МУЗЫКАЛЬНЫЙ ИНСТРУМЕНТ G-ПЭН, ОРКЕСТР МУЗЫКАЛЬНЫХ ИНСТРУМЕНТОВ
G-PEN MUSICAL INSTRUMENT, OSCHESTRA OF MUSICAL INSTRUMENTS

Предпосылки изобретения
1. Область изобретения
Настоящее изобретение в комплексе относится к новому акустическому музыкальному инструменту, который вносит значительные новшества и улучшения в обычную технологию металлургии, применяемую для изготовления традиционных акустических ударных музыкальных инструментов - стилпэнов. При использовании настоящего изобретения для получения мелодичного звука ударяют по физически определенным ударным нотным сегментам, расположенным на металлической нотной поверхности, аналогично традиционному акустическому ударному музыкальному инструменту - стилпэну.
2. Предшествующий уровень техники
На родине стилпэна, в Республике Тринидад и Тобаго, он считается традиционным видом искусства и был даже провозглашен Национальным инструментом. Влияние предшествующего уровня техники на эволюцию настоящего изобретения полностью определяется свойствами обычного традиционного акустического ударного музыкального инструмента - стилпэна. Акустический, или традиционный стилпэн - инструмент, имеющий четко определенные нотные сегменты с определенной высотой звука, которые располагаются на одной или нескольких сплошных металлических нотных поверхностях, в дальнейшем также именуемых «ударными поверхностями».
Упомянутый инструмент является ударным и был изобретен в конце 1930-х годов на острове Тринидад, в Республике Тринидад и Тобаго. Точная дата изобретения неизвестна, так как корни инструмента уходят в фольклорное прошлое, когда первыми изготовителями инструмента были представители рабочего класса, в целом технически неграмотные люди. Однако первое упоминание об инструменте в печати датируется 6 февраля 1940 года (газета Trinidad Guardian (Тринидад Гадьен).
Предшественники настоящего изобретения, первые стилпэны, изготавливались из пустых бочек из-под масла, выброшенных военнослужащими армии США (см. The steel drums of Kirn Loy Wong: an instruction manual to accompany the Folkways records FI-8367 and FS-3834 and the movie, "Music from oil drums". Seeger, P. and Loy Wong. K., New York: Oak Publications, 1961), и даже сейчас большинство инструментов изготавливаются из герметичных цилиндрических стальных бочек или барабанов, известных специалистам в области производства стальной тары. Для получения упомянутых барабанов к цилиндрическому корпусу барабана или бочки методом холодной прокатки крепятся верхнее и нижнее днища. Образуемый при этом шов известен специалистам в области производства стальной тары как «утор».
Для изготовления ударной поверхности одному из днищ барабана вначале вручную с помощью молотка или ударного инструмента, и/или пресса придается вогнутая форма. Затем на нотной поверхности формируют желобки, которые четко обозначают ударные сегменты, соответствующие музыкальным нотам. После этого упомянутая нотная поверхность подвергается тепловой обработке и охлаждается. Наконец, профессиональный настройщик пэнов настраивает упомянутые нотные сегменты, аккуратно придавая им нужную форму с помощью молотка, чтобы при ударе по каждому сегменту звучала музыкальная нота с определенной высотой звука.
Цилиндрический корпус исходного барабана сохраняется, но обрезается до той или иной длины, образуя так называемую «юбку» стилпэна, которая, в основном, выполняет функции акустического резонатора. Диаметр округлой ударной поверхности, как правило, колеблется от 55,88 см/22 дюймов до 68,58 см/27 дюймов, а длина юбки - от приблизительно 15,24 см/6 дюймов до 91,44 см/36 дюймов. Меньшие и большие размеры также использовались, однако общепринятые реализации инструмента используют именно перечисленные диапазоны размеров, вероятно, из соображений эргономичности и для упрощения работы исполнителей.
Из барабанов, полученных в соответствии с приведенным выше описанием, составляются несколько стилпэнов, покрывающих разные области музыкального диапазона. По существу, стилпэн представляет собой музыкальный инструмент, в котором ноты распределяются по нескольким барабанам. Количество барабанов в стилпэне обусловливается ограничениями законов физики, которые определяют размер нотного сегмента, позволяющий резонировать на нужных частотах музыкальных нот.
1
3
1
3
2
4
2
4
2
5
В семействе традиционных стилпэнов насчитывается, как минимум, одиннадцать разных инструментов. Девять-бас стилпэн состоит из девяти барабанов, каждый из которых имеет три ноты, то есть всего 27 нот, как правило, в диапазоне от А до В. Более распространенный шесть-бас стилпэн состоит из шести барабанов, каждый из которых имеет три ноты, всего 18 нот, как правило, в диапазоне от А до D. Тенор-бас стилпэн состоит из четырех барабанов и, как правило, охватывает диапазон от G до D. Виолончель стилпэн охватывает баритоновый диапазон и имеет две разновидности. 3-виолончель стилпэн, как правило, охватывает диапазон от В до G и имеет три барабана, тогда как 4-виолончель стилпэн, как правило, охватывает диапазон от В до D и имеет четыре барабана.
2
5
3
4
3
5
3
6
4
6
4
6
b
#
#
b
#
b
Квадрафонический стилпэн был введен недавно, имеет четыре барабана и охватывает диапазон от В до B . Двойной гитарный стилпэн имеет два барабана и охватывает диапазон от С  до G . Двойной альтовый стилпэн имеет два барабана и охватывает диапазон от F до B . Двойной теноровый стилпэн имеет два барабана и охватывает диапазон от А до С . Нижний тенор имеет только один барабан и охватывает диапазон от C до E . Верхний тенор также имеет один барабан и охватывает диапазон от D до F. Исторически сложившееся название тенорового пэна не совсем корректно, так как его ноты лежат в диапазоне сопрано.
Для получения качественного музыкального звучания конец палочки или молоточка, которым ударяют по нотным поверхностям, покрывается, оборачивается или облицовывается мягким материалом, по консистенции обычно напоминающим резину. Если будет использован слишком жесткий материал, то полученный звук будет резким и неблагозвучным. Если же использовать слишком мягкий материал, то звук будет глухой. Таким образом, конструкция палочки определяет так называемое время контакта (см. Steelpan Tuning, Kronman, U., Musikmuseet, Stockholm, 1991) палочки с нотой при ударе. Обертоны ноты, продолжительность цикла частот которых короче, чем время контакта, подавляются, в отличие от обертонов, продолжительностью цикла частот которых больше времени контакта.
Ударная поверхность самых первых стилпэнов была выпуклой. Однако такая форма делала игру на инструменте довольно трудной. В процессе эволюции инструмента пэннисты и настройщики стилпэнов все больше отдавали предпочтение вогнутой форме, которая теперь считается стандартом и используется повсеместно.
При изготовлении современных стилпэнов для получения ударной поверхности плоскому торцу барабана придают форму вогнутой чаши с помощью ударов молотка, в результате чего металл растягивается, приобретая нужную глубину и толщину. Этот процесс называется «опускание». Процесс опускания уменьшает толщину ударной поверхности, а также придает материалу эластичность, необходимую для поддержания нужного диапазона нот. Затем опущенная поверхность отделяется от барабана, для чего на определенном расстоянии от обода опущенного днища обрезается юбка. Оставшаяся половина барабана выбрасывается или используется для изготовления еще одного стилпэна.
После этого можно разграничивать нотные сегменты, как правило, с помощью пуансона, которым вырезают желобки или каналы между нотными сегментами. Этот этап необязателен и служит лишь для того, чтобы пэннистам было легче определять расположение нотных сегментов. Намного важнее степень разделения нот; хорошая изоляция между нотами - обязательное условие качественного звучания инструмента, так как она обеспечивает акустический барьер, уменьшающий передачу вибрационной энергии между нотами, в результате чего повышается точность инструмента. Стоит пояснить, что под точностью понимается свойство инструмента, позволяющее при стимуляции нужного нотного сегмента получить соответствующую ноту и только ее.
Патент Тринидад и Тобаго № 33А, 1976 год, Фернандеса описывает «магнопэн», получаемый с помощью магнитного настраивания стальных барабанов, при котором с каждой нотой определенным способом связывается магнит, и при применении магнитов различной интенсивности к определенным сегментам нот можно изменять ноты пэна в пределах двух нот, например, из С в Е или из Е в С. Настройка магнитов также позволяет качественно изменять тон. Еще один патент Фернандеса, Тринидад и Тобаго № 32, 1983 год, описывает "скважинный пэн", в котором барьер между нотами расширяется, для чего по периметру нотного сегмента просверливают отверстия, а затем подвергают тепловой обработке область вокруг ноты.
Говоря о разделении нот на нотных поверхностях стилпэнов, подразумевается степень изоляции нот друг от друга; если ноты разделены плохо, то значительная часть энергии, создаваемой при ударе по ноте, переходит к другой ноте, причем можно даже различить звук, производимый второй нотой. Плохое разделение может привести к нежелательной стимуляции целых групп нот.
Консонанс и диссонанс - термины, описывающие гармоничность и приятность созвучия, звучащего при одновременной стимуляции двух и более нот, которая весьма вероятна в случае стилпэна, так как в нем несколько нот располагаются на одной и той же поверхности, а также может произойти случайная стимуляция сразу нескольких нот из-за вышеупомянутой передачи энергии. Консонансные тоны приятны для человеческого уха, а диссонансные - неприятны. Видно, что понятия консонанса и диссонанса несколько субъективны.
Общепринятая причина диссонанса - попадание разницы гармоник двух звуков в критический диапазон частот. Хотя этот диапазон и неодинаков по всей музыкальной шкале, обычно он находится в пределах от 30 до 40 Гц. Видно, что понятия консонанса и диссонанса тесно связаны с музыкальными интервалами, и поэтому выделяются уровни консонанса, возникающего на какой-либо музыкальной шкале. В частности, в западной музыкальной практике градация консонанса музыкальных интервалов производится в соответствии с уменьшением консонанса или увеличением диссонанса.
Октава (самая высокая степень консонанса), чистая квинта и чистая кварта называются интервалами совершенного консонанса, тогда как большая секста, большая терция, малая секста и малая терция являются интервалами несовершенного консонанса. Самыми диссонансными интервалами (по убыванию уровня диссонанса) обычно считаются: малая секунда (наиболее диссонансный интервал), большая септима, большая секунда, малая септима и тритон (увеличенная кварта или уменьшенная квинта).
Диссонансный звук может быть вызван передачей энергии от ударяемой ноты к другой, обертоны которой не образуют консонанс с первой нотой. Именно по этой причине стараются избегать хроматического расположения нот на ударной поверхности, при котором ноты отличаются между собой на малую секунду.
Следует упомянуть, что настройщики обращают особое внимание на соединение между нотами, чтобы разнообразить производимые каждой нотой обертоны. Для этого выборочно настраивают натяжение на участке между нотами, а также тщательно продумывают расположение нот на ударной поверхности, чтобы обеспечить условия, при которых энергия передается, в основном, между консонансными группами нот.
В настоящем изобретении для решения проблемы разделения нот разработана схема расположения нот, определяющая значение и размещение нот на барабане стилпэна. За всю историю стилпэнов было использовано множество различных схем расположения нот. Ключевыми факторами при выборе схемы расположения нот является простота музыкального исполнения на инструменте, а также снижение диссонанса до приемлемого уровня.
По мере развития предшествующей области техники настройщики стали со временем отдавать предпочтение нескольким схемам физического расположения нот. Предпочтительные схемы перечислены в стандартах, публикуемых Бюро стандартов Тринидад и Тобаго (см. Ad Hoc Specification Committee on Steel Pan (1989): Proposal for a Trinidad and Tobago Standard - Glossary of Terms Relating to the Steel Pan. TTS 1 45 000, Trinidad and Tobago Bureau of Standards). Наиболее важной из этих схем является квартово-квинтовый ход, используемый для тенорового стилпэна, который доказал свою эффективность в плане облегчения труда исполнителя и минимизации диссонанса данного инструмента. Согласно этому ходу соседние ноты, между которыми как раз и происходит большая часть обмена энергией, располагаются так, чтобы отличаться друг от друга на октаву, кварту или квинту, которые являются самыми консонансными музыкальными интервалами.
После разметки нот барабан нагревают до приблизительно 300°С, чтобы снять механическое напряжение, возникающее в процессе опускания. Затем стилпэн охлаждают либо с помощью мгновенного охлаждения (быстрый способ), либо более медленно, на воздухе. Детали процесса нагревания различаются от производителя к производителю. Затем формируются отдельные ноты, для чего выбранные сегменты аккуратно обрабатываются молотком. Затем производится более тонкая подгонка размеров и формы нотных сегментов для задания высоты звука и нотных гармоник. Настройка стилпэна - итеративный процесс и выполняется либо на слух, либо с использованием механических или электронных тюнеров.
Музыкальный инструмент - стилпэн предшествующего уровня техники обеспечивает некоторое разнообразие тембра или голоса, так как настройщик может отдельно настраивать гармоники каждой ноты. Этот процесс получил название «гармонической настройки». По сути стилпэн - механическое устройство, реализующее звуковой синтез. Гармоническая настройка также помогает исполнителю создавать утонченные вариации тембра нот, ударяя по разным участкам нотных поверхностей.
В существующих моделях традиционных акустических стилпэнов юбка представляет собой трубу, диаметр которой равен диаметру ударной поверхности. Роль юбки в обеспечении акустической связи и распространения звука, создаваемого вибрацией нот на ударной поверхности, можно описать в строгом соответствии с известными акустическими принципами. Для этого требуется проведение очень сложного анализа, однако для целей настоящего документа анализ можно упростить, рассматривая два основных механизма.
В качестве модели барабана стилпэна можно рассматривать трубу, закрытую только с одного конца. Специалистам в области акустики такая труба известна как труба с одним открытым концом, которая демонстрирует резонансные свойства, присущие запертому в бочке воздуху. Основной резонанс в идеальной трубе с одним открытым концом происходит на частоте
1
4
где d - диаметр трубы, L - длина трубы, a ν - скорость звука в воздухе. Коэффициент 0,3d - поправка на краевой эффект, учитывающая рассеяние звука на конце трубы. Следовательно, коэффициент L+0,3d соответствует / длины волны основной резонансной частоты.
Говоря от стилпэне, важно упомянуть еще тот факт, что идеальная труба с одним открытым концом имеет резонансные пики на частотах, превосходящих основную резонансную частоту в нечетное число раз, а резонансные нули происходят на частотах, превосходящих основную резонансную частоту в четное число раз. На практике частотный отклик трубы будет достигать максимума в частотах, превосходящих основную резонансную частоту в нечетное число раз, а минимума - в частотах, превосходящих основную резонансную частоту в четное число раз.
Интенсивность возникающих резонансов и соответственно разница между максимальными и минимальными значениями частотного отклика увеличивается при уменьшении отношения радиуса к длине юбки. Поэтому вклад эффекта резонанса особенно велик в стилпэнах с низкой высотой звука, которые обычно имеют длинные юбки.
Кроме того, звук распространяется от стен самой юбки за счет акустической энергии, которая переходит от ударной поверхности к юбке по ободу. Хотя юбка имеет свою форму колебаний, которая определяется характерными модальными частотами, при которых юбка резонирует, она также будет вибрировать на частотах, создаваемых нотными сегментами ударной поверхности. Интенсивность вибрации будет зависеть от силы удара по нотам, а также от того, насколько частотные составляющие результирующих вибраций ударной поверхности будут близки к резонансным частотам юбки.
