Губная гармоника

Способ решения проблем высших гармоник

Диапазон определения высших гармоник не очень ясен, некоторые ученые считают, что выше 13 гармоники — это высшие гармоники, и некоторые ученые считают, что выше 50 гармоники — высшие гармоники. Гармоники в пределах 50-ой компенсируются с помощью устройства APF, способ решения одинаков (см. описание в предыдущем разделе); свыше 50-ой гармоники — это тяжелое испытание для электронного переключателя в электроэнергетической системе главной цепи устройства APF.

Чем выше номер компенсационных гармоник, тем выше требование к частоте переключений мощных приборов, по мере увеличения частоты переключений, растет степень тяжести испытания на отключающую способность, а вопросы потерь и рассеивания тепла переключателей еще серьзнее. Поэтому все существующие устройства APF могут только эффективно отфильтровывать гармоники в пределах 50-ой. Свыше 50-ой высокочастотные гармоники дополнительно необходимо компенсировать при помощи традиционного способа пассивной фильтрации.

Источники помех

К источникам помех можно отнести целый ряд оборудования, начиная от бытовых приборов, заканчивая мощными промышленными электрическими машинами. Для начала давайте кратко рассмотрим причины их возникновения.

Гармоники в электрической сети переменного тока возникают из-за особенностей электрооборудования, например из-за нелинейности их характеристик, или характера потребления тока.

Например, в трёхфазных сетях в магнитопроводах трансформаторов длины магнитных путей средних и крайних фаз различаются почти в 2 раза, поэтому и токи их намагничивания различаются до полутора раз. Отсюда возникают гармоники в трёхфазных сетях.

Другой источник помех в электротехнике — это электродвигатели, как трёхфазные синхронные и асинхронные, так и однофазные, в том числе и универсальные коллекторные двигатели. Последний тип двигателей используется в большей части бытовой техники, например:

• стиральные машины;
• кухонные комбайны;
• дрели, болгарки, перфораторы и пр.

В результате работы импульсных блоков питания возникают высокочастотные гармоники (помехи) в электрической сети. Чтобы понять как они образуются, нужно иметь сведения об их внутреннем устройстве. Это связано с тем, что ток первичной обмотки ИБП отличается от непрерывного, он протекает только тогда, когда открыт силовой полупроводниковый ключ. А последний открывается и закрывается с частотой выше 20 кГц.

Интересно: Рабочая частота некоторых современных импульсных блоков питания достигает 150 кГц.

Для уменьшения этих гармоник используют фильтры электромагнитных помех, например, синфазный дроссель и конденсаторы. Для улучшения графика потребления тока относительно питающего однофазного напряжения используют активные корректоры коэффициента мощности (рус. ККМ, англ. PFC).

Такие блоки питания установлены в:

• светодиодных лампах;
• ЭПРА для люминесцентных ламп;
• компьютерные блоки питания;
• современные зарядные устройства для мобильных телефонов;
• телевизоры и прочая техника.

Также к этим источникам питания можно отнести и преобразователи частоты.

Определение гармоник

График сигнала, который изменяется по синусоидальному закону, имеет вид:

Но это значительно отличается от реальной формы напряжения в электрической сети:

Эти зазубрины и всплески и вызваны гармониками. Мы попытаемся рассказать об этом явлении простыми словами. Изображенный выше график можно представить как сумму сигналов различной частоты и величины. Если всё это сложить, то в результате получится именно такой сигнал. Пример и результат сложения сигналов изображен на графике ниже:

Гармоники различают по номерам, где первая гармоника — это та составляющая, у которой самая большая величина. Однако такое описание слишком кратко. Поэтому давайте приведем формулу определения величины гармоники. Это возможно при гармоническом анализе и разложении в ряд Фурье:

Из этой формулы можно выделить и величины частот и фаз гармонических составляющих электрической сети и любого другого синусоидального сигнала.

Разновидности губных гармоник

Губные гармоники делятся на:

• Хроматические гармоники
• Диатонические гармоники
  • Блюзовые гармоники
  • Тремоло гармоники
  • Октавные гармоники
• Оркестровые гармоники
  • Мелодические гармоники
  • Басовые гармоники
  • Аккордовые гармоники

Хроматические гармоники позволяют извлекать все 12 нот в октаве (включая полутона). Научиться играть на них сложнее, чем на диатонических, зато на них можно сыграть любую мелодию без освоения таких сложных техник игры, как бенд. Гармошки такого типа фактически состоят из 2-х гармоник в одном корпусе. Переключение между ними и извлечение полутонов достигается использованием специальной кнопки-переключателя — слайдера, на одной из боковых сторон инструмента.

В диатонических гармониках используется диатонический строй (например: C, D, E, F) без полутонных интервалов между нотами (C#, D# и так далее). Игра на диатонической гармошке напоминает игру на фортепиано только по белым клавишам, без чёрных (некоторые отсутствующие звуки можно извлечь с помощью специального приёма — бэнда). В большинстве случаев диатонические гармошки имеют 10 отверстий и выпускаются в тональностях C или G. Диатонические гармошки имеют диапазон в 1-4 октавы.

Блюзовая гармоника обычно имеет 10 отверстий, с пластинами для вдоха (англ. draw) и для выдоха (англ. blow) в каждом отверстии.

В тремоло-гармонике две звуковые пластины, звучащие одновременно, слегка расстроены друг относительно друга, создавая тремоло-эффект. Таким образом, на каждую ноту приходится 2 язычка, и звук получается более насыщенным. Наличие ноты ля в нижней октаве позволяет полноценно играть русские мелодии.

Октавная гармоника — другая разновидность диатоники. В ней две звуковые пластины, звучащие одновременно, настроены точно в октаву друг относительно друга. Это придает большую громкость и другой тембр звука.

Басовая гармоника — фактически два отдельных инструмента, один над другим, соединенных шарнирами с обеих сторон. Каждое отверстие играет только на выдох, и на каждую ноту — по две звуковые пластины, настроенные в октаву.

Аккордовая гармоника, подобно бас-гармонике, тоже состоит из двух подвижно закреплённых пластин, сдвоенные язычки которых настроены в октаву. Но в отличие от бас-гармоник, она имеет ноты и на выдох, и на вдох, что позволяет использовать различные аккорды.

Зарубежные гармоники

• Концертина (английская концертина) — инструмент создан в 1827 году в Англии Чарльзом Уитстоном. Звук одинаковый при разжиме-сжиме меха
  Колебательный контур

  Немецкая концертина — сконструирована в 1832 году немецким мастером Фридрихом Улигом. Немецкая концертина издаёт разные звуки на разжим-сжим меха.

  .

• Бандонеон — создан в 1840 году немецким мастером Генрихом Бандом на основе немецкой концертины. Бандонеон издаёт разные звуки на разжим-сжим меха.
• Аккордеон — хроматическая ручная гармоника, изобретённая и получившая широкое распространение в Европе. В русской традиции аккордеоном принято называть инструменты с правой клавиатурой фортепианного типа.

Классификация

В США, Европе и других странах все ручные гармоники с готовыми аккордами в аккомпанементе имеют название «аккордеон» и по звукоряду подразделяются на диатонические и хроматические, а по типу клавиш на кнопочные и пиано-аккордеоны. Например баян называется хроматическим кнопочным аккордеоном, аккордеон — пиано-аккордеоном, гармонь хромка — диатоническим кнопочным аккордеоном.

Старинная гармоника и современная гармония

Объект изучения старинной гармоники — звук определённой высоты, для которого в ряде трактатов использовался специальный термин др.-греч. φθόγγος (в латинской транслитерации — лат. phthongos), и связи разновысотных звуков такого рода. Звуки (звучания) неопределённой высоты (как, например, вой волка, мычание коровы и т.п., а также речь человека), которые обобщённо именовались экмелическими, нельзя точно измерить, и потому они не могут быть объектом изучения в гармонике. Современная гармония по преимуществу занимается звуками определённой высоты, но также изучает и слитные звучания (как, например, в сонорной музыке).

Старинная гармоника изучает только эммелические звуки, т.е. звуки, пригодные для мелодии. Современная гармония включает в сферу своего рассмотрения любые звуки, например, «грязные ноты» (dirty tones) в джазе, отгласы и другие экмелические явления в музыкальном фольклоре.

Старинная (особенно античная) гармоника изучает звуковысотность одноголосной музыки (склад античной музыки представляет собой по преимуществу монодию). Школьная гармония, ориентирующаяся на классическую мажорно-минорную тональность, изучает преимущественно многоголосную музыку гомофонного склада. Гармоника изучает интервалы и многоразличные монодические лады, школьная гармония изучает (терцовые) аккорды и их закономерные связи на основе лишь двух многоголосных ладов — мажора и минора.

Предмет изучения современной гармонии (например, в учении о гармонии Ю.Н. Холопова) — любая звуковысотная структура любого склада, музыка как одноголосная, так и многоголосная.

Примечания

1. .
2. , с. 115.
3.  (недоступная ссылка). Дата обращения 26 мая 2018.
4. Виктория Соловьёва, Сергей Грамотеев. . ГТРК «Ока», «Вести-Рязань» (телеканал Россия-1) (7 мая 2009). Дата обращения 4 мая 2012.
5. , с. 8—9.
6. , с. 15.
7. Ред. коллегия: Белова Л. Н., Булдаков Г. Н., Дегтярев А. Я. и др. Музыкальных инструментов фабрики и заводы // Санкт-Петербург. Петроград. Ленинград: Энциклопедический справочник. — М.: Большая Российская Энциклопедия (рус.). — 1992. / Ред. коллегия: Белова Л. Н., Булдаков Г. Н., Дегтярёв А. Я. и др.. — М.: Большая Российская Энциклопедия, 1992. — 687 с.
8. , с. 176.
9. , с. 39.
10. // Музыкальная энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1981. — Т. 5. — С. 400. — 1056 с.
11. ↑ , Восточные национальные гармоники, с. 78—83.
12. ↑ Вертков К.А., Благодатов Г., Язовицкая Э. Ирон-кандзал-фандыр. Комуз // Атлас музыкальных инструментов народов СССР. — М.: Государственное музыкальное издательство, 1963. — С. 102—103, 109. — 276 с.
13. , с. 26.
14. , Концертина английская, с. 34—35.
15. , Бандонеон, с. 38—41.
16. , Немецкая концертина, с. 36—37.

Резюме по гармоникам

Гармоники — это высокочастотные сигналы, накладываемые на основную частоту, то есть частоту цепи, и которые достаточны для искажения формы волны. Величина искажения, применяемого к основной волне, будет полностью зависеть от типа, количества и формы присутствующих гармоник.

Гармоники были в достаточном количестве только в течение последних нескольких десятилетий с момента появления электронных приводов для двигателей, вентиляторов и насосов, цепей переключения электропитания, таких как выпрямители, преобразователи питания и тиристорные регуляторы мощности, а также большинства нелинейных электронных фаз с управлением нагрузки и высокочастотные (энергосберегающие) люминесцентные лампы. Это связано, главным образом, с тем фактом, что управляемый ток, потребляемый нагрузкой, не точно соответствует синусоидальным сигналам питания, как в случае выпрямителей или силовых полупроводниковых коммутационных цепей.

Гармоники в системе распределения электроэнергии в сочетании с источником основной частоты (50 Гц или 60 Гц) создают искажения формы сигналов напряжения и / или тока. Это искажения создают сложную форму волны, состоящую из ряда частот гармоник, которые могут оказать неблагоприятное воздействие на электрооборудование и линии электропередач.

Величина искажения формы волны, придающая сложной форме ее характерную форму, напрямую связана с частотами и величинами наиболее доминирующих гармонических компонентов, частота гармоник которых кратна (целым числам) основной частоты. Наиболее доминирующими гармоническими составляющими являются гармоники низкого порядка со 2- го по 19- е, причем тройки являются наихудшими.

Пример применения

Пример I. Применение в химической промышленности.

На некотором химическом заводе используются преобразователи частоты в нескольких местах под нагрузкой, это приносит тяжелый гармонический вред системе, посредством содержания в ней гармонической составляющей амплитудой до 160 А, при этом трудно обеспечить высокий процент качественного продукта в производственном процессе оборудования. После применения устройства SntaAPF100-3L 380/200 качество электроэнергии значительно улучшилось.

Применяемый прибор для сбора и измерения данных — анализатор качества электроэнергии FLUKE435. Ниже приводится принципиальная схема на месте, точки измерения показаны на рисунке.

Точка C1 используется для измерения оставшегося гармонического тока в системе, то есть тока после фильтрации с помощью SntaAPF. Точка C2 используется для измерения общего гармонического тока образовавшего нагрузкой на стороне нагрузки, а именно тока без фильтрации с помощью SntaAPF.

Необходимо соединить гибкие электрические рамки FLUKE435 с точками C1 и C2 в системе для контроля эффекта фильтрации и контроля качества электроэнергии внутри системы.

Результаты измерения следующие: Гармонический ток составляет 166,78 A до ввода SnatAPF в эксплуатацию, коэффициент искажения составляет 14,6%.

Гармонический ток составляет 17 A после ввода SnatAPF в эксплуатацию, коэффициент искажения снизился до 4,6%, коэффициент фильтрации составил 91%.

Если рассчитывать по номеру основных гармоник: эффективное значение 5, 7, 11, 13, 17, 19 гармоник составит 166,0 A, оставшееся — 9,3 A после фильтрации, при этом коэффициент фильтрации составит 94%.

Пример II. Применение в общественных нуждах.

На некотором заводе большое содержание гармоник, образованных устройствами частотного регулирования насоса, привело к снижению качества электроэнергии. Появилась большая разница между фактическим значением и измеренным значением устройством ультразвукового контроля расхода воды. После применения SntaAPF100-3L 380/100 эффективно устранилось гармоническое загрязнение электросети, очистилась система, нормально эксплуатируются приборы ультразвукового контроля. (Первичная схема на рабочем месте и методы измерения одинаковы с Примером I и справочным Примером I приборов).

Результаты измерения в следующем: Гармонический ток составляет 54,2 A до ввода SnatAPF в эксплуатацию, коэффициент искажения составляет 51,3%.

Гармонический ток составляет 6,8 A после ввода SnatAPF в эксплуатацию, коэффициент искажения снижался до 4,6%, коэффициент фильтрации составляет 91%.

В том числе:

• Ток 5 гармоники снижался до 3,2 A от 46,2 A, коэффициент фильтрации составляет 93%.
• Ток 7 гармоники снижался до 1,59 A от 17,5 A, коэффициент фильтрации составляет 91%.

Сравнение формы волны до и после ввода в эксплуатацию Рисунок 5.

АОЗТ «Сыyэнда»Пекинская электрическая компания по энергосбережениям beijingsnta@gmail.comwww.snta.com.cn/en/

Статья опубликована в журнале «Электротехнический рынок», № 5-6 (53-54), 2013

Зарубежные гармоники

• Концертина (английская концертина) — инструмент создан в 1827 году в Англии Чарльзом Уитстоном. Звук одинаковый при разжиме-сжиме меха

  Немецкая концертина — сконструирована в 1832 году немецким мастером Фридрихом Улигом. Немецкая концертина издаёт разные звуки на разжим-сжим меха.

  .

• Бандонеон — создан в 1840 году немецким мастером Генрихом Бандом на основе немецкой концертины. Бандонеон издаёт разные звуки на разжим-сжим меха.
• Аккордеон — хроматическая ручная гармоника, изобретённая и получившая широкое распространение в Европе. В русской традиции аккордеоном принято называть инструменты с правой клавиатурой фортепианного типа.

Классификация

В США, Европе и других странах все ручные гармоники с готовыми аккордами в аккомпанементе имеют название «аккордеон» и по звукоряду подразделяются на диатонические и хроматические, а по типу клавиш на кнопочные и пиано-аккордеоны. Например баян называется хроматическим кнопочным аккордеоном, аккордеон — пиано-аккордеоном, гармонь хромка — диатоническим кнопочным аккордеоном.

Оркестровые

Оркестровые гармоники используются в составе ансамбля губных гармоник для ведения басового и аккордового аккомпанемента.

Басовая

Состоит из одной или двух гармоник. Бывает одноголосной и двухголосной (играющей октавными интервалами). Звучит только на выдохе. Звукоряд хроматический. Варианты диапазонов: Cб—Cм_{♯{\displaystyle \sharp }}, Eк—C1.

Аккордовая

Состоит из пары двухрядных одноголосных или двухголосных (октавных) гармоник. Верхний ряд отверстий звучит на выдохе, нижний на вдохе. Отверстия сгруппированы по четыре, каждая группа составляет какой-либо аккорд. На верхней гармонике в верхнем ряду играются мажорные трезвучия с удвоенной тоникой, в нижнем ряду доминантсептаккорды. На нижней гармонике в верхнем ряду играются минорные трезвучия с удвоенной тоникой, в нижнем большие септаккорды с увеличенной квинтой (увеличенные) и уменьшённые септаккорды. Аккорды строятся на 12 нотах хроматического звукоряда от C1 до H1 (всего 48 аккордов).

Литература

• Гармоника губная // Товарный словарь / И. А. Пугачёв (главный редактор). — М.: Государственное издательство торговой литературы, 1957. — Т. II. — Стб. 172—173 — 567 с.
• Мирек А.М. Губные гармоники без клавиатур и с клавиатурами // Справочник по гармоникам. — М.: Музыка, 1968. — С. 19—29, 29—33. — 131 с.
• Мирек А.М. Первые губные и ручные гармоники. Губная гармоника // Из истории аккордеона и баяна. — М.: Музыка, 1967. — С. 19—22, 23—26. — 195 с.
• Модр А. Губная гармоника // Музыкальные инструменты = Modr A. Hudební nástroje / Перевод с чешского Л.А. Александровой с третьего издания 1954 года. — М.: МузГИз, 1959. — С. 169—170. — 267 с.

Энциклопедические статьи

• // Большая российская энциклопедия. Том 8. — М., 2007. — С. 124.
• // Музыкальная энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1974. — Т. 2. — С. 96—97. — 960 с.
• Губная гармоника // Большая советская энциклопедия. 2-е изд. — М., 1952. — Т. 13. — С. 172. — 672 с. (с незначительными изменениями эта статья опубликована в Энциклопедическом музыкальном словаре 1959 года на стр. 63)

Конструкция

Наружные части

• Правый полукорпус с клавиатурой на грифе. На правой клавиатуре исполняется мелодия.
• Левый полукорпус с клавиатурой на самом корпусе. На левой клавиатуре исполняется аккомпанемент. У некоторых видов гармоник (например саратовской) на левом полукорпусе, так же как и на правом, есть гриф. Вместо клавиш могут располагаться рычаги наружных клапанов (например у ливенской гармони). Оркестровые гармоники не имеют левой клавиатуры.
• Мех (меховая камера) во время разжима и сжима изменяет свой объём. Воздушный поток то входит внутрь меха, то выходит из него, и при этом возбуждает находящиеся на своём пути язычки. Складки меха называются боринами.

Ремни:

• Запястный ремень на левом полукорпусе — удерживает запястье левой руки во время отведения левого полукорпуса для разжима меха.
• Плечевой ремень (один или два) на правом полукорпусе — удерживает правый полукорпус во время игры. Один ремень надевается на правое плечо, второй (если есть) на левое.
• У небольших гармоник может быть кистевой ремень и ремень в виде петельки для большого пальца.

Внутренние части полукорпусов

• Механика левой и правой клавиатуры — система рычагов, преобразующих движение от нажатия кнопки в подъём клапана.
• Клапаны — открывают и закрывают отверстия в деке.
• Дека — пластина с отверстиями, на внутренней стороне которой установлены резонаторы; с наружной стороны деки располагаются клапаны и клавиатурная механика.
• Резонаторы — образуют множество воздушных камер; в каждой камере находятся два язычка: один звучит на разжим, другой на сжим меха. Резонатор устанавливается на деку таким образом, чтобы его отверстия (розетки) были герметично соединены с отверстиями в деке.
• Голосовые планки с язычками — производят звук. Бывают кусковыми (с двумя язычками) и цельными (со множеством язычков). Герметично закрепляются на резонаторе.

Основной элемент в конструкции гармоник — это голосовая планка. Она состоит из самой планки (рамки) и язычков. Язычок, колеблясь в проёме планки, издаёт звук определённого тона. Язычок издаёт звук при воздействии на него струи воздуха только в одном направлении — с той стороны, где язычок крепится к планке заклёпкой. В ручных гармониках направление воздуха при сжиме-разжиме мехов меняется, поэтому для одного звука необходимо два язычка одного тона: один язычок издаёт звук при разжиме меха, другой — при сжиме. Проёмы с противоположной, от той стороны, где язычок закреплён заклёпкой, прикрывается проёмным клапаном (залогом), чтобы воздух не подходил к язычку с обратной, недействующей стороны, то есть, чтобы не было потери воздуха.

Принцип работы рычажного клавишного механизма

Такой механизм используется в правой клавиатуре гармоник, а также в левой клавиатуре отдельных видов гармоней (например ливенской гармони). Нажатие на клавишу через рычаг преобразуется в подъём клапана и открытие отверстия в деке, через которое воздух поступает в камеры или из камер резонатора и вызывает колебание язычков.

Регистры

У баяна, аккордеона и гармони хромки могут иметься регистры, переключение которых позволяет изменять тембр и громкость звучания. Некоторые из этих тембров могут быть похожи на тембры других музыкальных инструментов — например, фагота, гобоя, кларнета, флейты-пикколо, органа. На концертных версиях этих видов ручных гармоник могут быть регистры, расположенные наверху правого полукорпуса — т. н. «подбородочные» регистры, которые переключаются подбородком исполнителя прямо во время игры.

Звук по направлению ведения меха

По извлекаемым звукам при растяжении и сжатии меха гармони разделяются на два типа:

• С разными звуками: тульская хроматическая (изобрёл — Николай Белобородов совместно с Леонтием Чулковым), саратовская, черепашка, бологоевская, немецкие («немки»), венские («венки») и др.
• С одинаковыми звуками: хромка, вятская, ливенская («ливенка»), вологодская, елецкая рояльная, сибирская, восточные гармони (кавказские) и др.

Последствия гармонических помех

Наличие гармоник в электрической сети переменного тока вызывает определенные проблемы. Среди них – повышенный нагрев электродвигателей и питающих проводов. Последствия влияния гармоник – это вибрация двигателей. Дальнейшие последствия могут быть различными – начиная от ускоренного износа подшипников ротора двигателя, заканчивая пробоем на корпус обмоток от повышенного нагрева.

В электрике встречаются ложные срабатывания коммутационной и защитной аппаратуры – автоматических выключателей, контакторов и магнитных пускателей. В звуковой аппаратуре и технике для связи из-за гармоник возникают помехи. С ними борются аналогично – установкой фильтров электромагнитных помех.

На видео ниже рассказывается, что такое гармоники и интергармоники в электросети:

В заключение хотелось бы отметить, что гармоники в электрических сетях в принципе не несут никакой пользы. Они лишь вызывают неисправности, ложные срабатывания коммутационной аппаратуры и прочие проявления нестабильности в работе. Это может нести не только неудобства в эксплуатации, но и экономические проблемы, убытки и аварийные ситуации, которые могут быть опасны для жизни.

Материалы по теме: