Как работает фортепиано: молоточки, струны, дека и педали

Нажмите клавишу фортепиано — и запустите цепочку примерно из двадцати механических деталей, которая завершается тем, что войлочный молоточек ударяет по струне и отскакивает прежде, чем струна успевает начать вибрировать. Всё остальное — звук, который вы слышите, то, как он затихает, то, как педали его изменяют, — вытекает из этого единственного механического события.

От клавиши к струне: механика

Механика фортепиано — это система рычагов между клавишей и струнами. Когда вы нажимаете клавишу с переднего края, дальний конец поднимается и подталкивает вверх деталь, называемую вилюшкой (wippen). На вилюшке закреплён небольшой поворотный рычаг — толкатель (jack) (или толкатель эскапемента). Когда вилюшка поднимается, толкатель толкает ролик молоточка вверх, бросая молоточек к струне.

Цепочка действий от клавиши к струне. Нажатие клавиши с переднего края поднимает вилюшку; толкатель на вилюшке подталкивает ролик молоточка, бросая молоточек к струне. Демпфер лежит на струне до тех пор, пока клавиша его не поднимет.

Непосредственно перед тем, как молоточек достигает струны, носик толкателя ударяется о небольшую регулировочную (пальпетную) кнопку, которая заставляет толкатель выйти из-под ролика молоточка. Теперь молоточек находится в свободном полёте — он ни к чему не подключён. Он ударяет по струне и немедленно отскакивает, позволяя струне вибрировать свободно, не заглушаясь молоточком, лежащим на ней. Этот поворот и освобождение и есть эскапемент (escapement) — определяющий механизм фортепиано. Без него молоточек прижимался бы к струне и глушил звук.

Эскапемент также позволяет быстро повторять ноту, потому что толкатель может сбросить с себя нагрузку, пока клавиша ещё нажата частично. Современный механизм репетиции (патент Эрара 1821 года) добавляет репетиционный рычаг, который перехватывает молоточек на полпути назад, так что толкатель может повторно зацепиться без полного возврата клавиши.

Молоточек

Фортепианные молоточки — это прессованный войлок, натянутый на деревянный сердечник. Войлок во внешних слоях плотнее, чем во внутренних, что позволяет молоточку немного сжиматься при ударе и производить более тёплый звук при тихой динамике и более яркий, жёсткий тон при сильном ударе. Со временем войлок в месте контакта со струной продавливается; техники периодически иглонабивают или переформируют войлок для восстановления тона.

Молоточки для самых низких басовых нот могут быть более чем вдвое больше молоточков для самых высоких дискантовых нот, потому что низкие струны толще и требуют больше энергии для эффективной вибрации.

Скорость, с которой молоточек движется в момент удара, — определяемая тем, как быстро и сильно вы нажимаете клавишу, — управляет громкостью и в какой-то мере тембром. Медленно движущийся молоточек мягко сжимает войлок и производит мягкий, округлый тон; быстро движущийся молоточек сжимает его сильнее и производит более громкий, яркий звук. Именно поэтому полное название инструмента — pianoforte (итал.: «тихо–громко»): в отличие от клавесина, который щиплет свои струны с постоянной силой независимо от прикосновения, фортепиано реагирует на физическое давление исполнителя. Скорость молоточка в момент контакта со струной — это главная выразительная переменная инструмента.

Демпфер

На большинстве струн, над молоточками, лежит ряд демпферов — небольших блоков с войлочными подушечками, прижатых к струнам. Когда вы нажимаете клавишу, механизм вилюшки также поднимает демпфер этой ноты, освобождая её струны для вибрации. Когда вы отпускаете клавишу, демпфер опускается обратно и заглушает ноту.

Демпфер лежит на своих струнах (клавиша отпущена) и поднят (клавиша нажата). Войлочная подушечка заглушает струны до нажатия клавиши. Пока клавиша нажата, демпфер остаётся поднятым и струны вибрируют свободно. Отпускание клавиши возвращает демпфер на струны и останавливает звук.

Около 18 верхних нот фортепиано не имеют демпферов, потому что эти короткие струны самостоятельно быстро теряют энергию и не нуждаются в них. Именно поэтому очень высокие ноты ненадолго продолжают звучать даже без педали. Всё, что ниже этого диапазона, — фактически всё фортепиано кроме последней октавы с половиной, — гасится демпфером при отпускании клавиши.

Струны: высота тона, длина, натяжение и масса

Натянутая струна вибрирует на частоте, определяемой тремя величинами: её длиной, её натяжением и её массой на единицу длины (по существу, её толщиной). Соотношение задаётся законом Мерсенна:

Как длина струны, натяжение и масса на единицу длины определяют высоту тона. Более короткие струны вибрируют быстрее (выше тон); меньшая масса на единицу длины означает более быструю вибрацию; большее натяжение повышает тон. Мастера фортепиано регулируют все три параметра по всему диапазону.