Те частотные составляющие, которые ближе к резонансной частоте юбки, чем другие частотные составляющие, будут вызывать более сильное усиление вибрации. Суммарный вклад юбки в звуковое поле определяется как совокупность вибрационных эффектов по всей юбке. В частности, несмотря на низкий уровень вибрации в конкретной точке юбки, результирующий вклад всех точек немалой поверхности юбки создает довольно заметный уровень звука.
У верхнего тенорового стилпэна юбка барабана, из которого изготавливается инструмент, обрезается до длины от 11,60 см/4 дюймов до 15,24 см/6 дюймов. По мере понижения музыкального диапазона инструмента растет длина юбки, так у шесть-бас стилпэна длина юбки обычно составляет 86,36 см/34 дюйма. На финальной стадии процесса изготовления на инструмент наносится защитное покрытие. Это может быть краска, электролитическое покрытие (как правило, никель или хром) или пластиковое покрытие, наносимое распылением или термообработкой. После этой стадии часто требуется небольшая перенастройка инструмента.
Периметр упомянутой ударной поверхности инструмента, который пользователи традиционного акустического стилпэна называют ободом, известен специалистам в области производства стальной тары как «утор» и получается при гофрировании или прокатке материалов, образующих ударную поверхность и юбку. Когда исполнитель ударяет по ударной поверхности традиционного стилпэна, некоторая часть ударной энергии вызывает одну или нескольких форм крутильных колебаний барабана. В случае барабанов диаметром в 55,88 см/22 дюйма, имеющих вышеупомянутый обод, которые используются в большинстве традиционных стилпэнов, крутильная вибрация имеет дозвуковую частотную составляющую в районе 15 Гц. Такая вибрация заметна при обычной игре на инструменте и ощущается при прикосновении к его ободу.
Результирующее колебательное искажение формы ударной поверхности традиционных стилпэнов, вызванное крутильной модой вибрации, является основной причиной иногда возникающих изменений частоты высот нот, особенно у нот, расположенных по краям ударной поверхности, что негативно влияет на чистоту и точность нот. Кроме того, традиционные стилпэны расстраиваются при деформации обода инструмента, вызванной внешними силовыми воздействиями или температурными изменениями.
Изобретение и продолжающееся развитие музыкального инструмента - стилпэна вызвало смену парадигмы - оно не только наладило экспорт стилпэнов из развивающейся страны во многие развитые страны «первого мира», но и положило начало новой эре металлургических технологий в мировом масштабе. До изобретения стилпэна в Тринидад и Тобаго в 1940-х годах музыкальные инструменты, изготавливаемые из стальных оболочек и листов, рассматривались лишь в качестве ритмических инструментов, таких как гонг, тарелки и колокольчики.
Появление музыкального инструмента - стилпэна в динамике обогатило мировые знания о технологиях металлургии, так как убедительно продемонстрировало, что контролируемая деформация и обработка стальных листов, вкупе с тщательным проектированием палочек или молоточков, используемых для игры на инструменте, позволяет создавать высококачественные мелодии, ударяя по соответствующим нотным сегментам. Сам термин «технология стилпэна» был изобретен в Тринидад и Тобаго, так как требовалось как-то систематизировать и обозначить сложные металлургические процессы, связанные с изготовлением инструмента.
Существует множество простых и очевидных изменений, которые можно вносить в традиционный процесс изготовления стилпэнов. Например, вовсе необязательно изготавливать инструмент из бочек из-под масла, как это делалось раньше. В самом деле, весь инструмент можно сделать из листов металла, для чего к опоре подходящей формы крепится обработанный металлический верх, который будет служить ударной поверхностью. Соединение можно выполнять, например, приваркой или гофрированием. Процесс опускания может осуществляться различными стандартными промышленными способами, например, гидравлической или вращательной штамповкой.
Несмотря на всю новизну и привлекательность традиционного акустического стилпэна, он имеет несколько недостатков. Во-первых, музыкальный диапазон отдельно инструмента из семейства традиционных стилпэнов, как правильно, меньше трех октав. Это является ограничением, особенно для соло-исполнителей, и часто преодолевается транспонированием тех фрагментов музыкального произведения, которые выходят за рамки музыкального диапазона конкретного инструмента. Некоторые исполнители восполняют этот недостаток, одновременно используя два стилпэна разных диапазонов.
Кроме того, несистемное развитие существующих стилпэнов, которое диктовалось текущими потребностями, привело к некоторому беспорядку, ведь до настоящего момента весь музыкальный диапазон можно было охватить только использованием, как минимум, одиннадцати инструментов. Беспорядок усугубляется, если вспомнить множество вариаций расположения нот.
Упомянутые различия в расположении нот также затрудняют работу исполнителей, которым может понадобиться использовать широкий спектр стилпэнов в оркестре. Кроме того, эти различия уменьшают мобильность исполнителей (здесь, мобильность - способность исполнителя играть в разных оркестрах, имеющих стилпэны с различными расположениями нот).
Традиционная методика изготовления акустических стилпэнов в качестве исходного сырья использует продукцию промышленности, изготавливающей стальную тару, в частности, готовые стальные барабаны как новые, так и бывшие в использовании, как правило, объемом в 55 галлонов. Однако барабаны, производимые изготовителями стальной тары, предназначены именно для использования в качестве тары, и поэтому основной целью изготовителей является обеспечение устойчивости барабана к ударам. По сути, металлургические свойства стали, из которой производители изготавливают барабаны, волнуют их гораздо меньше, чем ее прочность на разрыв. Из-за этого используемая в традиционном производстве сталь может обладать самыми разнообразными металлургическими свойствами (содержание углерода, зернистость, отсутствие примесей), которые влияют на качество музыкального инструмента - стилпэна. Очевидно, что из-за этого стилпэны, изготавливаемые из таких барабанов, различаются по качеству получаемой музыки.
Кроме того, традиционные стилпэны, изготавливаемые из бочек тарной промышленности, не отличаются оптимальным дизайном (оптимальный дизайн предусматривает соблюдение определенных требований к основным компонентам стилпэна, которое позволяет в результате получить инструмент, обладающий высочайшей музыкальной точностью и качеством воспроизведения). Основные компоненты стилпэна - это ударная поверхность, утор и юбка.
При изготовлении традиционного акустического стилпэна практически не уделяется внимания необходимости видоизменять или адаптировать утор или юбку для улучшения работы инструмента. Более того, при придании формы ударной поверхности преследуется лишь одна цель - разметить нотные сегменты. Упомянутые три основных компонента инструмента могут существенно уменьшить его музыкальную точность, если при игре на инструменте энергия удара будет вызывать резонанс компонентов на их собственных естественных структурных модальных частотах. Упомянутые модальные частоты были измерены на такой низкой частоте, как 15 Гц. Так как эти естественные виды вибрации связаны с модальными деформациями ударной поверхности, форма размеченных на поверхности нот искажается, в результате чего происходит низкочастотная модуляция нотных частот.
В дополнение к эффекту модуляции немузыкальные вибрации юбки, в частности, вносят шумы, которые ухудшают качество музыки. В частности, после удара по ноте часто можно различить высокочастотные резонансы, которые заметны даже после того, как музыкальные компоненты звука почти рассеются. Резонансы возникают из-за тех частей ударной поверхности, которые не настроены в качестве нотных сегментов, а также из-за утора и юбки. Это актуальная проблема традиционных стилпэнов, которую без труда замечали различные эксперты с хорошим музыкальным слухом, и которая требует решения.
Также, частотный отклик трубы с одним открытым концом, которой является юбка, достигает максимумов в частотах, превосходящих частоту первого резонанса в нечетное число раз, и минимумов - в частотах, превосходящих частоту первого резонанса в четное число раз. Кроме того, разница между максимальными и минимальными значениями увеличивается при уменьшении отношения радиуса бочки к длине юбки. Упомянутое соотношение радиус/длина обычно варьируется от 0,32:1 у баса до 1,83:1 у тенорового стилпэна. Следовательно, хотя интенсивность резонанса выше у басовых инструментов, частотный отклик трубы с одним открытым концом, из которой состоит такой инструмент, намного более нерегулярен, чем у высокотональных инструментов, юбки которых короче. Это может оказывать вредное воздействие на тональную структуру.
В сравнении, эффект резонанса, возникающий при характерном нерегулярном частотном отклике трубы с одним открытым концом, используемом в духовых инструментах (кларнет, флейта), совершенно необходим для генерации нот и соответствующих им гармоник. Упомянутые инструменты характеризуются соотношением радиус/длина порядка 0,04:1.
Однако в случае традиционного стилпэна труба, образующая юбку, в силу той самой нерегулярности частотного отклика, не является оптимальным акустическим резонатором для одновременного спектра обертонов, характерного для нот ударной поверхности. Например, если длина юбки будет отрегулирована таким образом, чтобы ее первый резонанс соответствовал высоте звука самой низкой ноты конкретного барабана, то вторая нота, отстоящая от первой на октаву, будет подавляться из-за минимума частотного отклика. Проблема усугубляется, если задуматься об эффекте квинты и ее обертонах, ведь квинта на ударной поверхности басового стилпэна, как правило, и будет упомянутой «второй» нотой.
В силу всего вышесказанного можно сделать вывод, что традиционные технологии изготовления стилпэнов не уделяют должного внимания акустическому дизайну инструмента, и поэтому требуется разработка более эффективного дизайна юбки.
К сожалению, традиционные акустические стилпэны не предусматривают возможности легко снимать и заменять юбку, что облегчило бы техническое обслуживание инструмента и его транспортировку, а также изменение характеристик инструмента в области звукового излучения.
Традиционные акустические стилпэны обычно подвешиваются к специальной стойке с помощью веревки, шнура или проволоки. Помимо эстетического несовершенства такой конструкции, она способствует нежелательной передаче вибрационной энергии между стилпэном, стойкой и полом. Такая нежелательная передача энергии дополнительно ухудшает качество музыки, так как добавляет шумовую компоненту, в особенности от стойки (или иной аналогичной конструкции).
Кроме того, веревка, шнур или проволока, на которой подвешен стилпэн, обычно крепится к ободу инструмента, и поэтому верхняя часть стойки, к которой прикреплена веревка, выступает над ободом, что в некотором смысле затрудняет работу исполнителя. Также, хотя и существуют стойки с механизмом регулировки высоты, упомянутый традиционный способ подвешивания инструмента не позволяет с легкостью изменять положение инструмента. Это не позволяет использовать инструмент в соответствии со всеми требованиями эргономики.
Патент US 4214404 Рекса (Rex), как и многие другие, описывает ударное устройство, которое акустически или механически производит музыкальные звуки, и представляет собой барабан, состоящий из нескольких резонирующих отделений, находящихся внутри одного и того же корпуса, звук из которого производится с помощью торца барабана, при сжатии которого по направлению к входу в упомянутые резонирующие отделения образуется сложная мембрана. Упомянутое изобретение в качестве механизма генерации звука использует акустический резонанс труб и в этом конструктивно отличается от существующих стилпэнов, а также от стилпэна настоящего изобретения, которые для генерации звука используют модальные характеристики выбоин на сплошной поверхности.
Патент СА 1209831 Сальвадора и Питерса предлагает барабан, адаптированный таким образом, чтобы уменьшить недостатки, замеченные в существующей конструкции. В частности, данное изобретение предлагало барабан, имеющий нотную поверхность с прямоугольными нотами, которые настраивались таким образом, чтобы гармонические моды колебаний каждой ноты доминировали над негармоническими.
Патент DE 20013648U Шульца и Вайденсдорфера описывает стальной барабан, имеющий внешнее кольцо с восьмью тоновыми полями (1-8), которые представляют собой октаву (диатонический ряд) от средней С до верхней С. Также барабан имеет внутреннею так называемую центральную область, содержащую пять тоновых полей, которым соответствуют верхние D, Е и F (9-11), а также две области, соответствующие В бемоль (А диез) и G бемоль (F диез). Таким образом, музыкальный диапазон состоит из десяти нот от средней С до Е, расположенной после верхней С, плюс две ноты со знаками альтерации, т.е. В бемоль (А диез) и G бемоль (F диез).
Патент US 5814747 Рамсела «Ударный инструмент, производящий музыкальные звуки» описывает устройство, состоящее из нескольких синтетических труб различной длины, которые при ударе молоточка резонируют на разных частотах. Упомянутое изобретение предлагает ударный инструмент, который производит музыкальные звуки, однако в качестве механизма генерации звука устройство использует акустический резонанс труб, и в этом оно конструктивно отличается от существующих стилпэнов, а также от стилпэна настоящего изобретения, которые для генерации звука используют модальные характеристики выбоин на сплошной поверхности.
Патент US 5973247 Мэтьюса «Переносные стальные барабаны и несущее устройство» описывает устройство, состоящее из двух барабанов-стилпэнов с восемнадцатью нотами, прикрепляемых с помощью подвесной системы к опоре, которая предназначена для переноски человеком обоих стальных барабанов на себе. Предлагаемое упомянутым изобретением устройство не покрывает весь музыкальный диапазон, не превышает диапазон, охватываемый традиционными стилпэнами, не предлагает оптимального дизайна ударной поверхности, обода и юбки используемых барабанов-стилпэнов, а также не предлагает дизайна юбки, влияющего на распространение звука.
Патент US 6750386 Кинга [Двусторонний сертификат пересмотра (0026-ой) US 6750386 С1 выдан согласно 35 U.S.C. 316] «Стилпэн с квинтовым циклом» описывает стилпэн, ноты которого располагаются в соответствии с квартово-квинтовым циклом. Предлагаемое упомянутым изобретением устройство отличается от существующих стилпэнов только расположением нот, которые в данном устройстве располагаются через музыкальный интервал квинту в направлении против часовой стрелки, тогда как в традиционных теноровых стилпэнах, а также в устройстве, предлагаемом настоящим изобретением, ноты располагаются через музыкальный интервал квинту против часовой стрелки. Предлагаемое упомянутым изобретением устройство не покрывает весь музыкальный диапазон, не превышает диапазон, охватываемый традиционными стилпэнами, не предлагает оптимального дизайна ударной поверхности, обода и юбки используемых барабанов-стилпэнов, а также не предлагает дизайна юбки, влияющего на распространение звука.
Патент US 6212772 Витмайра и Прайса «Изготовление Карибского стилпэна» описывает процесс изготовления, облегчающий массовое производство музыкального инструмента стилпэн, согласно которому ударная поверхность подвергается гидравлической штамповке. Процесс также позволяет обеспечить возможность легко снимать юбку с инструмента, что облегчает обслуживание инструмента и его транспортировку, а также изменение тональных характеристик инструмента. Однако устройство, описанное в упомянутом патенте, не превышает диапазон, покрываемый традиционными стилпэнами, не уменьшает количество стилпэнов, необходимых для оркестра, не предлагает оптимального дизайна ударной поверхности, обода и юбки используемых барабанов-стилпэнов, позволяющего уменьшить немузыкальные резонансы, не предлагает дизайна юбки, влияющего на распространение звука, а также не описывает то, как стилпэны будут подвешиваться.
В частности, в отличие от традиционных стилпэнов, качество которых зависело от изменчивых свойств барабанов и бочек, доступных настройщикам, которые изготавливались исключительно для упаковочных целей, комплекс настоящего изобретения предлагает ударную поверхность, качество которой значительно улучшено благодаря использованию сертифицированной высококачественной стали, специально отобранной для такого применения.
Кроме того, ударная поверхность имеет составную конструкцию, которая способствует созданию нот верхних музыкальных регистров. Настоящее изобретение значительно отходит от традиционного рассмотрения барабана как цельного объекта и рассматривает барабан как объект, собираемый из трех отдельных компонентов инструмента, конструкция которых тщательно продумана для оптимизации функционирования инструмента, в результате чего устраняются вышеперечисленные недостатки традиционных стилпэнов.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение улучшает традиционный акустический инструмент - стилпэн, в основном, за счет продуманного применения подходящих музыкальных, металлургических и акустических технологий, а также продуманной конструкции.
Принцип построения стилпэнов по настоящему изобретению отличается от существующих аналогов, для изготовления которых используются готовые бочки, обычно предназначаемые исключительно для упаковочных целей, что отражается при выборе материалов и построении таких бочек. Поэтому используемые материалы часто не слишком подходят для стилпэнов, а их качество и металлургический состав, как правило, не строго определены, и меняются от бочки к бочке.
Комплекс барабанов акустического стилпэна настоящего изобретения, напротив, имеет составную конструкцию и изготавливается из компонентов, в том числе, ударной поверхности, скрепленной жестким утором, который крепится к задней приставке. Ударная поверхность также имеет составную конструкцию, позволяющую более эффективно размещать широкий диапазон нот на каждом барабане стилпэна. В частности, ударная поверхность содержит вставку, которой машинной обработкой придается специальная форма, позволяющая ей содержать ноты самых высоких регистров любого инструмента из комплекса настоящего изобретения. Настоящее изобретение предлагает три типа задних приставок и применяет научные принципы для получения резонаторов и акустических излучателей, позволяющих улучшить качество музыкальной игры благодаря увеличению уровней акустического излучения каждого инструмента. В конструкции изобретения, в частности для ударной поверхности, используются специально отобранные оптимальные материалы.
Кроме того, в задних приставках настоящего изобретения применяются известные специалистам заглушающие методики, позволяющие снизить или минимизировать нежелательные резонансы задней приставки, значительно снизив уровень немузыкальных резонансов, характерных для существующих инструментов. Упомянутые резонансы часто возникают из-за юбки традиционных инструментов, которая в существующих инструментах никак не обрабатывается и не модифицируется для подавления таких резонансов. Таким образом, можно утверждать, что дизайн задней приставки настоящего изобретения значительно улучшает инструмент по сравнению с существующими аналогами, в которых исполнителям в качестве задней приставки предлагается только бочка или труба.
В настоящем изобретении ударная поверхность поддерживается жестким утором, уменьшающим передачу энергии по ударной поверхности, а также между ударной поверхностью и юбкой, которая приводит к вибрациям, часто ухудшающим качество музыкального звучания традиционных инструментов. Жесткий утор также снижает необходимость в перенастройке, которая требовалась в традиционных инструментах из-за температурных колебаний, которые часто портили механическую гофрированную конструкцию утора.
Полезность изобретения дополнительно увеличивается, так как оно уделяет внимание вопросам переноски и сборки инструмента. В частности, в отличие от традиционных стилпэнов, которые подвешиваются к опорной стойке с помощью веревки, шнура, бечевки или иного приспособления, настоящее изобретение предлагает встроенный подвесной механизм в виде колеса, которое вставляется в гнездо, установленное на подпорках опорной стойки, в результате чего обеспечивается простая и быстрая одношаговая сборка настоящего изобретения, подготавливающая инструмент для концерта. Чтобы подготовить настоящее изобретение к концерту, нужно всего лишь вставить колеса в гнездо. Описанная конструкция колесо-гнездо является уникальной среди всех инструментов и обеспечивает свободное маятниковое движение, традиционно используемое исполнителями.
Настоящее изобретение использует новую методику конструирования на базе нескольких уравнений, которые позволяют определить размер барабана, измеряемый по радиусу ударной поверхности, который требуется для размещения хроматической последовательности нот заданного диапазона. Кроме того, упомянутые уравнения, называемые уравнениями конструкции стилпэна, могут использоваться для того, чтобы заранее определить количество барабанов заданного размера, необходимое для размещения хроматической последовательности нот конкретного диапазона.
В настоящем изобретении новые технологии конструирования с помощью генерирующих уравнений применяются для получения совокупности стилпэнов, нужным образом расширяющих верхний и нижний диапазоны комплекса стилпэнов. Кроме того, диапазон каждого инструмента из совокупности настоящего изобретения эффективно охватывает большое количество нот, как правило, 3 октавы или 36 нот. В результате теперь для покрытия музыкального диапазона требуется всего четыре инструмента, тогда как в случае традиционных акустических стилпэнов требовалось целых одиннадцать инструментов или даже больше.
Кроме того, из этого следует, что музыкальный диапазон, охватываемый всем комплексом инструментов настоящего изобретения, расширяет верхний и нижний диапазоны, охватываемые существующими комплексами стилпэнов. В соответствии с результатами применения генерирующих уравнений для размещения широкого диапазона нот настоящего изобретения используются барабаны диаметром в 67,31 см/26,50 дюймов, причем приблизительный максимальный размер одного барабана выбирается из соображений эргономики и практичности при игре на инструменте.
Предпочтительный вариант осуществления оркестра, который строго соответствует настоящему изобретению, использует инструменты, в которых используются два взаимодополняющих принципа физического расположения нот. В результате уменьшается количество разных типов расположения нот, с которыми должен ознакомиться исполнитель, чтобы использовать различные инструменты упомянутого оркестра, что решает проблему, часто возникающую в традиционных оркестрах стилпэнов. Основной принцип расположения нот использует музыкальный квартово-квинтовый цикл для одного барабана, аналогично традиционному теноровому стилпэну, либо два целотоновых нотных ряда, аналогично традиционному двойному альтовому стилпэну, использующему два барабана. Упомянутые принципы расположения дополняют друг друга, так как принцип кварт и квинт обеспечивает минимум диссонансной передачи энергии между соседними нотами, если его одинаковым образом применить к стилпэнам с одним, тремя или шестью барабанами, тогда как принцип расположения на базе целотонового ряда обеспечивает минимум диссонансной передачи энергии между соседними нотами, если его одинаковым образом применить к комплексу стилпэнов с двумя или четырьмя барабанами.
Упомянутые принципы расположения нот дублируются и продолжаются для стилпэнов с большим числом барабанов так, чтобы максимально сохранить относительное положение нот. В обоих принципах расположения ноты располагаются по кругам, которые повторяются, образуя эффект «паутины», в силу чего нотные циклы располагаются по концентрическим кругам, в которых высота нот увеличивается на октаву с каждым кольцом при движении к центру ударной поверхности.
Краткое описание чертежей
На представленных чертежах изображено:
На ФИГ.1 - вид в разобранном виде предпочтительного варианта осуществления одиночного акустического барабана - стилпэна из комплекта настоящего изобретения, который также показывает, как упомянутый барабан подвешивается с помощью колеса и гнезда.
На ФИГ.1a - вид в разобранном виде типичного барабана из семейства G-пэнов, на котором показаны компоненты барабана.
На ФИГ.1б - иллюстрация того, как можно подвешивать типичный барабан из семейства G-пэнов на примере инструментов G-сопрано, G-альт и G-3мид.
На ФИГ.1в - вид спереди в разобранном виде системы, которая используется для подвешивания G-пэнов.
На ФИГ.1г - вид сбоку в разобранном виде системы, которая используется для подвешивания G-пэнов.
На ФИГ.1д - вид сверху системы, которая используется для подвешивания G-пэнов.
На ФИГ.2 - вид в разобранном виде детальной конструкции предпочтительного варианта осуществления ударной поверхности одного барабана из комплекса настоящего изобретения.
На ФИГ.3 - изображение предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения, в котором используется задняя приставка первого типа.
На ФИГ.4 - изображение предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения, в котором используется задняя приставка, выполненная из набора труб.
На ФИГ.4а - вид сбоку предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения, в котором используется задняя приставка, выполненная из набора труб, причем внешняя оболочка задней приставки удалена, чтобы показать набор труб внутри приставки.
На ФИГ.4б - вид сзади предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения, в котором используется задняя приставка, выполненная из набора труб.
На ФИГ.4в - изображение рамы и набора труб, образующих заднюю приставку типа 2а.
На ФИГ.5 - изображение предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения, в котором используется задняя приставка с настраиваемыми компонентами или секциями.
На ФИГ.6 - изображение предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения, в котором используется задняя приставка с канальной конструкцией.
На ФИГ.6а - вид сверху предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения, в котором используется задняя приставка с канальной конструкцией, по линии разреза 1-1.
На ФИГ.6б - вид с местным разрезом боковой перспективы предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения, в котором используется задняя приставка с канальной конструкцией.
На ФИГ.6в - вид снизу предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения, в котором используется задняя приставка с канальной конструкцией.
На ФИГ. 7 - вид сбоку предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения с канальной задней приставкой, на котором показаны различные обозначения, используемые в необходимых расчетах.
На ФИГ.8 - изображение схемы расположения нот предпочтительного варианта осуществления G-сопрано стилпэна из комплекса инструментов настоящего изобретения.
На ФИГ.9 - изображение схемы расположения нот предпочтительного варианта осуществления G-альт стилпэна из комплекса инструментов настоящего изобретения.
На ФИГ.10 - изображение схемы расположения нот предпочтительного варианта осуществления G-3мид стилпэна из комплекса инструментов настоящего изобретения.
На ФИГ.11 - изображение схемы расположения нот предпочтительного варианта осуществления G-6бас стилпэна настоящего изобретения.
Лучший вариант осуществления изобретения
Ниже описан инструмент G-пэн и его предпочтительный вариант осуществления.
Инструмент G-пэн определяется физической структурой и конструкцией барабанов, из которых он состоит. Упомянутые барабаны предоставляют расширенный диапазон нот высокого музыкального качества для каждого инструмента. В частности, каждый инструмент, использующий принципы конструкции G-пэна, охватывает музыкальный диапазон, составляющий не менее три последовательные октавы или 36 нот хроматической последовательности. Кроме того, все ноты каждого инструмента должны иметь высокую музыкальную чистоту. В данном контексте под музыкальной чистотой подразумевается, что в спектральный состав всех нот входит основная музыкальная частота и до двух гармонически связанных обертонов, которые значительно выше немузыкальных резонансов, по сравнению с существующими аналогами.
В отличие от диаметра традиционного барабана - стилпэна, измеренного по вершине чаши, который обычно равен 55,88 см/22 дюймам, диаметр ударной поверхности барабанов, которые используются в предпочтительном варианте осуществления G-пэна, равен приблизительно 67,31 см/26,50 дюймам. Увеличение диаметра позволяет получить чашу большей глубины, в результате чего увеличивается площадь ударной поверхности, что позволяет разместить большее количество нот.
Настройщики традиционного акустического тенорового пэна обычно делали чашу глубиной в 20,32 см/8 дюймов. Предполагая, что чаша имеет сфероидальную форму, и используя формулу:
a
2
2
S=π(r+d)
a
2
2
2
2
где S - площадь поверхности сфероидной чаши, r - радиус вершины чаши, a d - глубина чаши, получаем, что площадь поверхности чаши традиционного тенорового стилпэна до нанесения нот составляет 3749,2 см/581,2 дюймов. В предпочтительном варианте осуществления G-сопрано легко достигается глубина в 25,4 см/10 дюймов, в результате чего площадь поверхности составляет 5585,2 см/865,7 дюймов, то есть достигается увеличение площади поверхности на приблизительно 49%. Это обеспечивает большую гибкость при выборе количества и диапазона нот, чем у традиционных инструментов.
Необходимость распределить ноты по нескольким барабанам в составе конкретного инструмента объясняется законами физики, которые диктуют, что минимальный размер ноты должен быть достаточным, чтобы обеспечивать вибрацию на соответствующей основной частоте, и соответственно размер нот нижнего регистра должен быть больше, чем у нот более высокого регистра. Конструкция барабанов и инструментов G-пэна упрощается, если использовать способ, который определяет габариты ударной поверхности, необходимые для размещения заданного нотного диапазона.
Следующие два уравнения, называемые уравнениями дизайна стилпэна, позволяют оценить радиус и глубину барабанов, требуемых для покрытия заданного музыкального диапазона, а также оценить количество барабанов в составе инструмента, необходимое для покрытия заданного нотного диапазона. Все уравнения основываются на предположении, что, как и в традиционных инструментах, все инструменты оркестра используют барабаны одного и того же размера, совпадающего с размером одиночного барабана, используемого в G-сопрано.
бapaбaнoв
Первое уравнение определяет количество барабанов, требуемое для создания одного инструмента. Количество задается целым числом n, которое удовлетворяет неравенство
барабанов
инструмента
сопрано
n≥S/S
где:
инструмента
S - суммарная площадь поверхности, которая требуется для размещения всех нот, которые должен покрывать данный инструмент, а
сопрано
S - площадь поверхности, которая требуется для размещения всех нот, которые должен покрывать G-сопрано.
Второе уравнение определяет площадь ударной поверхности
инструмента
S, которая требуется для покрытия заданного диапазона музыкальных нот и определяется с помощью общей формулы векторной суммы
Где:
B1
1
2
A - область ноты B, которая согласно Кронману (см. Steelpan Tuning, Kronman U., Musikmuseet, Stockholm, 1991) обычно бывает порядка 1575 см;
1
5
инструмента
α - коэффициент, на который область ноты уменьшается при каждом увеличении высоты звука на один полутон. Согласно измерениям среднего размера нот в диапазоне от B до В, значение α=0,93 точнее, чем α=0,94 (оценка Кронмана). Заметим, что значение Sочень чувствительно к изменениям α;
1
J - полутоновый интервал от B до самой низкой ноты барабана;
инструмента
S - площадь ударной поверхности барабана с радиусом r и глубиной d, которая считается сферическим куполом;
n - количество смежных нот инструмента;
k - коэффициент, учитывающий участки ударной площади между нотами, т.е. поддерживающую сетку. Для всех инструментов, кроме басовых, k=1,1. Для басовых инструментов, например G-6баса, коэффициент k=1,05, так как в этом случае нотные сегменты, как правило, расположены ближе друг к другу.
3
сопрано
инструмента
2
Известно, что для G-сопрано наибольшая приемлемая глубина составляет около 10 дюймов или 25,4 см. Например, для самой низкой ноты (А) требуется J=22, для 3-октавного диапазона S=S составляет не менее 4646,4 см, а требуемый радиус равен
2
2
3
4
6
т.е. 32,7 см/12,9 дюйма. В данном случае в качестве модели ударной поверхности используется сферический купол с радиусом основания r и глубиной d, площадь поверхности которого равна S=π(r+d). Это также подходит для размещения любой схемы расположения нот, в которой самая нижняя нота выше, чем А. В частности, это подходит для диапазона от C до B, который согласно Таблице 1 соответствует предпочтительному варианту осуществления G-сопрано стилпэна.
2
2
5
инструмента
барабанов
b
2
Если следующий инструмент более низкого диапазона в качестве самой низкой ноты будет иметь А, его диапазон будет 3-октавным, от A до A . Общая площадь поверхности должна будет равняться S=11100 см, а требуемое количество барабанов - n=3. Таким образом, получаем G-3мид.
1
1
4
инструмента
барабанов
1
4
инструмента
барабанов
#
2
#
2
Если самая низкая нота следующего инструмента более низкого диапазона будет G, то диапазон инструмента будет 3-октавным, от G до F . Общая площадь поверхности должна будет равняться S=29265,56 см, а требуемое количество барабанов - n=7. Хотя и такой вариант осуществим, для облегчения переноски инструмента, с учетом сложности работы исполнителя при игре на инструменте с большим количеством барабанов можно сократить музыкальный диапазон так, чтобы уменьшить число барабанов до 6. Если сократить диапазон до 2,5 октав, от G до С , то теперь общая площадь поверхности должна будет равняться S=27535 см, а требуемое число барабанов сокращается до n=6. Таким образом, получаем G-6бас.
T
1
Преобразованием уравнений конструкции стилпэна можно получить уравнение, которое при задании количества барабанов n позволяет определить самую низкую покрываемую ноту. Такая нота будет на J полутонов отстоять от B, где
1
6
T
1
2
Три инструмента - G-сопрано, G-3мид и G-6бас - в совокупности покрывают диапазон от G до B. Однако можно добавить инструмент из двух барабанов, позволяющий увеличить скорость музыкального исполнения поддержкой сопранового диапазона. Подставляя n=2 в вышеупомянутое уравнение, получаем, что самая низкая нота, которую захватывает такой инструмент, будет отстоять от B на J=12 полутонов, т.е. это будет В. Таким образом, получаем G-альт.
В комплексе стилпэнов G-пэна настоящего изобретения каждый инструмент обеспечивает расширенный диапазон нот благодаря использованию барабанов большего размера. Если традиционный инструмент, как правило, имеет диаметр 55,88 см/22 дюйма (при измерении через вершину чаши), то диаметр ударной поверхности предпочтительного варианта осуществления барабанов, используемых в G-пэне, составляет 67,31 см/26,5 дюйма, что несколько больше, чем ранее посчитанный диаметр 65,4 см/25,8 дюйма. Увеличенный диаметр доказал свою эффективность, улучшая качество выполнения крайних нот и предоставляя большее межнотное расстояние для G-сопрано.
Листовая металлическая заготовка, из которой получается чаша, имеет толщину от 1,2 до 1,5 мм и содержание углерода от 0,04 до 0,15%. Толщина листовой металлической заготовки, используемой в каждом конкретном случае, зависит от требуемого тонального диапазона и тембра.
Более тонкие заготовки упрощают создание нот высоких регистров и поэтому предпочтительны для G-сопрано и G-альта. Более толстые заготовки, благодаря большей величине массы на единицу площади, облегчают подавление высокотональных обертонов. Также большая масса минимизирует частотную модуляцию нот, вызываемую структурным изгибом всего барабана. В предпочтительном варианте осуществления комплекса настоящего изобретения G-сопрано и G-альтовый стилпэны изготавливаются из заготовок толщиной 1,2 мм, G-3мид стилпэн - из заготовок толщиной 1,4 мм, a G-6бac - из заготовок толщиной 1,5 мм.
Благодаря габаритам, расположению и настройке нот каждый стилпэн G-пэна настоящего изобретения имеет собственные уникальные гармонические характеристики, в результате чего достигается разнообразие звучания в общих музыкальных диапазонах. Дополнительное разнообразие звучания достигается выбором молоточка или палочки для игры на инструменте, а также более специфическим выбором формы, взаимного расположения, разделения и настройки нот.
Фиг.1 иллюстрирует аспекты конструкции и применения типичного барабана из семейства G-пэнов. На фиг.1а изображен вид в разобранном виде упомянутого типичного барабана, иллюстрирующий его компоненты. На фиг.16 показано закрепление барабана на примере инструментов G-сопрано, G-альт и G-3мид. На фиг.1в, 1г и 1д изображены детальные перспективы опорного колеса и опорного углубления, которые используются в предпочтительном способе крепления стилпэна к опорной стойке.
Обратимся к фиг.1а. Барабан состоит из ударной поверхности 1, на которой располагаются ноты 1а, представляющие собой настроенные сегменты упомянутой ударной поверхности, из утора 13, который выступает в качестве опоры и жесткого ограничителя ударной поверхности, а также из задней приставки 14, которая заменяет юбку традиционных стилпэнов. Задняя приставка 14, показанная на фиг.1a - всего лишь один из возможных вариантов конструкции.
Упомянутые ноты ударной поверхности 1 производят музыкальный звук при ударе подходящим приспособлением, например, специально изготовленной палочкой или молоточком. Ударная поверхность изготавливается из листового металла, которому придается форма чаши, изображенная на фиг.1. В предпочтительном варианте осуществления изобретения используется листовая сталь с содержанием углерода от 0,04 до 0,15%.
Область ударной поверхности 1, располагающаяся между нотами и потому не настраиваемая, в данном документе называется поддерживающей сеткой 16. Поддерживающая сетка 16 при ударе не производит музыкального звука определенной высоты, однако она служит в качестве физического разделителя и опоры нот 1а ударной поверхности 1, а также соединяет всю структуру с утором 13.
Процесс опускания, с помощью которого придается форма ударной поверхности 1, должен в результате обеспечить такой профиль толщины, при котором самое тонкое поперечное сечение окажется в центре ударной поверхности 1, так как именно там располагаются самые высокие ноты.
Чашевидная форма ударной поверхности 1 упрощает создание жесткой оболочки, на которой располагается ударная поверхность 1; жесткость оболочки дополнительно усиливается благодаря естественному отвердению, которое происходит, когда листовому металлу придается нужная форма.
Чашевидная форма ударной поверхности 1 также обеспечивает эргономичность упомянутой ударной поверхности 1, которая позволяет среднестатистическому пэннисту, с зоной досягаемости для рук около 76,2 см/30 дюймов, дотянуться до всех нот ударной поверхности с помощью рук и запястий.
Процесс формирования ударной поверхности 1 не должен допускать максимального напряжения, межзернового разделения и чрезмерного упрочнения материала. В зависимости от глубины и толщины итоговой формы, в процессе формирования может потребоваться промежуточная термическая обработка материала для снятия напряжений.
Для получения требуемой формы и толщины используется измельчение или шлифовка, в особенности во внутренней области ударной поверхности 1, где будут располагаться ноты высокого регистра. Это особенно важно для нот шестой октавы G-сопрано пэна, так как в результате применения традиционных процессов опускания толщина в центре чаши обычно равна половине толщины исходной листовой металлической заготовки, а именно 0,60 мм/0,024 дюйма, тогда как было доказано, что для G-сопрано требуется равномерная толщина в диапазоне от 0,30 мм до 0,45 мм, чтобы получить ноты высокой чистоты с ограниченной модуляцией тона и с хорошим качеством музыки.
Измельчение и шлифовка производятся только на нотных сегментах, чтобы минимизировать передачу энергии и снижение натяжения, возникающего благодаря материалу, связывающему ноты друг с другом. Кроме того, жесткость утонченных сегментов увеличивается за счет химической или тепловой обработки, что позволяет усилить прочность сегментов, а также увеличить модальные частоты, которые можно получить с помощью традиционной настройки.
Снова обратимся к фиг.1а: утор 13 предназначен для:
(а) минимизации статических искажений формы из-за внешних воздействий и температурных колебаний и, что особенно важно, минимизации переходных искажений формы из-за крутильных колебаний, которые возникают при ударе палочкой во время выступления и вносят заметный вклад в нотную модуляцию; а также
(б) служит в качестве вспомогательной конструкции для подсоединения задней приставки 14.
Упомянутый утор 13 состоит из опорного кольца 13а, сплошного или полого, с круглым, квадратным, прямоугольным или эллипсоидным поперечным сечением, и двумя выступами 136, которые служат в качестве структурного продолжения опорного кольца 13а и облегчают прикрепление подвесных колес 13в. Утор должен изготавливаться из такой же стали, что и ударная поверхность, чтобы предотвратить коррозию, которая может возникнуть из-за гальванической реакции. Однако можно использовать и другие материалы, например, алюминий, если такой утор будет являться жестким каркасом, в значительно мере снижающим уровень изгибных колебаний, которые возникают при игре на традиционном инструменте, а также если будут приняты адекватные меры для предотвращения коррозии, известные специалистам.
Крепление утора 13 к ударной поверхности может осуществляться приваркой, гофрированием, фальцеванием, приклеиванием, с помощью механических креплений или любой комбинацией вышеперечисленных способов либо с помощью любого другого способа, предотвращающего относительное смещение и вибрацию кольца и ударной поверхности.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения утор 13 изготавливается из мягкой стали шириной 2,54 см/1,00 дюйм и толщиной 0,64 см/0,25 дюйма, из которой образуется круг с внутренним диаметром 67,31 см/26,5 дюйма. Выступы 136 затем добавляются на пересечении периметра опорного кольца 13а и линии диаметра опорного кольца 13а, то есть в точках подвешивания барабана. Подвесные колеса 13в крепятся к выступам на осях 13г, которые обеспечивают свободное вращение упомянутых подвесных колес 13в.
Диаметр подвесного колеса 13в лежит в диапазоне от 5,04 см/2,00 дюймов до 7,62 см/3 дюймов.
Выступ 13б и подвесное колесо 13в располагаются таким образом, чтобы вершина подвесного колеса 13в была на уровне вершины утора 13, либо ниже нее. Выполнение такого требования исключает возможность помех со стороны опорной стойки 15, на которой располагается барабан стилпэна, при использовании нот вблизи выступа, что является улучшением по сравнению с традиционными стилпэнами, в которых подпорка 15а стойки выступает над вершиной утора 13.
Утор 13 специально спроектирован и приспособлен для прикрепления к задней приставке 14 таким образом, чтобы решить сразу две задачи: (а) защитить чашу пэна от механических ударов и (б) предоставить возможность для усиления акустического излучения звука, исходящего от ударной поверхности 1, либо непосредственно с помощью вибрации самой задней приставки 14, либо благодаря акустическому дизайну.
Задняя приставка 14 должна быть достаточно жесткой, чтобы снизить или исключить все ответные вибрации, которые негативно влияют на звук, производимый инструментом. Такие вибрации обычно происходят на немузыкальных частотах, которые соответствуют резонансным модам задней приставки 14. Эта проблема является серьезным недостатком традиционных акустических стилпэнов, в которых энергия от удара исполнителя возбуждает немузыкальные моды колебаний юбки инструмента.
Практически любая жесткая задняя приставка 14, должным образом покрывающая значительную часть ударной поверхности 1, защитит упомянутую поверхность 1 пэна от механических ударов. В частности, традиционная конструкция в виде цилиндрической трубы обеспечивает достаточную защиту ударной поверхности 1. Однако предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения содержит заднюю приставку 14, изображенную на фиг.1а, которая имеет форму чаши, с отверстием или каналом 14б в днище чаши, и образует таким образом канальный акустический кожух, который далее будет подробно описан в данном документе.
Изогнутая поверхность задней приставки 14 предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения предлагает улучшение свойств по сравнению с юбкой существующих инструментов, так как она по своей природе прочнее, чем цилиндрическая трубная конструкция традиционных стилпэнов. Превосходство по прочности конструкций в форме купола или чаши над цилиндрическими или трубными конструкциями хорошо известно специалистам в области регулирования структурных вибраций. Следовательно, увеличение прочности задней приставки, используемой в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, улучшает сопротивляемость деформированию внешними воздействиями и снижает интенсивность вибрации резонансов, возникающих при ударе.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения сопротивление задней приставки вибрациям дополнительно усиливается благодаря различным физическим методам, известным специалистам в области регулирования вибраций. В частности, сюда входит изготовление приставки из виброустойчивых материалов, например, дерева, стекловолокна, композитных или синтетических материалов, из металлов нужной толщины либо из иного материала, должным образом усиленного для снижения или предотвращения естественных вибрационных мод, возникающих в подобной конструкции. Дополнительно задняя приставка 14 может покрываться вибропоглощающими панелями, листами или составами, например, производства компании Dynamat.
Крепление задней приставки 14 к утору 13 может осуществляться приваркой, гофрированием, фальцеванием, приклеиванием, с помощью механических креплений или любой комбинацией вышеперечисленных способов, либо с помощью любого другого способа, предотвращающего относительное смещение и вибрацию кольца и ударной поверхности. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения используются механические крепления, встроенные в твердый утор 13, которые предоставляют возможность снимать и заменять задние приставки 14 G-пэнов.
Теперь обратимся к фиг.1б, 1в, 1г и 1д, которые иллюстрируют предпочтительный способ подвешивания G-пэнов, облегчающий свободное маятниковое движение, традиционно используемое исполнителями. G-пэны обладают такой возможностью благодаря использованию описанных ранее подвесных колес 13в, а также опорных углублений 16, которые устанавливаются на вершине подпорок 15а опорной стойки 15. На фиг.1в показан вид спереди в разобранном виде подвесного колеса 13в и опорного углубления 16, глядя с позиции, изображенной на фиг.1б. На фиг.1г показан вид комплекса сбоку в разобранном виде, глядя с позиции, ближайшей к стилпэну, с разрезом подвесного колеса 13в по оси 13г. На фиг.1д изображен вид комплекса сверху.
Опорные углубления 16 имеют простую полукруглую форму, которая обеспечивает точное совпадение с формой подвесного колеса 13в. Полезность такой конструкции можно дополнительно увеличить, используя вибропоглощающий материал, например, пеноматериал, для обивки опорного углубления 16 и подвесных колес 13в. Это ослабит вибрационную энергию, которая передается между стилпэном и опорной стойкой 15, и в результате снизит ответную вибрацию стойки, которая является потенциальным источником шумов в традиционных стилпэнах.
При использовании инструмента опорные углубления 16 удерживают подвесные колеса 13в на месте, что позволяет вращать барабан G-пэна на 360 градусов вокруг оси, совпадающей с линией, которая соединяет оси 13г подвесных колес 13в. Такая конструкция также превращает сборку G-пэнов в быструю одношаговую процедуру, в которой нужно всего лишь поместить подвесные колеса 13в в опорные углубления 16, после чего G-пэн будет готов к концерту. Заявителем не обнаружено каких-либо других инструментов, использующих описанную конструкцию с колесами и углублениями.
Теоретически, благодаря симметричному расположению выступов 13б и подвесных колес 13в G-пэн в подвешенном состоянии будет в среднем находиться под углом в 0°. На практике, всегда будет иметься некоторый дисбаланс из-за неравномерного распределения массы ударной поверхности 1 и утора 13 между двумя участками барабана G-пэна, разделенными осью вращения, которое вызвано асимметричной формой ударной поверхности 1, предназначенной для нанесения нотных сегментов 1а, а также естественной вариацией свойств различных материалов, используемых при изготовлении инструмента.
Упомянутое неравномерное распределение массы позволяет применять дополнительные грузы для изменения угла, при котором инструмент будет находиться в равновесии, чтобы корректировать положение G-пэна. Таким образом, предпочтительный вариант осуществления задней приставки 14 настоящего изобретения обеспечивает простое средство корректировки положения инструмента во время концерта с помощью корректирующих грузов 14а, которые крепятся к задней приставке 14 с помощью магнитных полосок или двустороннего скотча. Таким образом, достигается улучшение свойств инструмента по сравнению с традиционными стилпэнами, в которых положение пэна неизменно и фиксируется в момент изготовления.
Магнитные полоски позволяют быстро и легко корректировать положение грузов, однако могут использоваться лишь с задними приставками 14 из магнитных материалов. Двусторонний скотч, с другой стороны, после закрепления не позволяет так же легко изменять положение грузов, однако его можно использовать с задними приставками 14 из немагнитных материалов.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения для самого маленького инструмента - G-сопрано - используются корректирующие грузы 14а весом не более 0,11 кг/0,25 фунта, которые крепятся к задней приставке 14 непосредственно под утором 13. Расположение корректирующих грузов 14а сразу под утором 13 позволяет сделать их менее заметными. Наибольший угол отклонения получается, если расположить все корректирующие грузы 14а посередине между подвесными колесами 13в. Выбор весовых значений корректирующих грузов 14а зависит от текущего распределения веса данного G-пэна и от размера требуемого смещения.
