Fizyka instrumentów - fizyka aerofonów

W aerofonach fala stojąca wytwarzana jest w słupie powietrza wewnątrz instrumentu. W pierwszym etapie generacji dźwięku muzyk kieruje strumień powietrza do wnętrza instrumentu. Strumień ten jest przerywany przez element zwany stroikiem, a częstotliwość impulsów (odpowiadających zagęszczeniom powietrza) leży w zakresie słyszalnym. Stroiki mogą mieć różnoraką budowę. Instrumenty dęte drewniane używają stroików mechanicznych w postaci drewnianej cienkiej listewki (np. w klarnecie). W dętych blaszanych jak trąbka, puzon i tuba rolę stroika pełnią drgające usta muzyka. We flecie prostym i piszczałkach natomiast występuje tzw. stroik powietrzny. Drganie podłużne powietrza wywołane drganiem stroika przechodzi przez instrument i odbija się gdy osiąga koniec instrumentu. Z powodu różnicy oporności wewnątrz i na zewnątrz instrumentu część fali zostaje odbita do jego wnętrza. Fala pierwotna i odbita nakładają się na siebie tworząc falę stojącą. Część fali, która nie zostanie odbita „wychodzi” z instrumentu i jest słyszalna, o ile tylko ma wystarczającą moc.

Wysokość dźwięku wydobywającego się z instrumentu można zmieniać przez zmianę długości słupa powietrza wewnątrz instrumentu. W przypadku klarnetu jest to realizowane przez zakrywanie i odkrywanie dziurek w chwytni. Otwarta i wystarczająco duża dziurka określa wówczas koniec rurki i jej efektywną długość.

Jeśli oba końce instrumentu są otwarte (jak jest w przypadku fletu prostego) to nazywamy go instrumentem typu „otwarta rurka”. W instrumentach tego typu końce rurki muszą stanowić strzałki fali stojącej. Częstotliwość danego modu drgań zależy tylko od długości słupa powietrza i od temperatury powietrza.

gdzie v to prędkość dźwięku w powietrzu, a L – efektywna długość rurki.

Jeśli jeden koniec instrumentu jest zamknięty przez usta grającego (jak w przypadku klarnetu) to ten typ instrumentu nazywamy „zamkniętą rurką”. W tych instrumentach koniec rurki, gdzie znajdują się usta grającego stanowi węzeł, a otwarty koniec - strzałkę fali stojącej. Częstotliwości składowych dźwięku produkowanego przez instrumenty tego typu spełniają równania:

W instrumentach typu „zamknięta rurka” parzyste składowe harmoniczne są wygaszane – nie spełniają warunku, że w jednym końcu słupa powietrza ma powstać węzeł, a w drugim strzałka fali. Jest to charakterystyczne dla instrumentów w kształcie cylindrycznej rury. Dla instrumentów o budowie stożkowej (jak trąbka) widmo składowych harmonicznych staje się bardziej podobne do widma „otwartych rurek”.

Otwarty koniec instrumentu nie powoduje odbicia dokładnie w miejscu końca rurki – fala „wychodzi” nieco z instrumentu zanim będzie odbita z powrotem. Rurki są akustycznie dłuższe niż ich fizyczna długość. „Wydłużenie” wynosi 61% promienia rurki. W przypadku rurek otwartych z obu stron wydłużenie następuje na obu końcach instrumentu.