способ определения возраста колокола

Формула изобретения

Способ измерения возраста колокола, отличающийся тем, что снимают частотные звуковые характеристики колокола, из полученной диаграммы выявляют значение унтертона, затем колокол помещают в газостат, обжимают при давлении 1000-2000 атмосфер, затем снова снимают частотные звуковые характеристики колокола и выявляют соответствующее значение унтертона, а возраст колокола определяют, используя следующую математическую зависимость:



где Т - возраст, годы;

K_w - весовой коэффициент;

F₁ - значение унтертона до помещения в газостат, Гц;

F₂ - значение унтертона после помещения в газостат, Гц.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к кампанологии (колоколоведению - науке о колоколах) и имеет целью определение возраста наиболее ценных для истории колоколов.

Известно, что до последнего времени этот возраст определяли по совокупности косвенных признаков: надписи, профиль и материал колокола, декорации и т.д. Однако в некоторых случаях эти методы атрибуции не дают однозначного результата (Зуев М.И. Надписи на псковских колоколах как памятники эпиграфии и исторический источник, Псков. Памяти Юрия Павловича Спегальского, 1909-1969, Псков, 1999, стр.156-166; Гордеев В.А. Два новгородских колокола XVI века из собрания музея-заповедника «Коломенское», сборник «Искусство христианского мира». М.: Московский рабочий, 1950, стр.190-217).

Задачей изобретения является определение возраста колокола с большей точностью.

Поставленная задача решается предлагаемым способом определения возраста колокола, заключающимся в том, что снимают частотные звуковые характеристики колокола, из полученной диаграммы выявляют значение унтертона, затем колокол помещают в газостат (если размеры колокола позволяют сделать это), обжимают при давлении 1000-2000 атмосфер, затем снова снимают частотные звуковые характеристики колокола и выявляют соответствующее значение унтертона, а возраст колокола определяют, используя следующую математическую зависимость:

где Т - возраст, годы;

K _w - весовой коэффициент;

F₁ - первоначальное значение унтертона, Гц;

F₂ - сегодняшнее значение унтертона, Гц.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Известно исследование акустических данных, проведенное в 1884 году Аристархом Израилевым («Ростовские колокола и звоны, СПб, 1884 г.)». Он привел в своей книге частоты колебаний (унтертонов) колоколов с точностью до сотых долей Гц. Характеристики, вновь полученные Колокольным центром в настоящее время, отличались от прежних. Для снятия характеристик Колокольный центр применял полупрофессиональную аппаратуру с достаточно высоким качеством, подтвержденным многократными измерениями. Звучание колоколов записывалось на лазерный минимагнитофон «Сони» с использованием электретного конденсаторного микрофона фирмы «Реалистик» (США), а расшифровка звука происходила с помощью компьютерной программы «Спектра-Плюс» (частота определялась с точностью до одной сотой Гц).

Результаты измерений сведены в таблицу.

Частотные характеристики ростовских колоколов
Название колокола, когда и кто лил	Вес	Диаметр на срезе	Унтертон в 1884 г.	Унтертон в 1999 г.	Разница унтертонов
"Сысой"	32760 кг	3630 мм	65,46 Гц	57,43 Гц	-8,03 Гц
1688 год	*
Флор Терентьев	2000 пуд	Доб + 1 ц	#Ляк-26 ц	-227 центов
"Полиелейный"	16380 кг	2860 мм	81,64 Гц	71,99 Гц	-9,65 Гц
1683 год	*
Фил. и Кип. Андреевы	1000 пуд	Миб - 17 ц	Реб - 35 ц	-168 центов
"Лебедь"	8190 кг	2270 мм	98,00 Гц	90,22 Гц	-7,78 Гц
1682 год	*
Филипп Андреев	500 пуд	Сольб + 0	#Фаб - 44 ц	-144 цента
"Голодарь"	2803 кг	1710 мм	100,69 Гц	93,66 Гц	-7,03 Гц
1856 год
завод Чарышникова	171 п	Сольб + 46 ц	#Фа б + 21 ц	-125 центов

Эти показатели позволили сделать сравнительный анализ полученных данных. Колокольная бронза, являясь сплавом меди и олова, "стареет" со временем. Старение - это изменение физико-химических и механических свойств и структуры материалов со временем. Старению подвержены все сплавы. Оно может быть естественное в процессе эксплуатации и длительного хранения или искусственное при определенных режимах нагрева и охлаждения. Этот сплав имеет кристаллическую структуру и представляет собой твердую медь, в которой застыли интерметаллические кристаллы различных фаз, среди которых наиболее важным и отвечающим за звучание является интерметаллид Cu₃₁Sn₈ , который находится в неравновесном состоянии при нормальных условиях. Между поверхностью этих кристаллов и медью всегда существуют микрозазоры (несплошности), которые в результате напряженного состояния колокола увеличиваются со временем как по ширине, так и по длине. Этот процесс постоянен и зависит от качества исходного материала и условий эксплуатации.

Предлагаемый способ учитывает эффект естественного старения сплавов (в частности, к ним относятся и основные колокольные материалы - бронза и чугун) в результате следующих факторов:

1. Увеличения межкристаллических зазоров и внутренних трещин, то есть материал становится как бы более рыхлым;

2. Распад в колокольной бронзе кристаллической -фазы (интерметалида Cu₃₁Sn₈) в результате неравновесного состояния и замены в данном кристалле атомов олова атомами других металлов-примесей (например, цинка).

Все это со временем изменяет прочностные и физические свойства сплава (модуль Юнга, коэффициент затухания, плотность и т.д.), что, в свою очередь, влияет на акустические характеристики металла, в первую очередь, на его частотную характеристику.

В результате исследований на колоколах звонницы Ростовского Кремля было определено, что частота унтертона - наиболее низкого и долго звучащего обертона в колоколах средних весов (60-120 пудов или 1000-2000 кг) в процессе старения уменьшается примерно на полтона (100 центов) или звучащего обертона в колоколах средних весов (60-120 пудов или 1000-2000 кг) в процессе старения уменьшается примерно на полтона (100 центов) или на коэффициент 1,06 за 100 лет эксплуатации. Для колоколов меньшего или большего веса требуется корреляционный коэффициент, зависящий от веса колокола.

Провели дополнительно несколько исследований и экспериментов. В них был взят за основу, как и у А.Израилева, самый низкий и долгозвучащий обертон - унтертон. В частности, проверили наличие смещения частоты унтертона у старых колоколов, отлитых на заводе Оловянишникова, сравнив их с расчетными данными, приведенными в его книге «История колоколов и колокололитейное искусство, Москва, 1912». Имеющиеся в Колокольном центре статистические данные по 30 колоколам приведены на фиг.1 в логарифмическом масштабе. При анализе этих данных можно сделать следующий вывод - изменение частоты унтертона в меньшую сторону явно наблюдается у всех колоколов и степень этого изменения зависит не только от времени, но и от массы колокола (чем она больше, тем больше изменения за тот же период времени). Показано, что между смещением частоты унтертона колокола, его массой и временем есть определенная взаимосвязь (фиг.1).

В результате вышеперечисленных исследований был построен график зависимости корреляционного весового коэффициента от веса колокола (фиг.2).

В способе возраст колокола определяли с учетом следующей математической зависимости:

где Т - возраст, годы;

K _w - весовой коэффициент;

F₁ - значение унтертона до помещения в газостат, Гц;

F₂ - значение унтертона после помещения в газостат, Гц.

Первоначальное значение унтертона колокола определяют путем снятия непосредственно частотных характеристик после обжатия колокола в термостате (если позволяют размеры колокола) в нейтральной атмосфере при давлениях 1000 и более атмосфер.

Кроме того, первоначальное значение унтертона колокола можно определить методом конечных элементов, введя в программу необходимые параметры материала и размеры колокола. Можно также воспользоваться среднестатистическими данными, приводимыми колокололитейщиками в рекламных, технических и других материалах.

Измерение возраста колокола проводили следующим образом. Снимали частотные звуковые характеристики: звучание колоколов записывалось на лазерный минимагнитофон с использованием электретного конденсаторного микрофона, а расшифровка звука происходила с помощью компьютерной программы «Спектра-Плюс». Из полученной диаграммы (фиг.3) выявляли значение унтертона. Частота определялась с точностью до одной сотой Герца. Затем помещали колокол в газостат, повышали температуру и обжимали колокол при 1000-2000 атмосфер. Затем снова снимали звуковые частотные характеристики. Полученные результаты использовали для вычисления возраста колокола, применяя математическую зависимость (1). В случае если размеры колокола не позволяют использовать газостат, то первоначальное значение унтертона колокола можно определить методом конечных элементов, введя в программу необходимые параметры материала и размеры колокола, или воспользоваться среднестатистическими данными, приводимыми колокололитейщиками в рекламных, технических и других материалах.

Сущность изобретения характеризуется следующими примерами.

Пример 1. Колокол 6 пудов (99 кг) завода Оловянишниковых (г.Ярославль), XIX век. Подставляя в формулу 1 следующий параметр: К_w=0,5. Далее определяют F₂. Звучание колоколов записывалось на лазерный минимагнитофон «Сони» с использованием электретного конденсаторного микрофона фирмы «Реалистик» (США), а расшифровка звука происходила с помощью компьютерной программы «Спектра-Плюс» (частота определялась с точностью до одной сотой Гц). Из полученной диаграммы определяют F ₂=298,12 Гц. Помещают колокол в газостат, обжимают при давлении 1000-2000 атм. Затем после обжатия колокола вновь снимают звуковые характеристики. Определяют из диаграммы F₁ =309,53 Гц. Подставляя полученные значения параметров в формулу (1), определяли возраст колокола Т=132 года.

Пример 2. Колокол «Полиелейный» Ростовской звонницы весит 1000 пудов. Аналогично примеру 1 определяли следующие параметры: K_w=1,52; F₁=98 Гц (среднестатистическая для данного веса); F₂=71,99 Гц (измерения 1999 г.). Подставляя их в формулу (1), определили возраст колокола Т=340 лет (ошибка 24 года или 7%).

Пример 3. Колокол «Голодарь» Ростовской звонницы весит 171 пуд. Аналогично примеру 1 определяли следующие параметры: K_w=1,06; F₁=103 Гц (среднестатистическая для данного веса); F₂=93,66 Гц (измерения 1999 г.). Подставляя их в формулу (1), определили возраст колокола Т=156 лет (ошибка 13 лет или 8%).

Таким образом, предлагаемый способ позволяет определить возраст колоколов с большей точностью. Точность способа находится в пределах 25 лет.

Данный способ позволяет решать и противоположную задачу. Зная сегодняшнюю частотную характеристику и возраст изучаемого колокола, можно определить звучание колокола в прошлом (вплоть до момента литья) или в будущем.