По всем вопросам звоните:

+7 495 274-22-22

УДК: 669.15.26.74-196 DOI:10.33920/pro-2-2010-05

История литейного производства. Почему звучит прорезной колокол

Сидоров В. А., д-р технических наук, профессор, Донецкий национальный технический университет, Донецк, 83001, Донецк, ул. Артема, д. 58, е-mail: sidorov_va@ukr.net
Ошовская Е. В., канд. техн. наук, доцент, Донецкий национальный технический университет, Донецк, 83001, Донецк, ул. Артема, д. 58

В статье продолжается обсуждение темы истории литейного производства — отливки колоколов (начало в №9). Литейное искусство передавалось из поколения в поколение. Авторы подробно проанализировали разнообразие колокольных изделий, материалы, технологии изготовления. Сложность технологического изготовления прорезных колоколов делает их уникальными, единичными изделиями, подтверждающими высокий уровень квалификации мастера. Потери звуковых свойств прорезных колоколов зависят от соотношения основных размеров, размеров прорезей и мест их расположения. Использование взаимодополняющих методов измерения механических и визуализации звуковых колебаний позволяет получить исходные данные для разработки математической модели звуковых колебаний колокола.

Литература:

1. Израилев, А.А. Ростовские колокола и звоны (Чтение в Обществе любителей древней письменности, 11 мая 1884 г.) / Священник Аристарх Израилев. — Санкт-Петербург, тип. М.М. Стасюлевича, 1884. — 24 с.

2. Пыляев, М.И. Исторические колокола. Старое житье. — СанктПетербург, 1897. — С. 288–330.

3. Оловянишников, Н.И. История колоколов и колокололитейное искусство. — 2‑е доп. изд. — Москва: Изд. Т‑ва П.И. Оловянишникова, 1912. — 435 с.

4. Гидулянов, П.В. Церковные колокола на службе магии и царизма (фактические материалы). Второе издание. — Москва: Атеист, 1929. — 82 с.

5. Шишаков, В. Колокола на индустриализацию // Антирелигиозник. — 1930. — №2. — С. 19–22.

6. Захаров, Н.Н. Кремлевские колокола. Серия: Московский Кремль. — Москва: Московский рабочий, 1969. — 28 с.

7. Лоханский, В.В. Русские колокольные звоны // Колокола. История и современность. — Москва, 1985. — С. 18–27.

8. Ярешко, А.С. Колокольные звоны России. — Москва: Глаголь, 1992. — 136 с.

9. Шашкина, Т.Б. Древнерусские колокола домонгольского времени // Колокола. История и современность. — 1990. — №3. — С. 128–143.

10. Бондаренко, А.Ф. Московские колокола. XVII век. — Москва: Русская панорама, 1998. — 256 с.

11. Тосин, С.Г. Колокола и звоны в России. — Новосибирск: Новониколаевск, 1998. — 334 с.

12. Смоленский, С.В. О колокольном звоне в России / Музыка колоколов. Сост. А. Б. Никаноров. — СанктПерербург: РИИИ, 1999. — С. 197–211.

13. Никаноров, А.Б. Колокола и колокольные звоны Псково-Печерского монастыря. — Санкт-Петербург: Государственный институт искусствознания, 2000. — 138 с.

14. Оловянишников, Н.И. История колоколов и колокололитейное искусство / Под ред. А.Ф. Бондаренко. — Москва: Русская панорама, 2003. — 520 с.

15. Шашкина, Т.Б. Модульный метод колокололитейного ремесла. Колокола: История и современность. — Москва, 1985. — 237с.

16. Гусева, А.Н. Русский звон: колокола и колокольни / Манускрипт. — Тамбов: Грамота, 2019. — №7. — С. 158–162.

17. Пухначев, Ю.В. Загадки звучащего металла. — Москва: Наука, 1974. — 127 с.

18. Шашкина, Т.Б. Звучащая бронза. Текст: вопросы истории, естествознания и техники. Сб. научн. тр. / Т.Б. Шашкина. — Москва: Наука, 1985. — С. 51–61.

19. Хаазен, Й. Тайны колоколов // Музыка колоколов: Сб. исследований и материалов / Отв. ред. и сост. А.Б. Никаноров. — Санкт-Петербург: РИИИ, 1999. — С. 113–117.

20. Православный колокольный звон. Теория и практика / Составители: Коновалов И.В., Завьялов Н.И. — Москва: Триада плюс, 2002. — 192 с.

