А вы ноктюрн сыграть смогли бы на стальной сковороде?

Как звучит стилпан с острова Тринидад? Вместе с Марией Осетровой разбираемся в особенностях этого необычного музыкального инструмента и помогаем физикам разгадать секрет его звучания.

Всем привет, я Маша Осетрова, и я работаю в проекте «Люди науки», где мы рассказываем о том, как люди без специальных знаний и навыков могут сделать свой вклад в науку. Возможно, вам доводилось слышать звуки стального барабана (или стилпана от англ. steelpan – дословно «стальная сковорода») родом с острова Тринидад. Если нет, очень советую сходить на YouTube и послушать (можно начать, например, с этого видео). Барабаном стилпан, вероятно, назвал человек, который ни разу не слышал его звучания – он звучит скорее как ксилофон, нежели привычные нам барабаны. А вот выглядит действительно как металлическая сковорода.

Чтобы настроить стилпан, по дну стальных бочек осторожно ударяют молотком, создавая на поверхности в определенных местах вмятины нужной глубины. По периметру углубления больше (а звук, соответственно, тоном ниже), ближе к центру становятся все меньше (а звук – выше). Свинцовые имеют хроматический строй, то есть разница между высотой нот составляет половину тона – как между соседними черными и белыми клавишами на фортепиано. По высоте стилпан охватывает две с небольшим октавы.

Схема расположения нот на свинцовом стилпане. Судя по обозначениям, это джазовая система: C – до; D – ре; E – ми; F – фа; G – соль; A – ля; B – си. Илл.: Zooniverse.org.

Обычно в инструментах хроматический строй получают при помощи только одного измерения – например, изменяя длину гитарной струны или сокращая высоту воздушного столбца в гобое. Но в стилпане все ноты расположены на одной поверхности – соответственно, колебания от разных нот влияют друг на друга. Этим стилпан очень интересен физикам-акустикам, и в проекте Steelpan Vibrations учёные просят волонтёров помочь с анализом данных одиночных ударов стилпана.

Good vibrations

Проект Steelpan Vibrations появился на платформе Zooniverse ещё в 2017 году. В его команду входят физики из Joliet Junior College в штате Иллинойс, США. На данный момент исследователи уже представляют, как ведут себя отдельные ноты – так, например, выглядят колебания на основной, самой низкой частоте одной ноты:

Илл.: Zooniverse.org.

Тёмные и светлые круги представляют участки с максимальной и минимальной амплитудой колебаний. Более высокие частоты «укладываются» в углубление заданной ноты на стилпане больше одного раза:

Илл.: Zooniverse.org.

Более того, на одной и той же частоте могут вибрировать сразу несколько углублений стилпана, взаимодействуя между собой:

Илл.: Zooniverse.org.

Именно это и хотят исследовать учёные: как колебания распространяются по поверхности стилпана? Для этого вибрации, вызванные одним ударом барабанной палочки, сняли на каждой резонансной частоте на очень высокочастотную камеру – до 30 000 снимков в секунду. И теперь с анализом полученных изображений учёным нужна помощь волонтёров.

В поисках гипнотических волн

Итак, я получаю свой первый снимок – чем-то похоже на песчаную рябь на мелководье или узор на спиле дерева. Нужно найти и отметить так называемые пучности двумерных стоячих волн, которые возникают в стилпане – на изображении они выглядят как круглые или эллиптические секции, которые могут состоять из вложенных друг в друга (т.е. концентрических) колец. Как обычно, создатели проекта подбадривают, напоминая, что ошибки не страшны и важно мнение каждого волонтёра.

На моем снимке вижу четыре области со стоячими волнами – начинаю отмечать первую из них. Нарисовать эллипс сразу правильной формы и размера не удалось – хорошо, что можно его потом подвигать, повернуть, сжать или растянуть. Появилось всплывающее окно – меня спрашивают, сколько тёмных или светлых колец я вижу в выделенной области. Кажется, шесть. Максимально возможное количество – 11, оно означает, что видно 11 или больше колец, после 10 уже не важно.

Илл.: Zooniverse.org.

Во всех остальных областях мне удалось насчитать по четыре кольца – где-то их видно более отчетливо, где-то менее.

Илл.: Zooniverse.org.

Уже второе изображение оказалось не таким простым. Стараюсь обводить все замеченные области по границе самого внешнего светлого кольца, как рекомендует «полевое» руководство. В двух смежных областях должно быть близкое количество колец, напоминают авторы исследования, – но у меня и так везде получается по четыре-шесть штук. Надеюсь, я всё правильно делаю.

Илл.: Zooniverse.org.

А потом мне попалось простое изображение всего с одной областью стоячих волн, после него – снимок, где вообще было нечего отмечать.

Илл.: Zooniverse.org.

Илл.: Zooniverse.org.

А затем ещё один с практически идеально ровными кругами, в одном из которых удалось насчитать 10+ колец.

Илл.: Zooniverse.org.

Удачно, что не все изображения одинаково сложные, не успеваешь перегрузиться и устать отмечать.

Итоги

Лично мне этот проект очень нравится из-за сочетания (практически буквально) физики и лирики. Одинаково интересно как рассматривать и выискивать круги на полях на снимках, так и узнавать больше о самом стилпане и его истории. Например, вы знали, что стилпан появился в 1930-х годах на Тринидаде после выхода закона, запрещающего мембранные барабаны и бамбуковые палки для исполнения музыки?

Задания у проекта совсем несложные, а хватит их на всех: волонтёрам ещё предстоит проанализировать три четверти данных. Чтобы максимально проникнуться духом проекта, во время обработки можно включить плейлист из композиций на стилпане, который подготовили создатели проекта.

Хотя впереди ещё много работы, обработанные волонтёрами данные уже представлены в нескольких научных публикациях: прежде всего, авторы проекта показали, что волонтеры отлично справляются с подобным анализом, а затем полученные ими данные стали использоваться для тренировки и проверки алгоритмов машинного обучения.

За всё время существования у проекта были свои взлеты и падения, периоды повышенного интереса к нему и почти нулевой активности. Кто знает, может быть, очередную волну популярности Steelpan Vibrations получит именно благодаря волонтёрам из России? Присоединяйтесь, господа, присоединяйтесь!