку воздушная струя расширяется и замедляет движение по мере удаления от щели, распространяться по длинным потокам с большой амплитудой могут только длинные волны, то есть низкочастотные колебания. Это обстоятельство окажется немаловажным при последующем рассмотрении создания гармонического звучания органных труб.

Рассмотрим теперь воздействие на воздушную струю звукового поля органной трубы. Нетрудно представить, что акустические волны звукового поля в прорези трубы заставляют кончик воздушной струи перемешаться поперёк верхней губы прорези, так что струя оказывается то внутри трубы, то вне её. Это напоминает картину, когда толкают уже раскачивающиеся качели. Воздушный столб в трубе уже колеблется, и, когда порывы воздуха входят в трубу синхронно с колебанием, они сохраняют силу колебаний, несмотря на различные потери энергии, связанные с распространением звука и трением воздуха о стенки трубы. Если же порывы воздуха не совпадают с колебаниями воздушного столба в трубе, они будут подавлять эти колебания и звук будет затухать.

Форма воздушной струи показана на рисунке в виде ряда последовательных кадров при выходе из лабиальной щели в движущееся акустическое поле, создаваемое в «ротике» трубы воздушным столбом, который резонирует внутри трубы. Периодическое смещение воздуха в разрезе ротика создаёт извилистую волну, движущуюся со скоростью вдвое меньшей скорости движения воздуха в центральной плоскости струи и увеличивающейся по экспоненте, пока её амплитуда не превысит ширину самой струи. Горизонтальные сечения показывают отрезки пути, которые волна в струе проходит за последовательные четверти периода колебаний Т . Секущие линии сближаются с уменьшением скорости струи. В органной трубе верхняя губа расположена в месте, указанном стрелкой. Воздушная струя попеременно выходит из трубы и входит в неё.

Измерение звукопроизводящих свойств воздушной струи можно осуществить, помещая в открытый конец трубы фетровые или пенопластовые клинья, препятствующие звучанию, и создавая звуковую волну небольшой амплитуды с помощью громкоговорителя. Отражаясь от противоположного конца трубы, звуковая волна взаимодействует у разреза «ротика» с воздушной струёй. Взаимодействие струи со стоячей волной внутри трубы измеряется с помощью переносного микрофона-тестера. Таким способом удается обнаружить, увеличивает или уменьшает воздушная струя энергию отраженной волны в нижней части трубы. Для того чтобы труба звучала, струя должна увеличивать энергию. Результаты измерения выражаются в величине акустической «проводимости», определяемой как отношение акустического потока на выходе из разреза « ротика» к звуковому давлению непосредственно за резрезом. Кривая значений проводимости при различных сочетаниях давления нагнетания воздуха и частоты колебаний имеет форму спирали, как показано на следующем рисунке.

Связь между возникновением акустических колебаний в прорези трубы и моментом поступления очередной порции воздушной струи на верхнюю губу прорези определяется отрезком времени, за который волна в воздушном потоке проходит расстояние от лабиальной щели до верхней губы. Мастера по изготовлению органов называют это расстояние «подрезом». Если «подрез» велик или давление (а следовательно, и скорость движения) воздуха низкое, то время движения будет большим. И наоборот, если «подрез» мал или давление воздуха высокое, то время движения будет небольшим.

Для того чтобы точно определить фазовое соотношение между колебаниями воздушного столба в трубе и поступлениями порций воздушной струи на внутреннюю кромку верхней губы, необходимо более подробно изучить характер воздействия этих пропорций на воздушный столб. Гельмгольц считал, что главным фактором здесь является объем воздушного потока, доставляемого струёй. Поэтому для того, чтобы порции струи сообщали как можно больше энергии колеблющемуся воздушному столбу, они должны поступать в тот момент, когда давление у внутренней части верхней губы достигает максимума.

Рэлей выдвигал другое положение. Он доказывал, что, поскольку прорезь находится сравнительно недалеко от открытого конца трубы, акустические волны у прорези, на которые воздействует воздушная струя, не могут создавать большое давление. Рэлей считал, что воздушный поток, поступая в трубу, фактически наталкивается на преграду и почти останавливается, что быстро создаёт в нём высокое давление, которое и оказывает воздействие на его движение в трубе. Поэтому, по мнению Рэлея, воздушная струя будет передавать максимальное количество энергии в том случае, если она будет поступать в трубу в момент, когда максимальным будет не давление, а сам поток акустических волн. Сдвиг между этими двумя максимумами составляет одну четверть периода колебаний воздушного столба в трубе. Если провести аналогию с качелями, то это различие выражается в толкании качелей, когда они находятся в верхней точке и обладают максимальной потенциальной энергией (по Гельмгольцу), и в момент, когда они находятся в самой нижней точке и обладают максимальной скоростью (по Рэлею).

Кривая акустической проводимости струи имеет форму спирали. Расстояние от начальной точки указывает величину проводимости, а угловое положение – сдвиг фаз между акустическим потоком на выходе из прорези и звуковым давлением за прорезью. Когда поток совпадает по фазе с давлением, значения проводимости лежат в правой половине спирали и происходит рассеяние энергии струи. Для того чтобы струя генерировала звук, значения проводимости должны находиться в левой половине спирали, что имеет место при компенсации или задержке по фазе движения струи по отношению к давлению за разрезом трубы. В этом случае длина отраженной волны выше длины падающей волны. Величина опорного угла зависитот того, какой из двух механизмов доминирует в возбуждении трубы: механизм Гельмгольца или механизм Рэлея. При проводимости, соответствующей верхней половине спирали, струя понижает собственную резонансную частоту трубы, а когда значение проводимости находится в нижней части спирали, повышает собственную резонансную частоту трубы.

График движения воздушного потока в трубе (пунктирная кривая) при данном отклонении струи несимметричен по отношению к нулевой величине отклонения, поскольку губа трубы устроена так, чтобы разрезать струю не по её центральной плоскости. Когда отклонение струи происходит по простой синусоиде с большой амплитудой (сплошная кривая черного цвета), воздушный поток, поступающий в трубу (цветная кривая), «насыщается» сначала у одной крайней точки отклонения струи, когда она полностью выходит из трубы. При ещё большей амплитуде происходит насыщение воздушного потока и у другой крайней точки отклонения, когда струя полностью входит в трубу. Смещение губы придает потоку асимметричную волновую форму, обертоны которой имеют частоты, кратные частоте отклоняющей волны.

На протяжении 80 лет задача оставалась нерешённой. Более того, новые исследования фактически не проводились. И лишь теперь она нашла удовлетворительное решение благодаря работам Л. Кремера и X. Лизинга из Института им. Генриха Герца в Зап. Берлине, С. Эллера из Военно-морской академии США, Колтмана и нашей группы. Коротко говоря, и Гельмгольц, и Рэлей оба были отчасти правы. Соотношение между двумя механизмами воздействия определяется давлением нагнетаемого воздуха и частотой звука, причём механизм Гельмгольца оказывается основным при низких давлениях и высоких частотах, а механизм Рэлея – при высоких давлениях и низких частотах. Для органных труб стандартной конструкции механизм Гельмгольца играет обычно более важную роль.

Колтман разработал простой и эффективный способ изучения свойств воздушной струи, который был несколько модифицирован и усовершенствован в нашей лаборатории. В основе этого метода лежит изучение воздушной струи у прорези органной трубы, когда дальний конец её закрыт фетровыми или пенопластовыми звукопоглощающими клиньями, не дающими трубе звучать. Затем из репродуктора, помещённого у дальнего конца, вниз по трубе подаётся звуковая волна, которая отражается от края прорези сначала при наличии нагнетаемой струи, а потом без неё. В обоих случаях падающая и отражённая волны взаимодействуют внутри трубы, создавая стоячую волну. Измеряя с помощью небольшого микрофона-зонда изменения в конфигурации волны при подаче воздушной струи, можно определить, увеличивает или уменьшает струя энергию отражённой волны.

В наших экспериментах фактически измерялась «акустическая проводимость» воздушной струи, которая определяется отношением акустического потока на выходе из прорези, создаваемого присутствием струи, к акустическому давлению непосредственно внутри прорези. Акустическая проводимость характеризуется величиной и фазовым углом, которые можно представить графически в виде функции частоты или давления нагнетания. Если представить график проводимости при независимом изменении частоты и давления, то кривая будет иметь форму спирали (см. рисунок). Расстояние от начальной точки спирали указывает величину проводимости, а угловое положение точки на спирали соответствует запаздыванию фазы извилистой волны, возникающему в струе под воздействием акустических колебаний в трубе. Запаздывание на одну длину волны соответствует 360° по окружности спирали. Вследствие особых свойств турбулентной струи оказалось, что при умножении величины проводимости на квадратный корень из величины давления все величины, измеренные для данной органной трубы, укладываются на одной и той же спирали.

Если давление остаётся постоянным, а частота поступающих звуковых волн растёт, то точки, указывающие величину проводимости, приближаются по спирали к её середине по часовой стрелке. При постоянной частоте и увеличении давления эти точки удаляются от середины в противоположном направлении.

Внутренний вид органа Сиднейского оперного театра. Видны некоторые трубы его 26 регистров. Большая часть труб сделана из металла, некоторые изготовлены из дерева. Длина звучащей части трубы удваивается через каждые 12 труб, а диаметр трубы удваивается примерно через каждые 16 труб. Многолетний опыт мастеров – создателей органов позволил им найти наилучшие пропорции, обеспечивающие устойчивый тембр звучания.

Когда точка величины проводимости находится в правой половине спирали, струя отбирает энергию у потока в трубе, и поэтому происходит потеря энергии. При положении точки в левой половине струя передаст энергию потоку и тем самым действует как генератор звуковых колебаний. При положении значения проводимости в верхней половине спирали струя понижает собственную резонансную частоту трубы, а когда эта точка находится в нижней половине, струя повышает собственную резонансную частоту трубы. Величина угла, характеризующего отставание по фазе, зависит от того, по какой схеме – Гельмгольца или Рэлея – осуществляется основное возбуждение трубы, а это, как было показано, определяется величинами давления и частоты. Однако этот угол, отсчитываемый от правой части горизонтальной оси (правая четверть), никогда не бывает значительно больше нуля.

Поскольку 360° по окружности спирали соответствует отставанию по фазе, равному длине и извилистой волны, распространяющейся вдоль воздушной струи, величины такого отставания от значительно меньших четверти длины волны до почти трёх четвёртых её длины будут лежать на спирали от центральной линии, то есть в той части, где струя действует как генератор звуковых колебаний. Мы также видели, что при постоянной частоте отставание по фазе является функцией давления нагнетаемого воздуха, от которой зависят как скорость самой струи, так и скорость распространения извилистой волны вдоль струи. Поскольку скорость такой волны составляет половину скорости струи, которая в свою очередь прямо пропорциональна корню квадратному из величины давления, изменение фазы струи на половину длины волны возможно лишь при значительном изменении давления. Теоретически давление может меняться в девятикратном размере, прежде чем труба перестаёт производить звучание на своей основной частоте, если другие условия не нарушаются. На практике, однако, труба начинает звучать на более высокой частоте до достижения указанного высшего предела изменения давления.

Следует отметить, что для восполнения потерь энергии в трубе и обеспечения устойчивости звука, несколько витков спирали может уйти далеко влево. Заставить трубу звучать может только ещё один такой виток, местоположение которого соответствует примерно трём полуволнам в струе. Так как проводимость струн в этой точке низка, продуцируемый звук слабее любого звука, соответствующего точке на внешнем витке спирали.

Форма спирали проводимости может ещё больше усложниться, если величина отклонения у верхней губы превышает ширину самой струи. При этом струя почти полностью выдувается из трубы и вдувается в неё обратно на каждом цикле перемещения, и количество энергии, которую она сообщает отражённой волне в трубе, перестаёт зависеть от дальнейшего увеличения амплитуды. Соответственно снижается и эффективность воздушной струн в режиме генерации акустических колебаний. В этом случае увеличение амплитуды отклонения струи приводит лишь к уменьшению спирали проводимости.

Снижение эффективности струи мри увеличении амплитуды отклонения сопровождается возрастанием потерь энергии в органной трубе. Колебания в трубе быстро устанавливаются на более низком уровне, при котором энергия струи точно компенсирует потери энергии в трубе. Интересно отметить, что в большинстве случаев потери энергии вследствие турбулентности и вязкости значительно превышают потери, связанные с рассеянием звуковых волн через прорезь и открытый коней трубы.

Разрез органной трубы диапазонного типа, на котором видно, что язычок имеет насечку для соэданияоднородного турбулентного движения струи воздуха. Труба изготовлена из «краплёного металла» – сплава с большим содержанием олова и добавкой свинца. При изготовлении листового материала из этого сплава на нём закрепляется характерный рисунок, который хорошо виден на фотографии.

Разумеется, действительное звучание трубы в органе не ограничено одной определённой частотой, но содержит и звуки более высокой частоты. Можно доказать, что эти обертоны являются точными гармониками основной частоты и отличаются от неё в целое число раз. При постоянных условиях воздухонагнетания форма звуковой волны на осциллографе остаётся совершенно одинаковой. Малейшее отклонение частоты гармоник от величины, строго кратной основной частоте, приводит к постепенному, но чётко видимому изменению формы волны.

Это явление представляет интерес, потому что резонансные колебания воздушного столба в органной трубе, как и в любой открытой трубе, устанавливаются на частотах, которые несколько отличаются от частот гармоник. Дело в том, что при увеличении частоты рабочая длина трубы становится немного меньше из-за изменения акустического потока у открытых концов трубы. Как будет показано, обертоны в органной трубе создаются за счёт взаимодействия воздушной струи и губы прорези, а сама труба служит для обертонов более высокой частоты главным образом пассивным резонатором.

Резонансные колебания в трубе создаются при наибольшем движении воздуха у её отверстий. Другими словами, проводимость в органной трубе должна достигать своего максимума у прорези. Отсюда следует, что резонансные колебания и трубе с открытым длинным концом возникают на частотах, при которых в длине трубы укладывается целое число полуволн звуковых колебаний. Если обозначить основную частоту как f 1 , то более высокие резонансные частоты будут 2f 1 , 3f 1 и т.д. (В действительности, как уже было указано, высшие резонансные частоты всегда немного превышают эти значения.)

В трубе с закрытым или заглушенным дальним конном резонансные колебания возникают на частотах, при которых в длине трубы укладывается нечётное число четвертей длины волны. Поэтому для звучания на той же самой ноте закрытая труба может быть вдвое короче открытой, и её резонансные частоты будут f 1 , 3f 1 , 5f 1 и т.д.

Результаты влияния изменения давления нагнетаеого воздуха на звук в обычной органной трубе. Римскими цифрами обозначены первые несколько обертонов. Главный режим трубы (в цвете) охватывает диапазон хорошо сбалансированного нормального звучания при нормальном давлении. При увеличении давления звучание трубы переходит на второй обертон; при понижении давления создается ослабленный второй обертон.

Теперь вернёмся к воздушной струе в органной трубе. Мы видим, что волновые возмущения высокой частоты постепенно затухают по мере увеличения ширины струи. Вследствие этого конец струи у верхней губы колеблется почти по синусоиде на основной частоте звучания трубы и почти независимо от более высоких гармоник колебаний акустического поля у прорези трубы. Однако синусоидальное движение струи не создаст такого же движения воздушного потока в трубе, поскольку поток «насыщается» за счёт того, что при крайнем отклонении в любую сторону он полностью течёт либо с внутренней, либо с внешней стороны верхней губы. Кроме того, губа обычно несколько смещена и разрезает поток не точно по его центральной плоскости, так что насыщение оказывается несимметричным. Поэтому колебание потока в трубе имеет полный набор гармоник основной частоты со строго определённым соотношением частот и фаз, а относительные амплитуды этих высокочастотных гармоник быстро возрастают с увеличением амплитуды отклонения воздушной струи.

В обычной органной трубе величина отклонения струи в прорези соизмерима с шириной струи у верхней губы. В результате в воздушном потоке создаётся большое число обертонов. Если бы губа разделяла струю строго симметрично, чётные обертоны в звучании отсутствовали бы. Поэтому обычно губе придаётся некоторое смешение, чтобы сохранить все обертоны.

Как и следовало ожидать, открытая и закрытая трубы создают звук разного качества. Частоты обертонов, создаваемых струёй, кратны основной частоте колебаний струи. Столб воздуха в трубе будет сильно резонировать на определённый обертон только при большой акустической проводимости трубы. При этом будет отмечаться резкое увеличение амплитуды на частоте, близкой к частоте обертона. Поэтому в закрытой трубе, где создаются лишь обертоны с нечётными номерами резонансной частоты, происходит подавление всех других обертонов. В результате получается характерный «глухой» звук, в котором чётные обертоны слабы, хотя и не отсутствуют полностью. Напротив, а открытой трубе получается более «светлый» звук, поскольку он сохраняет все обертоны, производные от основной частоты.

Резонансные свойства трубы в большой степени зависят от потерь энергии. Эти потери бывают двух типов: потери на внутреннее трение и теплоотдачу и потери на излучение через прорезь и открытый конец трубы. Потери первого типа более значительны в узких трубах и при низкой частоте колебаний. Для широких труб и при высокой частоте колебаний существенными являются потери второго типа.

Влияние места расположения губы на создание обертонов свидетельствует о целесообразности смещения губы. Если бы губа разделяла струю строго по центральной плоскости, в трубе создавался бы только звук основной частоты (I) и третий обертон (III). При смещении губы, как показано пунктирной линией, возникают второй и четвёртый обертоны, значительно обогащающие качество звука.

Отсюда следует, что при данной длине трубы, а следовательно, и определённой основной частоте широкие трубы могут служить хорошими резонаторами только для основного тона и ближайших нескольких обертонов, образующих приглушенный «флейтоподобный» звук. Узкие трубы служат хорошими резонаторами для широкого диапазона обертонов, и поскольку излучение на высоких частотах происходит более интенсивно, чем на низких, то образуется высокий «струнный» звук. Между этими двумя звучаниями находится звонкий сочный звук, стать характерный для хорошего органа, который создаётся так называемыми принципалами или диапазонами.

Кроме того, в большом органе могут быть ряды труб с коническим корпусом, перфорированной заглушкой или иными разновидностями геометрической формы. Такие конструкции предназначены для модификации резонансных частот трубы, а иногда для увеличения диапазона высокочастотных обертонов с целью получения тембра особой звуковой окраски. Выбор материала, из которого изготавливается труба, не имеет большого значения.

Существует большое число возможных видов колебаний воздуха в трубе, и это в ещё большей степени усложняет акустические свойства трубы. Например, при увеличении давления воздуха в открытой трубе до такой степени, что в струе будет как раз создаваться первый обертон f 1 одной четверти длины основной волны, точка на спирали проводимости, соответствующая этому обертону, перейдёт на её правую половину и струя перестанет создавать обертон данной частоты. В то же время частота второго обертона 2f 1 соответствует полуволне в струе, и он может быть устойчивым. Поэтому звучание трубы перейдёт на этот второй обертон, почти на целую октаву выше первого, причём точная частота колебаний будет зависеть от резонансной частоты трубы и давления нагнетания воздуха.

Дальнейшее увеличение давления нагнетания может привести к образованию следующего обертона 3f 1 при условии, что «подрез» губы не слишком велик. С другой стороны, часто бывает, что низкое давление, недостаточное для образования основного тона, постепенно создаёт один из обертонов на втором витке спирали проводимости. Подобные звуки, создаваемые при излишке или недостатке давления, представляют интерес для лабораторных исследований, но в самих органах применяются крайне редко, лишь для достижения какого-то особого эффекта.


Вид стоячей волны при резонансе в трубах с открытым и закрытым верхним концом. Ширина каждой цветной линии соответствует амплитуде колебаний в различных частях трубы. Стрелками указано направление движения воздуха во время одной половины колебательного цикла; во второй половине цикла направление движения меняется на обратное. Римскими цифрами обозначены номера гармоник. Для открытой трубы резонансными являются все гармоники основной частоты. Закрытая труба должна быть вдвое короче для создании той же ноты, но для нее резонансными являются только нечетные гармоники. Сложная геометрия «ротика» трубы несколько искажает конфигурацию волн ближе к нижнему концу трубы, не меняя их « основного» характера.

После того как мастер при изготовлении органа сделал одну трубу, обладающую необходимым звучанием, основная и наиболее трудная его задача – создать весь ряд труб соответствующей громкости и гармоничности звучании по всему музыкальному диапазону клавиатуры. Этого нельзя достичь простым набором труб одинаковой геометрии, различающихся только своими размерами, поскольку у таких труб потери энергии от трения и излучения будут по-разному влиять на колебания различной частоты. Чтобы обеспечить постоянство акустических свойств по всему диапазону, необходимо варьировать целым рядом параметров. Диаметр трубы меняется при изменении её длины и зависит от неё как степень с показателем k, где k меньше 1. Поэтому длинные басовые трубы делают более узкими. Расчётная величина k составляет 5/6, или 0,83, но с учётом психофизических особенностей человеческого слуха она должна быть уменьшена до 0,75. Это значение kочень близко к тому, которое эмпирически определили великие мастера органов XVII и XVIII вв.

В заключение рассмотрим вопрос, важный с точки зрения игры на органе: каким образом осуществляется управление звучанием множества труб в большом органе. Основной механизм этого управления прост и напоминает ряды и колонки матрицы. Трубы, располагаемые по регистрам, соответствуют рядам матрицы. Все трубы одного регистра обладают одним тембром, и каждая труба соответствует одной ноте на ручной или ножной клавиатуре. Подача воздуха к трубам каждого регистра регулируется специальным рычагом, на котором указано название регистра, а подача воздуха непосредственно к трубам, связанным с данной нотой н составляющим колонку матрицы, регулируется соответствующей клавишей на клавиатуре. Труба будет звучать лишь в том случае, если передвинут рычажок регистра, в котором она находится, и нажата нужная клавиша.

Размещение органных труб напоминает ряды и колонки матрицы. На этой упрощённой схеме каждый ряд, именуемый регистром, состоит из однотипных труб, каждая из которых производит одну ноту (верхняя часть схемы). Каждая колонка, связанная с одной нотой на клавиатуре (нижняя часть схемы), включает трубы разных типов (левая часть схемы). Рычажком на консоли (правая часть схемы) обеспечивается доступ воздуха ко всем трубам регистра, а нажатием клавиши на клавиатуре воздух нагнетается во все трубы данной ноты. Доступ воздуха в трубу возможен только при одновременном включении ряда и колонки.

В наше время можно применять самые различные способы осуществления подобной схемы с использованием цифровых логических устройств и электрически управляемых клапанов на каждой трубе. На старых органах использовались простые механические рычажки и пластинчатые клапаны для подачи воздуха в клавишные каналы и механические ползуны с отверстиями для управления поступлением воздуха к целому регистру. Эта простая и надёжная механическая система, помимо своих конструктивных достоинств, позволяла органисту самому регулировать скорость открытия всех клапанов и как бы делала ему более близким этот уж слишком механический музыкальный инструмент.

В XIX в начале XX в. строились большие органы со всевозможными электромеханическими и электропневматическим устройствами, но в последнее время предпочтение опять отдаётся механическим передачам от клавиш и педалей, а сложные электронные устройства используются для одновременного включения сочетаний регистров во время игры на органе. Например, самый большой орган в мире с механической передачей был установлен в концертном зале Сиднейского оперного театра в 1979 г. В нем 10500 труб в 205 регистрах, распределённых между пятью ручными и одной ножной клавиатурами. Клавишное управление осуществляется механическим способом, но оно дублируется электрической передачей, к которой можно подключаться. Благодаря этому исполнение органиста может быть записано в кодированной цифровой форме, которую затем можно использовать для автоматического воспроизведения на органе первоначального исполнения. Управление регистрами и их сочетаниями осуществляется с помощью электрических или электропневматических устройств и микропроцессоров с памятью, что позволяет широко варьировать управляющую программу. Таким образом, великолепное богатое звучание величественного органа создаётся сочетанием самых передовых достижений современной техники и традиционных приёмов и принципов, которые на протяжении многих столетий использовались мастерами прошлого.

Органные трубы

Звучащие трубы, употребляющиеся как музыкальные инструменты с самой глубокой древности, делятся на два рода: мундштуковые и язычковые трубы. Звучащее тело в них составляет главным образом воздух. Привести в колебание воздух, при чем в трубе образуются стоячие волны, можно различным образом. В мундштуковой или флейтовой трубе (см. фиг. 1) тон вызывается при вдувании струи воздуха (ртом или мехами) на заостренный край прореза в боковой стенке. Трение воздушной струи об этот край производит свист, который можно слышать, если отделить трубу от ее мундштука (embouchure). Пример - паровой свисток. Труба, служа резонатором, выделяет и усиливает соответствующий ее размерам один из многочисленных тонов, входящих в состав этого сложного свиста. В язычковой трубе стоячие волны образуются вдуванием воздуха через особое отверстие, прикрываемое упругой пластинкой (язычок, anche, Zunge), которая приходит при этом в колебание.

Язычковые трубы бывают трех родов: 1) трубы (О.), тон которых прямо обусловливается быстротой колебаний язычка; они служат только для усиления тона, издаваемого язычком (фиг. 2).

Их можно настраивать в небольших пределах, перемещая пружинку, надавливающую на язычок. 2) Трубы, в которых, напротив, установившиеся в них колебания воздуха определяют собой колебания легко податливого тростникового язычка (кларнет, гобой и фагот). Эта упругая, гибкая пластинка, периодически прерывая вдуваемую струю воздуха, вызывает колебания воздушного столба в трубе; эти же последние колебания регулируют в свою очередь соответственным себе образом колебания и самой пластинки. 3) Трубы с перепончатыми язычками, быстрота колебаний которых по желанию регулируется и изменяется в значительных пределах. В медных духовых инструментах роль такого язычка играют губы; при пении же - голосовые связки. Законы колебания воздуха в трубах с поперечным сечением настолько малым, что все точки сечения колеблются одинаково, установлены Даниилом Бернулли (D. Bernoulli, 1762). В открытых трубах у обоих ее концов образуются пучности, где подвижность воздуха наибольшая, а плотность постоянная. Если между этими двумя пучностями образуется один узел, то длина трубы будет равна половине длины, т. е. L = λ/2 ; этот случай соответствует самому низкому тону. При двух узлах в трубе поместится целая волна, L = 2 λ/2 = λ; при трех, L = 3λ/2; при n узлах, L = n λ/2. Чтобы найти высоту тона, т. е. число N колебаний в секунду, припомним, что длина волны (расстояние λ, на которое распространяется колебания в среде в то время T , когда одна частица совершает свое полное колебание) равняется произведению скорости ω распространения на период Т колебания, или λ = ωT; но T = l /N ; следовательно, λ = ω/N. Отсюда N = ω/λ, или, так как из предыдущего λ = 2L /n , N = n ω/2L . Эта формула показывает, что 1) открытая труба, при различной силе вдувания воздуха в нее, может издавать тоны, высоты которых относятся между собой, как 1:2:3:4...; 2) высота тона обратно пропорциональна длине трубы. В закрытой трубе около мундштука по-прежнему должна быть пучность, но на другом, закрытом конце ее, где продольные колебания воздуха невозможны, должен быть узел. Поэтому по длине трубы может поместиться 1/4 стоячей волны, что соответствует самому низкому или основному тону трубы или 3/4 волны, или вообще нечетное число четвертей волны, т. е. L = [(2n + 1)/4]λ; откуда N" = (2n + 1)ω/4L . Итак, в закрытой трубе последовательные тоны, издаваемые ею, или соответствующие им числа колебаний, относятся как ряд нечетных чисел 1:3:5; причем высота каждого из таких тонов обратно пропорциональна длине трубы. Основной тон в закрытой трубе, кроме того, октавой ниже, нежели в открытой трубе (в самом деле, при n = 1, N":N = 1:2). Все эти выводы теории легко поверяются на опыте. 1) Если взять длинную и узкую трубку с флейтовой амбушюрой (мундштуком) и вдувать в нее воздух под возрастающим давлением, то получится в открытой трубе ряд гармонических тонов, постепенно возвышающихся (причем не трудно достигнуть до 20 обертона). В трубе же закрытой получаются только нечетные гармонические тоны, причем основной, самый низкий тон октавой ниже, нежели таковой же в открытой трубе. Эти тоны могут существовать в трубе и одновременно, сопровождая основной тон или один из низших. 2) Положение узлов пучностей внутри трубы можно определять различным образом. Так Савар (Savart) для этой цели употребляет тонкую перепонку, натянутую на кольцо. Если насыпать на нее мелкого песка и опустить на нитях в трубу, одна стенка которой стеклянная, то в узловых местах песок останется неподвижным, а в остальных местах и в особенности в пучностях он будет заметно двигаться. Кроме того, так как в пучностях воздух остается при атмосферном давлении, то открыв в этом месте отверстие, сделанное в стенке трубы, мы не изменим тона; отверстие, открытое в другом месте, изменяет высоту звука. В узловых местах, напротив, давление и плотность воздуха меняются, но скорость равна нулю. Поэтому, если вдвинуть заслонку через стенку в том месте, где приходится узел, то высота звука не должна измениться. Опыт это действительно и оправдывает. Опытная проверка законов звучания труб может быть также произведена при посредстве манометрических огоньков Кёнига (см.). Если манометрическая коробка, закрытая со стороны трубы перепонкой, приходится около узла, то колебания газового пламени будут наибольшими; около пучностей пламя будет неподвижно. Наблюдать колебания таких огоньков можно посредством движущихся зеркал. Для этой цели, напр., употребляется зеркальный параллелепипед, приводимый во вращение помощью центробежной машины; в зеркалах при этом будет видна светлая полоса; один край которой будет представляться зазубренным. 3) Закон обратной пропорциональности высоты тона и длины трубы (длинной и узкой) был известен с давних пор и проверяется легко. Опыты показали, однако, что закон этот не вполне точен, в особенности для широких труб. Так Массон (1855) показал, что в длинной бернуллиевой, составной флейте при звуке, соответствующем полудлине волны в 0,138 м., воздушный столб разделяется действительно на такие именно части с длиной в 0,138 м., исключая той, которая прилегает к амбушюре, где длина оказалась всего 0,103 м. Также и Кениг нашел, напр., для одного частного случая расстояния между соответствующими пучностями в трубе (начиная с амбушюры) равными 173, 315, 320, 314, 316, 312, 309, 271. Здесь средние числа почти одинаковы, они мало отступают от среднего значения 314, тогда как 1-я из них (около амбушюры) отличается от среднего на 141, а последнее (у отверстия трубы) на 43. Причина таких неправильностей или пертурбарций на оконечностях трубы заключается для амбушюры в том, что упругость и плотность, вследствие вдувания воздуха, не остаются вполне постоянными, как это предполагается в теории для пучности, а для свободного отверстия открытой трубы, вследствие той же причины, колеблющийся воздушный столб как бы продолжается или выступает за края стенок наружу; последняя пучность поэтому будет приходиться уже вне трубы. И в закрытой трубе у заслонки, если она поддается сама колебаниям, должны происходить пертурбации. Вертгейм (1849-51) на опыте убедился, что пертурбации у концов трубы не зависят от длины волны. Пуассон (1817) впервые дал теорию таких пертурбаций, приняв, что малые сгущения воздуха пропорциональны скорости. Затем Гопкинс (1838) и Кэ (1855) дали более полные объяснения, приняв в расчет многократные отражения на оконечностях трубы. Общий результат этих исследований таков, что для открытой трубы, вместо равенства L = nλ /2, надо взять L + l = nλ /2 , a для закрытой трубы L + l" = (2n + 1 )λ /4. Следовательно, при расчете длина L трубы должна быть увеличена на постоянную величину (l или l" ). Самая полная и точная теория звучащих труб дана Гельмгольцем. Из этой теории вытекает, что поправка у отверстия равна 0,82 R (R - радиус сечения трубы) для случая узкой открытой трубы, сообщающейся отверстием с дном очень широкой трубы. По опытам Райлея (lord Rayleigh) такая поправка должна быть 0,6 R, если отверстие узкой трубы сообщается со свободным пространством и если длина волны весьма велика сравнительно с диаметром трубы. Бозанке (1877) нашел, что эта поправка увеличивается вместе с отношением диаметра к длине волны; так напр. она равна 0,64 при R /λ = 1/12 и 0,54 при R /λ = 1/20. Других результатов достиг из своих уже упомянутых опытов и Кёниг. Он заметил, именно, что укорочение первой полудлины волны (у амбушюры) становится меньше при высших тонах (т. е. при более коротких волнах); менее же значительное укорочение последней полуволны мало при этом изменяется. Кроме того, многочисленные опыты были произведены с целью исследовать амплитуды колебаний и давление воздуха внутри труб (Кундт - 1868, Теплер и Больцман - 1870, Mach - 1873). Несмотря, однако, на многочисленные опытные исследования, вопрос о звучащих трубах нельзя еще считать окончательно выясненным во всех отношениях. - Для широких труб, как уже сказано было, законы Бернулли совсем не применимы. Так Мерсенн (1636), взяв между прочим две трубы одинаковой длины (16 см.), но различных диаметров, заметил, что в более широкой трубке (d = 12 см.) тон был ниже на 7 целых тонов, нежели в трубе с меньшим поперечником (0,7 см.). Мерсенн же открыл закон, касающийся подобных труб. Савар подтвердил для труб самых разнообразных форм справедливость этого закона, который формулирует так: в подобных трубках высоты тонов обратно пропорциональны соответствующим размерам труб. Так напр. две трубы, из которых одна в 1 фт. длины и 22 лин. в диаметр, а другая 1/2 фт. длины и 11 лин. диаметра, дают два тона, составляющих октаву (число колебаний в 1" второй трубы в два раза более, нежели для 1-ой трубы). Савар (Savart, 1825) кроме того, нашел, что ширина прямоугольной трубы не оказывает влияния на высоту тона, если щель амбушюры идет во всю ширину. Кавалье-Колль (Cavaillé-Coll) дал следующие поправочные эмпирические формулы для открытых труб: 1) L" = L - 2p , причем р глубина прямоугольной трубы. 2) L" = L - 5/3d , где d диаметр круглой трубы. В этих формулах L = v"N есть теоретическая длина, а L" действительная длина трубы. Применимость формул Кавалье-Коль в значительных пределах доказана исследованиями Вертгейма. Рассмотренные законы и правила относятся к флейтовым или мундштуковым О. трубам. В язычковых трубах узел приходится у отверстия, периодически закрываемого и открываемого упругой пластинкой (язычком), тогда как в флейтовых трубах у отверстия, через которое вдувается струя воздуха, находится всегда пучность. Поэтому язычковая труба соответствует закрытой флейтовой трубе, у которой также на одном конце (хотя и на другом, чем у язычковой) приходится узел. Причина того, что узел находится у самого язычка трубы, заключается в том, что в этом месте происходят наибольшие изменения упругости воздуха, что и соответствует узлу (в пучностях, напротив, упругость постоянна). Итак, цилиндрическая язычковая труба (подобно закрытой флейтовой) может давать последовательный ряд тонов 1, 3, 5, 7...., если длина ее находится в надлежащем соотношении с быстротой колебания упругой пластинки. В широких трубах такое соотношение может и не строго соблюдаться, но за некоторым пределом несоответствия труба перестает звучать. Если язычок составляет металлическая пластинка, как в органной трубе, то высота тона обусловливается почти исключительно его колебаниями, как уже об этом говорилось. Но вообще высота тона зависит как от язычка, так и от самой трубы. В. Вебер (1828-29) подробно изучил эту зависимость. Если на язычок, открывающийся внутрь, как обыкновенно в О. трубах, наставить трубу, то тон вообще понижается. Если, постепенно удлиняя трубу, причем тон понизится на целую октаву (1:2), мы достигнем такой ее длины L , которая вполне соответствует колебаниям язычка, то тон сразу повысится до прежнего своего значения. При дальнейшем удлинении трубы до 2L тон снова станет понижаться до кварты (3:4); при 2L опять сразу получится первоначальный тон. При новом удлинении до 3L звук понизится на малую терцию (5:6) и т. д. (если устроить язычки, открывающиеся наружу, подобно голосовым связкам, то наставленная на них труба будет повышать соответствующий им тон). - В деревянных муз. инструментах (кларнете, гобое и фаготе) употребляются язычки; состоящие из одной или двух тонких и гибких тростинок. Эти язычки сами по себе издают гораздо более высокий звук, чем тот, который вызывается ими в трубе. Язычковые трубы надо рассматривать, как трубы закрытые со стороны язычка. Поэтому в цилиндрической трубе, как в кларнете, последовательных тонов при усиленном вдувании должно быть 1, 3, 5, и т. д. Открывание же боковых отверстий соответствует укорочению трубы. В конических трубах, закрытых у вершины, последовательность тонов такая же, как и у открытых цилиндрических труб, т. е. 1, 2, 3, 4 и т. д. (Гельмгольц). Гобой и фагот принадлежат к коническим трубам. Свойства язычков третьего рода, перепончатых, можно изучать, как это делал Гельмгольц, при посредстве простого прибора, состоящего из двух резиновых перепонок, натянутых на срезанные вкось края деревянной трубки, так чтобы между перепонками посреди трубы оставалась узкая щель. Ток воздуха можно направить через щель снаружи внутрь трубки или обратно. В последнем случае получается подобие голосовым связкам или губам при игре на медных духовых инструментах. Высота звука при этом обусловливается, вследствие мягкости и гибкости перепонок, исключительно размерами трубы. Медные инструменты, как охотничий рог, корнет с пистонами, валторна и др. представляют конические трубы, а потому они дают естественный ряд высших гармонических тонов (1, 2, 3, 4 и т. д.). Устройство органа - см. Орган.

Н. Гезехус.


Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона. - С.-Пб.: Брокгауз-Ефрон . 1890-1907 .

Смотреть что такое "Органные трубы" в других словарях:

    Звучащие трубы, употребляющиеся как музыкальные инструменты с самой глубокой древности, делятся на два рода: мундштуковые и язычковые трубы. Звучащее тело в них составляет главным образом воздух. Привести в колебание воздух, при чем в трубе… …

    - (лат. Organum, от греч. organon орудие, инструмент; итал. organo, англ. organ, франц. orgue, нем. Orgel) клавишно духовой муз. инструмент сложного устройства. Типы О. многообразны: от переносных, небольших (см. Портатив, Позитив) до… … Музыкальная энциклопедия

    Клавишно духовой музыкальный инструмент, самый большой и сложный из существующих инструментов. Огромный современный орган состоит как бы из трех и более органов, причем исполнитель может управлять одновременно всеми. Каждый из органов, входящих в … Энциклопедия Кольера

    Число колебаний в единицу времени, быстрота или частота колебаний, зависит от размеров, формы и природы тел. Высота звука, обуславливаемая числом колебаний звучащего тела в единицу времени, может быть определена различными способами (см. Звук).… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

    - (физ.) содействие или противодействие двух или большего числа волн, происходящих от колебательных, периодически повторяющихся движений. Волны (см.) могут происходить в жидкостях, твердых телах, газах и эфире. В первом случае И. волн видима… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

Который звучит при помощи труб (металлических, деревянных, без язычков и с язычками) различных тембров, в которые с помощью мехов нагнетается воздух.

Игра на органе осуществляется при помощи нескольких клавиатур для рук (мануалов) и педальной клавиатуры.

По звуковому богатству и обилию музыкальных средств орган занимает первое место среди всех инструментов и иногда называется «королём инструментов». Вследствие своей выразительности, он давно стал достоянием церкви.

Человек, исполняющий музыкальные произведения на органе, называется органистом .

Советские реактивные системы залпового огня БМ-13 солдаты Третьего рейха называли «орган Сталина» из-за звука, издаваемого оперением ракет.

История органа

Зародыш органа можно видеть в , а также в . Считается, что орган (гидравлос; также hydraulikon, hydraulis - «водный орган») изобрёл грек Ктезибий, живший в Александрии Египетской в 296 — 228 гг. до н. э. Изображение похожего инструмента имеется на одной монете или жетоне времён Нерона.

Органы больших размеров появились в IV веке, более или менее усовершенствованные органы - в VII и VIII веках. Папа Виталиан (666 год) ввёл орган в католическую церковь. В VIII веке Византия славилась своими органами.

Искусство строить органы развилось и в Италии, откуда в IX веке они выписывались во Францию. Позднее это искусство развилось в Германии. Наибольшее и повсеместное распространение орган начинает получать в XIV веке. В XIV веке в органе появилась педаль, то есть клавиатура для ног.

Средневековые органы, в сравнении с более поздними, были грубой работы; ручная клавиатура, например, состояла из клавиш шириной от 5 до 7 см, расстояние между клавишами достигало полутора см. Ударяли по клавишам не пальцами, как теперь, а кулаками.

В XV веке были уменьшены клавиши и увеличено число трубок.

Устройство органа

Усовершенствованные органы достигли огромного числа труб и трубок ; например, орган в Париже в церкви St. Sulpice имеет 7 тысяч труб и трубок. В органе бывают трубы и трубки следующих величин: в 1 фут ноты звучат тремя октавами выше писанных, в 2 фута - ноты звучат двумя октавами выше писанных, в 4 фута - ноты звучат октавой выше писанных, в 8 футов - ноты звучат как пишутся, в 16 футов - ноты звучат октавой ниже писанных, в 32 фута - ноты звучат двумя октавами ниже писанных. Закрытие трубы сверху приводит к понижению издаваемых звуков на октаву. Не все органы имеют трубы больших размеров.

Клавиатур в органе бывает от 1 до 7 (обычно 2-4) ; называются они мануалами . Хотя каждая клавиатура органа имеет объём в 4-5 октав, благодаря трубам, звучащим на две октавы ниже или на три октавы выше писанных нот, объём большого органа имеет 9,5 октав. Каждый набор труб одинакового тембра составляет как бы отдельный инструмент и называется регистром .

Каждая из выдвигаемых или вдвигаемых кнопок или регистров (находящихся над клавиатурой или по бокам инструмента) приводит в действие соответствующий ряд трубок. Каждая кнопка или регистр имеет своё название и соответствующую надпись, с обозначением длины самой большой трубы этого регистра. Название регистра и величину труб композитор может обозначить в нотах над тем местом, где данный регистр должен быть применён. (Выбор регистров для исполнения музыкального произведения называется регистровкой.) Регистров в органах бывает от 2 до 300 (чаще всего встречается от 8 до 60).

Все регистры распадаются на две категории:

  • Регистры с трубами без язычков (лабиальные регистры). К этой категории принадлежат регистры открытых флейт, регистры закрытых флейт (bourdons), регистры призвуков (микстуры), в которых каждая нота имеет несколько (более слабых) гармонических призвуков.
  • Регистры, у которых трубы с язычками (язычковые регистры). Соединение регистров обеих категорий вместе с микстурой называется plеin jeu.

Клавиатуры или мануалы расположены в органах террасой, один над другой. Кроме них, существует ещё педальная клавиатура (от 5 до 32 клавиш), преимущественно для низких звуков. Партия для рук пишется на двух нотоносцах - в ключах и как для . Партию педалей пишут чаще отдельно на одном нотном стане. На клавиатуре педалей, называемой просто «педаль», играют обеими ногами, пользуясь попеременно каблуком и носком (до XIX века - только носком). Орган без педали называется позитив, маленький переносный орган - портатив.

Мануалы в органах имеют названия, которые зависят от расположения труб в органе.

  • Главный мануал (имеющий самые громкие регистры) - в немецкой традиции называется Hauptwerk (фр. Grand orgue, Grand clavier) и располагается ближе всего к исполнителю, либо на втором ряду;
  • Второй по значимости и громкости мануал в немецкой традиции называется Oberwerk (более громкий вариант) либо Positiv (облегченный вариант) (фр. Рositif), если трубы этого мануала расположены НАД трубами Hauptwerk, либо Ruckpositiv, если трубы этого мануала расположены отдельно от остальных труб органа и установлены за спиной органиста; клавиши Oberwerk и Positiv на игровом пульте располагаются уровнем выше клавиш Hauptwerk, а клавиши Ruckpositiv — уровнем ниже клавиш Hauptwerk, тем самым воспроизводя архитектурное строение инструмента.
  • Мануал, трубы которого расположены внутри своеобразного ящика, имеющего во фронтальной части вертикальные створки жалюзи в немецкой традиции называются Schwellwerk (фр. Recit (expressif). Schwellwerk может быть расположен как в самой верхней части органа (более распространенный вариант), так и на одном уровне с Hauptwerk. Клавиши Schwellwerka располагаются на игровом пульте на более высоком уровне, чем Hauptwerk, Oberwerk, Positiv, Ruckpositiv.
  • Существующие разновидности мануалов: Hinterwerk (трубы расположены в задней части органа), Brustwerk (трубы расположены прямо над местом органиста), Solowerk (сольные регистры, очень громкие трубы, расположенные отдельной группой), Choir и т.д.

Облегчениями для играющих и средством для усиления или ослабления звучности служат следующие устройства:

Копула - механизм, с помощью которого связываются две клавиатуры, при чём выдвинутые на них регистры действуют одновременно. Копула даёт возможность играющему на одном мануале пользоваться выдвинутыми регистрами другого.

4 подножки над клавиатурой педалей (Pеdale de combinaison, Tritte), из которых каждая действует на известную определенную комбинацию регистров.

Жалюзи - прибор, состоящий из дверец, закрывающих и открывающих всё помещение с трубами разных регистров, вследствие чего происходит усиление или ослабление звучания. Дверцы приводятся в движение подножкой (швеллером).

Так как регистры в разных органах разных стран и эпох не одинаковы, то в органной партии они обычно не обозначаются подробно: выписывают над тем или другим местом органной партии только мануал, обозначение труб с язычками или без них и величину труб. Остальные подробности предоставляются исполнителю.

Орган нередко соединяется с оркестром и пением в ораториях, кантатах, псалмах, а также в опере.

Также существуют электрические (электронные) органы, например, Hammond .

Композиторы, сочинявшие органную музыку

Иоганн Себастьян Бах
Иоганн Адам Рейнкен
Иоганн Пахельбель
Дитрих Букстехуде
Джироламо Фрескобальди
Иоганн Якоб Фробергер
Георг Фридрих Гендель
Зигфрид Карг-Элерт
Генри Пёрселл
Макс Регер
Винцент Любек
Иоганн Людвиг Кребс
Матиас Векман
Доминико Циполи
Сезар Франк

Видео: Орган на видео + звучание

Благодаря этим видео Вы можете ознакомиться с инструментом, посмотреть реальную игру на нём, послушать его звучание, ощутить специфику техники:

Продажа инструментов: где купить/заказать?

В энциклопедии пока ещё нет информации о том, где можно купить или заказать этот инструмент. Вы можете это изменить!

Самый большой, самый величественный музыкальный инструмент имеет древнюю историю возникновения, насчитывающую множество этапов усовершенствования.

Наиболее отдаленным от нас во времени предком органа принято считать вавилонскую волынку, распространенную в Азии в XIX-XVIII веках до нашей эры. В мех этого инструмента воздух нагнетался через трубку, а с другой стороны был расположен корпус с дудками, имеющими отверстия и язычки.

История возникновения органа помнит и «следы древнегреческих богов»: божество лесов и рощ Пан, по преданию, придумал объединить тростниковые палочки разной длины, и с тех пор флейта Пана стала неразлучна с музыкальной культурой Древней Греции.

Однако музыканты понимали: на одной дудочке играть легко, а вот на нескольких – не хватает дыхания. Поиски замены человеческого дыхания для игры на музыкальных инструментах принесли первые плоды уже во II-III веке до н.э.: на музыкальную сцену на несколько веков вышел гидравлос.

Гидравлос – первый шаг к величию органа

Приблизительно в III веке до н.э. греческий изобретатель, математик, «отец пневматики» Ктезибий Александрийский создал устройство, состоящее из двух поршневых насосов, резервуара для воды и трубок для издания звуков. Один насос подавал воздух внутрь, второй подавал его к трубам, а резервуар с водой выравнивал давление и обеспечивал более ровное звучание инструмента.

Через два столетия Герон Александрийский, греческий математик и инженер, усовершенствовал гидравлос, добавив в конструкцию миниатюрную ветряную мельницу и металлическую шаровидную камеру, погруженную в воду. Усовершенствованный водяной орган получил 3-4 регистра, в каждом из которых находилось 7-18 труб диатонической настройки.

Водяной орган получил большое распространение в странах Средиземноморского региона. Гидравлос звучал на состязаниях гладиаторов, свадьбах и пиршествах, в театрах, цирках и на ипподромах, во время религиозных обрядов. Орган стал любимым инструментом императора Нерона, его звучание можно было услышать по всей Римской империи.


На службе у христианства

Несмотря на общий культурный упадок, наблюдавшийся в Европе после падения Римской империи, орган не был забыт. Уже к середине V века усовершенствованные духовые органы строились в церквях Италии, Испании и Византии. Центрами органной музыки становились страны наибольшего религиозного влияния, а оттуда инструмент распространялся по всей Европе.

Средневековый орган значительно отличался от современного «собрата» меньшим количеством труб и большим размером клавиш (длиной до 33 см и шириной 8-9 см), по которым для издания звука били кулаком. Были изобретены «портатив»- маленький переносной орган, и «позитив» — миниатюрный стационарный орган.

XVII-XVIII века считаются «золотым веком» органной музыки. Уменьшение размеров клавиш, обретение органом красоты и разнообразия звучания, кристальной тембровой ясности и появление на свет целой плеяды предопределили великолепие и величие органа. Торжественная музыка Баха, Бетховена, Моцарта и множества других композиторов звучала под высокими сводами всех католических соборов Европы, а практически все лучшие музыканты служили церковными органистами.

При всей неразрывной связи с католической церковью, для органа написано достаточно много «светских» произведений, в том числе, и русскими композиторами.

Органная музыка в России

Развитие органной музыки в России пошло исключительно по «светскому» пути: православие категорически отвергло использование органа в богослужениях.

Первое упоминание органа на Руси встречается на фресках Софийского собора в Киеве: «каменная летопись» Киевской Руси, датированная X-XI веками, сохранила изображение играющего на «позитиве» музыканта и двух калькантов (людей, закачивающих воздух в меха).

Живой интерес к органу и органной музыке проявляли Московские государи разных исторических периодов: Иван III, Борис Годунов, Михаил и Алексей Романовы «выписывали» из Европы органистов и строителей органов. При правлении Михаила Романова в Москве стали известны не только иностранные, а и русские органисты, такие как Томила Михайлов (Бесов), Борис Овсонов, Мелентий Степанов и Андрей Андреев.

Петр I, посвятивший жизнь внедрению в российское общество достижений западной цивилизации, еще в 1691 году поручил немецкому специалисту Арпу Шнитгеру построить для Москвы орган с 16 регистрами. Через шесть лет, в 1697 году, Шнитгер отправляет в Москву еще один, 8-регистровый инструмент. При жизни Петра в лютеранских и католических храмах на территории России были построены десятки органов, среди которых и гигантские проекты на 98 и 114 регистров.

Императрицы Елизавета и Екатерина II также внесли свой вклад в развитие органной музыки в России – при их правлении десятки инструментов получили Санкт-Петербург, Таллинн, Рига, Нарва, Елгава и другие города северо-западного региона империи.

Многие русские композиторы использовали орган в своем творчестве, достаточно вспомнить «Орлеанскую деву» Чайковского, «Садко» Римского-Корсакова, «Прометея» Скрябина, . Русская органная музыка сочетала в себе классические западноевропейские музыкальные формы и традиционную национальную выразительность и обаяние, обладала сильным влиянием на слушателя.

Современный орган

Пройдя исторический путь длиною в два тысячелетия, орган XX-XXI века выглядит следующим образом: несколько тысяч труб, расположенных на разных ярусах и изготовленных из дерева и металла. Деревянные трубы квадратного сечения издают басовые низкие звуки, а металлические трубы из сплава олова и свинца имеют круглое сечение и предназначены для более тонкого, высокого звучания.

Органы-рекордсмены прописаны за океаном, в Соединенных Штатах Америки. Орган, расположенный в Филадельфийском торговом центре Macy’s Lord & Taylor, весит 287 тонн и имеет шесть мануалов. Инструмент, расположенный в Зале согласия города Атлантик Сити, является самым громким органом в мире и насчитывает более 33000 труб.

Наиболее крупные и величественные органы России находятся в Московском доме музыки, а также в Концертном зале им. Чайковского.

Развитие в новых направлений и стилей значительно увеличило количество типов и разновидностей современного органа, со своими отличиями в принципе работы и специфическими особенностями. Сегодняшняя классификация органов такова:

  • духовой орган;
  • симфонический орган;
  • театральный орган;
  • электроорган;
  • орган Хаммонда;
  • орган Тифон;
  • паровой орган;
  • уличный орган;
  • оркестрион;
  • органола;
  • пирофон;
  • морской орган;
  • камерный орган;
  • церковный орган;
  • домашний орган;
  • органум;
  • цифровой орган;
  • рок-орган;
  • поп-орган;
  • виртуальный орган;
  • мелодиум.

Как устроен орган aslan wrote in May 12th, 2017

17 июня 1981 года его клавиш впервые коснулась рука музыканта — выдающегося органиста Гарри Гродберга, который исполнил для томичей токкаты, прелюдии, фантазии и фуги Баха.

С тех пор десятки известных органистов давали концерты в Томске, а немецкие органные мастера не переставали удивляться, как в городе, где разница температур зимой и летом составляет 80 градусов, инструмент все еще играет.


Дитя ГДР

Орган Томской филармонии родился в 1981 году в восточно-германском городе Франкфурт-на-Одере, на органостроительной фирме «W.Sauer Orgelbau».

В обычном рабочем темпе постройка органа занимает около года, и этот процесс включает несколько этапов. Сначала мастера осматривают концертный зал, определяют его акустические характеристики и составляют проект будущего инструмента. Затем специалисты возвращаются на родную фабрику, изготавливают отдельные элементы органа и собирают из них цельный инструмент. В монтажном цехе фабрики его впервые апробируют и исправляют недочеты. Если орган звучит так, как надо, его снова разбирают по частям и отправляют заказчику.

В Томске на все процедуры установки потребовалось лишь полгода — благодаря тому, что процесс прошел без накладок, недочетов и прочих тормозящих факторов. В январе 1981-го специалисты «Sauer» впервые приехали в Томск, а в июне того же года орган уже давал концерты.

Внутренняя композиция

По меркам специалистов, томский орган можно назвать средним по весу и размерам — десятитонный инструмент вмещает в себя около двух тысяч труб разной длины и формы. Как и пятьсот лет назад, их делают вручную. Деревянные трубы, как правило, изготавливают в форме параллелепипеда. Формы металлических труб могут быть более замысловатыми: цилиндрическими, обратноконическими и даже комбинированными. Металлические трубы делают из сплава олова и свинца в разных пропорциях, а для деревянных обычно используют сосну.

Именно эти характеристики — длина, форма и материал — влияют на тембр звучания отдельной трубы.

Трубы внутри органа стоят рядами: от самой высокой к самой низкой. Каждый ряд труб может играть по отдельности, а можно их объединить. Сбоку от клавиатуры на вертикальных панелях органа установлены кнопки, нажимая на которые, органист управляет этим процессом. Все трубы томского органа — звучащие, и лишь одна из них с лицевой стороны инструмента создана в декоративных целях и не издает никаких звуков.

С обратной стороны орган похож на трехэтажный готический замок. На первом этаже этого замка располагается механическая часть инструмента, которая через систему тяг передает работу пальцев органиста к трубам. На втором этаже установлены трубы, которые связаны с клавишами нижней клавиатуры, а на третьем этаже — трубы верхней клавиатуры.

Томский орган обладает механической системой соединения клавиш и труб, а это значит, что нажатие на клавишу и появление звука происходит практически мгновенно, без всякого запаздывания.

Над исполнительской кафедрой располагаются жалюзи, или по-другому швеллер, которые скрывают от зрителя второй этаж органных труб. С помощью специальной педали органист управляет положением жалюзи и тем самым влияет на силу звука.

Заботливая рука мастера

Орган, как и любой другой музыкальный инструмент, очень зависим от климата, а сибирская погода создает немало проблем по уходу за ним. Внутри инструмента установлены специальные кондиционеры, датчики и увлажнители, которые поддерживают определенную температуру и влажность воздуха. Чем холоднее и суше воздух, тем короче становятся трубы органа, и наоборот — при теплом и влажном воздухе трубы удлиняются. Поэтому музыкальному инструменту требуется постоянный контроль.

Уход за томским органом обеспечивают всего два человека — органист Дмитрий Ушаков и его помощница Екатерина Мастеница.

Главным средством борьбы с пылью внутри органа является обычный советский пылесос. Для его поиска была организована целая акция — искали именно такой, который бы обладал системой выдува, потому что пыль из органа в обход всех трубочек проще выдувать на сцену и уже потом собирать пылесосом.

— Грязь в органе нужно убирать там, где она есть и когда она мешает, — говорит Дмитрий Ушаков. — Если сейчас мы решим убрать из органа всю пыль, нам придется заново полностью его настраивать, и вся эта процедура займет около месяца, а у нас концерты.

Чаще всего чистке подвергаются фасадные трубы — они на виду, поэтому на них часто остаются отпечатки пальцев любопытных. Смесь для чистки фасадных элементов Дмитрий готовит сам, из нашатырного спирта и зубного порошка.

Реконструкция звука

Капитальная чистка и настройка органа производится раз в год: обычно летом, когда проходит относительно немного концертов, и на улице не холодно. Но небольшая настройка звука требуется перед каждым концертом. К каждому виду органных труб у настройщика особый подход. Некоторым достаточно закрыть колпачок, другим подкрутить ролик, а для самых маленьких трубочек используют специальный инструмент — штиммхорн.

Настроить орган в одиночку не получится. Один человек должен нажимать на клавиши, а другой регулировать трубы, находясь внутри инструмента. К тому же, человек, нажимающий на клавиши, контролирует процесс настройки.

Первый капитальный ремонт томский орган пережил сравнительно давно, 13 лет назад, после реставрации органного зала и извлечения органа из специального саркофага, в котором он провел 7 лет. В Томск были приглашены специалисты фирмы «Sauer», которые и провели осмотр инструмента. Тогда помимо внутреннего обновления, орган сменил цвет фасада и обзавелся декоративными решетками. А в 2012 году у органа наконец появились «хозяева» — штатные органисты Дмитрий Ушаков и Мария Блажевич.

Жми на кнопку, чтобы подписаться на "Как это сделано"!

Если у вас есть производство или сервис, о котором вы хотите рассказать нашим читателям, пишите Аслану ([email protected] ) и мы сделаем самый лучший репортаж, который увидят не только читатели сообщества, но и сайта Как это сделано

Подписывайтесь также на наши группы в фейсбуке, вконтакте, одноклассниках, в ютюбе и инстаграме , где будут выкладываться самое интересное из сообщества, плюс видео о том, как это сделано, устроено и работает.

Жми на иконку и подписывайся!