Jak vzniká tón houslí?
V předchozím článku jsme si položili otázku, proč housle představují mimořádně úspěšný hudební nástroj. Odpověď jsme hledali v jejich historii, funkčnosti, všestrannosti a kulturním významu. Neméně zajímavá je však otázka fyzikální a akustická.
Akustický systém
Každého jistě napadne, že tón houslí vzniká tahem smyčce, který rozechvívá strunu. Z fyzikálního hlediska je to však pouze první krok celého procesu.
Moderní organologie (věda o hudebních nástrojích) chápe hudební nástroj jako akustický systém složený z několika funkčně odlišných částí. Organolog Pavel Kurfürst upozorňuje, že vznik tónu houslí je výsledkem spolupráce tří základních prvků: budiče, vibrátoru a rezonátoru.
Smyčec jako budič, struna jako primární oscilátor
Energii celému akustickému systému houslí dodává smyčec coby budič. Bez něj by se struna po jednorázovém impulsu rychle utlumila podobně jako při pizzicatu.
Z fyzikálního hlediska jde o mimořádně zajímavý mechanismus. Smyčec se během hry střídavě ke struně přilepuje a opět od ní odskakuje. Tím vytváří periodický přísun energie, který umožňuje vznik stabilního, prakticky neomezeně dlouhého tónu.
Právě zde se housle zásadně liší například od klavíru, kde kladívko předá energii jednorázově.
Struna představuje v terminologii akustiky primární oscilátor. Její délka, napětí a lineární hustota (hmotnost na jednotku délky) určují základní frekvenci tónu, tedy jeho výšku. Struna však nekmitá pouze jako jeden celek. Současně se rozkmitávají i její jednotlivé části, čímž vzniká řada vyšších harmonických tónů, jejichž frekvence jsou celočíselnými násobky frekvence základní.
Výsledný houslový tón je proto složeným akustickým jevem. Vedle základní frekvence obsahuje rozsáhlé spektrum harmonických složek, jejichž vzájemné zastoupení rozhoduje o barvě tónu. Právě rozdílné rozložení energie mezi jednotlivými harmonickými složkami způsobuje, že dvoje housle mohou znít odlišně, přestože hrají stejný tón.
Barva tónu houslí
Právě rozložení energie mezi jednotlivými harmonickými složkami vytváří takzvanou barvu tónu. Dva nástroje mohou produkovat stejnou základní frekvenci, ale lišit se zastoupením vyšších harmonických tónů. Výsledkem je odlišný zvukový charakter. Housle jsou v tomto směru mimořádně bohatým nástrojem. Jejich spektrum obsahuje velké množství vyšších harmonických složek, které dávají tónu brilanci, nosnost a schopnost prosadit se v prostoru.
Právě proto dokáže zkušený houslista měnit barvu tónu nejen volbou nástroje, ale také místem smyku, rychlostí smyčce nebo velikostí přítlaku.
Korpus jako sekundární oscilátor a rezonátor
Samotná struna produkuje velmi málo zvuku. Je to kvůli nedostatku plochy schopné uvést do pohybu dostatečné množství okolního vzduchu. Proto je nezbytný další článek akustického systému - rezonátor a sekundární oscilátor.
Moderní akustika ale nepovažuje housle za jeden rezonátor, který pouze zesiluje kmity struny, ale za soustavu vzájemně spřažených oscilátorů. Korpus houslí totiž není pouhým zesilovačem zvuku. Energie ze struny přechází přes kobylku do horní desky, basového trámce, duše, vzduchového objemu korpusu i spodní desky. Každá z těchto částí má vlastní rezonanční frekvence. Výsledný zvuk vzniká jejich vzájemnou interakcí.
Vlastní kmity houslí nejsou vedlejším jevem konstrukce, ale její primární funkcí. U většiny strojů (automobil, letadlo, turbína) se snažíme vibrace potlačovat. U houslí je tomu naopak. Housle jsou (ná)stroj určený primárně ke kmitání.
Korpus houslí tedy není pasivní schránkou kolem strun, ale aktivním rezonančním systémem, který některé frekvence zesiluje a jiné naopak potlačuje. Výsledný tón je proto vždy výsledkem interakce mezi vibracemi struny a vlastními rezonančními vlastnostmi nástroje.
Kobylka a ozvučné otvory
Kobylka nepředstavuje pouze oporu pro struny. Je klíčovým článkem přenosu vibrací mezi strunou a rezonančním systémem nástroje. Převádí kmity strun na pohyb horní desky a významně ovlivňuje, jak bude energie rozložena mezi jednotlivé části korpusu. Proto mohou i drobné změny jejího tvaru, hmotnosti nebo polohy citelně ovlivnit výsledný zvuk nástroje.
V populární literatuře se často opakuje představa, že zvuk z korpusu houslí jednoduše „vychází ven“ f-otvory (ozvučnými otvory). Vzduch uzavřený v korpusu houslí vytváří vlastní rezonanční systém, který významně ovlivňuje výsledný zvuk nástroje. Při změnách tlaku uvnitř korpusu proudí vzduch skrz f-otvory dovnitř a ven. Ve skutečnosti však současně rezonuje nejen vzduch uvnitř korpusu, ale také horní a spodní deska, kobylka i samotné struny.
A pokud bychom byli ještě podrobnější, rezonují i vedlejší struny, které přejímají společné harmonické frekvence, rezonuje i část strun mezi kobylkou a struníkem (na které kromě Járy Cimrmana smyčcem nikdo nikdy nehraje), rezonuje struna mezi horním pražcem a kolíčkem a dokonce i část struny mezi prstem a horním pražcem. V menší míře se na akustickém chování nástroje podílí také krk, hlavice a struník. Hmotnost struníku tedy není nepodstatná. Proto se ostatně na jeho výrobu používají různé materiály: eben, palisandr, zimostráz, uhlíková vlákna, kompozity. Každý z nich mění hmotnost i rezonanční vlastnosti celé soustavy.
Duše a basový trámec
V literatuře bývá duše někdy označována za „srdce houslí“. Přesnější je však její popis jako konstrukčního a akustického spojovacího článku mezi horní a spodní deskou. Pod pravou nohou kobylky vytváří tento smrkový váleček přímou cestu pro přenos vibrací mezi oběma deskami a zároveň pomáhá přenášet tlak vyvolaný tahem strun. Její poloha, délka a průměr patří mezi nejcitlivější parametry nástroje. Správné umístění duše je zásadní pro dosažení optimálního zvuku.
Basový trámec (žebro), umístěný pod levou nohou kobylky podél struny G ze spodní strany klenby horní desky, plní vedle konstrukční funkce rovněž významnou akustickou úlohu. Podílí se svou hmotností i mírným předpětím na rozložení vibrací po ploše horní desky a ovlivňuje její rezonanční chování.
Největší akustický paradox houslí
Současná akustika dnes dokáže sledovat chování houslí s přesností, o jaké se předchozím generacím houslařů ani nesnilo. Jednou z nejpokročilejších metod je tzv. modální analýza. Při ní je nástroj v několika stovkách měřicích bodů buzen drobnými impulzy a počítač následně vyhodnocuje jeho vibrační odezvu. Výsledkem nejsou pouze grafy rezonančních frekvencí, ale i animace ukazující, jak se jednotlivé části nástroje při různých frekvencích skutečně pohybují.
Právě zde se skrývá jeden z největších paradoxů houslí. Přestože dnes dokážeme jejich vibrace zobrazit, změřit a analyzovat s mimořádnou přesností, stále neumíme zcela uspokojivě vysvětlit, proč některé nástroje považujeme za výjimečné. Stejně tak není jednoznačně potvrzeno, že staré housle jsou nutně lepší než nejlepší současné nástroje.
Jinými slovy: umíme sledovat, jak housle kmitají, ale stále ne zcela rozumíme tomu, proč některé z nich dokážou oslovit posluchače způsobem, který se jiným houslím nedaří napodobit.
_________________________________
O čem bude tato série
Tento článek je součástí rozsáhlejšího seriálu o houslích, jejich historii, konstrukci, akustice i interpretaci, který mimo jiné čerpá z organologické literatury včetně příslušných hesel ze slovníku The New Grove Dictionary of Music and Musicians.
V následujících dílech se zaměříme například na tato témata:
- Jak vlastně vzniká tón houslí
- Proč je smrk a javor ideálním materiálem ke stavbě houslí
- Jakou roli hraje duše a basový trámec
- Proč mají housle právě svůj charakteristický tvar
- „Tajemství“ cremonských laků
- Stradivari, Guarneri a Amati – v čem se liší
- Jak se měnil zvuk houslí během staletí
- Největší mýty, pověry a omyly o houslích
- Jak poznat kvalitní nástroj
- Co dnes víme o akustice houslí a co stále nevíme
Budeme se pohybovat mezi historií, fyzikou, řemeslem i hudební praxí. Protože právě na jejich průsečíku vzniká něco, co ani po pěti stoletích nepřestává fascinovat.
Příště: Proč je smrk a javor ideálním materiálem ke stavbě houslí?
Obrázky převzaty z webu https://www.schleske.de/