Физика музыки

Как благодаря науке создаётся звук, трогающий до глубины души
Физик-музыкант
Король инструментов
Зал Его Величества
Дарья Вяльцева    

Великому композитору Людвигу ван Бетховену приписывают фразу: «Музыка — откровение более высокое, чем мудрость и философия». Но с этим можно поспорить, ведь без мудрости и научного подхода воздействие музыки на нашу психику не было бы столь мощным и чарующим. Математике и физике мы обязаны появлением сложнейших музыкальных инструментов и совершенных в акустическом плане концертных залов.
О том, как создаются звуки, задевающие самые тонкие струны души, oLogy рассказывает в трёх историях: о физике-органисте, его любимом инструменте и идеальном концертном зале.

Физик-музыкант

Объёмный сказочный звук словно предзнаменование чуда. Он разливается под сводами лютеранской кирхи, резонируя в самом сердце... Так маленький Павел представлял себе звучание органа, когда прогуливался с родителями рядом с церковью святого Михаила на Васильевском острове в Ленинграде. К сожалению, органа в этой церкви давно не было —его разрушили после Октябрьской революции, а от кирхи осталась только наружность, внутри её переоборудовали в фабрику спортинвентаря.

— Не знаю, почему меня завораживала именно эта кирха, может быть, из-за высокого острого готического шпиля, но помню, как проходя мимо неё, я всё время воображал орган, который когда-то там был. Я пытался представить, как он выглядел, как он звучал. Меня очень волновали эти вопросы, — с улыбкой вспоминает своё детство Павел Кравчун, сотрудник кафедры акустики физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова и смотритель одного из крупнейших в России органов.

Мама и тётя Павла были ценителями классической музыки, они часто ходили в Ленинградскую филармонию и иногда брали мальчика с собой. Позже Павел стал приходить и в консерваторию, где ему разрешали оставаться в органном классе или в зале во время занятий студентов-музыкантов и даже пускали поиграть на органе.

— Для меня было радостью, когда какой-нибудь нерадивый ученик не приходил на занятия в консерваторию. Тогда я мог часами играть на инструменте, — рассказывает Кравчун.

Вскоре отца Павла, военного моряка, перевели в Москву. Естественно, вместе с главой семейства в столицу со временем перебралась и вся семья. Павел по-прежнему увлекался музыкой и решил продолжить регулярные походы уже в Московскую консерваторию. Однако там его приняли довольно холодно, а к органу и вовсе не подпускали.
Что его жизнь будет связана с органной музыкой, Павел окончательно понял, когда побывал на выступлении известного советского органиста Гарри Гродберга. Правда, одним музицированием юноша ограничиваться не хотел — ему было важно понять, как создаётся звучание, подобное которому не способен воспроизвести ни один другой инструмент.

— Орган — это огромное сооружение, и мне всегда хотелось залезть внутрь и посмотреть, что там находится, понять, как он «живёт» — говорит Кравчун. — В школе я осознал, что по-настоящему понять, как звучит орган и что это вообще за инструмент, может только физик-акустик.

За ответом на этот вопрос Павел, будучи девятиклассником, пришёл на физфак МГУ в кружок музыкальной акустики, который вёл известный во всём мире физик Лев Термен.
На занятиях Термен объяснял слушателям основы гармонии, принципы звучания разных инструментов, знакомил с новыми музыкальными тенденциями, законодателем которых во многом был он сам. Учителя мало интересовали традиционные инструменты — он всегда думал о концептуальных вещах. В одной из книг Термен писал, что всегда ставил себе целью полностью избавить исполнителей от сложного звукоизвлечения, чтобы они могли направить все силы на работу с мелодией: «Все способности исполнителя должны выражаться именно в управлении музыкальной тканью. Он не должен отвлекаться для самого генерирования звуков и снабжения музыкальных инструментов своей механической энергией».

Лев Термен
(1896–1993) — советский физик, инженер и изобретатель. Учился в консерватории по классу виолончели и одновременно на физико-математическом факультете Петроградского университета. Работал под руководством академика Абрама Иоффе, которого нередко называют отцом советской физики, в Физико-техническом институте. Создал несколько инновационных музыкальных инструментов. Наиболее известный среди них — терменвокс.