• Более короткие струны вибрируют быстрее → выше тон.
• Более тонкие струны (меньше масса на единицу длины) вибрируют быстрее → выше тон.
• Большее натяжение вызывает более быструю вибрацию → выше тон.

Струны фортепиано натянуты при очень высоком натяжении — современный концертный рояль имеет около 220 струн с суммарным натяжением около 20 тонн, — поэтому инструменту нужна чрезвычайно жёсткая рама. Эта рама — чугунная плита (также называемая арфой или рамой), которую болтами крепят к деревянному корпусу; она несёт практически всё натяжение струн. Плита обычно окрашена в золотой цвет и является наиболее заметной внутренней деталью при открытой крышке. До разработки полной чугунной плиты в середине XIX века рамы фортепиано изготовлялись из дерева с железными укреплениями; они не могли удержать достаточного натяжения, чтобы придать инструменту мощь и сустейн, которых сегодня ожидают от концертных инструментов. Полностью железная рама, доведённая до совершенства фирмой Steinway и другими в 1850-е и 1860-е годы, сделала возможным современный концертный рояль.

Чугунная плита (арфа) рояля, вид сверху с открытой крышкой. Колки удерживают верхние концы струн; струны проходят по плите и через подставку к штифтам на дальнем конце. Плита несёт практически всё натяжение, позволяя деревянному корпусу свободно резонировать.

Басовые струны: одиночные и обмотанные

В басу одиночные струны должны были бы быть нереально длинными для вибрации на нужных низких частотах. Вместо этого струны обматываются медью: тонкая стальная жила обматывается медной спиралью, увеличивая массу на единицу длины, не удлиняя саму струну. Басовые струны всегда одиночные — одна струна на ноту — и заметно толще и длиннее дискантовых.

Поперечные сечения простой дискантовой струны (слева) и медно-обмотанной басовой струны (справа). Медная обмотка резко увеличивает массу на единицу длины, позволяя низкой ноте уместиться в физической длине инструмента без того, чтобы стальная струна становилась невозможно толстой.

Дискантовые струны: двухорные и трёхорные

Средний и верхний регистры используют несколько струн на ноту. Большинство средних нот используют две струны, настроенные на одну высоту тона (двухорный хор), а верхние две трети клавиатуры, как правило, используют три струны (трёхорный хор). Несколько струн служат двум целям: они увеличивают громкость (больше площади поверхности струн излучает звук) и позволяют ноте звучать дольше, потому что струны делят энергию и каждая теряет её медленнее, чем одиночная струна.

Группировка струн по диапазону. Басовые ноты используют одиночную медно-обмотанную струну. Средние ноты используют две струны в унисон (двухорный хор). Высокие ноты используют три струны в унисон (трёхорный хор). Все струны одной ноты настроены точно на одну высоту тона и ударяются одним молоточком одновременно.

Все струны одной ноты настроены на одну высоту тона и ударяются одним молоточком, ширина которого подобрана так, чтобы контактировать со всеми одновременно.

Дека и подставка

Вибрирующая в одиночестве струна почти неслышна — её тонкий диаметр слишком мало движет воздух. Энергия вибрации передаётся через подставку (полоска твёрдого клёна, приклеенная к верхней поверхности деки) в саму деку.

Дека — это большая слегка выпуклая панель из радиально пиленой ели, обычно толщиной 8–10 мм. Ель выбрана за исключительное соотношение жёсткости к весу: она легко движется в ответ на приводящую силу подставки, но достаточно жёстка, чтобы противостоять деформации. Благодаря большой площади поверхности дека перемещает несравнимо больше воздуха, чем одна струна, и резко усиливает звук.

Путь вибрации. Струна вибрирует и передаёт энергию через подставку к еловой деке. Большая площадь поверхности деки эффективно перемещает воздух, производя слышимый звук.

Дека также формирует тембр: особые резонансы деки на разных частотах вносят вклад в характерную окраску данного инструмента. Именно поэтому два концертных рояля одной модели, изготовленные на одной фабрике, могут ощутимо различаться по звуку. Лёгкий изгиб деки — так называемый купол — создаётся в процессе изготовления путём изгибания и склейки панели под давлением. За десятилетия купол может выпрямиться по мере расслабления древесины, что способствует постепенному изменению тона у стареющих инструментов. Рёбра, приклеенные с обратной стороны деки, контролируют распределение купола и то, как вибрация распространяется по ширине панели.

Строй: равномерная темперация

Современное фортепиано настраивается в равномерную темперацию: октава делится на 12 равных полутонов, каждый с частотным отношением ровно 2^(1/12) ≈ 1,0595. Это означает, что каждый интервал, кроме октавы, является лёгким компромиссом — чистая квинта в равномерной темперации примерно на 2 цента уже, чем чистое отношение 3:2, — но преимущество состоит в том, что инструмент звучит одинаково чисто в любой тональности, что стало необходимым, когда музыка начала свободно модулировать между тональностями. Обертоновый ряд объясняет, почему чистые интервалы — более простые частотные отношения, и почему равномерная темперация их приближает, но не воспроизводит в точности.

Настройка фортепиано осуществляется путём регулировки натяжения каждой струны настроечным ключом на колке. Поскольку высокие струны натянуты с экстремальным напряжением, их фактическая частота вибрации из-за негармоничности (inharmonicity) немного превышает значение равномерной темперации — жёсткость струны делает её верхние частичные тоны слегка завышенными. Опытные настройщики фортепиано компенсируют это небольшим растяжением октав: верхняя часть инструмента настраивается чуть выше чистого значения, а бас чуть ниже, чтобы частичные тоны басовых нот совпадали с основными тонами дискантовых нот.

Растяжение октав в настройке фортепиано. Идеально равномерно темперированная настройка (прямая линия) приводила бы к биениям между высокими частичными тонами басовых струн и основными тонами дискантовых струн, поскольку негармоничность завышает частичные тоны. Настройщики компенсируют это, настраивая бас чуть ниже чистого значения, а дискант — чуть выше, следуя по кривой собственной негармоничности инструмента.

Рояль и пианино: два способа возврата молоточка

В рояле молоточки горизонтально подвешены к рейке над струнами (струны расположены горизонтально, уходя от исполнителя). После удара молоточка гравитация тянет его обратно в положение покоя. Это быстро и надёжно, и позволяет механизму репетиции работать плавно.

Механика рояля (слева): молоточки бьют вверх или вперёд; гравитация возвращает их. Механика пианино (справа): молоточки бьют горизонтально; возвратная пружина тянет их назад. Гравитационный возврат рояля быстрее и позволяет репетиционному рычагу эффективно работать на высоких скоростях.

В пианино струны расположены вертикально, а молоточки бьют горизонтально. Гравитация не может возвратить горизонтально движущийся молоточек; вместо этого возвратная пружина (называемая также петличным тесьмой и пружинным узлом) тянет каждый молоточек назад после удара. Возврат пружиной надёжен, но по природе своей медленнее гравитации, поэтому механики пианино не могут повторять ноты так же быстро, как хорошие механики рояля. Для большинства домашних занятий это не имеет практического значения, но быстрые повторяющиеся ноты (такие как повторяющиеся ноты в Alborada del gracioso Равеля) легче контролировать на рояле.

Три педали

У современного рояля три педали. У пианино иногда две, иногда три, но функции средней педали нередко различаются.

Три педали рояля. Правая: педаль сустейна, поднимающая все демпферы. Средняя: sostenuto, удерживающая только те ноты, которые были нажаты в момент нажатия педали. Левая: мягкая педаль (una corda), сдвигающая механизм вбок.

Педаль сустейна (правая)

Педаль сустейна (также называемая демпферной педалью или громкой педалью) поднимает все демпферы одновременно. Пока она нажата, каждая сыгранная нота продолжает звучать после отпускания клавиши, а незаглушённые струны всего фортепиано могут резонировать симпатически со звучащими нотами. Этот симпатический резонанс — незаглушённые струны, вибрирующие в ответ на энергию, которую они разделяют со звучащими нотами, — является источником характерного расцвета и теплоты, которые педаль сустейна добавляет звуку. Техника, тайминг и нотация педали сустейна рассматриваются в отдельном руководстве в блоге Tissimo.

Мягкая педаль (левая): una corda на рояле

На рояле левая педаль — это педаль una corda. При нажатии весь механизм смещается на несколько миллиметров вправо, так что в дискантовом регистре каждый молоточек (ширина которого рассчитана на удар по всем трём струнам трёхорного хора) ударяет только по двум из трёх своих струн. Молоточек также касается части войлока, которая менее изношена и мягче центральной ударной зоны, изменяя тембр в дополнение к громкости. Совокупный эффект — более тихий, слегка завуалированный тон, который отличается по качеству от простого тихого нажатия без педали.

Термин una corda (итал.: «одна струна») происходит от ранних фортепиано, некоторые из которых смещались настолько, что молоточек ударял только по одной струне. На современных роялях, где на большей части диапазона три струны, сдвиг обычно даёт в дискантовом регистре эффект due corde («две струны»), а не истинный контакт с одной струной. Однако название педали сохранилось.

Педаль una corda рояля сдвигает механику вбок, так что каждый молоточек касается на одну струну меньше. В дискантовом регистре, где у нот три струны, это создаёт эффект due corde (двух струн).

На пианино левая педаль работает иначе: она сдвигает молоточки вперёд, ближе к струнам, сокращая расстояние, которое молоточек проходит до удара, и тем самым ограничивая его ударную силу. Это смягчает тон, но не меняет тембр так же, как сдвиг una corda на рояле.

Педаль sostenuto (средняя, рояль)

Педаль sostenuto — самая избирательная из трёх. Когда вы удерживаете одну или несколько клавиш, а затем нажимаете sostenuto, внутри фортепиано поднимается рейка, которая захватывает демпферы только этих нот — тех, что были подняты в момент нажатия педали. Эти демпферы остаются поднятыми, пока педаль нажата, позволяя именно этим нотам звучать. Все остальные ноты играются и заглушаются обычным образом.

Это позволяет удерживать одиночную басовую ноту или аккорд на педали, играя при этом другой материал с чистым заглушением сверху — эффект, невозможный с помощью педали сустейна, которая равномерно поднимает все демпферы. «Jeux d'eau» Равеля и несколько прелюдий Дебюсси используют sostenuto для удержания педальных тонов, пока над ними меняются гармонии; на инструментах без настоящего sostenuto принято использовать полупедаль или осторожную переподачу педали в качестве приближения.

Педаль sostenuto захватывает только те демпферы, которые уже были подняты в момент нажатия педали. Заштрихованные демпферы остаются поднятыми, удерживая звучание этих нот; все остальные демпферы работают нормально.

Педаль sostenuto не является универсальной на пианино. На многих пианино — особенно предназначенных для домашнего использования — средняя педаль вместо этого является педалью практики (называемой также сурдинной педалью): она опускает полосу войлока между всеми молоточками и всеми струнами, резко снижая громкость до тихого глухого звука. Это позволяет заниматься, не беспокоя окружающих, но изменяет тон настолько, что не пригодно для музыкального использования. Некоторые европейские пианино имеют лишь две педали, полностью опуская среднюю.

Соединяя всё вместе: как звучит нота

Когда вы нажимаете клавишу, рычажная система поднимает вилюшку, толкатель бросает молоточек, и демпфер этой ноты поднимается. Молоточек летит в свободном полёте (эскапемент уже разъединён), ударяет по одной или нескольким струнам и отскакивает. Струны вибрируют на высоте тона, заданной их длиной, натяжением и массой, и передают эту вибрацию через подставку деке, которая излучает звук в комнату. Пока вы удерживаете клавишу, демпфер остаётся поднятым и нота звучит. Отпустите клавишу, и демпфер опустится обратно, останавливая вибрацию.

Педаль сустейна добавляет ещё один слой: она держит все демпферы поднятыми независимо от клавиш, так что комната наполняется симпатическим резонансом, и звук звучит ещё долго после того, как клавиши отпущены. Мягкая педаль окрашивает тон у его источника, изменяя точку контакта молоточка со струной. Педаль sostenuto избирательно фиксирует выбранный набор басовых тонов, пока всё сверху движется свободно.

Эта цепочка — рычаг, эскапемент, молоточек в свободном полёте, струна, подставка, дека — остаётся практически неизменной со времён первых инструментов Бартоломео Кристофори около 1700 года. Усовершенствования касаются деталей: чугунная рама, выдерживающая натяжение 20 тонн струн, точность репетиционного рычага, тщательная регулировка каждого эскапемента, интонировка войлока. Механизм древний; точность — современная.

Полная цепочка от нажатия клавиши до звука. Эскапемент освобождает молоточек до контакта со струной; струна передаёт энергию через подставку деке; демпфер управляет тем, когда нота останавливается. Педали действуют на систему демпферов независимо от клавиш.

Источники

• Piano — Wikipedia
• Piano action — Wikipedia
• Piano wire — Wikipedia
• Soundboard (music) — Wikipedia
• Piano pedals — Wikipedia
• Una corda — Wikipedia
• Sostenuto pedal — Wikipedia
• Equal temperament — Wikipedia
• Inharmonicity — Wikipedia
• Bartolomeo Cristofori — Wikipedia
• Mersenne's laws — Wikipedia
• Piano tuning — Wikipedia
• Piano — Encyclopaedia Britannica
• Why do the upper ~18 notes of my Kawai digital piano sustain without using the damper pedal? — Kawai