Флейтата е музикален инструмент от групата на дървените духови инструменти.
Звукът се произвежда чрез вкарването на въздушна струя през отвора на мундщука (наустника). Нейният тонов обем е от „до“ на първа октава до „ре диез“ на четвърта. Но този обем може да се разшири с помощта на допълнителните клапи до си-си бемол на малка октава.
Флейтистът издухва силна и бърза струя въздух през мундщука. Налягането в устата му е над атмосферното (обикновено 1 kPa). Усилията, с които се ускорява въздушната струя, са източникът на сила за инструмента. Свирачът осигурява силата продължително: ако направим аналогия с електричеството, това е като правия ток, въпреки това звукът изисква трептящо движение на въздушен поток, както е при променливия ток. При флейтата въздушната струя, заедно с въздушния резонанс в инструмента, създава необходимите трептения. Щом въздухът във флейтата завибрира, част от енергията излиза като звук от края, както и от всяко отвърстие на флейтата. Много по-голямо количество енергия се губи под формата на триене (вискозна загуба) със стената. При по-дълга нота тази енергия се замества от енергията, която влага флейтистът. Въздушният стълб във флейтата вибрира много по-лесно на някои честоти, отколкото на други (т.е. резонира на определени честоти). Тези резонанси до голяма степен определят честотата на свирене. По този начин свирачът всъщност, избирайки подходяща комбинация от тонове, избира и желаната комбинация от резонанси.
Характеристики
Въздушната струя от устните на флейтиста се насочва към отвора на мундщука и блъсва отсечения (стръмния) отсрещен край на отвора. Ако се наруши движението на струята, се получава нещо като вълнообразно изместване, което я отклонява или вътре или вън от отвора на мундщука. Скоростта на това вълнообразно изместване е около половината от скоростта на самата въздушна струя (обикновено между 20 и 60 m/s, като зависи от въздушното налягане в устата на свирача). Произходът на нарушението в струята се крие в звуковата вибрация във флейтата. Ако скоростта на струята съвпадне с честотата на свирения тон, тогава въздушната струя ще влезе и ще излезе от флейтата в точния момент, че да подсили звука и да излезе продължителен и стабилен тон. За да се изсвири висок тон, времето на пътуване на вълните трябва да се редуцира, за да съвпадне с по-високата честота. Това се прави като се увеличи налягането на духането и се издадат устните напред, за да се скъси разстоянието от струята до ръба на мундщука. Флейтистите обикновено се учат да ограничават разтварянето на устните, когато свирят високи тонове.
Флейтата е отворена само в десния (долния) край. При свирене на флейта, въпреки че долната устна покрива част от дупката на мундщука, голяма част от отвора остава свободен. Естествените вибрации на въздуха във флейтата се дължат на резонансите. Това, че тръбата е отворена в двата края, означава, че крайното налягане там трябва да е приблизително равно на атмосферното или с други думи, акустичното налягане е нула. Тези точки се наричат точки на налягане и са разположени на малки разстояния (0,6 пъти радиус им). Вътре в тръбата налягането не е нужно да е атмосферно и всъщност за първия резонанс максималната вариация в налягането (pressure anti-node) се получава в средата. Въздушните молекули се движат свободно навътре и навън през отворените краища. Точка на налягане и точка на въздушно движение не са едно и също нещо – всъщност често точките на налягане съвпадат с антиточките на движение и обратно.
Вълната е най-дългата стационарна вълна, която може да удовлетвори условието за нулево налягане във всеки край, като дължината ѝ е два пъти по-дълга от тази, която флейтата създава. Честотата f е равна на скоростта на вълната V, разделена на дължината ѝ λ и тази най-дълга вълна отговаря на най-ниския тон, който може да възпроизведе инструментът: C4 на четирифутов инструмент. Тази нота може да се изсвири с тази апликатура, но могат да се изсвирят и други ноти, като се духа по-силно или като се стесни отворът на устните. И двете усилват въздушната струя. Тези други тонове съответстват на по-късите стационарни вълни, които могат да осигурят нулево налягане в двата края.
Поредицата от тонове с честота fo, 2fo, 3fo се нарича хармонична поредица. Когато всичките тонови отвори са затворени, първите 10 резонанса на флейтата са приблизително в такова съотношение, че първите 7 – 8 поредици могат да се изсвирят като се затворят всички тонални отвори и се духа по-силно (или се стесни устният отвор).
Всяка от стационарните вълни на графиката по-горе съответства на синусоидна вълна. Звукът на флейтата всъщност малко наподобява синусоидната вълна (много чиста вибрация), когато се свири тихо. За да се създаде периодична или повтаряща се вълна, трябва да се добавят синусоидни вълни от хармоничните поредици. Така С4 на флейтата съдържа някаква вибрация от С4 позиция (да наречем нейната честота fo), някаква на С5 позиция (2 fo), някаква на G5 позиция (3fo) и т.н. „Рецептата“ на звука, що се отнася до съставящите го честоти, се нарича спектър на звука. Ако погледнем един истински спектър за изсвирен С4 тон, ще забележим, че при пианисимо първата хармонична и честотата на тона С4 доминират, и че по-високата хармония става все по-важна с усилването на звука. Флейтата създава по-плътен звук и звучи по-малко като синусоидна вълна.
Отворът на флейтата има няколко резонанса, които са приблизително в съотношение с хармониите – 1:2:3:4 и т.н. и с нарастването на честотата стават все по-близки. Въздушната струя има своя собствена естествена честота, която зависи от скоростта и дължината ѝ. Флейтата обикновено свири на най-силния отворен резонанс, който е близо до естествената честота на струята.
Когато флейтата свири, струята вибрира на една определена честота, но ако вибрацията е огромна, каквато е, когато се свири силно, тя генерира хармония. За ниски тонове, първите няколко хармонии се поддържат от стационарни вълни. Въпреки това за високите тонове резонансите на флейтата не са хармонични и много малко хармонии – само по една в трета и четвърта октава се поддържат от резонанси през отвора.
Ако ги отворим, започвайки от далечния край, караме точката на налягане да се премести по-нагоре по тръбата – все едно я скъсяваме. На съвременната флейта всяка отворена тонална дупка повишава височината с половин тон. Ако отворим 4 дупки едновременно, имаме апликатура за Е4.
Отворената тонална дупка е почти като кратка обиколка за въздуха отвън и така първата отворена дупка действа приблизително като че ли флейтата е била отрязана близо до мястото на отворената дупка.
Отвори и регистър Отворите помагат и за дефинирането на регистъра. Например, ако свирим С4 и тогава вдигнем левия си палец, създаваме дупка, колкото половината път надолу по инструмента. Така от флейтата излиза С5 тон, а ще изсвири и С6, G6 и т.н. Тук регистрационната дупка качва изсвирената нота поне с една октава.
Когато желаната дължина на вълната е къса (т.е. за високи тонове), можем да се отвори регистрационна дупка на различна от вълната фракция. Например апликатурата за D6 използва дупка на около 1/3 от работната дължина за G4 и така улеснява трета хармонична на G4 и създава тон с една дванадесетина по-висок от G4. Апликатурата за G6 също използва работната дължина за G4, но има регистрационна дупка на 1/4 от работната дължина и така улеснява четвърта хармонична.
Една от алтернативните апликатури за D6 използва работната дължина за D4, но има 2 регистрационни дупки – на 1/4 и на 1/2 от дължината на вълната.
Акустично съпротивление на флейтата Начинът, по който навлиза и излиза струята от флейтата, зависи от акустичното съпротивление на отвора на мундщука. То представлява съотношението между налягането на звука и вибриращият въздушен поток. Ако съпротивлението е малко, струята влиза и излиза безпроблемно и се получава силен звук. Всъщност резонансите, които са честотите, за които акустичното съпротивление е много малко, са толкова важни, че улавят поведението на въздушната струя и така флейтата може да свири само на честота, много близка до резонанса.
Кръстосана апликатура На съвременната флейта последователните полутонове се възпроизвеждат като се отвори съответната тонална дупка. В една октава има 12 полутона и съответно трябва да се преминат 12 ноти в хроматична скала, преди да се отиде от D4 в първия регистър в D5 във втория. Понеже се използват регистрационните отвори за D5 и D#5, апликатурите не се повтарят точно върху цяла октава, а само между Е4/5 и С#5/6. 12 дупки надхвърлят броя на пръстите на обичайните свирачи, особено когато се използва десен палец, за да се осъществи даден звук. Тоналната система на съвременната флейта е така направена, че чрез специално приспособление един пръст може да затвори повече от една дупка.
Флейтите през бароковата епоха и ранния класицизъм имат малко дупки. Те са имали 6 отвора, които могат да се покрият от три от пръстите на всяка дупка. Отваряйки последователно тези дупки, се получавала естествената скала на инструмента, която била D мажор. Ако бележим с Х затворена дупка и с О – отворена, апликатурната таблица за такъв инструмент изглежда приблизително така: D4 XXX XXX E4 XXX XXO F#4 XXX XOO G4 XXX OOO A4 XXO OOO B4 XOO OOO C#5 OOO OOO D5 OXX XXX
За Е5 до В5 се използва същата апликатура като Е4 до В5.
На такива инструменти кръстосана апликатура се използва, за да се възпроизведат някои от промеждутъчните тонове. Така се затварят отвори, които се намират по-надолу от първата отворена дупка. Например апликатурата за F4/5 на бароковата флейта е: F4/5: XXX XOX
Да сравним тази апликатура с апликатурата за F 4#5, която е XXX XOO. Продължителната вълна е по-мощна при бароковите или класическите инструменти, отколкото при съвременната флейта, защото отворите са по-малки и акустичното съпротивление между отвора на флейтата и външното поле е по-малко. Затваряйки по-долна дупка, удължаваме стационарната вълна още повече и така се увеличава ефективната дължина на инструмента за тази апликатура. Така резонантните честоти стават по-ниски, както и височината.
Ефектът от кръстосаната апликатура зависи от честотата. Размерът, обхватът на стационарната вълна над отворена дупка расте с честотата, особено когато дупките са малки. Така с нарастващата честота, нараства и ефективната дължина на флейтата. В резултат, минималното съпротивление при високи честоти става по-ниско, отколкото при строгите хармонични съотношения. Едно последствие от това е, че някои кръстосани апликатури не могат да бъдат прилагани едновременно за първи и втори регистър: кръстосаната апликатура за G# в първи регистър ще е прекалено ниска във втори, а може и изобщо да на бъде възпроизведен тон, дори близък до G#.
Друг ефект от нарушените хармонични съотношения на минималното съпротивление е, че хармонията, която звучи, когато се изсвири нисък тон, няма да бъде „подпомогната“ от резонансите в инструмента. (Технически погледнато, отворът не осигурява обратна връзка на струята на тази честота, нито съвпада със съпротивлението. Така струята възпроизвежда по-малко от високата хармоничност, а и се издава по-некачествен звук). В резултат, звуковият спектър за тонове като F4 и G#4 на бароковата флейта има по-слаба висока хармоничност и тези тонове са по-слаби и имат по-мек нюанс.
Естествената скала за тези инструменти е D мажор: в D и В минор те не се нуждаят от кръстосана апликатура и звукът е отчетлив. В С минор нюансът е неясен, а звукът по-тих. Това се дължи на различното качество, асоциирано с различни тонове: тонове с по 2 диеза се асоциират с ясен и сравнително силен звук, а такива с по няколко бемола – с по-мрачно и тихо звучене.
Местене на устните нагоре-надолу Дизайнът на флейтата е такъв, че много тонове изискват настройка на височината от флейтиста. Свирачите понижават височината главно като прибират назад брадичката или я изнасят напред, извъртайки отвора на мундщука към себе си или отдалечавайки го и сменяйки геометрията на струята. Тези действия имат няколко ефекта: