Индивидуальный проект.
Работу выполнила: Дьячкова Мария Андреевна - 11 класс
ВВЕДЕНИЕ
В последние десятилетия, на фоне активного возрождения православных храмов в России и необходимости восполнения колокольных наборов, отсутствующих во многих восстанавливаемых церквях, возросла потребность в новых колоколах, что способствовало развитию колокололитейного искусства. С учётом того, что одним из ключевых аспектов оценки колокола является его звучание, важно обеспечить качество и красоту звона. В этой ситуации особенно важным становится изучение воздействия орнаментов на звучание колоколов. Учитывая, что декоративные элементы могут существенно изменять акустические свойства изделий, актуальность исследования этого вопроса приобретает значимость не только в культурном, но и в техническом аспекте. Это знание позволяет мастерам находить баланс между экстерьером и качеством звука, обеспечивая каждому колоколу гармонию внешнего вида и звучания.
Цель: Анализируя изменения частоты, амплитуды и тембра колоколов с орнаментацией и без неё, исследовать, как орнаментация на русских церковных колоколах влияет на звучание.
Задачи: Изучить различные типы орнаментации на русских церковных колоколах и их потенциальное воздействие на акустические характеристики звучания.
Методы исследования: Для достижения поставленных целей будет использован комплексный подход, включающий как теоретический анализ, так и практические эксперименты.
Гипотеза: Различные виды орнаментации на колоколах могут вызывать изменения в звучании, включая частоту, амплитуду и тембр, в зависимости от их формы, размера и расположения на поверхности колокола.
Глава 1: Теоретическая часть
1.1 Классификация колоколов
Колокола в звукоряде (в наборе имеющихся колоколов на колокольне) можно разделить на три группы: благовестники, средние и зазвонные колокола.
Благовестники (большие колокола) – колокола, обладающие большим весом и размером. Отбивают благовест – мерные удары в большой колокол.
Средние колокола – по размеру и весу находятся между благовестниками и зазвонными. На них исполняются все основные мелодические рисунки.
Зазвонные (малые колокола) – самые маленькие колокола в звукоряде. Как правило, они создают фон звона.
Рис.1: Благовестник.
Рис.2: Средние и малые колокола.
1.2 Строение колокола
Давайте рассмотрим основные элементы колокола:
Корона – это верхняя часть колокола, где декоративные элементы встречаются редко, однако на больших колоколах возможно наличие горельефов.
Уши – располагаются в короне и используются для подвешивания колокола при помощи специальных креплений, которые называются хомуты.
Начало формы
Голова – находится непосредственно под короной, украшается декоративными поясками или другими элементами орнаментации.
Тулово – средняя часть колокола. Обычно в этом месте размещены иконы.
Юбка – самая широкая часть колокола, на неё приходятся удары языка, подвешенного внутри. На юбку могут быть нанесены орнаментальные пояски, растительные узоры, текст с информацией о весе колокола, его изготовителе, именах благодетелей или текст молитвы.
Язык – подвешен внутри колокола. Ударяет в самую толстую часть стенки в юбке колокола (ударный пояс).
Рис.3: Строение колокола
1.3 Виды орнаментации
Основные традиционные элементы орнаментации:
Пояс (Рис.4) представляет собой круговой валик или пластину небольшой ширины.
Рис.4: Пояски с растительными узорами.
Икона (Рис.5)
Рис.5: Икона.
Буквы (Рис.6). Из них составляются надписи.
Рис.6: Текст на колоколе.
Растительные узоры и различные изображения (Рис.7)
Рис.7: Растительные узоры и другие изображения.
Помимо традиционных, также встречаются виды орнаментации, такие как:
Гравировка (Рис.8) – наносится вручную или с помощью лазерного луча. Обычно на колоколе выгравировывают только надписи, а изображать иконы такой техникой – это не в традиции.
Рис.8: Гравировка на колоколе.
Горельеф (Рис.9) – выпуклый рельеф, в котором изображение выступает над плоскостью фона более чем на половину объёма изображаемых частей.
Рис.9: Горельефы на ушах колокола.
1.4 Основы звука колоколов
1.4.1 Акустика и физика звука колокола
Ключевым аспектом русского церковного колокола является его звучание. Особенно ценится низкий басовый звук колоколов, способный распространяться на далёкие расстояния. Звук колокола является результатом акустических эффектов, основанных на вибрациях металла, возникающих вследствие удара. Эти вибрации и порождаемые ими звуковые волны зависят от множества параметров, в том числе от формы (профиля) колокола, его размеров, толщины стенок и используемого материала. Звучание колокола проистекает из колебаний, распространяющихся по материалу после удара, создавая воздушные волны, которые и воспринимаются нами как звук. Факторы, такие как размеры колокола, его профиль и материал, определяют частоту этих колебаний и, соответственно, тон звучания.
Высоту тона колокола можно рассчитать по формуле Хладни: F~T/D²√E/p
Где:
F – частота звучания,
Т – толщина,
D – диаметр,
Е – модуль упругости (модуль Юнга),
р – плотность (удельный вес) материала.
1.4.2 Профиль
Профиль колокола играет ключевую роль в определении его акустических свойств. Традиционная форма колокола не случайна: она развивалась веками, для усиления громкости и улучшения качества звучания. Резонанс и частоты колебаний определяются формой и размером колокола, что позволяет ему издавать богатый и многогранный звук.
Существуют несколько видов профилей, основные из которых – русский, французский и немецкий (Рис. 10). Основные их отличия заключаются в пропорциях высоты колокола к диаметру основания (юбки), а также в изгибах стенок и перепадах их толщин по всему телу колокола.
Рис.10: Немецкий, французский и русский профили
1.4.3 Материал для изготовления колоколов
Состав материала, из которого изготовлен колокол, в значительной степени влияет на итоговое звучание. Колокола отливают из колокольной бронзы — сплава меди и олова, — но соотношение этих металлов может варьироваться, что влияет на громкость, тембр и долговечность колокола. Если добавить больше олова, звук станет ярче, но сам колокол станет более хрупким, в то время как большее количество меди напротив придаст колоколу прочности, но приглушит звук. Пропорции сплавов у каждого производителя свои, но они сохраняются в строгой тайне.
1.5 Роль орнаментов в истории и культуре
Орнаменты на колоколах служат не только важным декоративным элементом, но и несут в себе исторический и культурный смысл. Они могут рассказать о происхождении колокола, о мастере, который его создал, а также о цели его изготовления. Нередко на колоколах могут быть изображены иконы различных святых, что указывает на религиозное значение колокола или на то, что он был создан к определённому религиозному празднику. Эти детали придают каждому колоколу уникальный характер и отражают культурные и религиозные традиции.
Глава 2: Исследование воздействия орнаментов на звучание колокола
Сравнение звука колоколов с орнаментацией и без неё
Основываясь на теоретических знаниях, для более глубокого исследования влияния орнаментов на звучание колокола было проведено несколько сравнений между несколькими парами колоколов, которые были идентичны по весу и профилю.
Как пример приведём несколько практических экспериментов. В первом эксперименте нам согласился помочь специалист в области колоколов. Для обеспечения точности сравнения звучания колоколов тесты проводились в одинаковых условиях, с использованием колоколов одного производителя и одного и того же веса. В эксперименте использовались два русских церковных колокола весом 140 кг, один из которых был без орнаментов, а другой украшен иконами, поясками, растительными узорами, изображениями и надписями. Эксперт анализировал такие параметры, как тембр, стабильность и длительность звучания, наличие диссонансов и изменения в громкости после удара по колоколу. Наблюдалось, что колокол без орнаментов обладал более чистым и стабильным звуком, с минимальными колебаниями и отсутствием посторонних тонов или диссонанса. Колокол с орнаментами также показал качественное звучание, однако эксперт отметил некоторые различия по сравнению с колоколом без них, включая едва заметный диссонанс и более переменную громкость.Начало формы
В дополнение к этому был осуществлён спектральный анализ звуков, издаваемых колоколами. Для этой цели использовались аудиозаписи звучания двух колоколов весом 33 кг каждый — одного без каких-либо украшений помимо орнаментального пояска и второго, декорированного орнаментальным пояском и иконами.
Рис.11: Колокол без икон
Вес колокола: 33 кг
Рис.12: Колокол с иконами.
Вес колокола: 33кг
На Графиках ниже представлен спектр анализа звука каждого колокола в момент удара.
Рис.13: Спектр анализа звука колокола 33 кг без икон. Значение по вертикали – дБ, по горизонтали – Гц.
Рис.14: Спектр анализа звука колокола 33 кг с иконами. Значение по вертикали – дБ, по горизонтали – Гц.
Рассмотрим анализ спектрограмм звуков колоколов. Яркость цветных полос на спектрограмме указывает на громкость звука: чем ярче полоса, тем громче звучание, и наоборот, чем темнее полоса, тем звук тише. Спектрограммы показывают, что помимо основного тона, располагающегося приблизительно на уровне 400 Гц (нота соль# первой октавы), и нескольких дополнительных тонов около 1000 Гц (нота си второй октавы), колокола имеют большое количество обертонов. Примечательно, что эти обертона расположены в зоне высоких частот, приблизительно от 2000 Гц (нота си третьей октавы) и выше. Однако эти обертона заметны только в момент удара и не оказывают значительного влияния на общую звуковую картину.
Спектрограмма звука колокола без икон демонстрирует, что обертона быстро затухают, оставляя после себя чистый и стабильный основной тон. В то время как у колокола с иконами наблюдается продолжительное присутствие третьего дополнительного тона около 1750 Гц (нота ля третьей октавы). Кроме того, в этом дополнительном тоне присутствует мелкое и частое прерывание звучания, воспринимаемое как лёгкое дребезжание.
Рис.15: Спектрограмма звука колокола 33 кг без икон. Значение по вертикали – Гц, по горизонтали – время.
Рис.16: Спектрограмма звука колокола 33 кг с иконами. Значение по вертикали – Гц, по горизонтали – время.
Глава 3: Результаты экспериментов и анализа
Эксперименты подтвердили, что орнаменты на колоколах влияют на их акустические свойства, вызывая изменения в тембре и громкости. Орнаменты тоже имеют своё звучание: в меньших колоколах орнаменты вносят более заметные изменения в акустику, в то время как в больших колоколах их влияние становится менее выраженным.
Орнаментация меняет геометрию поверхности колокола, что влияет на вибрационные характеристики и распространение звуковых волн, приводя к добавочным резонансам. Особенно это заметно на малых и средних колоколах, где даже незначительные декоративные элементы могут существенно изменить звучание. Таким образом, на малых колоколах рекомендуется ограничить орнаментацию для сохранения чистоты звука или добиваться того, чтобы декоративные элементы были как можно более тонкими, минимизируя таким образом влияние на форму колокола.
В то же время, в больших колоколах относительное воздействие орнаментов на акустику значительно ниже, благодаря их массе и размеру, которые снижают негативное влияние орнаментов на звук. Это позволяет применять более сложные декоративные элементы без существенного ущерба для качества звука.
Рис.17: Колокола в разрезе (1 – без икон, 2 – с иконами, 3 – увеличенное фото иконы). На изображении справа показано, как толщина иконы изменяет профиль колокола.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной работе было проведено исследование, направленное на изучение влияния орнаментов на звук колоколов. Были рассмотрены различные аспекты, включая физические свойства колоколов, использованы разные методы анализа влияния орнаментов на акустические характеристики, а также предложены практические рекомендации для создания колоколов с учётом полученных данных.
Проведённые исследования показали, что орнаменты оказывают заметное влияние на звучание колоколов, причём степень этого влияния зависит от множества факторов, включая размер и массу колокола, а также расположение на колоколе и размер орнаментов. В малых и средних колоколах орнаменты могут существенно изменить акустические свойства, в то время как в больших колоколах их влияние становится менее значительным.
На основе проведённого анализа был сделан вывод, что для сохранения оптимальных звуковых характеристик колоколов необходимо тщательно подходить к процессу их дизайна, особенно к применению орнаментов. Малым и средним колоколам рекомендуется отдавать предпочтение минималистичному дизайну или ограничивать орнаментацию небольшим количеством элементов, особенно в критически важных для звучания областях, таких как юбка и тулово, тогда как большие колокола позволяют более свободное использование декоративных элементов без существенного ущерба для качества звука.
Рис.18: Дьячкова Мария Андреевна, март 2024 года. Цех готовых колоколов. Процесс изучения и сравнения звучания колоколов с орнаментацией и без орнаментации.
Список использованной литературы
1) История колоколов и колокололитейное искусство // Н.И. Оловянишников, 2010 г.
2) Колокола: История и современность // Ю.В. Пухначёв, 1985 г.
3) Акустика колокольного звона: методические аспекты толкования // Е.Ш. Давиденкова-Хмара, 2018 г.
4) https://www.youtube.com/watch?v=8933h_zjoJA - завод Международного центра колокольного искусства
