Материалы взял с очень интересного сайта Instruments for Natural Philosophy, посвящённого старым измерительным приборам из различных областей науки и техники. Помещаю изображения и краткое описание приборов из XIX века, предназначенных для исследования звуковых колебаний.
Резонатор Гельмгольца.
Резонатор Гельмгольца представляет собой полый сосуд с двумя отверстиями. Одно отверстие улавливает звуковые волны, а ко второму можно присоединить тонкий резиновый патрубок и через него слушать.
Цилиндрический резонатор позволяет изменять свой объём, тем самым меняя частоту резонанса.
А этот резонатор возбуждается вилкой-камертоном, приводимой в движение электричеством, и является частью большого прибора – Синтезатора Фурье.
Манометрическая капсула.
Рудольф Кёниг разработал манометрическую капсулу в 1862 году. Идея состоит в том, что в имеющуюся ёмкость, разделённую пополам мембраной, с одной стороны через воронку поступают звуковые волны, в другую половину подаётся горючий газ, который горит с другой стороны капсулы. Мембрана под действием звука колеблется, тем самым модулируя подачу газа, вследствие чего меняется высота пламени. Колеблющееся пламя наблюдается во вращающемся зеркале. Вращение нужно для лучшего наблюдения пламени, по всей видимости, эффект стробоскопа.
Ориентировочная дата изготовления аппаратов – конец XIX – начало XX веков.
Анализатор Фурье.
Аппарат для анализа звука, состоящий из резонаторов Гельмгольца, настроенных на основную частоту исследуемого звука и его гармоники. Каждое отверстие в резонаторах соединено резиновой трубкой с манометрической капсулой и во вращающемся зеркале можно наблюдать высоту пламени, пропорциональную составляющей Фурье в звуковой волне.
Синтезатор Фурье.
Вполне логично было после создания анализатора звука подойти к решению другой, не менее интересной задачи – синтезировать звук.
Примерно в 1880-х годах Гельмгольц разработал аппарат, который назывался «Большой аппарат Гельмгольца для соединения тембров из 10 гармоник». Термина «синтез Фурье» тогда не было, а говорили о комбинации тонов для формирования различных гласных звуков.
Десять электрически возбудимых камертонов, расположенных возле входного отверстия резонатора Гельмгольца, настроены на ту же частоту, что и резонатор, включаются и звучат все сразу, но издают тихий звук. При нажатии на клавишу чёрная заглушка на соответствующем резонаторе отклоняется от отверстия и звук становится громче. Для поглощения вибрации от резонаторов на дно основания прибора приделана резиновая прокладка.
Гармоническая составляющая гласного звука определяется с помощью анализатора Фурье, а затем может быть воссоздана с помощью синтезатора. Составляющая каждой гармоники варьируется путём изменения силы нажатия на соответствующую клавишу.
Увеличенная часть аппарата с маленькими камертонами показывает, как используется железная скоба в полной магнитной цепи через настроенный камертон, когда катушка возбуждена. Надо сказать, что этот прибор конца XIX века до сих пор находится в прекрасном состоянии.
Двойная сирена - первый генератор звука.
В любой науке учёные стремятся выделить некую малую часть исследуемого вещества, процесса или явления. Так и в акустике. В стародавние времена, первые исследователи звука тоже поставили себе задачу по выделению некой «единицы звучания». В теории-то всё было уже понятно, благодаря Фурье – было известно, что любой звук математически запросто раскладывается на составляющие синусоиды разной частоты и амплитуды. А вот получить эту элементарную синусоиду – чистый тон – на практике оказалось делом весьма непростым. Учитывая то, что электрических генераторов тогда не было.
В 1819 году французский учёный-физик барон Шарль Каньяр де ла Тур (1777-1859) сконструировал первый прибор, позволяющий получить более-менее чистый тон с минимумом гармоник. Устройство назвали сиреной, и представляло оно собой конструкцию с вращающимся диском, равномерно утыканным отверстиями и воздушный компрессор. При вращении диска струя воздуха, попадая в отверстия, формирует частоту, которая зависит от скорости вращения диска и от количества отверстий в нём.
Некоторые конструкции сирен имеют несколько рядов отверстий, что позволяет извлекать несколько нот одновременно. Это улучшение придумал Генрих Вильгельм Дове в 1851 году.
Конструкцию сирены до совершенства довёл Герман фон Гельмгольц. Он соединил две сирены Дове и оснастил их некоторыми важными приспособлениями. Эта двойная сирена обладала большими возможностями по синтезу звука – можно было задавать произвольные интервалы, аккорды, исследовать интерференцию и пр. То есть, по сути, получился механический синтезатор.
А вот как это работало:
А на этом видео целый музыкальный инструмент!