Под резонатором в акустике подразумевается какой-либо объем воздуха, заключенный в упругие стенки и имеющий выходное отверстие. Резонатором он называется потому, что если возбудить колебания находящегося в нем воздуха, то резонатор издаст звук совершенно определенной высоты. На этом принципе построены резонаторы Гельмгольца.
Высота звука, которая родится в резонаторе, зависит от объема заключенного в нем воздуха, формы резонатора и размеров выходного отверстия. Этот тон называется собственным тоном резонатора. С точки зрения акустики, стакан, полый шар, трубка, бутылка являются резонаторами. Чем меньше размеры резонатора и вместе с этим объем заключенного в нем воздуха, тем выше тон, который родится в резонаторе— его собственный тон. Чем меньше выходное отверстие, тем ниже собственный тон.
В основе этого явления лежит образование так называемой стоячей волны, которая «бегает» в стенках резонатора от его дна до края к обратно. Поскольку скорость распространения волны в воздухе постоянна, то за то же самое время в небольшом объеме воздуха волна успеет совершить много полных колебаний (т. е. собственный тон будет иметь высокую частоту), а в больших объемах — мало (т.е. небольшую частоту). Этим объясняется то явление, что собственный тон резонаторов небольшой величины высок, а большой величины — низок. На явлении собственных колебаний, возникающих в трубах, основано устройство органов, где самые низкие звуки возникают в трубах, имеющих длину несколько метров, а самые высокие — 1—2 см.
Когда мы наливаем из крана воду в бутылку, мы слышим, как звук по мере заполнения ее водой становится все выше и выше, напоминая свисток тогда, когда вода доходит до горлышка. Это связано с уменьшением столба колеблющегося воздуха, причем источником колебаний является сотрясение его падающей струей воды.
Явления резонанса в резонаторах возникают по тому же принципу, что и в струнах. Резонатор «отвечает», т. е. в нем получается раскачка воздуха тогда, когда над ним издается звук, совпадающий по частоте (высоте) с его собственным тоном. Поскольку в этом случае собственная частота резонатора совпадает с частотой подходящих к нему волн, каждая новая волна подталкивает в такт «бегущую» в резонаторе собственную волну, в результате чего раскачка становится все больше и больше. Энергия накапливается. Резонатор начинает «отзвучивать». Отзвучивает он и на обертоны собственного тона, но только менее сильно. При несовпадении частоты подходящих к резонатору волн с собственными колебаниями, возникающими в резонаторе, — с его собственным тоном, раскачки не получится (как не раскачиваются качели, если их подталкивать не в такт). Как и при резонансе струн, сам резонатор не добавляет энергии, а лишь аккумулирует, накапливает ту энергию, которая содержится в подходящих к нему волнах. Потом резонатор отдает ее в наружную среду, гудит, отзвучивает, отчего звук для слушателя становится громче. Рис. 17.
В голосовом аппарате человека имеется множество полостей и трубок, в которых могут развиваться явления резонанса. Трахея и бронхи, полость гортани, глотки, рта, носоглотки, носа и окружающие его мелкие придаточные полости обладают достаточно упругими стенками для того, чтобы в них возникли явления резонанса. Одни из них по своей форме и размерам неизменны, даны от природы, следовательно всегда усиливают одни и те же обертоны, порождают постоянно присутствующие в голосе призвуки и не могут быть специально приспособлены .для усиления каких-либо других обертонов (например, нос и его придаточные полости). Другие легко меняют свою форму и размеры, например ротовая полость, глотка, надсвязочная полость гортани, т. е. могут использоваться в широких пределах для изменения исходного тембра путем резонаторного усиления определенных групп обертонов. Именно благодаря резонаторным явлениям в спектре голоса человека получаются «пики», усиления отдельных обертонов, которые часто оказываются сильнее основного тона.
В струнных инструментах основным механизмом, меняющим исходный тембр струн, являются деки. Под деками понимаются специально сконструированные деревянные доски, образующие, например в скрипичных инструментах, их корпус. Деки отдают воздушной среде те колебания, которые они получили от источника колебаний — от струн. Однако они являются не только передатчиками, но и трансформаторами тембра исходного звука струн.
Для того чтобы понять, как это происходит, мы позволим себе привести следующий пример. Всем ! известен ксилофон — инструмент, состоящий из отдельных деревянных дощечек — брусочков различной длины, которые при ударе их палочкой издают музыкальный тон определенной высоты. Этот тон зависит от длины брусочка ,его толщины и материала, из которого он сделан. Соответственно и резонировать дощечка будет на этот тон. Деки можно себе представить как сумму таких дощечек, скрепленных воедино и имеющих у разных инструментов различную форму.
Звук от колеблющейся струны, имея вид убывающего частокола амплитуд, передается декам. Последние начинают колебаться с присущими им собственными колебаниями, в результате чего излучается в пространство не столько тот спектр, что рожден струной, сколько тот, который свойствен декам, корпусам инструментов. Общеизвестно, что ценность скрипки определяется особенностями строения ее корпуса, ее дек, а не качеством натянутых на нее струн. То же относится и к фортепиано, где кроме механики ценится прежде всего то, что дает красивый звук, т. е. качество деревянных конструкций, дек.
В результате колебания дек, те или иные обертоны, хорошо резонирующие в деках, могут оказаться относительно сильнее других. Так, из убывающего частокола частот, характерного для колебаний струны, образуется спектр с отдельными усилениями, как говорят «пиками», тех или иных частот.
В голосовом аппарате не существует подобных дек. Механизм изменения исходного тембра, рожденного в голосовой щели, не связан с вибрациями груди, нёбного свода или каких-либо еще частей организма, как об этом иногда пишут в старых руководствах. Изменение исходного тембра гортани целиком зависит от резонаторных явлений, развивающихся в полостях голосового аппарата. В настоящее время исследован как звук, возникающий в голосовой щели, так и воздействие на него резонаторных полостей.