Традиционный инструмент подвешивается к опорной стойке с помощью веревки, шнура, бечевки и т.д. и свободно раскачивается при ударении по нотам ударной поверхности. Такое свободное маятниковое движение стилпэна стало нормой на концертах, так как оно предоставляет исполнителю значительную свободу самовыражения. Насколько известно заявителю, использование подвесного колеса 13в для поддержки G-пэна и обеспечения его свободного маятникового движения во время выступления является отличительным признаком настоящего изобретения и, соответственно, вносит значительное улучшение в существующие стилпэны.
Обратимся к фиг.2, на которой изображен вид сбоку с местным разрезом предпочтительного варианта осуществления ударной поверхности 1 G-пэна. В отличие от существующих инструментов, предпочтительный вариант осуществления ударной поверхности 1 имеет составную конструкцию и состоит из четырех отдельных частей: главной чаши 1г, изолирующей прокладки 1е, вспомогательной чаши 1ж и нотных накладок 1в.
Вспомогательная чаша 1ж крепится к главной чаше 1г с помощью изолирующей прокладки 1е, которая изготавливается из двустороннего скотча промышленной категории, например, марки 3М VHB. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения вспомогательная чаша 1ж надевается на утопленное кольцо соответствующего размера, расположенное на внутренней стороне чаши, образующей ударную поверхность 1 так, чтобы не нарушить непрерывность ударной поверхности 1.
3
5
2
2
Ниже описано применение концепции вспомогательной чаши к G-сопрано, желательный диапазон которого равен 3 октавам, начиная от А. В таком случае вспомогательная чаша упомянутого G-сопрано должна вмещать 12 нот, начиная от А, которые соответствуют третей октаве. Уже было показано, что минимальная площадь ударной поверхности для такого G-сопрано составляет 4646,4 см, радиус равен 32,7 см/12,9 дюймам, а глубина составляет 25,4 см/10 дюймов. Уравнения конструкции стилпэна показывают, что минимальная требуемая площадь внутренней чаши равна 510,8 см, для чего требуется поверхность диаметром 20,00 см/8,00 дюймов и глубиной 8 см/3,1 дюйма.
При создании главной чаши 1г сначала формируется ударная поверхность барабана, которая вмещает все ноты в заданном диапазоне. В предпочтительном варианте осуществления G-пэна для этого выполняется опускание металлического листа округлой формы диаметром 67,31 см/26,5 дюйма до нужной глубины, которая определяется по уравнениям конструкции стилпэна. После процесса опускания в середине ударной поверхности 1 вырезается отверстие диаметром 20,00 см/8,00 дюймов. Его периметр равен 6 дюймам. Затем к опущенному периметру отверстия приваривается круглый фланец 1д толщиной 0,32 см/0,125 дюйма с внутренним диаметром 20,00 см/8,00 дюймов и шириной 0,64 см/0,25 дюйма.
Вспомогательная чаша 1ж получается с помощью аналогичного фланца 1з. В зависимости от музыкального диапазона барабана толщина вспомогательной чаши 1ж варьируется от 0,35 мм/0,13 дюйма у G-сопрано до 0,7 мм/0,26 дюйма у G-6баса. Для получения вспомогательной чаши 1ж сначала к круглой металлической листовой заготовке толщиной 1,00 мм/0,04 дюйма и диаметром 21,59 см/8,5 дюйма прецизионно приваривают круглый фланец 1з толщиной 0,64 см/0,25 дюйма с внутренним диаметром 20,00 см/8,00 дюймов и шириной 0,64 см/0,25 дюйма. Участок металлической листовой заготовки, который не связан с фланцем 1з, опускается, чтобы образовать нужный профиль формы вспомогательной чаши 1ж. Затем производится прецизионное измельчение или шлифование вспомогательной чаши 1ж для достижения нужного профиля толщины.
Вспомогательную чашу 1ж можно рассматривать как миниатюрный барабан, настроенный на высоту звуков самых высоких нот, которые в исходном составном барабане обычно располагаются в наиболее близком к центру концентрическом кольце. Например, в предпочтительном варианте осуществления G-сопрано пэна эти ноты соответствуют шестой октаве. Используемый материал, который тоньше материала главной чаши 1г и упрочняется термической и химической обработкой, обеспечивает улучшенную среду для нанесения нот высших регистров для всех барабанов. Для термической и химической обработки используются известные специалистам в области металлургии процессы. При упрочнении материала увеличивается остаточное напряжение стали, обеспечивая более высокие частоты вибрации, аналогично натяжению гитарной струны, в результате которого повышается высота производимых звуков.
Фланцы 1д и 1з служат ребрами жесткости для главной чаши 1г и вспомогательной чаши 1ж.
Изолирующая прокладка 1е выполняет очень важную функцию - она отделяет вибрации главной чаши 1г от вспомогательной чаши 1ж, а также обеспечивает эффективное механическое крепление. Функция разделения вибраций крайне важна, так как опыт показывает, что в традиционном стилпэне сложно изготовить самые центральные ноты с высокой степенью музыкальной чистоты из-за интенсивной передачи энергии между эти нотами и всей конструкцией. Интенсивная передача энергии объясняется тем, что такие ноты обычно довольно жесткие из-за остаточных напряжений, необходимых для создания высокотональных звуков.
0
1
Затухание вибрации, передаваемой между вспомогательной и главной поверхностями, возникающее благодаря изолирующей прокладке, можно смоделировать на примере некой нагрузки, прикрепленной к пружине с параллельно присоединенным амортизатором. Большая часть массы нагрузки m - это масса вспомогательной чаши, а изолирующая прокладка вносит константу пружины k и коэффициент трения амортизатора b. Затухание приложенной скорости V на главной чаше до конечной скорости V, при некой заданной синусоидальной частоте ω (рад/сек) будет равно
0
0
0
0
2
При ω=0 величина затухания равна единице, а при стремлении ω к ∞ величина затухания стремится к нулю. Если самая низкая из интересующих нас частот вспомогательной поверхности равна ω и соответствует самой низкой ноте на главной поверхности или самой низкой частоте структурного резонанса главной поверхности, то при b=mω и k=mω /4 получаем величину затухания 0,47 или 6,5 дБ или еще более благоприятную, если главная поверхность будет вибрировать на частоте не менее ω рад/сек.
Вместо изолирующей прокладки можно использовать привинчиваемые антивибрационные установки, например, производства компании Vibrostop.
Самые высокие ноты, расположенные ближе всего к центру, обычно имеют малый размер, от среднего диаметра 5,08 см/2,00 дюйма до маленького диаметра 3,81 см/1,50 дюйма, используемого в традиционном теноровом стилпэне, что затрудняет работу как настройщиков, от которых требуется особое мастерство, чтобы придать таким маленьким нотам нужную форму с тем же качеством, что и для нот большего размера, так и исполнителей, которым сложнее попасть в маленькие ноты при исполнении быстрых музыкальных пассажей. Кроме того, отражения акустических волн на ударной поверхности не только приводят в действие другие резонаторы на ударной поверхности 1, но и могут вызвать заметное эхо, в силу размера ударной поверхности и, соответственно, немалого расстояния, которое упомянутые акустические волны должны пройти до столкновения с жесткой границей в виде утора 13. В самом деле, измерения уровней вибрации, проводимые с помощью лазерной интерферометрии, часто выявляют другие участки ударной поверхности 1, которые вибрируют с модальными частотами некоторых нот, расположенных в самом центре, причем иногда уровень их вибрации выше, чем у самих центральных нот.
Использование вспомогательной чаши 1ж помогает решить эту проблему, так как создает поверхность, геометрические свойства которой можно тщательнее контролировать. Поверхность вспомогательной чаши 1ж также смягчает эффект акустических отражений внутри материала вспомогательной чаши 1ж, так как расстояние, которое проходят акустические волны до периметра вспомогательной чаши, намного меньше, чем в традиционных инструментах.
Использование более тонкого материала для изготовления вспомогательной чаши 1ж обеспечивает небольшое увеличение размеров нот, так как масса, соответствовавшая ноте в традиционном инструменте, теперь может быть распределена по большей площади поверхности. В соответствии с принципом сохранения массы снижение толщины в k раз потребует увеличения площади сегмента вспомогательной чаши 1ж в то же количество раз k и, соответственно, увеличения какого-либо габарита ноты в  раз.
Зная, что толщина центральной части традиционного тенорового стилпэна обычно составляет 0,6 мм/0,024 дюйма, и предполагая, что толщина нот на вспомогательной чаше приблизительно равна 0,35 мм/0,015 дюйма, получаем, что соответствующее увеличение габарита ноты будет порядка 30%.
Из вышеперечисленного видно, что составная конструкция ударной поверхности позволяет с помощью G-сопрано покрыть полную октаву нот, расширяя верхний музыкальный диапазон традиционных инструментов. Кроме того, благодаря увеличению размера нот на целых 30% по сравнению с традиционным теноровым стилпэном улучшается качество музыкального исполнения, так как попадать по нотам становится проще, а производимый такими увеличенными нотами звук становится громче.
На фиг.2 изображена вспомогательная чаша, которая ориентирована так, что имеет вогнутую форму, аналогичную форме главной чаши. Однако вспомогательную чашу также можно перевернуть выпуклой стороной вверх для прикрепления к главной чаше. Такая выпуклая ориентация дает двойное преимущество. Во-первых, так ноты вспомогательной чаши будут ближе к пэннисту, чем в вогнутом варианте, изображенном на фиг.2. Во-вторых, необязательно проделывать отверстие в главной ударной поверхности для размещения вспомогательной чаши, хотя все же рекомендуется это сделать, чтобы ограничить передачу акустической энергии через центр ударной поверхности (см. описание ниже). Упомянутую вспомогательную чашу можно просто прикрепить к главной чаше, предварительно подготовив центральную часть главной чаши для прикрепления вспомогательной чаши, фланца и изолирующей прокладки.
В G-мид и G-сопрано пэнах группы нот, расположенные радиально напротив друг друга, могут создавать диссонанс из-за передачи энергии между ними. Поэтому нужно использовать механизмы, позволяющие акустически разделить ноты и таким образом уменьшить передачу энергии через центр упомянутых инструментов.
Хотя передача акустической энергии и так значительно сокращается благодаря фланцу, который подогнан к вспомогательной чаше, можно еще больше сократить ее за счет выборочного увеличения массы поддерживающей сетки ударной поверхности или размещением на ударной поверхности объектов, препятствующих передаче акустической энергии.
В последнем варианте, аналогично традиционным инструментам, можно разделять ноты жесткими ненастроенными областями, желобками, отверстиями, щелями, выборочной локальной тепловой обработкой областей вокруг нот, а также с помощью жестких приспособлений, располагаемых на областях поддерживающей сетки 1б около нот.
Согласно первому закону движения Ньютона,
F=ma
где F - сила, приложенная к телу, m - масса тела, а - результирующее ускорение тела. Следовательно, если масса тела увеличится в заданное число раз x, то ускорение тела уменьшится в такое же x раз при неизменной силе. В результате уменьшится вибрация; оценку можно получить по коэффициенту увеличения массы в конкретном участке вспомогательной сетки 1б.
Для пружины с жесткостью k и тела заданной массы m известно, что частота резонанса движения тела, подвешенного к пружине, равна
Поэтому увеличение массы также снижает резонансные частоты, соответствующие немузыкальным модам.
Следовательно, настоящее изобретение усиливает межнотную изоляцию и разделение благодаря выборочному добавлению масс, которое известно специалистам в области регулирования вибраций как «корректировка масс», и служит средством для поглощения вибрации на поддерживающей сетке 1б ударной поверхности 1. Используемые для этого грузы могут располагаться в определенных точках поддерживающей сетки 1б либо распределяться по упомянутой поддерживающей сетке 1б. Такая методика также подавляет нежелательные высокотональные немузыкальные резонансы, часто возникающие в традиционных инструментах.
Использование промышленных вибропоглощающих приспособлений, например, марки Dynamat или Dynamat Xtreme, дополнительно увеличивает вибропоглощающие свойства увеличенной массы благодаря использованию материалов, которые за счет трения переводят вибрационную энергию в тепловую. Без преобразования энергии в тепловую она бы перешла в звуковую энергию.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения ноты на главной чаше 1г и вспомогательной чаше 1ж разделяются традиционным способом - поддерживающей сеткой 1б. Для этого упомянутая поддерживающая сетка 1б улучшается с помощью локальной тепловой или химической обработки, которая увеличивает жесткость структуры и хорошо известна специалистам в области металлургии. Кроме того, к вспомогательной сетке 1б также применяются средства поглощения вибрации. Объем требуемой массовой корректировки и применения вибропоглощающих средств определяется в зависимости от интенсивности передачи энергии, измеренной с помощью лазерной интерферометрии или иных технологий, известных специалистам в области измерения вибрации.
Для изготовления ударной поверхности 1 можно использовать разнообразные материалы. Материалы должны отвечать следующим требованиям: (а) высокая усталостная характеристика, (б) приемлемое резонансное плато, (в) линейная зависимость между амплитудой напряжений и заданной энергией затухания, (г) возможность термической обработки, которая позволяет изменить металлургические свойства материала так, чтобы уменьшить внутреннее звукопоглощение (рассеяние энергии на единицу объема за цикл), (д) изотропные материалы с однородными звукопоглощающими свойствами.
Можно использовать цветные металлы, например, (а) алюминий и его сплавы: холоднокатаный алюминий с содержанием магния в пределах 2%, (б) медь и ее сплавы: 99,95% меди, 70% меди 30% цинка, 65% меди 35% цинка, (в) сплавы марганца: 88% магния, 10% алюминия, не менее 2% марганца, циркония, цинка, (г) никель, титан.
Можно также использовать черные металлы, например, углеродистую сталь с содержанием углерода от 0,04 до 0,15%, с низким содержанием серы (0,001%), со способностью к вытяжке, науглероженную сталь с содержанием углерода в пределах 0,3%, нержавеющую сталь, представляющую собой неупрочненную аустенитную нержавеющую сталь, стабилизированную ниобием или титаном.
Необязательно изготавливать главную чашу 1г и вспомогательную чашу 1ж из одного и того же материала. Материалы, используемые для каждой из чаш, следует выбирать в зависимости от музыкального диапазона и ценовых предпочтений.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения для изготовления обеих чаш используется углеродистая сталь с содержанием углерода от 0,04 до 0,15%, низким содержанием серы (<0,001%) и со способностью к вытяжке.
В состав настоящего изобретения входят инструменты, которые охватывают более широкий диапазон нот, чем традиционные инструменты, и поэтому возникает логичная проблема выбора конструкции палочки или молоточка для игры на инструментах, которые должны выбираться таким образом, чтобы стимулировать только два-три обертона, традиционно настраиваемых для ноты, и не стимулировать более высокие обертоны, которые, естественно, также будут присутствовать на нотах. Более высокие обертоны обычно немузыкальны и производят металлический звук, что, как правило, нежелательно.
Известно, что ответная реакция ноты на удар зависит от вынуждающей функции, которая представляет собой кривую временной зависимости силы, применяемой к ноте при ударе. Упомянутая вынуждающая функция зависит от того, как исполнитель выполняет удар, а также от выбора палочки. Известно, что определяющие свойства палочки - это ее масса и коэффициент податливости. Эти параметры влияют на время контакта палочки с нотой при ударе, а также на максимальную контактную поверхность при ударе.
Небольшой процент энергии удара передается модальным частотам, периоды которых меньше, чем время контакта. Большая часть энергии передается модальным частотам, периоды которых превышают время контакта.
У G-сопрано, например, основные периоды нот различаются в отношении 8 к 1, и поэтому одной палочкой сложно эффективно стимулировать все ноты пэна. Для центральных (высокотональных) нот требуется палочка с малым временем контакта, т.е. палочка с низкой податливостью, т.н. «жесткая» палочка. Однако для стимуляции внешних нот (с меньшей высотой звука) палочка такой же массы должна будет иметь наконечник с более высокой податливостью (быть более «мягкой»), чтобы обеспечить более длительное время контакта.
В настоящем изобретении описанные требования соблюдаются благодаря (а) использованию палочки, податливость которой подходит для самых высокотональных нот соответствующего барабана, и (б) использованию нотных накладок 1в, материал которых имеет нужную толщину и податливость и которые покрывают ноты с меньшей высотой звука. По сути, такой подход как бы снимает некоторое количество податливого материала с наконечника палочки и помещает его на ноту. Нотные накладки 1в должны быть не слишком тяжелыми, чтобы не повлиять на высоту тона ноты. Также они должны быть достаточно тонкими, чтобы обеспечить нужное время контакта палочки с нотой при ударе. Например, в G-сопрано стилпэне нотные накладки 1в применяются только для нот внешнего (нулевого) кольца 1и и среднего (первого) кольца 1к. Таким образом, достигается хорошее качество стимуляции таких нот палочкой или молоточком, который оптимально приспособлен для игры во внутреннем (втором) кольце 1л. Такой подход можно использовать, даже если конкретный вариант осуществления G-пэна не использует составную конструкцию со вспомогательной чашей 1ж.
Нотные накладки 1в изготавливаются из податливого материала, например, фетра, резины, силикона или другого подобного синтетического материала. Однако эксперименты показали, что нотные накладки 1в наиболее эффективны в том случае, когда их материал по консистенции напоминает фетр, а не резину или другие синтетические материалы, используемые для изготовления большинства палочек. Толщина используемого фетра не должна превышать 1 мм/0,025 дюйма.
Кроме того, нотные накладки 1в не должны крепиться к самой ноте, так как это повлияет на ее изгиб и вибрацию. Вместо этого нотные накладки 1в плотно подгоняются к ноте и удерживаются только теми участками поддерживающей сетки 1б, которые образуют границу ноты. Для достижения наилучших результатов материал следует по форме подогнать к ноте, чтобы избежать образования воздушных прослоек между накладкой и нотой.
В предпочтительном варианте осуществления ударной поверхности 1 используется фетр толщиной от 0,5 мм/0,013 дюйма до 1 мм/0,025 дюйма, прикрепляемый к ударной поверхности по нотным границам с помощью двустороннего скотча.
Снова обратимся к фиг.1. Конструкция юбки традиционных стилпэнов объясняется тем, что традиционные инструменты изготавливались из бочек. Однако предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения улучшает традиционный трубную конструкцию для G-сопрано, G-альт и G-3мид стилпэнов благодаря использованию задней приставки 14, которая частично закрывает заднюю часть ударной поверхности.
Использование для этой цели конструкций в виде купола или чаши обеспечивает нужную прочность и жесткость. Куполообразная приставка может представлять собой сплошную или жесткую ячеистую конструкцию или комбинацию обеих типов структур. Требуется тщательно разработать акустический дизайн приставки, чтобы предотвратить ухудшение музыкальной точности и качества исполнения инструмента из-за привнесенного изменения нагрузочного акустического сопротивления ударной поверхности. Например, размещение тщательно спроектированного отверстия или канала в сплошной задней приставке 14 у G-мид, G-альт и G-сопрано стилпэнов помогает минимизировать нагрузочное акустическое сопротивление, а также усилить распространение звука в заданном направлении.
Конструкция G-пэна настоящего изобретения предусматривает другие варианты дизайна задней приставки 14, которые усиливают распространение акустических волн, создаваемых инструментом. Исследования показали, что схема распространения излучения традиционных стилпэнов не обеспечивает максимальное распространение звука к месту, где обычно располагаются слушатели. В частности, согласно схеме распространения излучения инструментов, охватывающих средний и верхний диапазоны, излучение концентрируется вдоль главной оси барабана, т.е. по направлению к верхней и задней частям ударной поверхности. Это означает, что большая часть звуковой энергии либо направляется к самому музыканту, либо в соответствии с обычным расположением инструмента во время концерта в пол. В последнем случае энергия в зависимости от материала, из которого изготовлен пол, либо отразится, либо поглотится.
Тщательная разработка акустического дизайна задней приставки 14 позволяет значительно улучшить акустическую направленность инструмента. Главное ограничение, которое должно соблюдаться при разработке дизайна - нагрузочное акустическое сопротивление на ударной поверхности 1 не должно сильно отличаться от акустического сопротивления при отсутствии нагрузки ударной поверхности 1. Кроме того, задняя приставка 14 не должна затруднять доступ к ударной поверхности 1, что облегчит перенастройку инструмента. На практике, различие в значениях нагрузочного акустического сопротивления можно в некоторой степени компенсировать при финальной настройке инструмента, когда задняя приставка уже будет установлена.
Принципы дизайна G-пэна предусматривают три типа задних приставок 14.
Приставки первого типа предназначены исключительно для защиты задней части ударной поверхности 1, для чего используется жесткая задняя приставка 14, физическая структура которой обеспечивает максимально возможное заглушение во всем слышимом диапазоне от 20 Гц до 20 кГц.
В качестве задней приставки первого типа 14 может выступать традиционная цилиндрическая конструкция в виде трубы, получающаяся после отрезания корпуса исходного барабана, если ее усилить соответствующим образом для уменьшения или предотвращения ответной вибрации конструкции задней приставки 14.
Добиться нужной жесткости упомянутой цилиндрической трубной конструкции для подавления нежелательных вибраций можно различными физическими методами. Так, можно использовать виброустойчивые материалы, например, дерево, стекловолокно, композитные или синтетические материалы или металлы требуемой толщины и обработки, а также иные материалы, должным образом укрепленные для снижения или предотвращения естественных вибрационных мод, возникающих в подобной конструкции. В частности, открытый конец трубы должен быть укреплен для снижения или предотвращения естественных вибрационных мод, так как у этого открытого конца возникает пучность таких колебаний. Для этого можно прикрепить к упомянутому концу трубы упрочняющую скобу одной из возможных конструкций. Скоба не должна ограничивать доступ к задней части ударной поверхности или затруднять выполнение технического обслуживания и перенастройки.
На фиг.3 изображен предпочтительный вариант осуществления задней приставки первого типа 14 - цилиндрической трубной конструкции из мягкой стали толщиной 1,5 мм. Лист стали, из которого изготавливается труба, скручивается до диаметра, позволяющего присоединить трубу к утору 13, после чего отрезается нужная длина. Так как задняя приставка первого типа предназначена скорее для защиты ударной поверхности 1, нежели для акустических целей, длина должна, прежде всего, соответствовать глубине чаши ударной поверхности 1, а в остальном может совпадать с традиционным выбором длин. Для G-сопрано длина обычно должна равняться 20,3 см/8 дюймам, во всяком случае, не должна превышать 25,4 см/10 дюймов. Для G-альта - 25,4 см/10 дюймов, не более 35,6 см/14 дюймов. Для G-3мида - 35,6 см/14 дюймов, не более 45,8 см/18 дюймов. Для G-6баса - 86,36 см/34 дюйма.
Фланец 14в на конце трубы служит для крепления трубы к утору 13. Затем трубная конструкция, куда входят труба и фланец, подвергается термической обработке, чтобы снять внутренние напряжения, возникающие после процесса скручивания. Снижение внутренних напряжений также понижает модальные частоты, связанные с этими напряжениями, аналогично тому, как снижение натяжения струны пианино или гитары приводит к понижению тона. Материал должен иметь крупнозернистую структуру, которая позволит дополнительно усилить вибропоглощающие свойства задней приставки 14.
Фланец крепится к утору 13 гайками и болтами. Чтобы избежать контактных шумов, гайки и болты применяются через каждые 5 см/2 дюйма по окружности фланца; кроме того, между фланцем и утором 13 помещается прокладка из пробки, резины, фетра или иного вибропоглощающего материала.
Сопротивляемость вибрациям дополнительно усиливается благодаря рифлению поверхности используемой стали. Специалистам в области анализа и регулирования вибраций известно, что рифленые круги действуют как скобы, сопротивляясь изгибанию листового металла. Выступы упомянутой рифленой поверхности должны иметь высоту 2,54 см/1,00 дюйм, максимальную ширину 2,54 см/1,00 дюйм и располагаться на расстоянии не более 7,62 см/3 дюймов друг от друга. Внутреннюю поверхность задней приставки первого типа следует покрывать вибропоглощающим покрытием, например, марки Dynamat Extreme.
Конец трубы напротив ударной поверхности остается открытым и укрепляется с помощью кольца 14г, надеваемого на отверстие. Кольцо 14г представляет собой полую конструкцию из мягкой стали с круглым сечением диаметра 1,25 см/0,50 дюйма. Минимальная толщина используемой стали соответствует стандарту ANSI Schedule 40.
Задние приставки второго типа 14 защищают заднюю часть ударной поверхности 1, а также улучшают звуковое излучение G-пэна благодаря определенной конструкции задней приставки 14, которая выступает в роли эффективного звукового излучателя во всем диапазоне инструмента, к которому крепится приставка. Приставки второго типа делятся на две подкатегории.
В задних приставках 14 типа 2а используются разнообразные резонаторы, настроенные под некоторые или все ноты, присутствующие на конкретном инструменте. Следовательно, идеальный частотный отклик задней приставки 14 типа 2а будет иметь резонансные пики только на разнообразных частотах нот данного инструмента. Упомянутые резонаторы, используемые в задних приставках 14 типа 2а, заметно влияют на тембр инструмента и обеспечивают увеличение громкости.
В задних приставках 14 типа 2б используется конструкция, обеспечивающая одинаковую интенсивность звукового излучения, генерируемого приставкой 14 в слышимом диапазоне. Следовательно, идеальный частотный отклик задней приставки 14 типа 2а не будет иметь выраженных резонансных характеристик, а будет походить на полосу пропускания, то есть в музыкальном диапазоне инструмента отклик будет плоским, а ниже и выше, соответственно, нижнего и верхнего частотных пределов, будет падать. Упомянутые задние приставки 14 типа 2б не обеспечивают такого сильного затухания, как задние приставки 14 первого типа, однако демонстрируют сравнительно низкий уровень вибрации на всех частотах возбуждения, по сравнению с задними приставками 14 типа 2а, у которых пики вибрации приходятся на расчетные резонансные частоты. Эффективное звуковое излучение является следствием большой площади поверхности задней приставки.
В предпочтительном варианте осуществления G-сопрано стилпэна используется задняя приставка 14 типа 2а, выполненная из набора труб 17 и изображенная на фиг.4. На фиг.4а изображен вид сбоку, причем внешняя оболочка 18 приставки удалена, чтобы показать набор труб 17 внутри приставки. Внешняя оболочка полностью совпадает с уже описанной задней приставкой 14 первого типа, выполненной в виде традиционной одиночной трубы. В набор труб входят несколько открытых труб 17 небольшого диаметра, обычно от 5,08 см/2 дюймов до 10,16 см/8 дюймов. Длина каждой трубы 17 выбирается таким образом, чтобы резонанс трубы совпадал с основной частотой ноты.
На фиг.4б показан вид сзади G-сопрано стилпэна с задней приставкой 14, содержащей набор труб 17. На фиг.4б также изображена рама 19, к которой болтами крепятся трубы. Рама 19 состоит из круглых концентрических скоб 19а, скрепленных между собой радиальными скобами 19б. Круглые скобы 19а и радиальные скобы 19б представляют собой полые конструкции из алюминия или стали, с квадратным или круглым поперечным сечением диаметра 1,25 см/0,5 дюйма. Сама рама болтами прикрепляется к внешней оболочке 18.
Известна формула, связывающая резонансные частоты с геометрическими характеристиками открытой трубы
n
где f - n-ая резонансная частота, n - положительное целое число, d - диаметр трубы, L - длина трубы, а ν - скорость звука в воздухе.
1
2
Коэффициент 0,3d - поправка на краевой эффект, учитывающая рассеяние звука на конце трубы. Следовательно, коэффициент L+0,3 d соответствует / длины волны нотной частоты.
Формула верна для труб, диаметр которых меньше 1/4 длины волны соответствующей частоты. В случае G-сопрано пэна это значение лежит в диапазоне от 33,02 см/13 дюймов до 4,06 см/1,6 дюйма. В предпочтительном варианте осуществления задней приставки 14 типа 2а G-сопрано стилпэна для нулевого кольца 1и используются трубы диаметра 5,08 см/2,00 дюйма, для первого кольца 1к - диаметра 2,54 см/1,00 дюйм, а для второго кольца 1л - трубы диаметра 1,27 см/0,5 дюйма. Такой выбор соответствует набору труб для G-сопрано пэна, длина которых варьируется от 71,48 см/28,14 дюйма до 8,93 см/3,52 дюйма.
Каждая труба из набора располагается под одной нотой. Диаметр трубы выбирается таким образом, чтобы покрывать 1/4 площади поверхности соответствующей ноты, и располагается под одной четвертью ноты, избегая узловых линий. Это делается для того, чтобы минимизировать вероятность погашения второго и третьего обертонов и, таким образом, максимизировать уровень звука у отверстия трубы.
Главным преимуществом конструкции из набора труб является то, что в данном случае с каждой конкретной нотой связывается отдельный резонатор, тогда как юбка традиционного стилпэна, так же как и задние приставки 14 первого и третьего типов, имеют только один резонатор для всех нот сразу.
Кроме того, вследствие открытости труб с обоих концов, их резонансные моды возникают на всех частотах, кратных основной резонансной частоте, то есть в отличие от традиционных стилпэнов нет резонансных нулей. Описанные преимущества делают такую конструкцию акустического излучателя оптимальной.
Однако требуемая для достижения максимального акустического эффекта длина трубы может оказаться довольно большой. Так, в случае G-6бас пэна длина самой длинной трубы составляет 349 см/135 дюймов. Эту проблему легко решить, если складывать трубу подобно тому, как это делается в тубе.
На фиг.5 изображен предпочтительный вариант осуществления G-пэна с задней приставкой 14 типа 2б, в которой используются настроенные резонирующие сегменты 20 конструкции задней приставки 14, которые резонируют на основной частоте нот, расположенных по краям пэна. В предпочтительном варианте осуществления задней приставки 14 типа 2б резонирующие сегменты 20 сами являются настроенными нотами подобно нотам, нанесенным на ударную поверхность 1. В качестве альтернативного варианта можно использовать, например, язычки, которые врезают в корпус задней приставки 14 и настраивают на нужную частоту, корректируя длину язычка.
Предпочтительный вариант осуществления задней приставки 14 типа 2б, в отличие от задних приставок 14 первого и третьего типов, позволяет легко настроить проекцию звука для индивидуальных нот инструмента. В самом деле, настроенные сегменты 20 можно заглушить или подавить, чтобы сократить их вклад в звуковое поле, с учетом эксплуатационной наладки, в результате чего получится относительно равномерное распределение уровня звука всех нот. Для заглушки можно использовать, например, метод корректировки масс. Кроме того, по сравнению с задними приставками 14 типа 2а, задние приставки 14 типа 2б дешевле и проще производить, а также они лучше приспособлены для переноски.
Задние приставки 14 третьего типа предназначены для защиты задней части ударной поверхности 1, а также для улучшения характеристик звукового излучения G-пэна, что достигается благодаря акустическому резонансу воздуха, заключенного между задней приставкой 14 и ударной поверхностью 1. В задней приставке 14 чистого третьего типа используется очень жесткая конструкция, как и в приставке первого типа, однако не используются твердые резонаторы, как в задних приставках 14 второго типа; вместо этого используются движущие силы, создаваемые движением воздуха в полости, образуемой задней приставкой 14 и ударной поверхностью 1, и обеспечивающие нужные характеристики излучения.
Можно сочетать характеристики конструкций второго и третьего типа для создания задней приставки 14, в которой будут использоваться звуковые резонаторы на базе конструкции, влияющей на акустические свойства.
На фиг.6 изображен предпочтительный вариант осуществления G-сопрано с задней приставкой 21 третьего типа. Упомянутая задняя приставка 21 состоит из перевернутого купола или чаши с канальным отверстием 22 у самого основания чаши. Упомянутое канальное отверстие 22 имеет размер, достаточный для прямого пропускания излучения от внутреннего (второго) кольца 1л G-сопрано, которое соответствует нотам высшего музыкального диапазона пэна. На фиг.6а изображен вид сверху, со стороны исполнителя. На фиг.6б изображен вид с местным разрезом боковой перспективы. На фиг.6в показан вид снизу. Канальное отверстие 22 четко видно по центру, оно едва покрывает двенадцать нот 1а второго кольца 1л ударной поверхности 1.
Объем полости, образуемой задней приставкой 21 третьего типа и ударной поверхностью 1, а также размер канала подбираются таким образом, чтобы усилить частоты самых низких нот инструмента. Такая конструкция лучше всего подходит для G-мид и G-6бас пэнов, в которых она дополнительно немного улучшает портативность инструментов, но она может использоваться и в инструментах G-3мид и G-сопрано.
Конструкция также должна обеспечивать минимум нагрузки на ноты ударной поверхности.
В качестве модели G-пэна с задней приставкой 21 третьего типа можно рассмотреть резонатор Гельмгольца, резонансная частота которого известна:
к
2
к
к
где с - скорость звука, принимаемая равной 340 м/сек, r=d/ - радиус канала, d - диаметр канала, а V - объем полости, образуемой G-пэном и канальной задней приставкой. Коэффициент 1,7 r - соответствует длине L классического резонатора объема V, который полностью закрыт, за исключением воздушного канала, выполненного в виде трубы длиной L и радиусом r.
Соответствующий частотный отклик представляет собой полосу пропускания с коэффициентом добротности
где
где В - ширина 3-дБ полосы пропускания резонатора.
уд.пов
з.пр.
к
к
к
Для использования этой формулы нужно рассчитать объем V. Для получения оценки этого значения предполагаем, что ударная поверхность 1 - сферический купол с радиусом основания r и высотой h. Также предполагаем, что задняя приставка 21 третьего типа является той частью сферического купола с высотой h, которая имеет то же основание, что и сферический купол, то есть ударную поверхность, которая остается после удаления меньшего сферического купола высотой h и основанием радиуса r. Удаление упомянутого сферического купола в результате дает канал 22 с радиусом r. Чтобы лучше пояснить обозначенные величины, обратимся к фиг.7, на которой с соблюдением упомянутых предположений показан вид сбоку G-пэна с приставкой 21 третьего типа из фиг.6, а также изображены обозначения, используемые в формуле для объема V.
Для получения объема V нужно вычесть из общего объема сферического купола, образующего заднюю приставку 21 третьего типа, объем сферического купола, удаляемого из задней приставки 21 третьего типа для создания канала, а также объем, образуемый ударной поверхностью. Получаем
рез
Вышесказанное относится к уравнениям канальной задней приставки 21 сферического типа. Предпочтительным подходом к проектированию конструкции канальной задней приставки 21 сферического типа будет первоначальный выбор подходящих значений коэффициента добротности Q и резонансной частоты f. Требуемые значения радиуса канала и объема инструмента рассчитываются по формулам
и
рез
Q и f нужно выбирать так, чтобы выполнялось неравенство
макс
где r - максимальный допустимый радиус канала; как правило, он составляет 25% радиуса основания сферического купола, образующего ударную поверхность 1, или меньше, чтобы обеспечить соответствие принципам Гельмгольца, а также выбор практичного решения.
рез
рез
Неравенство указывает на возможные альтернативы при выборе Q и f. Так как резонатор Гельмгольца по сути является одночастотным резонатором, то в качестве одного из вариантов можно расположить множество f чуть выше частоты самой низкой ноты пэна и задать такое Q, при котором полоса пропускания будет максимально широкой без значительного снижения громкости на нижних частотах. Коэффициент добротности, равный 8,65, обеспечивает полосу пропускания в 1 полутон, тогда как коэффициент добротности, равный 2,87 - полосу пропускания в ±3 полутона, с последующим снижением громкости на резонансной частоте.
рез
Вышесказанное относится к уравнениям канальной задней приставки 21 сферического типа. Предпочтительным подходом к проектированию конструкции канальной задней приставки 21 сферического типа будет первоначальный выбор подходящих значений коэффициента добротности Q и резонансной частоты f. Требуемые значения радиуса канала и объема инструмента рассчитываются по формулам
и
рез
Q и f нужно выбирать так, чтобы выполнялось неравенство
кмакс
где r - максимальный допустимый радиус канала; как правило, он составляет 30% радиуса r основания сферического купола, образующего ударную поверхность 1, или меньше, чтобы обеспечить соответствие принципам Гельмгольца, а также выбор практичного решения.
peз
pез
Неравенство указывает на возможные альтернаты при выборе Q и f. Так как резонатор Гельмгольца по сути является одночастотным резонатором, то в качестве одного из вариантов можно расположить множество f чуть выше частоты самой низкой ноты пэна и задать такое Q, при котором полоса пропускания будет максимально широкой без значительного снижения громкости на нижних частотах. Следует отметить, что коэффициент добротности, равный 8,65, обеспечивает полосу пропускания в 1 полутон, тогда как коэффициент добротности, равный 2,87 - полосу пропускания в ±3 полутона, с последующим снижением громкости на резонансной частоте.
2
Легко показать, что задняя приставка 21 третьего типа более совершенна в плане транспортировки, чем юбки традиционных стилпэнов и приставки первого и 2а типов. Например, предположим, что задняя приставка предназначена для резонанса на частоте самой низкой ноты G-3мид пэна. Для стилпэна с диаметром 67,3 см/26,5 дюйма это будет нота А с основной частотой 110 Гц и, соответственно, потребуется труба длиной в 138,9 см/54,7 дюйма.
з.пр.
уд.пов.
к
к
Однако если рассматривать сферическую канальную заднюю приставку 21 третьего типа, подобную описанной выше, то потребуется приставка с высотой сферического купола h всего 34,3 см/13,5 дюйма. В такой конструкции глубина ударной поверхности составляет h=20,3 см/8,15 дюйма, радиус канала r=9,3 см/3,7 дюйма, а высота канала h=1,3 см/0,5 дюйма, в результате чего получаем коэффициент добротности, равный 18,2. Если поместить между ударной поверхностью и задней приставкой цилиндрическую трубу длиной 10,6 см/4,2 дюйма и диаметром 67,3 см/26,5 дюйма, то можно при неизменной резонансной частоте увеличить радиус канала до 18,9 см/7,4 дюйма и соответственно уменьшить коэффициент добротности до 8,5. Модифицированная задняя приставка охватывает вдвое больший объем и имеет суммарную длину 44,9 см/17,7 дюйма.
С другой стороны, задние приставки 14 типа 2а из набора труб, а также приставки типа 2б предоставляют большую гибкость в применении, так как позволяют настроить излучение звуков каждой ноты инструмента отдельно благодаря наличию отдельного резонатора для каждой ноты. Кроме того, в отличие от используемой в традиционных стилпэнах юбки предпочтительный вариант осуществления G-пэна с задней приставкой 21 третьего типа имеет только один резонанс, следовательно, не имеет резонансных нулей частотного отклика и потому больше подходит в качестве акустического резонатора.
2
Легко показать, что задняя приставка 21 третьего типа более совершенна в плане транспортировки, чем юбки традиционных стилпэнов и приставки первого и 2а типов. Например, для G-3мид стилпэна с самой низкой нотой А, основная частота которой равна 110 Гц, потребуются трубы длиной до 151 см/60 дюймов. Однако если рассматривать сферическую канальную заднюю приставку 21 третьего типа, подобную описанной выше, то потребуется приставка с высотой сферического купола всего 38,1 см/15 дюймов. С другой стороны, задние приставки 14 типа 2а из набора труб, а также приставки типа 2б предоставляют большую гибкость в применении, так как позволяют настроить излучение звуков каждой ноты инструмента отдельно благодаря наличию отдельного резонатора для каждой ноты. Кроме того, в отличие от используемой в традиционных стилпэнах юбки предпочтительный вариант осуществления G-пэна с задней приставкой 21 третьего типа имеет только один резонанс, следовательно, не имеет резонансных нулей частотного отклика и потому больше подходит в качестве акустического резонатора.
1
6
1
6
Ниже описан предпочтительный вариант осуществления комплекса инструментов, с помощью которых можно сформировать оркестр G-пэнов. В такой оркестр будут входить только четыре инструмента, описанные выше, т.е. G-сопрано, G-альт, G-3мид и G-6бас. В совокупности эти инструменты покрывают музыкальный диапазон от G до B. Таким образом, диапазон традиционных акустических стилпэнов, от A дo F, расширяется на восемь (8) полутонов. Кроме того, для покрытия этого диапазона G-пэну требуются всего четыре различных инструмента, тогда как в случае традиционных стилпэнов потребовалось бы целых одиннадцать (11) различных инструментов или даже больше.
В Таблице 1 диапазон комплекса G-пэнов сравнивается с музыкальными диапазонами, характерными для традиционных стилпэнов. Сразу очевидно, что новая конструкция G-пэнов устраняет традиционный недостаток - использование очень большого количества инструментов для покрытия меньшего диапазона - благодаря снижению количества инструментов до четырех. Кроме того, комплекс G-пэнов в большей степени согласуется с другими музыкальными инструментами (в Таблице 1 это показано на примере струнных). Заметим, что оркестр струнных эффективно охватывает широкий музыкальный диапазон с помощью всего четырех инструментов.
1
4
2
1
G-6бас настоящего изобретения покрывает музыкальный диапазон от G до С, в сумме 30 нот или 2 / октавы, с помощью 6 барабанов. Следовательно, G-6бас превышает суммарный диапазон, охватываемый традиционными девять-бас и шесть-бас стилпэнами.
2
5
b
G-3мид с помощью 3 барабанов покрывает музыкальный диапазон от A до A  в сумме 36 нот или 3 октавы. Следовательно, G-3мид охватывает диапазон от баритона до альта и превышает суммарный диапазон 3-виолончель, 4-виолончель и двойного гитарного стилпэнов, а также значительную часть диапазонов квадрафонического стилпэна и тенорового бас стилпэна.
Хотя предпочтительный вариант осуществления инструмента G-3мид включает три нотных октавы, чтобы обеспечить максимальную чистоту и быстроту музыкального выступления за счет выбора разумного межнотного расстояния, на ударной поверхности G-3мид пэна можно расположить целых 45 нот, что позволит превысить музыкальный диапазон, характерный для традиционных квадрафонических стилпэнов.
3
6
#
G-альт с помощью 2 барабанов покрывает музыкальный диапазон от D до С , в сумме 36 нот. Он нацелен на альтовый и теноровый диапазоны и превышает суммарный диапазон традиционного двойного альтового и двойного тенорового стилпэнов. В настоящем изобретении G-альту отводится роль поддержки для G-сопрано, который будет основным инструментом на большинстве выступлений.
4
6
G-сопрано с помощью одного барабана покрывает музыкальный диапазон от C до B, в сумме 36 нот или 3 октавы. Он нацелен на сопрановый диапазон и превышает суммарный диапазон традиционного нижнего тенорового и верхнего тенорового стилпэнов.
В Таблице 1 приведены условные значения нотных диапазонов комплекса G-пэнов, так как конструкция позволяет варьировать нижние ноты в пределах плюс-минус 2 полутонов.
В отличие от традиционных стилпэнов в комплексе G-пэнов настоящего изобретения используются только две заданные схемы расположения нот. Обе схемы направлены на то, чтобы, насколько это возможно, соседние ноты отличались на один и тот же консонансный интервал, а также чтобы, благодаря логической и последовательной схеме расположения нот, обеспечить простоту движений исполнителя при исполнении наиболее распространенных гамм.
#
#
b
b,
b
Первая предпочтительная схема расположения нот настоящего изобретения сохраняет относительное размещение нот по квартово-квинтовому циклу на всех инструментах комплекса, в которых ноты располагаются на одном, трех или шести барабанах. Последовательность нот в октаве, расположенных согласно квартово-квинтовому принципу, начиная с ноты С и увеличиваясь на квинту: С, G, D, А, Е, В, F, C, A, E B, F.
#
#
b
b
b
Вторая предпочтительная схема расположения нот дополняет первую, так как предназначается для инструментов, в которых ноты располагаются на двух или четырех барабанах; схема основана на двух целотоновых звукорядах, которые дополняют друг друга в любой заданной октаве смежных нот. Начинаясь с ноты С, первый ряд охватывает С, D, Е, F, A, B, а второй - С, E, F, G, А, В.
Предпочтительный вариант осуществления схемы расположения нот инструмента G-сопрано настоящего изобретения показан на фиг.8, а предпочтительный вариант осуществления схемы расположения нот G-альта настоящего изобретения - на фиг.9. На фиг.10 изображен предпочтительный вариант осуществления схемы расположения нот инструмента G-3мид настоящего изобретения, а на фиг.11 - предпочтительный вариант осуществления схемы расположения нот инструмента G-6бас настоящего изобретения.
3
Схема расположения нот для G-сопрано представляет собой расширенную традиционную схему тенорового стилпэна и показана на фиг.8; в этой схеме полный квартово-квинтовый круг повторяется в трех концентрических кольцах, каждое из которых содержит 12 нот и которые состоят из внешнего (нулевого) кольца 1и, среднего (первого) кольца 1к и внутреннего (второго) кольца 1л. Как и в традиционном теноровом пэне, нота С располагается в нижней части кольца, в той части барабана, которая ближе всего к исполнителю, чтобы задать точку опоры для схемы. Такая точка опоры используется, даже если диапазон G-сопрано начинается с более низкой ноты. Эксперименты показали, что G-сопрано, выполненный с помощью барабана 67,31 см/26,50 дюйма, вмещает 3-октавный диапазон, начиная с ноты А.
Хотя на фиг.8 изображен инструмент G-сопрано, в котором ноты располагаются по квинтам в направлении против часовой стрелки, также возможен вариант исполнения пэна, в котором будет использоваться обратная схема расположения нот.
В предпочтительном варианте осуществления инструмента G-сопрано используется квартово-квинтовая схема расположения нот, в которой квинты идут в направлении против часовой стрелки. Таким образом, на каждом барабане инструмента G-сопрано пары физически смежных нот отличаются на музыкальный интервал кварту или квинту. Так как эти интервалы считаются консонансными, такая схема позволяет снизить музыкальный диссонанс.
b
Обратимся к фиг.9. Схема расположения нот, используемая в инструменте G-альт, используется в традиционных инструментах и основана на разделении С-мажорной гаммы на целые тоны, то есть интервалы из двух полутонов. При выборе нот сначала выбирается опорная нота в квартово-квинтовом круге, после чего определяются остальные ноты круга, для чего круг обходится в направлении квинт. Таким образом, получаем шесть самых низких нот правого барабана 2 инструмента G-альт. Оставшиеся шесть нот звукоряда размещаются на оставшемся барабане 3. Для каждого барабана сначала размещаются октавы самых низких нот, после чего процесс повторяют, пока не достигнут двойной октавы. В связи с пространственными ограничениями первая октава каждой из двух самых низких нот размещается на внешнем круге нот, рядом с этими нотами. Это видно на примере нот D, E, Е и F предпочтительного варианта осуществления, изображенного на фиг.9. Октавы и двойные октавы всех остальных нот размещаются согласно предпочтительному варианту осуществления, то есть на двух отдельных концентрических кругах нот во внутренней части барабана.
Во всех инструментах комплекса настоящего изобретения, за исключением инструмента G-альт, предпочтительный вариант расположения нот на G-пэне получается равномерным разделением квартово-квинтового круга на группы последовательных нот упомянутого цикла. В случае G-альта, при попытке произвести такое разделение на каждом его барабане две ноты будут отличаться на один полутон, то есть на малую секунду, в результате чего очень высока вероятность возникновения наихудшего из всех возможных диссонансов.
3
4
3
3
b
b
Расположение нот на основе целых тонов помогает решить описанную проблему. Кроме того, в такой схеме расположения соседние ноты отличаются на большую или малую терцию, за исключением одной пары нот, отличающихся друг от друга на увеличенную кварту, которая среди диссонансных интервалов считается наиболее благоприятной. Передачу энергии между упомянутыми двумя нотами, то есть между В и E  левого барабана и B  и Е правого барабана, можно уменьшить, если использовать описанные выше способы.
Совокупность двух барабанов комплекса настоящего изобретения, образующих G-альт, предназначена для поддержки G-сопрано, который будет основным инструментом на большинстве выступлений. В этом плане он предпочтительнее G-3мида, который состоит из трех барабанов, так как меньшее число барабанов в составе инструмента облегчает исполнение быстрых музыкальных пассажей.
Теперь обратимся к фиг.10, на которой изображен предпочтительный вариант осуществления схемы расположения нот инструмента G-3мид настоящего изобретения. G-3мид в значительной степени отличается от традиционных схем, так как в нем квартово-квинтовый цикл распределяется по трем барабанам, а такой подход до этого никогда не применялся.
Для получения схемы расположения нот G-3мида три октавы четырех последовательных нот квартово-квинтового круга распределяются по всем трем барабанам в составе G-мида. То есть на каждом барабане G-3мида размещаются 12 нот. Для получения четырех нот, размещаемых на первом барабане 4, выбирают опорную ноту, а оставшиеся три ноты получают, идя по квинтам от опорной ноты. Следующие четыре ноты квартово-квинтового цикла (идя по квинтам) размещаются на втором барабане 5. Последние четыре ноты квартово-квинтового цикла (идя по квинтам) размещаются на третьем барабане 6. Поскольку в октаве есть 12 нот, то соответственно, есть 12 различных способов размещения нот на 3 барабанах с помощью упомянутой процедуры. Выбор опорной ноты зависит от различных факторов, в основном, от музыкального диапазона, размера барабана, размера нотных шаблонов, используемых настройщиком, а также от сохранения строя схемы расположения нот G-сопрано.
#
#
b
b
b
Если рассматривать G-3мид со схемой расположения нот, изображенной на фиг.10, то, например, при основной ноте С на первом барабане 4 будут размещены третьи октавы нот С, G, D и А. Следующие четыре ноты круга (идя по квинтам), то есть третьи октавы нот Е, В, F и С, будут размещаться на втором барабане 5. Наконец, последние 4 ноты круга (идя по квинтам), то есть третьи октавы нот A, E, B и F, будут размещены на третьем барабане 6.
Расположение нот на каждом из барабанов G-3мида таково, что физически смежные ноты отличаются на музыкальный интервал кварту, квинту или сексту. Таким образом, сокращается музыкальный диссонанс, так как упомянутые интервалы считаются консонансными.
Теперь обратимся к фиг.11, на которой изображен предпочтительный вариант осуществления схемы расположения нот инструмента G-6бас. Схема G-6баса представляет собой расширенную традиционную схему 6-бас стилпэна и получается размещением на каждом из шести барабанов 7, 8, 9, 10, 11 и 12, образующих G-6бас, полных трех октав ноты и двух октав ее квинты. Таким образом, на каждом барабане G-6баса размещаются пять нот. Две ноты, размещаемые на первом барабане 7, представляют собой выбранную основную ноту и ее квинту.
Следующие две ноты квартово-квинтового цикла (идя по квинтам) размещаются на втором барабане 8. Описанная процедура повторяется, пока последние две ноты квартово-квинтового цикла не будут размещены на шестом барабане 12. Так как в октаве 12 нот, то существует 12 различных способов распределить ноты по 3 барабанам согласно описанной процедуре. Выбор опорной ноты зависит от различных факторов, в основном, от музыкального диапазона, размера барабана, размера нотных шаблонов, используемых настройщиком, а также от сохранения строя схемы расположения нот G-сопрано.
1
2
В предпочтительном варианте осуществления G-6бас покрывает 2 / октавы, что на целую октаву больше диапазона, охватываемого традиционным шесть-бас стилпэном. Кроме того, покрытие G-6баса превышает суммарный диапазон девять-бас и шесть-бас стилпэнов и охватывает значительную часть диапазона тенор-бас стилпэна. Согласно описанной процедуре шесть самых нижних нот диапазона G-6баса размещаются со своими полными тремя октавами; соответственно, последние определяют шесть самых высоких нот диапазона данного инструмента. Оставшиеся ноты G-6баса дополняют октавный диапазон первых шести нот и размещаются с двумя октавами.
Схема расположения нот на каждом барабане инструмента G-6бас такова, что физически смежные ноты различаются на музыкальный интервал кварту или квинту. Следовательно, музыкальный диссонанс сокращается до минимально возможного значения, благодаря использованию консонансных интервалов. Это особенно важно для басового диапазона, так как критическая полоса частот, связанная с диссонансным звучанием, в басовом диапазоне уже, чем в других музыкальных диапазонах.
Настоящее изобретение предусматривает использование в предпочтительном варианте осуществления инструментов комплекса G-пэна ударной поверхности диаметром 67,31 см/26,50 дюйма, что на 11,43 см/4,5 дюйма больше, чем в традиционных стилпэнах, в результате чего достигается генерация музыкальных звуков с более высокой интенсивностью звука.
1
6
1
6
Кроме того, настоящее изобретение предусматривает использование барабанов большего размера, что позволяет комплексу инструментов G-пэна охватывать музыкальный диапазон от G до B, что на восемь (8) полутонов больше диапазона, покрываемого традиционными акустическими стилпэнами (от A до F).
Еще одной целью настоящего изобретения является значительное расширение возможностей исполнителей по сравнению с традиционными инструментами за счет того, что в комплексе инструментов G-пэна используются только две принципиальные схемы расположения нот, в отличие от традиционных стилпэнов, схемы которых сильно отличались друг от друга, что позволяет обеспечить большую гибкость в работе исполнителей, которым теперь легче приспособиться к любому инструменту из оркестра G-пэна.
Настоящее изобретение также предусматривает использование в всех инструментах комплекса G-пэна, состоящих из одного, трех или шести барабанов, принципиальной схемы расположения нот, в которой для определения взаимного расположения нот используется квартово-квинтовый цикл либо обратный ему цикл.
Кроме того, настоящее изобретение предусматривает использование во всех инструментах комплекса G-пэна, состоящих из двух или четырех барабанов, принципиальной схемы расположения нот, основанной на двух целотоновых звукорядах, которые дополняют друг друга, для любой заданной последовательной нотной октавы.
1
6
1
6
Настоящее изобретение также предусматривает использование комплекса инструментов G-пэн, в котором для покрытия вышеупомянутого диапазона от G до B используются только четыре различных предпочтительных инструмента, а именно G-6бас, G-3мид, G-альт и G-сопрано, тогда как обычно для покрытия меньшего музыкального диапазона от A до F используется не менее одиннадцати (11) различных традиционных стилпэнов; в результате настоящее изобретение устраняет недостаток традиционных стилпэнов, заключающийся в необходимости использовать одиннадцать стилпэнов для покрытия меньшего музыкального диапазона и приводящий к чрезмерно высоким расходам на транспортировку, которые ограничивали мобильность и, соответственно, возможность заработка исполнителей при планировании выступлений и общественно-благотворительных концертов.
1
4
2
1
Еще одной целью настоящего изобретения является предоставление компактного инструмента в басовом диапазоне, который более портативен, чем традиционные аналоги, а также расширяет многообразие выступлений благодаря отсутствию необходимости использовать транспонирование, к которому исполнители часто были вынуждены прибегать на традиционных стилпэнах; для этого предпочтительный вариант осуществления G-6бас инструмента с помощью 6 барабанов охватывает музыкальный диапазон от G до C, что в сумме дает 30 нот или 2 / октавы, превышая, таким образом, суммарный диапазон традиционных девять-бас и шесть-бас стилпэнов.
2
5
b
Настоящее изобретение также предусматривает покрытие диапазона от А до A , что в сумме дает 36 нот или 3 октавы, с помощью 3 барабанов предпочтительного варианта осуществления инструмента G-3мид. Таким образом, G-3мид охватывает диапазон от баритона до альта и превышает суммарный диапазон 3-виолончель, 4-виолончель и двойного гитарного стилпэнов, а также значительную часть музыкального диапазона квадрафонического стилпэна и тенорового бас стилпэна, в результате чего получается компактный инструмент в баритоновом диапазоне, который более портативен, чем традиционные аналоги, а также расширяет многообразие выступлений благодаря отсутствию необходимости использовать транспонирование, к которому исполнители часто были вынуждены прибегать на традиционных стилпэнах.
Кроме того, хотя в предпочтительном варианте осуществления инструмента G-3мид размещаются три нотных октавы, что позволяет добиться максимальной чистоты и быстроты музыкального выступления за счет выбора разумного межнотного расстояния, настоящее изобретение также предусматривает размещение на ударной поверхности G-3мида целых 45 нот, что позволяет превысить музыкальный диапазон, характерный для традиционных квадрафонических стилпэнов.
Наконец, предоставляемый настоящим изобретением инструмент G-3мид в значительной степени отличается от традиционных аналогов, так как в его схеме расположения нот квартово-квинтовый цикл распределяется по трем барабанам.
3
6
#
Настоящее изобретение также предусматривает покрытие диапазона от D до С , в сумме 36 нот, с помощью 2 барабанов предпочтительного варианта осуществления инструмента G-альт. Таким образом, G-альт охватывает альтовый и теноровый диапазоны и превышает суммарный диапазон традиционного двойного альтового и двойного тенорового стилпэнов, в результате чего получается компактный инструмент в альтовом и теноровом диапазонах, который более портативен, чем традиционные аналоги, а также расширяет многообразие выступлений благодаря отсутствию необходимости использовать транспонирование, к которому исполнители часто были вынуждены прибегать на традиционных стилпэнах.
4
6
Кроме того, настоящее изобретение предусматривает покрытие диапазона от C до В, что в сумме дает 36 нот или 3 октавы, с помощью единственного барабана предпочтительного варианта осуществления инструмента G-сопрано. Таким образом, G-сопрано охватывает сопрановый диапазон и превышает суммарный диапазон традиционного нижнего сопранового и верхнего сопранового стилпэнов, в результате чего получается компактный инструмент в сопрановом диапазоне, который более портативен, чем традиционные аналоги, а также расширяет многообразие выступлений благодаря отсутствию необходимости использовать транспонирование, к которому исполнители часто были вынуждены прибегать на традиционных стилпэнах.
Наконец, настоящее изобретение также предусматривает заднюю приставку типа 2а, которая благодаря конструкции из набора труб, предоставляющей для каждой ноты ударной поверхности отдельный резонатор в виде трубы, улучшает распространение звука по сравнению с задней приставкой традиционных стилпэнов в виде одной бочки или трубы, резонансы которой не соответствуют основным частотам всех нот данного барабана. Такой новый подход, никогда ранее не использовавшийся в традиционных стилпэнах, позволяет увеличить громкость и музыкальную точность инструмента.
Так как после ознакомления с подробным описанием изобретения, в совокупности с приведенными чертежами, специалистам станет ясно, что возможны другие варианты осуществления настоящего изобретения, специально приспособленные для выполнения определенных требований при определенных обстоятельства, следует понимать, что изобретение не ограничивается приведенными примерами, и возможны различные другие варианты в пределах сущности и объема изобретения, охватываемых приводимой формулой.
ГЛОССАРИЙ
Ударные: музыкальные инструменты, звук из которых извлекается ударом.
Исполнитель: музыкант, играющий на каком-либо музыкальном инструменте.
Стилпэн: ударный музыкальный инструмент принадлежит к классу идиофонов с определенной высотой звучания, традиционно изготавливается из цилиндрической стальной бочки или иной стальной тары. Верхний торец бочки или тары используется для изготовления ударной поверхности, которую обычно делят на сегменты с помощью каналов, желобков или скважин. Каждый сегмент представляет собой ноту, которая настроена на определенную высоту звука.
Цилиндрический корпус бочки, из которой изготовлен стилпэн, обычно оставляется и используется в качестве резонатора, а также как опора для ударной поверхности.
Пэннист: исполнитель, играющий на стилпэне.
5/12
Интервал в четыре ступени (кварта): две ноты отличаются на кварту (расстояние между ними равно интервалу в четыре ступени), если частоты их звуков условно соотносятся как 2 в равномерно темперированном строе.
7/12
Интервал в пять ступеней (квинта): две ноты отличаются на квинту (расстояние между ними равно интервалу в пять ступеней), если частоты их звуков условно соотносятся как 2 в равномерно темперированном строе.
Квартово-квинтовый ход: расположение музыкальных нот, при котором в любой последовательности соседних нот в одну сторону они различаются на интервал в четыре ступени, а в другую, соответственно, на интервал в пять ступеней.
1 Ударная поверхность
1а Ноты
1б Поддерживающая сетка
1в Нотные накладки
1г Главная чаша
1д Фланец главной чаши
1е Вибропоглощающая прокладка
1ж Вспомогательная чаша
1з Фланец вспомогательной чаши
1и Нулевое кольцо
1к Первое кольцо
1л Второе кольцо
2 Первый барабан G-альтового стилпэна
3 Второй барабан G-альтового стилпэна
4 Первый барабан G-3мид стилпэна
5 Второй барабан G-3мид стилпэна
6 Третий барабан G-3мид стилпэна
7 Первый барабан G-6баса
8 Второй барабан G-6баса
9 Третий барабан G-6баса
10 Четвертый барабан G-6баса
11 Пятый барабан G-6баса
12 Шестой барабан G-6баса
13 Утор
13а Опорное кольцо
13б Выступ
13в Подвесное колесо
13г Ось подвесного колеса
14 Задняя приставка
14а Корректирующие грузы
15 Опорная стойка
15а Подпорки опорной стойки
16 Опорные углубления
17 Труба
18 Внешняя оболочка
19 Рама
19а Концентрические скобы
19б Радиальные скобы
20 Резонирующие сегменты
21 Задняя приставка третьего типа
22 Канальное отверстие