Остановимся на явлении резонанса, которое является основным механизмом, изменяющим первоначальное звучание источника звука в различных музыкальных инструментах. Резонанс является причиной усиления различных групп обертонов,
т. е. основным темброобразующим механизмом. Явление резонанса в быту общеизвестно.
Резонанс происходит тогда, когда, например, фортепиано с нажатой педалью отвечает нам сильной раскачкой той струны, тон которой совпадает со звуком, извлеченным на другом инструменте. (Правда, раскачивается еще несколько струн, но значительно слабее). Возникновение отзвука на одном инструменте под влиянием звучания второго инструмента и есть резонанс. Это явление весьма важно для понимания многих феноменов, связанных с певческим голосом, и потому должно быть хорошо понято и глубоко продумано каждым занимающимся вокальным искусством. Понимание резонанса необходимо не только для того, чтобы правильно оценить работу так называемых «верхнего и нижнего резонаторов» певцов, но и для того, чтобы разобраться в формировании тембра певческого голоса, и образовании звуков речи вообще.
В чем сущность данного феномена, и почему на фортепиано сильно ответила только одна струна, а не все, хотя звуковые волны от другого инструмента дошли до всех его струн? Как известно, струна, натянутая на колок, издает звук определенной высоты, и это зависит от ее упругости, длины, толщины и характера материала, из которого она сделана. Каждая струна фортепиано имеет свою высоту звучания, т. е. свою собственную частоту колебаний. Звуковые волны, исходящие от другого инструмента, действительно достигают всех струн фортепиано, и под влиянием первой волны они все выйдут из покойного состояния и начнут колебаться. Однако под влиянием многочисленной серии волн раскачается сильно только та струна, собственная частота колебаний которой будет совпадать с частотой подходящих волн. Толькс при этом совпадении частот резонирующая струна будет получать в такт своей собственной раскачки с каждой новой подходящей волной — новую маленькую порцию энергии, и станет постепенно раскачиваться все больше и больше. В других струнах от этих малых порций ритмически поступающей энергии (т. е. периодических толчков) раскачки не произойдет, потому что толчки будут осуществляться не в такт собственным колебаниям струн. Если качели подталкивать в такт — они раскачаются, если не в такт, они, качнувшись от первого толчка, будут остановлены вторым или третьим. Если собственная частота струны ровно вдвое, втрое и т. д. больше, чем частота подходящих волн, то такие струны тоже раскачиваются, получая подталкивание в такт через одно, два и т. д. колебания. Но в этом случае раскачка получается менее сильной. Поэтому фортепиано отвечает не только раскачкой той струны, которая по собственной частоте совпадает с частотой подходящих волн, но и слабой раскачкой октавной струны к этому тону, квинтовой струны через октаву и т. д., составная часть которых в 2, 3, 4 и т. д. раза больше частоты подходящих волн. Поэтому явление резонанса возникает не только в случае совпадения основных тонов, но и обертонов Только в этом случае раскачка получается менее сильной.
Теперь рассмотрим вопрос о том, произошло ли усиление звука в результате резонанса струны, и откуда взялась энергия в резонирующей струне? Легко понять, что для слушающего данный звук оказался усиленным, так как одновременно со звуком от другого инструмента до его уха доходят и колебания от резонирующей струны. Однако столь же очевидно, что энергию для своих колебаний резонирующая струна получила от другого инструмента, что эта энергия не родилась в ней, а лишь постепенно накопилась, аккумулировалась, аналогично энергии, накапливающейся от нашей руки при раскачивании в такт качелей. Следовательно при явлении резонанса струны фортепиано звук усиливается за счет отдачи накопленной энергии. Сначала звуковая энергия переходит из воздуха в механические колебания струны (раскачка), а затем снова отдается, т.е. имеется переход механической энергии колебания в звуковые волны. Между тем в других струнах эта энергия не аккумулируется (один толчок раскачивает, а второй — останавливает). При резонансе получается усиление звучания, хотя новой энергии тут не возникает, не добавляется. В приведенном примере мы коснулись для наглядности резонанса в струнах. В голосовом аппарате мы имеем дело с резонансом объемов воздуха.