21. Коновалов, И.В. Колокольные профили. Эл ресурс. URL: https:// www.rostmuseum.ru/upload/iblock/ 739/7393c5c04dc5950c8ffc671804754 9b6.pdf (дата обращения: 20.06.2020).

22. Общество церковных звонарей — о колоколах, звонарях и церковном звоне в России. — Эл. ресурс. URL: http://zvon.ru (дата обращения: 20.06.2020).

23. Благовещенская, Л.Д. Некоторые особенности специфики звучания и восприятия колокольного звона // Колокола: История и современность / Сост.Ю. В. Пухначев. — Москва: Наука, 1993. — С. 29–37.

24. Рагс, Ю.Н. Методологические вопросы акустического анализа колокольных звонов / Музыка колоколов. Сост. А. Б. Никаноров. — СанктПетербург, 1999. — С. 118–125.

25. Нюнин, Б. Н., Ларюков, А. С., Юдин, С.И. Расчетно-экспериментальное исследование виброакустических характеристик старых русских колоколов / Музыка колоколов. Сост.А. Б. Никаноров. — СанктПетербург: РИИИ, 1999. — С. 142–145.

26. Алдошина, И., Пучков, С. Компьютерные методы записи и акустического анализа колокольных звонов // Вопросы инструментоведения / Ред.‑сост. В. Свободов. — Вып. 4. — СанктПетербург: РИИИ, 2000. — С. 163–164.

27. Звучание колокола и его основной тон. Иеродиакон Роман (Огрызков), руководитель Даниловского колокольного центра. Эл ресурс. URL: https://ortox.ru/news/zvuchaniekolokola-i-ego-osnovnoy-ton (дата обращения: 20.06.2020).

28. Прорезной колокол: за и против. Опрос литейщиков // Церковный строитель. — 2019. — № 38. — С. 19–20.

29. ГОСТ 8117–74. Межгосударственный стандарт. Колокола судовые. Технические условия. — Москва: ИПК «Издательство стандартов». — Дата введения 01.01.75.

30. Радин, П.В. Со своей колокольни: сборник колокольных партитур. Эл ресурс. URL: http://www.zavet.ru/a/ post_1351508677.html (дата обращения: 20.06.2020).

Колокольный звон всегда был предметом исследований и особого интереса [1–14] — изучались методы получения профиля, состав колокольной бронзы, звучание и восприятие колокольного звона [15–27].

В начале XXI в. традиция изготовления прорезных колоколов возобновилась (рис. 6) отливкой в 2009 г. колокола массой 270кг на Московском колокольном заводе «Литэкс» с вертикальными прорезями. Следующим стал колокол массой 400 кг мастера Самойлова С.В. (Донецкий металлургический завод, 2011 г.) с чередованием вертикальных прорезей и крестов. В 2012 г. появился колокол «Адмиральский» массой 500 кг (завод «Италмас») с 4 группами из 8 круговых прорезей. Колокол «Святитель Павлин» поражает своей воздушностью (мастерская Дроздихина И.М., 2019 г.), а памятный прорезной колокол в честь лодки «Кореец» среди прорезных колоколов имеет самую большую массу — 1600кг. К этому следует добавить и сувенирные колокола мастера Пяткова Н.Г.

Рис. 6. Прорезные колокола: а — колокол Московского колокольного завода «Литэкс», 2008 г., 270 кг (http://zavet.ru); б — колокол Донецкого металлургического завода, 2011 г., 400 кг (https://fromdonetsk.net); в — колокол «Адмиральский», завод «Италмас», 2012 г., 500 кг (https://sobory.ru); г — колокол «Святитель Павлин». мастерская Дроздихина И.М. — 2019 г. (http://likirussia.ru)

Это свидетельствует о возросшем уровне мастерства литейщиков колоколов, развитии технологии производства прорезных колоколов, своеобразном соревновании в стремлении отлить уникальный колокол. Относительно звучания прорезных колоколов мнения расходятся [28]. Есть утверждение о том, что прорезные колокола отличаются красивым и долгим звучанием. Но «прорезные колокола обычно не льют для храмов». Существует мнение о том, что «звук несколько ниже, чем звучание обычного колокола, а время звучания — такое же». Расположение прорезей в зоне зарождения звука искажает благозвучие.

Звук колокола формируется кольцами переменной толщины и диаметра, определяемыми профилем (рис. 7). Тональность основного звучания определяется размерами нижнего кольца, обертоны (гармоники) формируют кольца, расположенные выше. Механические колебания, зародившиеся при ударе, преобразуются в акустические колебания. Эти процессы взаимосвязаны и могут быть зафиксированы и проанализированы. Выполнено несколько этапов исследований.

