آلة نفخ

آلة النفخ هي آلة موسيقية تحتوي على نوع من الرنانات (عادةً أنبوب) حيث يهتز عمود من الهواء بنفخ العازف في (أو فوق) قطعة فم مثبتة عند نهاية الرنان أو بالقرب منها. وتُحدد درجة الصوت بطول الأنبوب وبالتعديلات اليدوية على الطول الفعال لعمود الهواء المهتز. في بعض آلات النفخ، يُنتج الصوت بالنفخ عبر قصبة. بينما تتطلب آلات أخرى النفخ في قطعة فم معدنية، في حين تتطلب آلات أخرى النفخ في فتحة على الحافة، مما يؤدي إلى انقسام عمود الهواء وإنتاج الصوت.

تُصنف آلات النفخ عادةً إلى عائلتين: ^{[ 1 ]}

• الآلات النحاسية ( الأبواق ، والترومبيت ، والترومبون ، واليوفونيوم ، والتوبا )
• الآلات النفخية الخشبية ( الريكوردر ، الفلوت ، الأوبوا ، الكلارينيت ، الساكسفون ، والفاجوت )

كانت آلات النفخ الخشبية تُصنع في الأصل من الخشب، تمامًا كما كانت آلات النفخ النحاسية تُصنع من النحاس، ولكن تصنيف الآلات الموسيقية يعتمد على طريقة إنتاج الصوت، وليس على المادة المستخدمة في صناعتها. على سبيل المثال، تُصنع آلات الساكسفون عادةً من النحاس، ولكنها تُصنف ضمن آلات النفخ الخشبية لأنها تُصدر الصوت عن طريق اهتزاز القصبة . من ناحية أخرى، فإن آلات الديدجيريدو ، والكورنيت الخشبي (لا يُخلط بينه وبين الكورنيت )، والسربنت، جميعها مصنوعة من الخشب (أو أحيانًا من البلاستيك)، بينما تُصنع آلة الأوليفان من العاج ، ولكنها جميعًا تنتمي إلى عائلة آلات النفخ النحاسية لأن الاهتزاز يبدأ من شفتي العازف.

• في الآلات النحاسية، تهتز شفاه العازف نفسها، مما يتسبب في اهتزاز الهواء داخل الآلة.
• في آلات النفخ الخشبية، يقوم العازف بأحد الأمرين التاليين:
  • يتسبب ذلك في اهتزاز القصبة ، مما يؤدي إلى تحريك عمود الهواء (كما هو الحال في الساكسفون أو الكلارينيت أو الأوبوا أو الدودوك ).
  • ينفخ فوق فتحة ، عبر ثقب مفتوح مقابل حافة (كما في آلة التسجيل أو الأوكارينا )، أو
  • ينفخ عبر حافة فتحة مفتوحة (كما هو الحال في الناي ).

في مخطط هورنبوستل-ساكس لتصنيف الآلات الموسيقية ، تصنف الآلات النفخية على أنها آلات هوائية .

يعتمد إنتاج الصوت في جميع آلات النفخ على دخول الهواء إلى صمام تحكم في التدفق متصل بحجرة رنين ( رنان ). عادةً ما يكون الرنان أنبوبًا أسطوانيًا أو مخروطيًا طويلًا، مفتوحًا من طرفه البعيد. تنتقل نبضة ضغط عالٍ من الصمام عبر الأنبوب بسرعة الصوت ، ثم تنعكس من الطرف المفتوح كنبضة عائدة منخفضة الضغط. في ظل ظروف مناسبة، يعكس الصمام النبضة مرة أخرى بطاقة متزايدة، حتى تتشكل موجة مستقرة في الأنبوب.