— Безусловно, именно создание новых принципов звучания и управления звуком были его главной целью, — вспоминает наставника Павел Кравчун.

В далёком 1920 году Лев Термен открыл принципиально новый метод создания звука и представил публике терменвокс. Этот инструмент — воплощение мечты об устранении барьеров между музыкантом и мелодией — заинтересовал не только научное сообщество, но и высшее руководство страны. Известно даже, что в 1922 году Термен добился встречи с Лениным, который увидел в изобретении способ пропаганды электрификации. Так физик-музыкант получил разрешение на проезд по железным дорогам страны и отправился в многолетний тур по СССР. В 1927 году его пригласили на выставку в Германию. Там диковинный инструмент произвёл настоящий фурор, и Термена стали звать выступать с концертами в Европу и США.

Терменвокс
Первый электронный музыкальный инструмент, позволяющий извлекать звуки бесконтактно. Происходит это за счёт изменения электрической ёмкости, которую провоцирует движение руки исполнителя около антенны прибора. Изначально Лев Термен вовсе не планировал создавать музыкальный инструмент — он разрабатывал охранную сигнализацию, реагирующую на движения. С этой задачей он справился, однако изобретательская мысль и любовь к музыке увели его дальше — в область гармоничных звуков. Первое время инструмент называли этеротоном (от лат. aether — эфир), чтобы подчеркнуть, что звуки извлекаются прямо из воздуха, без каких-либо механических воздействий на инструмент.

В 1928 году Лев Термен переехал в Соединённые Штаты, где запатентовал терменвокс и наладил его серийное производство. Однако в конце 1930-х Народный комиссариат внутренних дел СССР потребовал от Термена вернуться в Москву. По возвращении его осудили по сфабрикованному делу и отправили на строительные работы в лагерь на Колыму. Там быстро разглядели уникальный изобретательский ум Термена и перевели его в опытно-конструкторское бюро при НКВД — ЦКБ-29, которое в народе называли «Туполевской шарагой». Вместе со своим юным помощником, коим был не кто иной, как Сергей Королёв (в будущем знаменитый конструктор ракетно-космической техники), Термен занимался военными разработками. Естественно, даже по окончании уголовного срока путь за рубеж ему был заказан. Он остался в Москве, какое-то время проработал в Московской консерватории, которую иронично называл «самой консервативной организацией», а позже перешёл на физфак МГУ. Формально в университете он числился механиком высшей квалификации, но на самом деле до конца жизни продолжал заниматься наукой и экспериментальной музыкой.

В 1974 году Термен прочитал в МГУ факультативный курс «Музыкальная акустика», на который снова пришёл Павел Кравчун, но уже будучи студентом-физиком. Сегодня Павел сам преподаёт на кафедре акустики физфака МГУ, и, наряду с множеством новых результатов, старается передавать молодому поколению акустиков и те уроки, которые когда-то воспринял от Льва Термена. А кроме учебной работы, участвует в проектировании органов и концертных залов для них.

— Вы помните свой первый проект? — спрашиваю я акустика.

— Конечно! В 1988-м на кафедру пришло письмо из Владивостока. Там в здании музея Тихоокеанского флота — бывшей кирхе — хотели создать органный зал Приморской филармонии, и специалистов кафедры попросили оценить акустические качества помещения и его пригодность для установки органа. Я сомневался, браться мне за это или нет. Но заведующий кафедрой, Владимир Александрович Красильников сказал: «Обязательно нужно этим заняться! Зал — это ведь и есть настоящая акустика». Так вместе с латышским композитором и органистом Айваром Калейсом я отправился во Владивосток. Всю ночь, пока летели, говорили об органах, — делится Павел.

Предложенное помещение начинающий акустик и его коллега-музыкант единодушно забраковали. Но Кравчун предложил альтернативный вариант — переоборудовать под установку органа здание Государственного архива Приморского края. Тогда, в конце 1980-х, к его идее не прислушались. Однако в 2015 году, когда здание было уже передано католической церковной общине, всё же реализовали: в этом помещении появился орган. Причём не простой, а созданный филиппинцами — уникальный для нашей страны экземпляр.
Теперь за плечами акустика множество проектов. Он занимался разработкой акустических решений для Государственной академической капеллы Санкт-Петербурга, Концертного зала органной и камерной музыки «Родина» в Челябинске, Органного зала в Набережных Челнах, Пермской краевой и Мурманской филармоний, училища Гнесиных в Москве. Курировал строительство и реставрацию нескольких концертных органов, в числе которых один из самых крупных в России и самый большой в Москве — орган Светлановского зала Московского международного Дома музыки.

— Вообще, со временем я всё больше укреплялся в мысли, что последнее веское слово в решении акустических проблем и в органостроении должно оставаться за специалистами и органостроителями, — в мягком голосе Павла слышатся нотки строгости. — При этом, конечно, они должны прислушиваться к советам профессиональных и опытных музыкантов. Но решающее слово всё же — за органными мастерами и акустиками.

Король инструментов

Предок органа назывался гидравлос (давление воды создавало потоки воздуха нужной силы). В нём было около десяти труб — всего ничего по сравнению с современными органами, состоящими из тысяч, а порой из десятков тысяч труб. Этот музыкальный инструмент появился ещё в Античности: по некоторым свидетельствам, его придумал Ктесибий — древнегреческий математик и механик, основатель пневматики.

33116 труб

у самого большого органа в мире. Находится он в концертном зале Бордуок в Атлантик-Сити (США). Инструмент построили на рубеже 20–30-х годов прошлого столетия. Весит этот музыкальный гигант около 300 тонн.

В Раннем Средневековье появились инструменты, совсем близкие к нынешним. Благодаря огромному количеству труб они создавали объёмное и очень мощное звучание — столь впечатляющее, что слушатели назвали орган «королём инструментов». Люди полагали, что его звуки обладают мистической силой, место которой в доме Бога — храме. Сегодня, разумеется, услышать орган можно не только в католических и протестантских храмах — как мы уже знаем, даже помещения архивов и музеев переоборудуют под концертные залы. Тем не менее почтительное отношение к этому музыкальному инструменту сохраняется. Открытие органа после установки называется инаугурацией, а ответственного за него человек — смотрителем.

Павел Кравчун стал смотрителем органа Московского международного Дома музыки в 2004 году. А до этого он был одним из главных экспертов при строительстве инструмента — сформулировал техническое задание и следил за его выполнением. По словам Кравчуна, архитекторы хотели сделать инструмент компактным, но он смог переубедить их — так орган Дома музыки вырос до размеров пятиэтажного дома. У этого тридцатитонного музыкального сооружения около 6000 труб, 4 мануала — ручные клавиатуры и педальная (ножная) клавиатура.

Чтобы трубы органа звучали, нужен мощный воздушный поток — внутри современных инструментов он нагнетается при помощи электромоторов. Несколько веков назад роль таких моторов выполняли люди — их называли калькантами, или качальщиками: весом собственного тела они давили на специальные мехи инструмента, загоняя воздух внутрь.
Группы труб с похожим звучанием называются регистрами и включаются специальными рычагами на боковых панелях пульта органа. Органист включает нужный регистр, нажимает на клавишу, и тонкие деревянные рейки открывают клапан, пуская воздушный поток к нужной трубе.
Воздух в трубах колеблется по-разному, соответственно, и звучит различно — в зависимости от типа трубы и её размера, а также от температуры и влажности помещения.

Если закрыть глаза и слушать, как звучат по отдельности трубы органа, можно вообразить, что находишься в зоопарке

Если труба лабильная, выходящий из неё звук будет мягким, похожим на звучание флейты. У язычковой трубы (внутри таких труб есть тонкие металлические пластинки — колеблющиеся язычки) звучание более резкое и богатое обертонами.
Я стою в Светлановском зале и созерцаю подопечного Павла Кравчуна — второй по величине орган в России. Физик поднимается на второй этаж инструмента, осторожно, чтобы не повредить тонкий металл, вынимает из стойки язычковую трубу и дует в неё — звук получается резкий и звонкий.
Если закрыть глаза и слушать, как звучат по отдельности трубы органа, можно вообразить, что находишься в зоопарке, где ревут, пищат, рычат, кричат самые разнообразные животные.

Спустившись на первый этаж, акустик садится за инструмент, вытягивает на себя несколько регистровых рукояток и нажимает левые клавиши ножной клавиатуры (педали). Пятиэтажный инструмент издаёт глубокое утробное «бу-у-у-у-у-у» — это «голос кита». Так этот басовый регистр называют сами органные мастера. Его звук находится на нижней границе слышимого человеком звукового диапазона — ниже уже инфразвук. Изменив положение нескольких регистров и переключившись на третий мануал, акустик нажимает на нём верхние клавиши — и махина превращается в огромного комара, выводящего тонкое «ци-и-и-ий» на грани ультразвука.
Тяжело долго слушать такое пищание — морщусь и закрываю уши руками, отхожу к краю сцены в надежде, что звук станет если не тише, то хотя бы мягче. Но не тут-то было — к моему удивлению, пронзительность звучания только усилилась!

Пневматика
Раздел физики, изучающий свойства и характеристики сжатых газов и их смесей, в том числе обычного воздуха, которым мы дышим. Экспериментам в этой области мы обязаны появлением многих механизмов, работающих за счёт перепадов давления, например пневматического оружия, воздушного насоса, дачного душа-топтуна, — в общем, огромного количества полезных вещей и, конечно, некоторых музыкальных инструментов.

— Органист слышит звук иначе, иногда даже более мягко, чем зритель, хотя и находится ближе к инструменту, — объясняет Павел Кравчун. — Например, знаменитый британский органист Саймон Престон, чтобы понять, как слышно звуковой баланс органа в зале, прибегает к такому методу — во время репетиции он мгновенно отрывает руки от клавиш и прикладывает запястья к мочкам ушей.

Акустик включает регистры, нажимает клавиши и, быстро отрываясь от них, подносит руки к ушам:

— Вот так. Благодаря такому приёму мы слышим тот звук, который формируется в зале.

Перед каждым концертом органные мастера и сам смотритель проверяют готовность инструмента к работе. Примерно треть труб (около 2000 труб) нужно подстраивать, обычно это занимает не менее четырёх часов. Делать всё нужно аккуратно и в прямом смысле слова затаив дыхание, чтобы не нагреть воздух вокруг труб. Иначе может измениться строй, а это сильно навредит звучанию.

Зал Его Величества

Король, живущий не во дворце, а в лачуге, не совсем король. Конечно, манеры и благородная осанка могут выдавать в нём голубую кровь. Но для широкой публики это не очень убедительные аргументы. Так и с органом, королём инструментов: волшебство его звучания зависит не только от состояния труб, но и от места, где он царствует. Лишь в грамотно сконструированном концертном зале слушатели могут в полной мере оценить возможности этого музыкального инструмента.

Проектирование и подготовка органного зала обычно занимают от двух до четырёх лет.

— Орган требует определённого объёма помещения, даже для небольшого инструмента нужно минимум 3000 кубических метров, — объясняет Кравчун. — Вот, например, в Светлановском зале 20 000 кубометров. А высота помещения должна быть не меньше 10–12 метров, и очень важно, чтобы удельный объём воздуха на слушателя был не менее 10–12 кубов.

— А какая форма зала считается эталонной? Квадратная, овальная? — я пытаюсь представить зал, в котором мы находимся, без кресел и балконов, чтобы понять, какой он формы.

— Наиболее правильная — вытянутая, прямоугольная, или слегка трапециевидная, она обеспечивает лучшую систему отражений звука. Такая форма, например, у зала Академической капеллы в Петербурге, — Павел открывает энциклопедию «Органы России» и показывает фотографии. — Это один из самых удачных залов в акустическом плане. Светлановский напоминает подкову, но акустика в нём тоже довольно хорошая. В том числе благодаря грамотному расположению органа: инструмент широкий, занимает пространство от самого пола до потолка, его звук словно обнимает зал.

Материал, которым облицованы стены, тоже важный фактор: поверхность должна правильно отражать звук.

— Один из лучших вариантов для отделки зала — сибирская лиственница. Порубить её на дрова почти невозможно: волокна очень плотно сплетены. То, что нужно для акустики, — рассказывает физик.

После того как эксперты оценят основные параметры — объём, высоту, форму зала, — они переходят к расчёту точных акустических показателей. Их выводят по формулам архитектурной акустики.

Главный показатель — время реверберации, то есть степень гулкости зала. Чтобы приблизиться к храмовой акустике, в зале размера Светлановского реверберация должна быть не меньше 2,8 секунды. Представления об идеальной акустике концертных залов меняются с течением времени так же, как и представления о красоте человеческого тела: когда-то в моде были пышные формы, потом это стали называть лишним весом.

— В 1963 году открыли зал Берлинской филармонии — работа акустиков никому не понравилась. Их осуждали, поначалу публике казалось неправильным звучание в зале. Но спустя годы зал стал считаться эталонным, — отмечает акустик.

Ещё один показатель, который обязательно учитывают при создании концертного зала, — Clarity Index, или C80 — индекс ясности звука. Это отношение энергии звукового сигнала, который был воспринят слушателем за первые 80 миллисекунд после прекращения подачи звука, и энергии сигнала по прошествии этого времени, когда звук постепенно затухает. При правильном соотношении звук будет казаться более чистым и прозрачным. Показатель ясности не определяется для всего зала сразу (как время реверберации), он локальный, например, для первых рядов партера и балконов его необходимо рассчитывать по отдельности.

Время реверберации
Продолжительность уменьшения интенсивности звука, происходящая из-за многократных отражений звуковых волн от различных поверхностей (стен, люстр, кресел и т.д.).


— В первом ряду слишком высокий индекс ясности, — объясняет физик-акустик. — Сигнал со сцены идёт фактически прямой, а отражения приходят ослабленными. А в области задних рядов сигнал слабее, поэтому в зале надо создавать дополнительные отражающие поверхности.

— А где в органном зале самое удачное место для слушателя?

— Как ни странно, на балконе, а не в партере, — улыбается Павел. — На органных концертах сам я люблю сидеть в первых рядах балкона, чуть сбоку. Когда воспринимаешь звук сверху и немного асимметрично, лучше чувствуешь, где левая половина органа, где правая, — звук становится более рельефным. И если что-то не так прозвучало, проще понять, где что подправить.

Ключевой момент создания акустики нового или реконструируемого зала — работа над его компьютерной 3D-моделью.

— Трёхмерное моделирование — сложный процесс. Порой нужно ввести тысячи точек, координаты каждого уголка, пилястра, — поясняет Кравчун. — Любая деталь определяет отражение и рассеяние звука. Работаем мы в основном в программе EASERA, это сокращение от Electronic and Acoustic System Evaluation and Response Analysis. Её создал немецкий акустик Вольфганг Анерт, он стажировался на нашей кафедре на физфаке МГУ. Если всё введено корректно, программа выстраивает модель, очень близкую к реальности.

Когда все расчёты завершены, строят рефлектограммы — последовательности прихода прямого звука и отражений в разных точках зала. Если помещение для концертного зала выбрано удачно, рефлектограмма должна показать ровный спадающий график без скученностей или провалов.

— Да, в некоторых аудиториях акустика почти что храмовая, — улыбается физик. — Серьёзно! Но, с другой стороны, МГУ — это же и есть храм науки

Следующий этап — воплощение 3D-проекта в жизнь. И тут акустикам иногда приходится побороться, отстаивая свою концепцию зала.

— Нередко случаются отступления от первоначальной геометрии. К сожалению, в таких случаях, чтобы найти оптимальное решение, акустики вынуждены каждый шаг согласовывать с разными специалистами: с архитектором зала, которому хочется сделать красивый интерьер; с инженером, для которого важно, чтобы работала вентиляция. Приходится идти на компромиссы, — разводит руками физик.

— Правильно ли я понимаю, что геометрия и акустика органного зала подходят только для органных концертов, а выступление скрипача или пианиста там превратится в какофонию?

— В чисто органном зале — в принципе, так. Такой зал будет слишком гулким для фортепиано или скрипки.

— А есть компромиссные решения, которые позволили бы сделать зал универсальным? Чтобы он не простаивал, когда органных концертов нет.

— Есть отличное решение — перестраиваемая акустика, когда часть поверхностей зала —потолок или стены — перемещаются в зависимости от характера музыкальной программы, но это очень дорогое и сложное решение. Несколько проще система «электронной архитектуры», которая позволяет настраивать акустику и менять время реверберации в зале, ничего не передвигая. Правда, в России ею оснащён пока только вот этот, Светлановский зал, — Павел оглядывает стены концертного зала и, не отрываясь от них, продолжает: — Важно понимать, что это не система звукоусиления, она работает иначе. Сигнал, создаваемый исполнителем, поступает на несколько десятков микрофончиков размером с петличку. С мини-микрофонов сигнал передаётся на специальный компьютер, где происходит многоканальная обработка. Практически мгновенно компьютер формирует сигналы, которые отправляются на многочисленные маленькие динамики по всему залу. Сигнал очень слабый и подаётся с определёнными задержками, которые нужны, чтобы создать иллюзию отражения от поверхности. То есть истинное время реверберации в зале, допустим, две секунды, но с помощью системы электронной архитектуры мы можем увеличить его, как нужно.

— Нам бы такую в некоторые лекционные аудитории МГУ, — вздыхаю я. — Пока я училась, всё время страдала, что из-за сильной гулкости даже с первого ряда речь лектора не разобрать.

— Да, в некоторых аудиториях акустика почти что храмовая, — улыбается физик. — Серьёзно! Но, с другой стороны, МГУ — это же и есть храм науки.

У каждого из этих залов и органов есть как бы «свои» музыкальные произведения, которые в полной мере раскрывают инструмент

— Справедливо, конечно. Но студентам от этого не проще. А как бы мог выглядеть органный зал с идеальной акустикой? Вот представьте, что вам как проектировщику дали полную волю…

— Ничего особенного для совершенного органного зала придумывать не нужно. Всё уже воплощено. Это лютеранские и католические храмы с одним или тремя нефами, где орган расположен на верхней галерее, то есть на балконе второго этажа внутри церкви. Взять, к примеру, кафедральный собор в Вильнюсе, или Сен-Сюльпис в Париже, или некоторые небольшие церкви в Саксонии, где звучат органы мастера Иоганна Готфрида Зильбермана, — это, на мой взгляд, совершенные органные залы. У каждого из этих залов и органов есть как бы «свои» музыкальные произведения, которые в полной мере раскрывают инструмент. Органы не универсальны, на инструменте времён барокко хороша именно барочная музыка, а романтическая — на органе второй половины XIX века.

— Какая композиция хороша для этого органа и этого зала? —киваю я в сторону инструмента, который Павлу доверено оберегать и настраивать.

— Наш орган так богат красками, что он в каком-то смысле исключение — на нём могут хорошо прозвучать любые произведения. Конечно, при условии, что они сыграны действительно талантливым музыкантом, чувствующим природу органа и стиль именно этого инструмента.

Ясность звука
Ключевой критерий качества музыки. Индекс ясности (СlarityIndex) позволяет понять, будет ли в мелодии различима каждая нота или же они будут смешиваться и размываться друг в друге.

Что почитать по теме

  • Кривицкая Е.Д., Кравчун П.Н. Органы России. Энциклопедия. — М., 2016.
  • Кравчун П.Н. Органы католических храмов Санкт-Петербурга. — СПб., 2013.
  • Лепнурм Х.Л. История органа и органной музыки. — Казань, 1999.
  • Williams P., Owen B. The organ // The New Grove Series. — 1998.
Иллюстрации

Евгений Пашнин (основная съёмка специально для oLogy), was.media со ссылкой на Bibliothèque nationale de France / Agence Meurisse (фото Льва Термена)