Fizyka instrumentów - fizyka hordofonów

W chordofonach dźwięk jest emitowany przez falę stojącą wytwarzaną w strunach instrumentu. Pierwszym etapem wytwarzania dźwięku jest szarpnięcie (np. w gitarze), pociągnięcie smyczkiem (np. w skrzypcach) bądź uderzenie młoteczkiem (jak w fortepianie) struny, co powoduje powstanie na strunie fali poprzecznej, która odbijając się od miejsca zaczepienia struny wywołuje powstanie fali stojącej. Na końcach struny zawsze występują więc węzły fali stojącej. Częstotliwość podstawowa powstającej fali to

gdzie L – długość struny, v - prędkość fali.

Prędkość fali w strunie zależy od dwu czynników: naprężenia wewnątrz struny i liniowej gęstości masy (= ilość masy na jednostkę długości struny). Większe naprężenie spowoduje szybszy powrót do położenia równowagi, a więc również większą prędkość fali w strunie. Im większa liniowa gęstość masy tym większa bezwładność struny i mniejsza prędkość fali

  gdzie T – naprężenie struny, μ – liniowa gęstość masy.

Częstotliwość fali dźwiękowej produkowanej przez drgającą strunę zależy więc wprost proporcjonalnie od naprężenia struny a odwrotnie proporcjonalnie od długości struny i od gęstości materiału, z którego wykonana jest struna. Naprężanie i poluźnianie struny powoduje, że odpowiednio więcej, lub mniej siły należy włożyć w wywołanie drgania struny.

Pobudzona struna może drgać w dowolny sposób jeśli tylko spełnia warunek powstawania fali stojącej. Zwykle drga ona w wielu modach jednocześnie, tzn. produkuje falę złożoną z wielu tonów o częstotliwościach harmonicznych. Pierwszy mod drgań wywołuje falę o częstotliwości podstawowej, mod drugi – falę o częstotliwości dwukrotnie większej, trzeci – trzykrotnie większej itd.
(patrz Rysunek 2‑1). Stąd w widmie dźwięku wywołanym przez drgającą strunę obecne są te wszystkie składowe harmoniczne.

Rysunek 2‑1 Mody drgań struny 

Struny mają bardzo mały przekrój, więc stawiają mały opór powietrzu – struna rozpięta na dwóch zaczepach i szarpnięta wydaje bardzo cichy dźwięk, gdyż nie wywoła ona drgania odpowiedniej ilości powietrza, żeby fala dźwiękowa dawała wrażenie silnego dźwięku. Ponadto z powodu dużej impedancji między struną i zaczepami również zaczepom nie będzie przekazywana wystarczająca ilość drgań żeby ich drgania wywoływały silniejszą falę.

Nieelektryczne instrumenty strunowe są wyposażone w pudła rezonansowe, które są pobudzane do drgania poprzez drgania strun. Pudło rezonansowe wzmacnia wytwarzany przez strunę dźwięk. Ważne jest, aby pudło rezonansowe miało podobną impedancję co mostek, żeby fala nie ulegała odbiciu na granicy mostek – pudło, ale by jak największa część energii fali była transmitowana do pudła.

W elektrycznych instrumentach strunowych (np. gitara elektryczna) drgające metalowe struny znajdują się w stałym polu magnetycznych - pod strunami umieszczony jest przetwornik magneto-elektryczny wyposażony w magnesy w kształcie walca na które nawinięta jest cewka z drutu. Wskutek drgań strun, w cewce indukuje się napięcie, które jako sygnał wyjściowy z instrumentu przekazywane jest do wzmacniacza, tam zaś sygnał jest przetwarzany i wzmacniany.