تحتوي الآلات النفخية ذات القصبة ، مثل الكلارينيت والأوبوا ، على قصبة مرنة أو قصبات عند الفوهة، تُشكل صمامًا يُتحكم فيه بالضغط. يؤدي ارتفاع الضغط داخل الحجرة إلى تقليل فرق الضغط عبر القصبة، فتفتح القصبة أكثر، مما يزيد من تدفق الهواء. ^{[ 2 ] [ 3 ]} يؤدي ازدياد تدفق الهواء إلى زيادة الضغط الداخلي، لذا فإن نبضة الضغط العالي التي تصل إلى الفوهة تنعكس كنبضة ضغط أعلى عائدةً إلى أسفل الأنبوب. تكون الموجات المستقرة داخل الأنبوب مضاعفات فردية لربع الطول الموجي ، ^{[ 4 ]} مع وجود عقدة ضغط عند الفوهة، وعقدة ضغط عند الطرف المفتوح. تهتز القصبة بمعدل يُحدده الرنان .

في آلات النفخ ذات القصبة الشفوية ( النحاسية )، يتحكم العازفون في شد شفاههم بحيث تهتز تحت تأثير الهواء المتدفق عبرها. ^{[ 5 ] [ 6 ]} يضبطون الاهتزاز بحيث تكون الشفاه مغلقة تمامًا، ويكون تدفق الهواء في أدنى مستوياته، عندما تصل نبضة ضغط منخفض إلى فوهة النفخ، لتنعكس هذه النبضة عائدةً إلى أسفل الأنبوب. تكون الموجات المستقرة داخل الأنبوب مضاعفات فردية لربع الطول الموجي ، مع وجود عقدة ضغط عند فوهة النفخ، وعقدة ضغط عند الطرف المفتوح.

في آلات النفخ الهوائية ( الناي والناي ذو الفوهة )، تتفاعل طبقة الهواء الرقيقة المتدفقة (النفث المستوي) عبر فتحة (الفوهة) في الأنبوب مع حافة حادة (الشفة) لتوليد الصوت. ^{[ 7 ]} يُولّد العازف هذا النفث عند النفخ عبر شق رفيع (الناي). في آلات التسجيل وأنابيب الأرغن، يُصنع هذا الشق من قِبل صانع الآلة وله شكل هندسي ثابت. أما في الناي المستعرض أو الناي ذي الريشة، فيُشكّل العازف الشق بين شفتيه.

نتيجةً للتذبذب الصوتي للأنبوب، يتعرض الهواء داخله للانضغاط والتمدد بالتناوب. ^{[ 8 ]} ينتج عن ذلك تدفق متناوب للهواء داخل الأنبوب وخارجه عبر فوهته. ويؤدي تفاعل هذا التدفق الصوتي العرضي مع تيار الهواء المستوي إلى إحداث اضطراب موضعي في توزيع سرعة التيار عند مخرج المدخنة (منشأ التيار). ويتضخم هذا الاضطراب بشدة بفعل عدم استقرار التيار المتأصل أثناء تحركه باتجاه الشفة العليا. وينتج عن ذلك حركة عرضية شاملة للتيار عند الشفة العليا.

يمكن ملاحظة تضخيم اضطرابات النفث بفعل عدم استقراره الذاتي عند النظر إلى عمود دخان السجائر. فأي حركة طفيفة لليد التي تمسك السيجارة تؤدي إلى تذبذب العمود، ويزداد هذا التذبذب مع الارتفاع، ويتحول في النهاية إلى حركة فوضوية (اضطراب). ويمكن إحداث التذبذب نفسه في النفث بتيار هواء خفيف في الغرفة، وهو ما يمكن التحقق منه بتحريك اليد الأخرى.

ينتج عن تذبذب النفث حول الشفة قوة متذبذبة لتدفق الهواء عليها. ووفقًا لقانون نيوتن الثالث ، تُؤثر الشفة بقوة رد فعل معاكسة على التدفق. ويمكن إثبات أن قوة رد الفعل هذه هي مصدر الصوت الذي يُحرك التذبذب الصوتي للأنبوب.

قدّم آلان باول ^{[ 9 ]} برهانًا كميًا على طبيعة هذا النوع من مصادر الصوت عند دراسته لنفث مستوٍ يتفاعل مع حافة حادة في غياب الأنبوب (ما يُعرف بنغمة الحافة). ويمكن التنبؤ بالصوت المنبعث من نغمة الحافة من خلال قياس القوة غير المستقرة الناتجة عن تدفق النفث على الحافة الحادة (الشفة). كما يُنتج الصوت الناتج عن رد فعل الجدار لقوة غير مستقرة ناتجة عن التدفق حول جسم ما، الصوت الهوائي لأسطوانة موضوعة عموديًا على تدفق الهواء (ظاهرة السلك الرنان). في جميع هذه الحالات (الناي، نغمة الحافة، النغمة الهوائية...)، لا يتضمن إنتاج الصوت اهتزازًا للجدار. وبالتالي، فإن المادة المصنوع منها الناي ليست ذات صلة بمبدأ إنتاج الصوت. فلا يوجد فرق جوهري بين الناي الذهبي والفضّي. ^{[ 10 ]}

يمكن وصف إنتاج الصوت في الناي بنموذج العناصر المجمعة، حيث يعمل الأنبوب كأرجوحة صوتية (نظام كتلة-نابض، رنان ) تتذبذب بشكل تفضيلي بتردد طبيعي يحدده طول الأنبوب. يعمل عدم استقرار النفث كمضخم ينقل الطاقة من تدفق النفث المستقر عند مخرج الناي إلى التدفق المتذبذب حول الشفة. يشكل الأنبوب مع النفث حلقة تغذية راجعة. يرتبط هذان العنصران عند مخرج الناي وعند الشفة. عند مخرج الناي، يؤثر التدفق الصوتي العرضي للأنبوب على النفث. عند الشفة، ينتج عن تذبذب النفث توليد موجات صوتية، تحافظ على تذبذب الأنبوب.

يمكن وصف التدفق الصوتي في الأنبوب، في حالة التذبذب المنتظم، باستخدام الموجات المستقرة . لهذه الموجات عقدة ضغط عند فتحة الأنبوب وعقدة ضغط أخرى عند نهايته المفتوحة المقابلة. وتكون الموجات المستقرة داخل هذا الأنبوب المفتوح من الطرفين مضاعفات لنصف الطول الموجي . ^{[ 4 ]}

بتقريب تقريبي،  سيُظهر أنبوب طوله حوالي 40 سم رنينًا بالقرب من النقاط التالية:

• بالنسبة لآلة القصب أو آلة القصب الشفوية: 220  هرتز (A3)، 660  هرتز (E5)، 1100  هرتز (C#6).
• بالنسبة لآلة النفخ الهوائية: 440  هرتز (A4)، 880  هرتز (A5)، 1320  هرتز (E6).

لكن عملياً، يعتمد الحصول على مجموعة من النغمات المفيدة موسيقياً من آلة نفخية إلى حد كبير على التصميم الدقيق للآلة وتقنية العزف.

يعتمد تردد أنماط الاهتزاز على سرعة الصوت في الهواء، والتي تتغير بتغير كثافة الهواء . ويؤثر تغير درجة الحرارة، وتغير الرطوبة بدرجة أقل بكثير، على كثافة الهواء وبالتالي على سرعة الصوت، ومن ثم على ضبط آلات النفخ. ويُعدّ تأثير التمدد الحراري لآلة النفخ، حتى لو كانت نحاسية، ضئيلاً مقارنةً بتأثيره الحراري على الهواء.

• تستخدم هذه الآلات أعمدة هواء مختلفة لإنتاج نغمات مختلفة، كما هو الحال في مزمار الراعي . ويمكنها عزف عدة نغمات في وقت واحد.
• يتم تغيير طول عمود الهواء المهتز عن طريق تغيير طول الأنبوب باستخدام صمامات (انظر الصمام الدوار ، صمام المكبس ) التي توجه الهواء عبر أنابيب إضافية، مما يزيد من الطول الإجمالي للأنبوب ويخفض النغمة الأساسية. تُستخدم هذه الطريقة في جميع آلات النفخ النحاسية تقريبًا .
• يتم تغيير طول عمود الهواء المهتز عن طريق إطالة و/أو تقصير الأنبوب باستخدام آلية انزلاق . تُستخدم هذه الطريقة في آلة الترومبون وصفارة الانزلاق .
• يتم تغيير تردد الاهتزاز عن طريق فتح أو إغلاق ثقوب في جانب الأنبوب. ويمكن القيام بذلك بتغطية الثقوب بالأصابع أو بالضغط على مفتاح لإغلاقها. وتُستخدم هذه الطريقة في جميع آلات النفخ الخشبية تقريبًا .
• جعل عمود الهواء يهتز بترددات توافقية مختلفة دون تغيير طول عمود الهواء (انظر البوق الطبيعي وسلسلة التوافقيات ).

تستخدم جميع آلات النفخ تقريبًا الطريقة الأخيرة، وغالبًا ما تستخدمها بالاشتراك مع إحدى الطرق الأخرى، لتوسيع نطاقها الصوتي.

جرس آلة النفخ هو الفتحة المستديرة المتسعة المقابلة لقطعة الفم. يوجد هذا الجرس في آلات الكلارينيت، والساكسفون، والأوبوا، والهورن، والترومبيت، وأنواع أخرى كثيرة من الآلات. في آلات النفخ النحاسية، يحدث الاقتران الصوتي من تجويف الآلة إلى الهواء الخارجي عند الجرس لجميع النغمات، ويُحسّن شكل الجرس هذا الاقتران. كما يلعب دورًا رئيسيًا في تحويل رنين الآلة . [ ^{11 ] أما} في آلات النفخ الخشبية، فتُصدر معظم النغمات صوتها من أعلى فتحات الصوت المفتوحة؛ بينما تُصدر النغمات المنخفضة فقط من كل طبقة صوتية صوتها كليًا أو جزئيًا من الجرس، ووظيفة الجرس في هذه الحالة هي تحسين تناسق النغمات بين هذه النغمات وبقية النغمات.

يؤدي العزف على بعض آلات النفخ، وخاصة تلك التي تتطلب مقاومة عالية لضغط التنفس، إلى ارتفاع ضغط العين ، وهو ما يرتبط بالجلوكوما كخطر صحي محتمل. ركزت إحدى الدراسات التي أُجريت عام ٢٠١١ على آلات النفخ النحاسية والخشبية، ولاحظت "ارتفاعات وتقلبات مؤقتة، وأحيانًا حادة، في ضغط العين". ^{[ ١٢ ]} ووجدت دراسة أخرى أن مقدار الزيادة في ضغط العين يرتبط بالمقاومة داخل الفم المرتبطة بالآلة، وربطت الارتفاع المتقطع في ضغط العين الناتج عن العزف على آلات النفخ ذات المقاومة العالية بحدوث فقدان في مجال الرؤية. ^{[ ١٣ ]} وقد تبين أن نطاق ضغط العين في مختلف أنواع آلات النفخ التراثية، مثل مزمار السكان الأصليين لأمريكا ، يكون عمومًا أقل من نطاق ضغط العين في آلات النفخ الكلاسيكية الغربية. ^{[ ١٤ ]}

• أيوتانا
• آلة نفخ هوائية
• فرقة موسيقية
• اختصار لآلات الأوركسترا

• تتضمن الأقراص المدمجة الخاصة بملخص آلات النفخ ما يلي: "Microsoft Musical Instruments" (توقف إنتاجها الآن ولكنها متوفرة أحيانًا على أمازون)، و"Tuneful Tubes?" ( http://sites.google.com/site/tunefultubes )
• روبنسون، تريفور (1980). صانع آلات النفخ الهاوي (  طبعة منقحة). أمهرست، ماساتشوستس: مطبعة جامعة ماساتشوستس. ISBN 9780870233128.دليل كامل لصنع آلات النفخ التاريخية الشهيرة في المنزل - المزامير والكلارينيت الباروكية، والشوم، والكرومهورن، والبوق، والراكيت، وغيرها.