Рис. 7. «Русский профиль» колокола: а — чертеж, б — общий вид

Первый этап — определение способа возбуждения колебаний. Ответом стал практический результат решения задачи оценки наличия трещин в дисках рабочих колес турбовоздуходувок, улавливателей коксового газа и др. Фиксация частот собственных колебаний не зависит от способа возбуждения колебаний. Однако использование металлического молотка приводит к появлению среднечастотных составляющих, несколько подавляющих резонансные составляющие (рис. 8). В дальнейшем возбуждение механических колебаний происходило однотипно — с помощью деревянного молотка массой 150 г.

Второй этап — определение частот собственных колебаний колокола. Колокол представляет собой набор колец различной высоты, толщины и диаметра. Частота собственных колебаний кольца определяется по формуле:

где: с — жесткость кольца; m — масса кольца.

Характер звучания кольца определяется размерами — кратностью длины звуковых волн окружности кольца. Воспользуемся общеизвестными формулами:

где: λ — длина волны, м; v — скорость распространения колебаний, м/с; f — частота колебаний, Гц.

Скорость распространения колебаний в металле является функцией его модуля Юнга Е, плотности ρ и коэффициента Пуассона μ:

При этом продольная и поперечная скорость различаются. Неопределенность модуля Юнга, плотности колокольной бронзы (как результата плавки) и фиксированные размеры подготовленной формы определяют сложность получения заданной тональности в колоколе. Настройка главного тона в западной традиции осуществляется после отливки колокола, растачиванием внутренней поверхности в определенных концентрических зонах.

В ходе исследований были измерены частоты собственных колебаний:

• стального кольца №1: диаметр внешний — 540 мм, диаметр внутренний — 515мм, ширина — 48мм, длительность звучания более 1,0 с;

• стального кольца №2: диаметр внешний — 280 мм, диаметр внутренний — 236мм, ширина — 95мм, длительность звучания около 0,2 с;

• стальных колец и деталей с трещиной.

Рис. 8. Спектрограммы собственных колебаний рабочих колес турбовоздуходувки, вызываемых при помощи: а — деревянного молотка; б — металлического молотка

Результаты измерений для стальных колец №1 и 2 приведены на рис. 9.

Частота собственных колебаний стального кольца № 1 определена по формуле (1) и составила ≈ 300 Гц, фактически ≈ 303 Гц. Фиксируются составляющие, некратные первой гармонике. Затухания колебаний носят пульсирующий характер.

Частота собственных колебаний стального кольца № 2 рассчитана по временной диаграмме затухания виброускорения и составила 619 Гц. Также фиксируются составляющие, некратные первой гармонике, но их количество значительно меньше. Затухания колебаний носят экспоненциальный характер.

Звучащим можно назвать стальное кольцо №1 из‑за длительности затухания звука и количества составляющих колебаний.

Частоты собственных колебаний могут не приводить к появлению гармонических составляющих (рис. 10а) или иметь низкую длительность звучания, менее 0,1 с (рис. 10б).

Кольца с трещиной практически не имели времени затухания, отличались глухим звуком. Спектры содержали частоты собственных колебаний (рис. 11а) или включали зоны резонансных частот (рис. 11б). Поглощение колебаний трещиной — известная причина глухого звука.

Следовательно, не каждое кольцо может быть поющим. Для этого необходимо определенное сочетание размеров. В механических колебаниях это проявляется составляющими, не кратными частоте собственных колебаний. Количество этих составляющих является показателем количества «звучащих» колец в колоколе. Второе проявление — экспоненциальное, длительное затухание, сопровождающееся возникновением «биений» (пульсаций) звука.

Рис. 9. Спектрограммы частот собственных колебаний и временные диаграммы затухания значений виброускорения: а — для стального кольца №1; в — стального кольца №2; б — для стального кольца №1; г — стального кольца №2

Третий этап — анализ изменения звукового сигнала во времени. При анализе акустических колебаний, по выводам работы [29, 30], необходимо учесть индивидуальность и изменение звука колокола во времени. Наиболее полно этим требованиям удовлетворяет визуализация звуковых колебаний. После анализа ряда записей колокольного звона, доступных в Интернете, определены два основных фактора, отличающих звук «эталонного» благовеста. Это длительность затухания звука и возникновение биений, как результата сложения колебаний, близких по частоте. Период биений определяется разницей частот:

Некоторые результаты осциллографирования звуковых колебаний колоколов, которые возможно отнести к благовестам, приведены на рис. 12. Для колокола №1 (рис. 12а) отмечена длительность звучания более 13 с и образование биений с периодом 20…30 мс. Колокол № 2 (рис. 12б) имеет длительность звучания около 3 с, а биения происходят с периодом около 45 мс. Возможно, различная форма биений определяет благозвучие как сумму колебаний.

Рис. 11. Спектрограммы виброускорения кольца с трещиной: а — №1; б — №2

Рис. 12. Визуализация звуковых колебаний и биения: а — колокола №1, в — колокола №2; б — колокола №1; г — колокола №2

Рис. 13. Визуализация звуковых колебаний: а, б — для рынды; в, г — колокола с трещиной

У сигнального колокола (рынды) время затухания сигнала составило 0,5 с (рис. 13а), колебания звука также имеют период около 20 мс, а биений нет (рис. 13б). Звук металлический, резкий, для этого рында и предназначена. Большая масса не гарантирует благозвучие.

Трещина на колоколе с боковым ударом молотка одного из знаменитых часовых механизмов увеличивает длительность затухания звука до 5 с (рис. 13в). Наличие трещины нарушает образование биений, превращая звук в металлическое дребезжание (рис. 13г).

Четвертый этап — спектральный анализ колебаний.

Обычно при православном храме имеются колокола: благовестники, подзвонные, зазвонные. Были проведены исследования механических колебаний для благовеста (масса 7047 кг), подзвонных колоколов (масса 3672 кг и 452кг), колокольчиков и карильонов учебного класса. Несмотря на слабый удар, затухание механических колебаний совпадает с затуханием звуковых колебаний, также выделяются биения, что вполне ожидаемо (рис. 14).

Рис. 14. Затухание механических колебаний совпадает с затуханием звуковых колебаний колокола массой 3672 кг: а — визуализация механических колебаний; б — биение

Рис. 15. Спектры механических колебаний: а — колокол массой 3672 кг; б — колокол массой 7047 кг

Анализ спектров механических колебаний позволил выделить две характерные картины:

• колокола, имеющие относительно стабильные частоты модуляции, например колокол массой 3672 кг (рис. 15а), основная частота модуляции 491 Гц — нота Си;

• колокола с переменной частотой модуляции, например колокол массой 7047кг (рис. 15б), частоты модуляции 228, 243, 273, 280, 286, 384 Гц — ноты До, Ре, Си.

Рис. 16. Визуализация звуковых колебаний прорезных колоколов: а, б — колокол Московского колокольного завода «Литэкс»; в, г — колокол Донецкого металлургического завода

Колокольчики и карильоны также имели два проявления спектров:

• с четко выраженными частотами колебаний и их гармониками;

• с многочисленными составляющими колебаний.

Не подвергая сомнению высказывание — «при оценке ударного тона русских колоколов необходимо больше доверять собственным ушам, чем спектральному анализу» [27], отмечаем, что первые изучения спектров колоколов позволяют определить сложный характер зарождения колебаний и зафиксировать его. Наряду с основным ударным тоном «нижней губы» в колоколе могут присутствовать «звучащие кольца», настроенные на иной лад. Положение и размеры этих колец в колоколе может быть определено аналитически и фактически. Нарушение целостности этих «звучащих колец» приводит к сокращению числа генерируемых колебаний. Но это тема для более детального исследования.

Пятый этап — анализ звуковых колебаний прорезных колоколов.

Найденные в Интернете записи звона прорезных колоколов проводились в различных условиях, поэтому возможно лишь качественное сравнение визуализации звуковых колебаний. Прорезной колокол Московского колокольного завода «Литэкс» — основные частоты колебаний 279, 495 Гц, 645 Гц (рис. 16а) и прорезной колокол Донецкого металлургического завода — основные частоты колебаний 96, 183, 312, 635 Гц (рис. 16в) — имеют затухающие пульсирующие колебания, что характерно для колоколов. Колебания (рис. 16б, 16г) являются суммой гармоник, однако биения не проявляются. Причина — отсутствие верхнего «звучащего» кольца из‑за наличия прорезей.

В заключение анализа можно отметить:

1. Сложность технологического изготовления прорезных колоколов делает их уникальными единичными изделиями, подтверждающими высокий уровень квалификации мастера.

2. Потери звуковых свойств прорезных колоколов зависят от соотношения основных размеров, размеров прорезей и мест их расположения.

3. Использование взаимодополняющих методов измерения механических и визуализации звуковых колебаний позволяет получить исходные данные для разработки математической модели звуковых колебаний колокола.

Язык статьи:
Действия с выбранными: