Новое исследование раскрыло физику звучания треугольника — одного из самых простых инструментов в оркестре
Треугольник, состоящий из металлического стержня, изогнутого в форме треугольника с одним открытым концом, подвешен на струне или проводе в верхнем замкнутом углу. Звук создаётся при ударе по металлу специальной палочкой.
Этот немного абсурдный на вид перкуссионный инструмент издаёт характерный «переливающийся» звук неопределённой высоты.
Новое исследование, опубликованное в рецензируемом журнале JASA Review Letters, который публикует работы по всем областям акустики, выяснило, как именно треугольная форма создаёт этот удивительно мощный звук.
«Музыкальный треугольник издаёт очаровательные и красивые тона, поднимая глубокие и фундаментальные вопросы о связи между музыкой и физикой», — говорит Рисако Танигава из Университета Васэда в Японии, ведущий автор статьи.
Танигава и её коллеги измерили двумерные звуковые поля вокруг треугольников с помощью акустооптической визуализации.
Когда звуковые волны движутся по воздуху, они вызывают вибрации, которые изменяют плотность воздуха и, следовательно, скорость, с которой свет проходит через воздух. Акустооптическая визуализация позволяет фиксировать различия в лазерном свете, проходящем через этот воздух, для изучения паттернов звуковых вибраций.
«Оптическое измерение звука до сих пор применялось лишь к ограниченному числу объектов, — говорит Танигава. — Впервые наблюдая за звуковым полем треугольника, мы зафиксировали явления, которые ранее не были изучены с помощью микрофонов».
Учёные обнаружили, что акустический резонанс возникает в полуо открытом пространстве треугольной формы, создаваемом музыкальным треугольником. Исследователи получили доказательство того, что резонанс происходит даже при наличии выемки и открытого угла, и он может возникать и в других формах инструментов.
«Сразу после удара звуковые волны распространяются по стержню треугольника, — пишут авторы в исследовании. — Когда волна достигает изгиба, направление движения меняется в соответствии с треугольной формой, и первая звуковая волна интерферирует с последующей».
Идентичные звуковые волны, движущиеся в противоположных направлениях по инструменту, накладываются друг на друга, создавая стоячие волны с большей амплитудой.
«Эти результаты показывают, что стоячие волны образуются за счёт комбинаций излучений от трёх сторон треугольника», — пишут авторы.
Резонанс возникает, когда частота внешнего воздействия, такого как удар металлическим стержнем, совпадает с собственными частотами объекта. Это увеличивает амплитуду звуковых волн, создавая гораздо более громкий звук. Например, бокал для вина может разбиться, если заставить его вибрировать на собственных частотах звуком голоса оперной певицы.
Исследователи обнаружили, что звуки, издаваемые треугольником на его собственных частотах, были громче и длились дольше.
«Ещё есть над чем подумать, но наблюдение стоячих волн в полуо открытом пространстве интригует, потому что общеизвестно, что резонанс возникает в формах с замкнутыми сторонами, — говорит Танигава. — Наши экспериментальные результаты показывают, что это может происходить и в полуо открытом пространстве».
Далее команда хочет продолжить исследование влияния открытого пространства в углу треугольника на этот резонанс.
«Музыкальные инструменты играют значительную роль в жизни человека, выполняя культурные, социальные и физические функции, — сказала Танигава. — Понимание физических свойств инструмента приносит пользу, например, помогает сохранить традиционные музыкальные инструменты, даёт идеи производителям инструментов, музыкантам и разработчикам электронных инструментов».