3 ГРУППА - БЛАГОВЕСТЫ (БОЛЬШИЕ, БАСОВЫЕ) КОЛОКОЛА.
Отвечают в колокольных звонах за основной ритм. Своими низкими обертонами придают звону мощь и красоту. В основном, благовестов в звонницах бывает от одного до двух. В больших наборах колоколов встречается и большее количество, но это бывает довольно редко.
 Физический механизм звучания колокола
На протяжении многих веков литейщики колокола искали решение вопросов: какими должны быть пропорции между размерами и массой, толщиной стенок в разных сечениях, какой быть форме колокола, чтобы получить гармоническое звучание, т.е. такое, при котором добавочные тоны (обертоны) гармонично сочетаются с основным.
В 17 веке удалось найти « правильную» форму колокола, при которой он зазвучал особенно гармонично: было расширено основание и наращена нижняя часть. Выработался тип русского колокола В нем диаметр нижней части равен высоте колокола, а диаметр верхней части – половине диаметра нижней (для сравнения, китайский колокол более сжат внизу и дает глухой звук)
Попробуем разобраться в механизме звучания колокола с точки зрения физики.
При ударе языком колокола о стенку чаши возникает упругое дрожание, которое представляет собой сумму многих собственных колебаний звуковой частоты. Эти колебания можно сделать видимыми.
Проведем опыт 1. Перевернем колокол и закрепим его в тиски. В чашу колокола нальем воды и насыплем на поверхность воды ровный слой мелкой манки. Возбудим колебания языком колокола. Колеблющиеся участки бортов отгонят от себя мелкие частицы, покоящиеся оставят эти частицы в покое. В результате на поверхности воды образуются узоры (рис1)
Можно менять уровень воды, но рисунки получаются схожие.
Вывод: стенки чаши имеют участки покоя и участки колебаний. Каждому сечению чаши соответствует своя частота колебаний. Значит колебания чаши колокола представляют собой колебания отдельных участков чаши.
Немецкий ученый Э.Ф.Хладни звучащие участки стенок колокола обнаружил экспериментально с помощью резонатора Гельмгольца (прибора, представляющего собой сосуд, сообщающийся с внешней средой посредством небольшого отверстия или трубки, и имеющий собственную частоту колебаний f.) Если его поместить в звуковое поле с такой же частотой f , то в нем, благодаря резонансу, возникнут колебания, амплитуда которых во много раз превысит амплитуду звуковых колебаний поля. Звучащие участки можно найти на ощупь, если размеры колокола велики. Хладни вывел формулу:
 , где  -плотность металла,  -модуль упругости металла,
 -частота звуковых колебаний,  -толщина стенки колокола заметно меняется вдоль его профиля, L-диаметр и высота колокола. Анализ формулы Хладни приводит к важной закономерности: масса колокола связана с частотой основного тона соотношением: m~ Отсюда  ~ .
Проведем опыт 2 .Регистрация звуковых колебаний колокола.
Присоединим микрофон к зажимам осциллографа и поднесем к нему звучащий камертон, то увидим на экране синусоидальную кривую. Это значит, что камертон совершает гармонические колебания.
Используем вместо камертона колокол. Кривая получается сложной. Это означает, что в данной волне совершаются не гармонические, а более сложные колебания. Сделаем рисунок с помощью компьютерной программы Paint
( Рис 2)
Рис. 2
Несинусоидальные колебания - это сумма гармонических колебаний с разными частотами. Колебания с наименьшей частотой – это основной тон, с более высокой частотой – обертон.
Проведем опыт3 С помощью компьютерной программы Excel и Winamp, используя записи звука колокола, определим акустические характеристики колокола и построим график. Получим графики:
График изменения амплитуд обертонов.
Обратим внимание на явление резонанса. Устройство колокола таково, что его звучание – это дуэт металла и столба воздуха в нем, который приходит в движение с частотой, равной частоте колебаний стенок, совершая вынужденные колебания. Чтобы собственная частота колебаний столба воздуха совпадала с частотой колебаний стенок колокола, столб должен иметь определенные параметры и ударять по нему надо в определенные моменты. Благодаря резонансу возрастают амплитуда и энергия звуковой волны и, как следствие – громкость звука.
Зависимость звука колокола от различных факторов
1 Состав сплава колокола
В справочнике по металлургии указан состав колокольного сплава. Исходные компоненты колокольной бронзы — медь (80%) и олово (20%) — должны быть как можно более чистыми. Плохой, «грязный» металл, которым всегда является медный лом, включает в свой состав примеси, придающие не только резкий звук будущему колоколу, но и делающие его хрупким (особенно если в примесях содержатся цинк, свинец и железо). То же бывает и при переливке старой бронзы. Медь. Металл красного цвета с температурой плавления 1083 °С. Медь — мягкий металл, его можно ковать холодной ковкой или сделать из него тончайшую фольгу, в несколько раз тоньше папиросной бумаги. Медь долго была символом всех металлов, даже само русское слово «медь» — от слова «смида», которым называли любой металл. Пластичность меди, ее исключительные качества (например, полное отсутствие магнитных свойств) стали причиной особого восприятия меди людьми. Еще в древности человек заметил, что от прикосновения медных предметов унималась боль и спадала опухоль. Олово. Серебристо-белый легкоплавкий металл с температурой плавления 232 °С. Олово называют металлом «мягким, но твердым». Как такое может быть? Дело в том, что если при комнатной температуре олово пластично, даже вязко, то при температуре всего лишь ниже 13 °С олово теряет свойства металла, а при сильном морозе рассыпается в порошок («оловянная чума»). Не понимая причин этих свойств олова, раньше считали, что «оловянную чуму» вызывают ведьмы своими наговорами, за что многие были сожжены на кострах. Чистое олово обладает важным для нас свойством: при изгибе прутков или пластинок этого металла слышен легкий треск — «оловянный крик», который возникает от трения кристаллов олова при их деформации. Олово является одним из самых дорогих металлов (из 1 т породы добывают лишь 200 г руды) Если до начала XX в. русские мастера, работавшие с бронзой, закупали олово в Англии, то сейчас лучшей маркой олова считается наша, сибирская: ОВЧ — «олово высокой чистоты». Она зарегистрирована на Лондонской бирже в качестве эталона (0,0001% примесей). Бронза. Когда в расплавленную медь добавляется олово, природные свойства обоих металлов изменяются: увеличивается прочность, упругость и твердость металла, температура плавления понижается до 800 °С. А главное — появляются совершенно особые звуковые возможности, которые свойственны только бронзе. При этом соотношение частей меди и олова в колокольной бронзе (80% и 20%), найденное еще в средние века, действительно является оптимальным. Если понижать содержание олова, ухудшаются звуковые качества колокола, если повышать — резко возрастает хрупкость сплава. Бронза не подвержена коррозии, в этом смысле она вечна (например, «продолжительность жизни» железных изделий — 50-55 лет). Под влиянием влажности воздуха на бронзе с течением времени появляется голубовато-зеленый налет, который называют «патиной». Это — как одежда, патина предохраняет бронзу от дальнейших изменений. Хорошую бронзу видно на изломе: она мелкозерниста, желтовато-серебристого цвета, т. к. кристаллы меди и олова до конца не перемешиваются, их дрожание и «трение» друг о друга и создают тот мощный и богатый звук, за который ценятся наши колокола. Плотность бронзы 8800 кг/м3 Температура плавления 880 0С.
2 Технология изготовления колокола:
А) Построение чертежа профиля колокола.
Работа мастера над будущим колоколом начинается с расчетов и построения чертежа его профиля. От решения этой первоначальной задачи будут зависеть голос, прочность и внешний вид колокола. Мастер определяет массу нужного ему колокола, но иногда задается и его основной тон. То и другое зависит от определенного соотношения размеров всех частей формы колокола. Главные параметры — это нижний диаметр, высота и толщина стенки, причем стенки колокола постепенно утоньщаются соответственно диаметру, идя снизу вверх
Вариантов построения формы колокола множество, есть «немецкий» профиль, «французский», «английский», «русский»(рис 3), — но принцип всегда один: все части формы рассчитываются по единому модулю и должны быть ему кратны. Величина модуля задается толщиной стенки в месте удара, т. е. в наиболее утолщенной части, которую русские мастера назвали «бой». Рассчитывается бой в зависимости от массы и тона будущего колокола по специальным таблицам. Далее по осевой линии стенки колокола строятся линии внутреннего и наружного профиля.
От соотношения толщины боя к диаметру колокола зависит и его прочность. В старинных колоколах (до XV в.) это соотношение было равно 1:12 и 1:13; у русских колоколов XIX в. — 1:15. Чем тоньше стенки колокола, тем ниже его основной тон и пластичнее звук.
Итак, прочность и красоту звучания колокола определяет соотношение трех основных параметров: диаметра, высоты и толщины стенок. При этом существующий, выверенный многовековой практикой метод не дает точно рассчитанного способа определения верхнего диаметра колокола. В итоге каждый мастер имеет свой собственный, хранимый в тайне профиль колокола, хотя принцип его построения один.
Рис 3
По чертежу будущего колокола изготавливаются два лекала: для внутреннего профиля колокола и для наружного. Далее начинается создание объемной формы колокола из кирпича и глины
Б) Изготовление формы колокола
По готовым чертежам и лекалам приступают к изготовлению формы будущего колокола. В книге Н. И. Оловянишникова «История колоколов и колокололитейное искусство» (1912), описывается технология, как много сотен лет назад делали наши русские мастера: открутить форму из глины с помощью кружальных лекал. «Глину искали долго. Закупали гжельскую, армянскую, болгарскую; получалось все не то. Тогда подумалось: двести лет в Ярославле работал знаменитый на весь мир завод Оловянишниковых, десятки лет лили колокола на Ярославской земле Чарышниковы и Мартыновы. Не может быть, чтобы мастера возили глину за тридевять земель, где-то здесь она, рядом. И точно, нашли все же нужную глину в одном из карьеров Ярославской области . В глину, по старинке, добавляем коровью шерсть, конский навоз, квасное сусло.»
Форма — такой же ответственный процесс, как и подготовка чертежа профиля колокола: малейшее отклонение даст дефекты при звучании. Форма состоит из трех частей: болван, или стержень (внутренняя часть формы), «фальшивый колокол», и кожух (внешняя часть формы колокола). Самая кропотливая часть работы — изготовление фальшивого колокола, который один в один должен соответствовать будущему бронзовому, фактически — это его модель. Фальшколокол изготавливается из глины и песка по второму лекалу; готовая внутренняя форма обмазывается тонкими слоями, каждый слой подсушивается. В день лекало обходит вокруг формы до сотни кругов и при этом нельзя ни разу его сбить. Малейшая ошибка — начинай все с начала. На фальшивый колокол наносятся орнаменты, иконы, надписи. Подготовка декора колокола — отдельный, очень длительный процесс. Сначала все элементы изготавливаются художником из пластилина (несмотря на простоту материала, это очень дорогие рельефные модели, особенно иконные), затем с них получают негативные отпечатки, и уже потом заводской художник изготавливает их из воска. Готовый фальшколокол с украшениями и надписями обмазывается тонкими слоями жирной глины при помощи художественных кистей, с просушкой каждого слоя. Таких слоев может быть 20-30 в зависимости от массы будущего колокола. Жидкая глина должна заполнить все детали украшений колокола. Затем форма обмазывается толстым слоем глины, который стягивается металлическими прутьями с крючками наверху, служащими для подъема верхней части колокола — кожуха. Кожух поднимают, фальшивый колокол уничтожается, болван и внутреннюю часть кожуха (на которой отпечатались все украшения и надписи) зачищают и поправляют. Затем ставят кожух на прежнее место, и между болваном и кожухом получается пустое пространство для заливки металлом. Форму устанавливают в литейную яму и тщательно засыпают землей, плотно трамбуя, чтобы кожух выдержал огромное давление расплавленного металла.
В) Литье колокола
После долгих недель работы над формой колокола наступает день отливки колокола. День плавки долгожданный, но трудный: кто кого покорит и подчинит — стихия огня и расплавленного металла или мастер и его помощники? В Интернет сайтах мы прочитали о том, что раньше владельцы кол окололитейных заводов заранее объявляли дни плавки, чтобы все желающие могли присутствовать при отливке колоколов, и удивились сметливости и уважению к согражданам наших предков: действительно, с каким еще зрелищем можно сравнить то захватывающее, могучее действо, те чувства, которые можно пережить, наблюдая за желто-красно-зеленым прозрачным огненным водопадом расплавленной бронзы, более текучей, чем вода, когда металл вырывается из печи и легко течет в форму! Кратко о технологии литья. В подовой печи разводят огонь и закладывают медь, которая плавится в течение 5-6 часов. Мастер все это время постоянно следит, чтобы пламя не ослабевало и медленно, постепенно температура приближалась к точке плавления меди (1083 °С). Далее температуру быстро поднимают до 1200-1300 °С и вбрасывают нужное количество олова. Полученный сплав тщательно перемешивают длинными деревянными шестами, раскисляя металл. Сплав охлаждают до температуры 1080 °С и вышибают снаружи печи пробку. Жидкий металл, стремительно вырываясь из отверстия, течет по желобу и наполняет форму. До этого момента от загрузки олова в печь должно пройти не более 10 минут, иначе олово выгорит. Если температура будет меньше 1080 °С, тело колокола выйдет пористым, если больше — будет чересчур большой процент угара, а сплав в наиболее толстых участках стенки колокола выйдет неоднородным: легкое олово разделится с тяжелой медью, что окажет вредное влияние на звук. Готовность сплава, кроме точного определения температуры, можно определить старинным способом: опустить в него деревянную палочку. Если бронза готова, она застывает на ней в виде стеклообразной корки. При правильном заполнении формы металл глухо журчит (более резкие звуки говорят о пузырях в сплаве, что ведет к раковинам в колоколе). Колокол стынет несколько дней, затем его вынимают из ямы, очищают от пригоревшей глины изнутри и снаружи, а затем тщательно обрабатывают. Потом колокол приподнимают и пробуют на звук. На некоторых заводах колокола обтачиваются для «подправления звука». |
