Физика музыкальных инструментов

Физика и музыка

Физика музыкальных инструментов

  • Участник:Колесников Максим Игоревич
  • Руководитель:Щербинина Галина Геннадиевна

Цель работы: теоретическое определение и опытное подтверждение явления резонанса.

Все связи между явлениями устанавливаются исключительно путем разного рода простых и сложных резонансов — согласованных вибраций физических систем.

Н. Тесла

Что может объединять оркестр, играющий на струнных и духовых музыкальных инструментах, мычащее пение себе под нос во время прогулки, дребезжащие от проезжающего трамвая окна в доме, вой ветра за окном? Лишь одно явление, которое легло в основу всего названного – акустический резонанс. Это явление является видом резонанса и сопровождает нас в жизни на каждом шагу.

На это великое явление впервые обратил внимание Галилео Галилей. Оно было описано им в 1602 году в работах, посвященных исследованию маятников и музыкальных струн.

Я учусь в музыкальной школе, мой мир наполнен звуками. Дома у меня несколько музыкальных инструментов: гитара, варган, флейта, синтезатор.

А в музыкальной школе в классах по соседству раздаются звуки балалайки, аккордеона саксофона и гитары. Я давно задавался вопросом: как устроены все эти инструменты, почему они созвучны человеку.

Разбираясь с этими вопросами, я невольно анализировал явление под названием «акустический резонанс».

Итак, объектом исследования является акустический резонанс.

Цель работы: теоретическое определение и опытное подтверждение явления резонанса.

Поставленная цель для своего разрешения определила следующие задачи:

  • Образовательно-теоретическая: расширить, обобщить полученные на уроке физики знания и представления о физических законах и явлениях.
  • Практическая: экспериментальным путем доказать действие резонанса.
  • Общественно-полезная: продемонстрировать эксперименты и доказать наличие явления резонанса.

Методы исследования, использованные при работе над темой:

  • накопительно-статистический (формирование знаний, накопление необходимой информации),
  • аналитический (анализ накопленной информации),
  • сравнительно-экспериментальный (доказательство наличия резонанса, на практике путем разработки эксперимента и демонстрации опыта).

Гипотеза: Человек, хочет он того или нет, никогда не существует сам по себе, никогда не пребывает в изоляции. Человек непрерывно взаимодействует с широчайшим спектром всевозможных существ и явлений, которые воздействуют на него. И одним из самых распространенных явлений, которые необходимо учитывать человеку в его деятельности – явление резонанса.

Практическая значимость работы

Данная тема изучается в курсе физики 9 класса (раздел « Механические колебания и волны. Звук», учебник для общеобразовательных школ, авторы: А.В.Перышкин, Е. М. Гутник, издательство «Дрофа», 2013 г.). Темы учебных занятий и соответствующие им параграфы представлены в таблице.

Тема учебного занятияПараграф, в котором изложен данный материал.
Распространение колебаний в среде. Волны. Длина волны. Скорость распространения волн.§ 31-33
Физический диктант. Источники звука. Звуковые колебания. Высота и тембр звука. Громкость звука.§ 34, 35, 36
Распространение звука. Скорость звука. Отражение звука. Эхо. Звуковой резонанс.§ 37-40

Этот материал я изучал самостоятельно ( обучаюсь в 8 классе), однако форма изложения материала в учебнике проста и доступна, поэтому каких -либо значительных проблем не возникло.

В моей работе представлены опыты для демонстрации на уроках физики в средней общеобразовательной школе. Их можно демонстрировать как на уроке при изучении явлений (надеюсь, что это поможет сформировать некоторые понятия при изучении физики), так и в качестве домашних заданий учащимся.

1.1. Виды колебаний. Общее понятие резонанса

Для лучшего понимания явления резонанса необходимо дать определение такому понятию как колебания. Это движения, которые точно или приблизительно повторяются через определённые промежутки времени (например, движение поршня в двигателе, поплавок на волне, ветка дерева на ветру).

Собственные колебания— это колебания, происходящие в отсутствие внешних воздействий на систему. Они происходят под действием внутренних сил после выведения системы из положения равновесия со строго определеннойчастотой, называемой частотой собственных колебаний системы. Примерами могут служить груз на пружине, стрелка компаса, звучание колокола, гонга, струны рояля и т.п.

Вынужденные колебания — колебания, происходящие под воздействием внешних периодических сил. Колебания мембраны телефона, иглы швейной машины, поршня в цилиндре автомобильного двигателя, периодическое раскачивание качелей, рессор автомобиля, движущегося по неровной дороге, океанические приливы под действием Луны и др.[1]”

Для начала нужно сказать, что все тела, в каком бы они состоянии не казались, имеют свою изначальную частоту и амплитуду колебаний.

Таким образом, любой объект можно рассматривать в виде системы колебательных движений, а воздействующие звуковыеколебания в виде силы воздействия на частоту этой самой колебательной системы.

Поэтому полный резонанс, а точнее сказать наибольшее отклонение от состояния равновесия колебательной системы будет возникать тогда и только тогда, когда частота колебаний вынуждающей силы будет совпадать с собственной частотой колебательной системы.

“Итак, резона́нс (фр. resonance, от лат. resono — откликаюсь) — явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний, которое наступает при приближении частоты внешнего воздействия к некоторым значениям (резонансным частотам), определяемым свойствами системы.[3]”

Суть явления резонанса: многократное усиление эффекта от воздействия на объект при совпадении частоты внешнего воздействия с собственной частотой объекта.

1.2. Акустический резонанс

“Под акустическим резонансом понимают явление совпадения частоты колебаний звуковых волн, падающих на акустическую систему, с собственной частотой этой системы.

Вообще, звуковые волны, встречаясь с любым телом, вызывают вынужденные колебания. Если же частота собственных свободных колебаний тела совпадает с частотой звуковой волны, то условия для передачи энергии от звуковой волны телу являются наилучшими – тело является акустическим резонатором.[1]”

Амплитуда вынужденных колебаний при этом достигает максимального значения – наблюдается акустический резонанс.

Истории известны случаи, когда стекло разбивалось лишь от силы и частоты человеческого голоса. Это проделывал не только Шаляпин.

Великий тенор Энрико Карузо мог заставить стеклянный бокал разлететься вдребезги, спев в полный голос ноту надлежащей высоты. В этом случае звук вызывает вынужденные колебания стенок бокала.

При резонансе колебания стенок могут достичь такой амплитуды, что стекло разбивается.

Кстати, интересно, что звуки с частотами 55, 110, 220, 440, 880, 1760, 3520 герц – это звук «ля». Наблюдается зависимость: каждая последующая частота в два раза больше предыдущей.

Корпусы скрипок и гитар, трубы духовых инструментов и органа являются резонаторами, а полость рта – резонатором для ых связок.

Почему же резонатор камертона представляет собой обычный ящик, тогда как корпуса балалайки, виолончели, скрипки и рояли имеют сложные формы? Дело в том, что резонатор камертона должен усиливать только один – основной тон, а корпуса музыкальных инструментов – множество тонов и гармоник. Вид резонатора определяет, какие из обертонов будут усилены, а какие ослаблены или вовсе подавлены.

“От качества дерева, из которого изготовлена гитара, зависит не только сила, но и чистота, и тембр извлекаемого звука. Влияет на это и покраска, и лак на дереве. Именно поэтому изготовить качественную гитару или скрипку совсем не просто, и качественные инструменты стоят больших денег. Так, явление звукового резонанса из физики перекочевало в иные сферы и плотно там обосновалось.[2]”

Акустический резонанс может оказывать на организм человека как благоприятное, так и пагубное воздействие.

“Доктор медицинских наук Сергей Шушарджан, врач со стажем и профессиональный певец, в своих исследованиях о воздействии музыки установил, что даже кожа является проводником звуков в организм.

Музыка, имея волновую природу, передается через виброрецепторы в коже, воспринимающие звуковые волны в широком диапазоне.

При воздействии на виброрецепторы звуковых волн определенной частоты «запускается» тот или иной механизм реакции организма на воздействие извне. 

Ритмы, характерные для большинства органов и систем организма «человека», лежат в инфразвуковом диапазоне. Внутренние органы нашего тела имеют достаточно низкие собственные частоты: брюшная полость и грудная клетка – 5-8 Гц, голова – 20-30 Гц.

Среднее значение резонансной частоты для всего тела составляет 6 Гц. Сокращения сердца – 1-2 Гц; дельта-, альфа-, бета-ритмы мозга; ритм кишечника – 2-4 Гц; вестибулярного аппарата – около 6 Гц и так далее.

Мозговая активность живого человека не прекращается даже во время глубокого сна, и мозг постоянно излучает ритмические волны, характеризующие происходящие в нем процессы.

В дельта-состоянии (δ) мозг излучает волны с частотой колебаний от 0 до 4 Гц. Это может быть либо глубокий сон без сновидений, либо состояние глубокого расслабления, бессознательное состояние (такое, как кома), летаргический сон. Даже во сне мозг продолжает обработку информации, накопленной человеком, и не успевшую стать осознанной.

В тэта-состоянии (θ) частота колебаний мозга составляет от 4 до 7 Гц. Это глубокое расслабление или медитация; это может быть неглубокий сон.

Во время этого ритма возникают особенно яркие видения или интуитивные догадки. Тэта-волны формируют состояния, переходные от спокойного бодрствования к фазам сонливости, предваряющим глубокий сон.

Но частоты 5-6 Гц опасны для работы печени и вызывают чувство усталости.

Альфа-состояние (α) — это частота волновых колебаний головного мозга от 7 до 14 Гц. Диапазон частот от 7 до 8 Гц чрезвычайно опасен для здоровья, так как этот тип вибраций способен спровоцировать эпилептические приступы, смертельно поразить внутренние органы и даже реально деформировать их.

Длительное воздействие на мозг звука частотой 7 Гц пагубно влияет на сердце, вплоть до его остановки. С 10 до 14 Гц – это колебания, способствующие одновременно и глубокому сосредоточению, и расслаблению; это – покой и душевное равновесие в активном состоянии, мозг способен более продуктивно обрабатывать получаемую информацию.

Такое состояние наиболее благоприятно для творческих процессов, принятия более логичных и взвешенных решений.

Ученые считают, что, возможно, именно из-за возбуждения резонансных колебаний (особенно когда частота волны совпадает с альфа-ритмом головного мозга) в биологических системах жизнеобеспечения и возникает такое крайне негативное воздействие инфразвуковых вибраций.

Это влияние даже используется полицией в ряде стран мира для разгона толпы и предотвращения беспорядков. Включаются мощные генераторы, частоты которых отличаются на 5-9 Гц.

Биения, возникающие вследствие различия частот этих генераторов, имеют инфразвуковую частоту и вызывают у большинства людей неприятные зрительные эффекты, необъяснимые страх и тревогу, желание скорее покинуть опасное место.

Иными словами, если частота инфразвуковой волны того же порядка, что и волна вибрации органа, то при очень большой интенсивности они приводят органы к вибрационному резонансу или диссонансу в частотном диапазоне работы органа и способны привести к их дисфункциям. Вибрационный резонанс вызывается мощными внешними генераторами, например, усилителями громкости звука на современной эстраде и рок-концертах.[3]”

Российский исследователь Борис Островский, несколько десятилетий изучающий тайну бермудского треугольника, заинтересовался случаями с «летучими голландцами», рассекающими морские просторы без экипажа, а также судами, на которых всех моряков находили мертвыми, но без признаков насилия

По данным, собранным Борисом Островским, в Атлантике ежегодно происходит до 50 тысяч подводных землетрясений разной силы, а эпицентры их почти всегда сосредоточены вдоль геологического разлома, пересекающего Бермудский треугольник.

При зарождении подводного землетрясения, когда «тряской» охвачены сотни квадратных километров поверхности океана, поперечные звуковые волны передаются через толщу воды. Большинство из них доходит до ионосферы. Если в этот район попадет корабль, он примет часть инфразвуковых волн на себя.

Продолжительное воздействие инфразвуковых колебаний делает из корабля резонатор, который в несколько раз повышает интенсивность звуковых волн и передает их подобно динамику. «Люди, находящиеся на судне, буквально сходят с ума от этого воздействия и ищут любые пути, чтобы избавиться от невыносимого и необъяснимого воздействия», — считает исследователь.

Немудрено, что экипажи «летучих голландцев» полностью исчезали — люди просто прыгали за борт, спасаясь от сводящего с ума инфразвука.

Опыт 1

Нам понадобятся звуковые колонки, соль либо песок и пластиковый поднос. Установив пластиковый поднос на колонки, засыпаем на поднос соль и воспроизводим через колонки звуковые волны, падающие на акустическую систему – поднос с солью.

Рис. 4. Эксперимент, подтверждающий явление акустического резонанса

Как видим, не на всех частотах соль имеет высокую амплитуду колебаний. То есть для полного резонанса, в данном случае акустического, должна быть определенная частота колебаний (опыт 1,видео).

О звуковом резонансе можно узнать из учебника А.В. Пёрышкина, §40, стр. 133-135.

Опыт 2

Музыкальный инструмент варган. Относится к самозвучащим язычковым музыкальным инструментам. При игре варган прижимают к зубам или к губам, ротовая полость служит резонатором. Изменение артикуляции рта и дыхания даёт возможность менять амплитуду колебаний, а в результате – тембр инструмента. Продемонстрируем этот уникальный инструмент ( опыт 2, видео).

Данное физическое явление по физике рассматривается в учебнике А.В. Пёрышкина ( §40, стр. 134-135).

Рис. 5 Варган (алтайский комус)

Если возбудить язычок варгана без резонатора, то звук будет совсем слабый. Когда же мы играем на варгане (зажав его между зубами или хотя бы губами – резонатором является ротовая полость), рождаются мощные вибрации – колебания.

“При игре на нем во рту возникает стоячая звуковая волна. И можно подобрать такое звучание инструмента, которое будет вступать в резонанс с основными ритмами вибраций человека.

Это достигается как особенностями изготовления инструмента, так и особенностями игры на нём. В биологии известны так называемые альфа-, бета-, гамма-ритмы, свойственные головному мозгу человека.

Звуковая волна, входя в резонанс с этими ритмами, вызывает измененные состояния сознания.[8]”

С древних времен обертоны использовались в молитвенных песнопениях и целительских практиках, известных нам, в основном, по тибетской и тувинской традициям.

Опыт 3

Звук, издаваемый самой гитарной струной не слишком громкий. Для того чтобы усилить этот звук, струны располагают поверх корпуса, который делают специальной формы и размера. В середине корпуса обязательно имеется отверстие круглой формы для выхода звука. Звук струны, попадая внутрь корпуса, резонирует и усиливается, отчего гитара звучит намного громче ( опыт 3, видео).

Данное физическое явление по физике рассматривается в учебнике А.В. Пёрышкина ( §35, стр. 125 и §40, стр. 134).

Настройка гитары – это также пример явления звукового резонанса. Если настроить первую струну по камертону, а потом зажать вторую струну на определенном ладу (определенная нота) и дернуть ее, то можно увидеть, как первая струна слегка поддергивается (при условии, что гитара настроена правильно).

Заключение

В ходе подготовки к конкурсу я:

  • изучил теоретический материал по выбранной мною теме;
  • подготовил опыты, выявляющие и демонстрирующие явление акустического и иных видов резонанса;
  • выяснил механизм явления акустического резонанса.

Выводы

Итак, резонанс – это очень эффективный инструмент для решения многих практических задач, но одновременно он может быть причиной серьёзных разрушений, вреда здоровью и других негативных последствий.

Явление резонанса мы используем в различных устройствах, использующих радиоволны, таких как телевизоры, радиоприемники, мобильные телефоны и так далее. Оно используется в музыкальных инструментах.

Но вместе с тем, несмотря на все преимущества, которые можно получить при помощи резонанса, не следует забывать и об опасности, которую он способен принести.

Землетрясения или сейсмические волны, а также работа сильно вибрирующих технических устройств могут вызвать, например, разрушения части зданий или даже зданий целиком.

Акустический резонанс мне был наиболее интересен в процессе игры на музыкальных инструментах.

Надеюсь, что собранный мною материал и опыты будут интересны моим друзьям и одноклассникам и помогут лучше разобраться в законах физики, применимых к нашей повседневной жизни.

Я же буду намерен продолжать свои изыскания по поводу резонансных явлений, особенно – связанных с музыкой.

Источник: https://rosuchebnik.ru/material/fizika-i-muzyka-7397/

Звук и музыкальные инструменты. Опыты — Класс!ная физика

Физика музыкальных инструментов

11.2016

ФИЗИКА МУЗЫКАЛЬНЫХ ИНСТРУМЕНТОВ

Язык музыки — это язык звуков. А звук есть результат колебания. Наше ухо воспринимает как звук колебания с частотой от 16 до 16 тысяч колебаний в секунду.

Звуки различаются по высоте. Низкая частота колебаний соответствует «низким» басовым звукам; чем выше частота колебании, тем «выше» звук мы слышим. Каждый предмет, если по нему ударить чем-нибудь, начинает звучать.

Звук можно извлечь и струей воздуха.

Опыт 1. Выдохните в пустую бутылку С узким горлышком сильную струю воздуха. Бутылка отзовется гулким звуком — это заколебался воздушный столб, заключенный в бутылке.

2.

Из тонкой резинки от аптечного пузырька, рыболовной лески или прочной нитки сделайте струну. Укрепите один ее конец в настольных тисках, а другой натяните рукой.

Ущипните теперь двумя пальцами струну — она придет в колебание, и вы услышите тихий звук.

Сделайте небольшой ящичек с дном из сухой тонкой фанеры. Один конец струны прикрепите с помощью спички ко дну ящичка, а другой натяните рукой. Звук струны стал сильнее.

Теперь колебания струны передаются дну и стенкам ящичка, значит и колебания ящичка передаются большим массам воздуха. Резонатор такого типа используется в струнных и ударных инструментах.

У духовых инструментов тоже есть резонатор: на конце цилиндрического корпуса, заключающего воздушный столб, сделано расширение — раструб.

Можно и из одной струны извлечь несколько звуков разной высоты.

Для этого придется менять длину не самой струны, а только ее колеблющейся части.

Прикрепите к ящичку-резонатору продольную деревянную планку, укрепите на ней несколько поперечных планок и натяните струну вдоль продольной планки. У вас получился «гриф». Прижимая пальцем струну то к одной, то к другой поперечной планке, вы будете менять длину колеблющейся части струны и получите звуки разной высоты.

Экспериментируя вы заметите на слух одну закономерность: короткие и тонкие струны издают более высокие звуки, чем длинные и толстые. Сильнее натянутая струна звучит выше, чем слабо натянутая.

Опыт — Волшебный лук

Возьмите палочку длиной около 60 см и толще одного сантиметра в диаметре, очистите ее от коры и просверлите ее насквозь тонким сверлом (диаметром примерно в 0,7 миллиметра) на расстоянии около полутора сантиметров от концов. Пропустите сквозь одно отверстие толстую леску с узлом на конце. Пропустив незавязанный конец лески через второе отверстие, осторожно натяните ее так, чтобы палка согнулась. Получился лук! Крепко завяжите и второй конец лески и дальше слегка прикусите зубами один из концов лука, держа его струной вверх. Троньте тетиву, проведите по ней другой палочкой. Вы услышите отчетливый звук. Троньте тетиву несколько раз, приоткрывая рот и закрывая его. Высота тона будет изменяться! Что вы слышите и почему изменяется высота тона? Тот, кто из вас в самом деле попробовал сделать опыт с музыкальным луком, знает, что звук, который мы создаем, трогая тетиву, слышен тому, кто на этом луке играет. Остальные почти ничего не слышат. Но попробуйте подложить под тетиву, например, надутый воздушный шарик: громкость звука увеличится. Значит, не зря делают резонатор у скрипки и мандолины, у гитары и балалайки… Когда касаешься зубами тетивы, по которой бегут колебания, возбужденные прикосновением пальца или палочки, то они попадают в ухо… изнутри, через кость. Поэтому они так отчетливо слышны тому, кто играет на этом необычном «инструменте». Рот тоже может играть роль своеобразного резонатора. Поэтому разные колебания, которые существуют на тетиве одновременно, когда ее возбуждают, будут лучше выделяться, если, приоткрыв рот, играющий случайно создаст более благоприятные условия для одних из них; другие же «погаснут» или будут звучать существенно глуше, тише.

Опыт — Трещотка

Инструменты бывают разные: духовые, струнные, ударные. А к какому виду отнести обычную трещотку? Иногда можно видеть, как ребята, катаясь на велосипеде, прикрепляют к вилке колеса кусочек фотопленки. Во время движения по ней ударяют спицы колеса — и получившаяся трещотка издает звук, правда, одной частоты. Используя этот принцип, нетрудно собрать простейший музыкальный инструмент. Возьмите обыкновенный моторчик от электромеханической игрушки и наденьте на его вал длинную (и еще лучше слегка сплющенную) трубку. А на трубку наденьте несколько картонных или пластмассовых колес, которые имеют 24, 27, 30, 32, 36, 40, 48, 54 зуба соответственно. Если теперь при включенном моторчике прикасаться последовательно кусочком фотопленки ко всем колесам, получим все тона музыкальной гаммы. Попробуйте сыграть на этом инструменте несложную мелодию.

Опыт — Поющие бокалы

Для того, чтобы исполнить музыкальное произведение не всегда нужны музыкальные инструменты в обычном смысле этого слова. Например можно сыграть на пиле, ложках и даже стаканах. Мы научим вас играть на бокалах, у них стенки тоньше и звук красивее.

Набор для исполнения музыкального произведения нехитрый: несколько бокалов, вода и наличие музыкального слуха.

Поставьте на стол несколько бокалов из тонного стекла и налейте в каждый из них воды, как показано на рисунке. Вымойте руки, чтобы на них не было следов жира, чуть смочите палец и начинайте водить им, не сильно нажимая, по краям бокала. Бокал начнет издавать тонкий мелодичный звук.

Нажимая на край то сильнее, то слабее, вы сможете извлекать из бокала звуки разной высоты. Чем больше в вокале будет воды, тем ниже будет его «голос». Если потренироваться, можно из бокалов извлечь загадочную, оригинальную мелодию или наиграть одн из своих любимых музыкальных композиций.

Опыт — Бутылкофон

Слово не очень складное. Впрочем, если существуют патефон, телефон, магнитофон, если играют на саксофонах и ксилофонах, почему бы не назвать бутылкофоном наш музыкальный инструмент? Тем более, что сделан он именно из бутылок. Налейте в бутылку воду и подвесьте ее. Ударяя по ней деревянным молоточком, и вы получите мелодичный звук.

Подберите семь бутылок таким образом, чтобы из них можно было последовательно извлечь гамму звуков от «до до «си». На этих бутылках, по очереди извлекая звуки, можно исполнить несложную мелодию. Правда, исполнение такого оркестра будет бледным — ведь в его распоряжении только семь звуков.

Из одной бутылки можно извлечь последовательно несколько звуков разной высоты. Надо только изменить размеры воздушного столба. Если в бутылку налить немного воды, извлеченный звук будет выше: вода вытеснит часть воздуха, и длина воздушного столба уменьшится. Нальете в бутылку воды больше — получаемый звук будет ниже.
Маленькие бутылки издают более высокие звуки, чем высокие и толстые.

Бутылки надо подвесить в ряд, и наполнить водой до разного уровня, чтобы при ударе издавали различные ноты. Лучше всего, конечно, подобрать фортепьянную гамму: семь тонов и пять полутонов.

Для настройки бутылкофона придется пригласить человека с хорошим музыкальным слухом и снабдить его ведром воды и воронкой. Играют на бутылкофоне двумя палочками.

А если повесить бутылки в два яруса, можно будет и в четыре руки играть!

Опыт — Орган

Самый большой и самый сложный из музыкальных инструментов — духовой многоголосный и многотембровый инструмент — орган. Его размеры достигают высоты 2—3-этажного дома. Орган состоит из большого количества — от 3 до 7 тыс. и даже больше — пустотелых металлических и деревянных труб.

Струя воздухе, приводящая в колебания столБы воздуха, заключенные в трубах, создается здесь не легкими человека, а мощной воздухонагне-тательной аппаратурой. Клапаны воздухораспределительной камеры открывают доступ воздуху в определенные трубы. Каждый клапан приводится в движение нажатием соответствующего клавиша на клавиатурах, расположенных в несколько рядов.

Есть в органе и ножная клавиатура. Слева и справа от клавиатур расположены кнопки переключения труб. Нажатием одного клавиша можно включить сразу несколько труб. Сочетание деревянных труб с металлическими придает звукам органа разнообразную окраску.

Можно выбрать одну трубу в качестве «основного тона», подключить к ней любой, по желанию, «набор» обертонов, то есть труб, звучащих на частотах обертонов. Словом, это настоящая громадная фабрика звуков. Переключением труб «заведует» не сам органист, а его ассистент, создающий кнопками управления по команде органиста те или иные тембры. Орган — очень древний инструмент.

В старину воздух в него накачивали вручную 3—4 помощника органиста — «качальщики». В современных органах воздух нагнетается мощными компрессорами, которые приводятся в движение электродвигателями. Создание электрических «запоминающих» устройств позволило сократить «штат» органа до минимума. Теперь обязанности ассистента можно доверить «электрической памяти».

«Электрическая память» работает по программе органиста, которую он дает ей во время репетиции.

Источники: журн. “Юный техник” и «Мастерок»; «Здравствуй, физика» Л. Гальперштейн; «Опыты без приборов» Ф.Рабиза

Следующая страница «Звук. Эффект Доплера и фигуры Хладни. Опыты»
Назад в раздел «Простые опыты»

Источник: http://class-fizika.ru/op81-30.html

Физика музыкальных инструментов « Учи физику!

Физика музыкальных инструментов

Язык музыки — это язык звуков. А звук есть результат колебания. Наше ухо воспринимает как звук колебания с частотой от 16 до 16 тысяч колебаний в секунду.Звуки различаются по высоте.

Низкая частота колебаний соответствует «низким» басовым звукам; чем выше частота колебании, тем «выше» звук мы слышим.

Каждый предмет, если по нему ударить чем-нибудь, начинает звучать. Звук можно извлечь и струей воздуха.

Выдохните в пустую бутылку С узким горлышком сильную струю воздуха. Бутылка отзовется гулким звуком — это заколебался воздушный столб, заключенный в бутылке. Из тонкой резинки от аптечного пузырька, рыболовной лески или прочной нитки сделайте струну.

Укрепите один ее конец в настольных тисках, а другой натяните рукой. Ущипните теперь двумя пальцами струну — она придет в колебание, и вы услышите тихий звук.

Сделайте небольшой ящичек с дном из сухой тонкой фанеры. Один конец струны прикрепите с помощью спички ко дну ящичка, а другой натяните рукой. Звук струны стал сильнее. Теперь колебания струны передаются дну и стенкам ящичка, значит и колебания ящичка передаются большим массам воздуха.

Резонатор такого типа используется в струнных и ударных инструментах. У духовых инструментов тоже есть резонатор: на конце цилиндрического корпуса, заключающего воздушный столб, сделано расширение — раструб.

ЗАКОН СТРУНЫ
Укрепите на доске несколько струн различной длины и толщины, поставьте в ряд пять-шесть бутылок разной величины, подвесьте на веревке несколько деревянных брусочков или металлических пластинок разных размеров. Щипком, струей воздуха, ударом молоточка заставьте звучать эти предметы.

Вы сразу заметите на слух одну закономерность: короткие и тонкие струны издают более высокие звуки, чем длинные и толстые. Сильнее натянутая струна звучит выше, чем слабо натянутая. Маленькие бутылки издают более высокие звуки, чем высокие и толстые. Звук тонких маленьких брусочков или металлических пластинок выше, чем толстых и больших.

Теперь мы знаем, как получать звуки различной высоты.

ЗВУК МОЖНО ОКРАСИТЬ
У каждого музыкального инструмента есть свой «голос». Музыканты называют его «окраской» или «тембром» звука. Оказывается, извлекая звук из какого-либо предмета, мы получаем в действительности не один звук, а целую серию звуков разной высоты.

Самый громкий из них — основной тон — излучается всей струной или всем воздушным столбом, а более тихие «призвуки», или «обертоны», излучаются отдельными частями струны или воздушного столба, усиливаются или ослабляются корпусом инструмента.

Они-то и придают основному тону ту характерную окраску, которая отличает, например, звук скрипки от звука трубы.

Если вам приходилось «играть» на гребенке, вы знаете, как колеблющаяся папиросная бумага «окрашиваете ваш голос, меняет привычный тембр; меняя состав обертонов и силу их звучания, мы можем менять окраску звука.

Состав обертонов зависит от способа извлечения звука.

Одна и та же струна издаст звук различной окраски в зависимости от того, будем ли мы извлекать звук ударом молоточка, как в пианино или рояле; щипком, как в гитаре или в других так называемых щипковых инструментах; или проведем по струне пучком натертых канифолью конских волос — смычком, как это делается при игре на скрипке и других смычковых инструментах.

Окраска звука зависит также от материала, из которого сделан инструмент. Металл обладает свойством особенно усиливать, «подчеркивать» высокие обертоны.

Поэтому звуки металлических духовых инструментов отличаются резким звонким тембром — недаром существует поговорка «металл в голосе». А если корпус инструмента выполнен из дерева, звук приобретает мягкую певучую окраску.

Дерево, как более мягкий материал, ослабляет высокие обертоны.

Подвергая материал специальной обработке, добиваются наиболее красивой, выразительной окраски звука.
Тембр зависит еще от размера резонатора. Большой резонатор хорошо подчеркивает низкие обертоны, звук приобретает глубину. Поэтому инструменты, издающие низкие звуки, всегда отличаются большими размерами [вспомните контрабас, трубу и т. д.).

ОТ БУТЫЛКИ К ОРГАНУ
В современной музыке используются 88 звуков различной высоты. Значит, музыкальный инструмент должен содержать 88 разных струн, 88 разных воздушных столбов или 88… и так далее? Да. Но это только один из возможных принципов построения инструментов.

Так устроены, например, многоголосные инструменты. Фортепьяно имеет более 200 струн. Чтобы низкие и высокие звуки имели одинаковую силу звучания, тонкие высокозвучащие струны объединены по 2—3 на один звук.

Звуки извлекаются из струн ударами молоточков, а каждый молоточек приводится в движение нажатием соответствующего клавиша на клавиатуре.

Из ударных инструментов приведем в пример ксилофон. Его «струны» — это множество деревянных брусочков, соединенных резиновыми жгутами с коробчатыми резонаторами. Иногда с оркестром «выступает» челеста.

По внешнему виду и устройству она напоминает маленькое пианино. Только молоточки здесь ударяют не по струнам, а по
металлическим пластинкам, издающим нежно звенящие звуки.

Отсюда и название инструмента: «челеста» по-итальянски означает «небесный».

Самый большой и самый сложный из музыкальных инструментов — духовой многоголосный и многотембровый инструмент — орган. Его размеры достигают высоты 2—3-этажного дома. Орган состоит из большого количества — от 3 до 7 тыс. и даже больше — пустотелых металлических и деревянных труб.

Струя воздухе, приводящая в колебания столБы воздуха, заключенные в трубах, создается здесь не легкими человека, а мощной воздухом агне-тательной аппаратурой. Клапаны воздухораспределительной камеры открывают доступ воздуху в определенные трубы.

Каждый клапан приводится в движение нажатием соответствующего клавиша на клавиатурах, расположенных в несколько рядов.

Есть в органе и ножная клавиатура. Слева и справа от клавиатур расположены кнопки переключения труб. Нажатием одного клавиша можно включить сразу несколько труб. Сочетание деревянных труб с металлическими придает звукам органа разнообразную окраску.

Можно выбрать одну трубу в качестве «основного тона», подключить к ней любой, по желанию, «набор» обертонов, то есть труб, звучащих на частотах обертонов. Словом, это настоящая громадная фабрика звуков.

Переключением труб «заведует» не сам органист, а его ассистент, создающий кнопками управления по команде органиста те или иные тембры.

Орган — очень древний инструмент. В старину воздух в него накачивали вручную 3—4 помощника органиста — «качальщики». В современных органах воздух нагнетается мощными компрессорами, которые приводятся в движение электродвигателями.

Создание электрических «запоминающих» устройств позволило сократить «штат» органа до минимума. Теперь обязанности ассистента можно доверить «электрической памяти». Таким устройством снабжен, например, один из самых больших органов, установленный в Москве в концертном зале имени Чайковского (см. рис IV—V).

«Электрическая память» работает по программе органиста, которую он дает ей во время репетиции.

Автор Л. Скобенников
Журнал “Юный техник” № 5-61г.

Источник: http://uchifiziku.ru/2012/02/21/fizika-muzykalnyx-instrumentov/

Презентация по физике

Физика музыкальных инструментов

Инфоурок › Физика ›Презентации›Презентация по физике «Музыкальные инструменты и особенности их звучания»

Описание презентации по отдельным слайдам:

1 слайдОписание слайда:

Музыкальные инструменты и особенности их звучания. Работу выполнила Шарафанова София Ученица 11 класса Руководитель Учитель физики Дреев Н.Ф.

2 слайдОписание слайда:

Музыка и различные звуки сопровождает человека всю жизнь. Нас окружают звуки леса, пение птиц, шум моря и, конечно же, музыка.

Она с нами всегда, в часы веселья, и в моменты грусти, в печали и в радости, ночью и днем. Для извлечения звуков человек придумал различные виды музыкальных инструментов.

В настоящее время существуют музыкальные инструменты, которые подразделяются на несколько групп: струнные; духовые; ударные.

3 слайдОписание слайда:

Возникновение музыкальных инструментов: Трудно сейчас выяснить, как и когда появился первый музыкальный инструмент. Легенда гласит, что пастушью дудку первыми придумали еще греческие боги. Музыка сопровождала и первобытных людей: они танцевали, хлопали и барабанили. Напрашивается вывод, что первыми музыкальными приспособлениями были ударные музыкальные инструменты.

4 слайдОписание слайда:

Виды музыкальных инструментов делятся на разные классы и семейства в зависимости от: источника звука; материала изготовления; тембра и вида звучания; способа извлечения звуков.

5 слайдОписание слайда:

Каждый музыкальный инструмент имеет свое устройство для того, чтобы можно было получить необходимый звук. Так появилась классификация музыкальных инструментов. Список все время пополняется, появились электронные музыкальные инструменты.

Но живая музыка, по-прежнему, вне конкуренции. На самом деле, каждое тело, если привести его в движение или колебание, может издавать звук. Этот вид источника звука используется для классификации.

Группы инструментов, в зависимости от способа получения звука, делятся на подгруппы.

6 слайдОписание слайда:

Струнные инструменты

7 слайдОписание слайда:

Струнные музыкальные инструменты — это группа инструментов, в которых источником звука являются колебания струн. Струнные инструменты подразделяются на: щипковые – гусли, гитара, домбра, балалайка, домбра, ситар, арфа; смычковые — скрипка, альт, виолончель, контрабас; ударные — фортепиано, цимбалы, В начале XX века появились электромузыкальные инструменты.

Первый такой инструмент – терменвокс, был изобретен еще в 1917 году. Сегодня созданы многочисленные современные синтезаторы звука, которые могут имитировать не только звучание многих известных музыкальных инструментов, а и воспроизводят всевозможные звуки — раскаты грома, пение птиц, звук самолета или проходящего поезда.

Как правило, синтезаторы выпускаются с фортепианной клавиатурой.

8 слайдОписание слайда:

Скрипка Страдивари Уже три столетия прошло с момента смерти великого итальянского струнных дел мастера Антонио Страдивари, а секрет изготовления его инструментов так и не раскрыт. Звук сделанных им скрипок, словно пение ангела, возносит слушателя до небес.

9 слайдОписание слайда:

Уникальность звучания скрипки Группа ученых из Тайваня и Германии пришла к выводу, что своим выдающимся звучанием скрипки Страдивари обязаны особому химическому составу древесины, который был достигнут благодаря обработке дерева специальным составом.

При этом отличия в составе неорганических веществ оказались куда более заметными. Ученые выяснили, что древесина скрипок Страдивари была обработана сложным консервирующим составом, содержавшим алюминий, кальций, медь, натрий, калий и цинк.

По всей видимости, этот состав использовался мастером для предварительного вымачивания древесины. В настоящее время такой способ подготовки древесины не используется при изготовлении скрипок — древесину для инструментов просто сушат на воздухе несколько лет.

Кроме того, из документов XVIII и XIX веков следует, что и тогда скрипичные мастера не применяли специальных составов для обработки древесины.

10 слайдОписание слайда:

Духовые инструменты

11 слайдОписание слайда:

Духовые музыкальные инструменты — вид инструментов, у которых звук возникает от колебания воздуха в трубке. Классифицируются по производителю, материалу и способам звукоизвлечения. Эту категорию можно разделить на: деревянные – флейта, фанот, гобой; медные – тромбон, труба, туба, валторна.

12 слайдОписание слайда:

Ударные инструменты Ударные музыкальные инструменты появились во времена, когда люди занимались охотой. Были изобретены ударные музыкальные инструменты, названия которых известны всем: барабаны и бубны.

Их делали из высушенных шкур и полых предметов: плодов, деревянных колодок, глиняных горшков. Для получения звука били по ударным инструментам пальцами, ладонями или специальными палочками.

То есть, ударные музыкальные инструменты – это инструменты, у которых извлечение звуков происходит с помощью ударов, тряски, молоточков, палочек или ладоней.

13 слайдОписание слайда:

Сегодня ударные — самое многочисленное семейство музыкальных инструментов. По звуковысотности они подразделяются на две группы: Неопределенная высота звучания — барабаны, там – там, тарелки, бубен, треугольник, кастаньеты; Определенная высота звучания – колокольчики, литавры, вибрафон, ксилофон.

14 слайдОписание слайда:

Источники: http://www.volynki.ru/?p=30101 http://.ru/article/100357/skripka-stradivari-i-e-istoriya https://hitech.newsru.com/article/21dec2016/stradivari https://prezi.com/ls6qbhwtdjuc/presentation/ https://ru.wikipedia.org/wiki/

Курс повышения квалификации

ЕГЭ по физике: методика решения задач

Общая информация

Источник: https://infourok.ru/prezentaciya-po-fizike-muzikalnie-instrumenti-i-osobennosti-ih-zvuchaniya-2415261.html

VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся Старт в науке

Физика музыкальных инструментов
Баукина И.К. 11Муниципальное общеобразовательное бюджетное учреждение Гимназия №14 г. Белорецк муниципального района Белорецкий район Республики БашкортостанКазанцева М.Б.

11Муниципальное общеобразовательное бюджетное учреждение Гимназия №14 г. Белорецк муниципального района Белорецкий район Республики Башкортостан Текст работы размещён без изображений и формул.

Полная версия работы доступна во вкладке «Файлы работы» в формате PDF

Введение.

В мир музыки, мир волшебных звуков мы попадаем с самых первых дней своей жизни. Первая колыбельная, которую поет нам мама, первая музыкальная игрушка.

Я увлекаюсь музыкой с детства. Мне всегда было интересно как появлялись звуки и как их извлекать на разных инструментах. Но позже, в школе, на одном из уроков физики я познакомилась с одной из её областей – акустика. Эта тема меня заинтересовала, и я решила более подробно изучить её.

Нет более интересной области науки, чем та, что изучает физическую природу звука. Высота, частота звука влияет на восприятие музыки человеком. Одна доставляет удовольствие, другая раздражает слух и вызывает агрессию. Поэтому знания акустики важны музыканту.

В своей работе я попытаюсь вам рассказать о звукоизвлечении с позиции физики и музыки у разных музыкальных инструментов.

Мы считаем, что данная работа очень актуальна, поскольку совмещает физику, музыку и биологию.

Цель нашей работы: исследовать процесс звукоизвлечения разных типов инструментов с точки зрения физики.

Задачи:

изучить роль звука в жизни человека, физике и музыке

провести исследование по влиянию громкости звука, высоты, тембра различных музыкальных инструментов у группы моих одноклассников.

сделать вывод о применении знаний физики при игре на музыкальных инструментов

Гипотеза исследования: если использовать знания физики, то возможно освоить игру на многих м музыкальных инструментах.

Объект исследования: звукоизвлечение у фортепиано, скрипки, гитары, флейты, барабанов.

Предмет исследования: фортепиано, скрипка, гитара, флейта, барабан.

1.Анализ теоретического материала.

1.1.Роль звука в жизни человека

Мы привыкли слышать различные шумы. Когда мы находимся на природе, мы слышим пение птиц, скрип деревьев, шелест листвы, шум прибоя. И это нас умиротворяет. В городе же звуков гораздо больше — это и автомобильные гудки, и шорох шин, и грохот ближайшей стройки, и вой автомобильной сигнализации, и смех малышей на детской площадке.

Звук по-разному действует на людей в зависимости от их возраста, общего состояния здоровья и слуховой чувствительности, однако в той или иной степени интенсивный шум негативно влияет на всех.

Разумеется, человеческий организм должен защитить себя, и поэтому в результате воздействия сильных акустических колебаний мы начинаем терять слух.

Кстати, для того, чтобы потерять слух, не обязательно работать у токарного станка — достаточно часто слушать громкую музыку (8).

Важным моментом является сочетание определенных музыкальных ритмов с тем, чем именно занят человек и какого результата хочет добиться.

Простые примеры из жизни каждого дают понимание о том, что релаксирующая спокойная музыка помогает снять раздражительность и уснуть, а бодрая способна активизировать силы организма и являться вдохновляющим фактором при тяжелой физической работе или спортивных нагрузках.

 Имеет влияние не только жанр и этническая принадлежность, ритм и громкость, а также музыкальные инструменты, участвующие в исполнении произведения. Например, звучание некоторых инструментов (пианино) очищает щитовидную железу, стимулирует мозговую активность (5).

Здоровье человека имеет зависимость от музыкального воздействия, объясняющуюся, прежде всего тем, что любая музыка или ритм синхронизирует работу органов и систем. Делается это в сторону улучшения или нарушения баланса – вопрос подбора произведения, Организм человека чувствителен к воздействию волн различной частоты и вхождению с ним в резонанс влияет на работу всех систем органов.

1.2. Роль звука в физике

Мы называем колебания среды звуковыми, но это не значит, что все звуковые колебания мы слышим. Звуковые колебания возникают в любой среде, способной сжиматься, а так как несжимающихся тел в природе нет, то, значит, частицы любого материала могут оказаться в этих условиях. (6).

При звуковых колебаниях каждая частица воздуха в среднем остается на месте – она совершает лишь колебания около положения равновесия. В самом простейшем случае частица воздуха может совершать гармоническое колебание, которое, как мы помним, происходит по закону синуса.

Такое колебание характеризуется максимальным смещением от положения равновесия – амплитудой и периодом колебания, т.е. временем, затрачиваемым на совершение полного колебания.

Функция органа слуха базируется на двух принципиально различающихся процессах — механоакустическом, определяемом как механизм звукопроведения, и нейрональном, определяемом как механизм звуковосприятия (2).

Распространяющиеся в среде звуковые волны обладают свойством затухания, т. е. снижением амплитуды. Степень затухания звука зависит от его частоты и упругости среды, в которой он распространяется. Чем ниже частота, тем меньше степень затухания, тем дальше распространяется звук.

Поглощение звука средой заметно возрастает с увеличением его частоты.

Поэтому ультразвук, особенно высокочастотный, и гиперзвук распространяются на очень малые расстояния, ограниченные несколькими сантиметрами (4) Чем ближе собственная частота колебаний облучаемого объекта к частоте падающих волн, тем больше звуковой энергии этот объект поглощает, тем выше становится амплитуда его вынужденных колебаний, в результате чего этот объект сам начинает издавать собственный звук с частотой, равной частоте падающего звука. Барабанная перепонка благодаря своим акустическим свойствам обладает способностью резонировать на широкий спектр звуковых частот практически с одинаковой амплитудой (1)

В слуховом ощущении субъективно (звук оценивается человеком) различаются высота, громкость и тембр звука.

Простой музыкальный тон создается периодическим колебанием определенной частоты. Сложные звуки представляют собой сочетания чистых тонов.

Оркестр музыкантов воспроизводит почти все слышимые частоты. Диапазон рояля охватывает тона с частотами примерно от 25 до 4000 Гц.

Звуки, находящиеся на границе слухового диапазона, раздражают человеческое ухо. Например, писк комара – верхняя граница звука, раскаты грома – нижний звук.

1.3. Роль звука в музыке

Не все комбинации звуков доставляют удовольствие слушающему. Оказывается, приятное ощущение создают такие звуки, частоты колебаний которых находятся в простых отношениях (3). При помощи бесклавишных инструментов – типа скрипки – музыкант может взять любой тон и дать звучание любому сочетанию тонов.

В таком инструменте, как рояль, дело обстоит иначе. Струны рояля настроены на определенные частоты, удар о клавиши не может изменить тональности звука.

Вы видели, как настраивают гитару – струну натягивают на колки. Если длина струны и степень натяжения подобраны, то струна будет издавать, если ее тронуть, вполне определенный тон.

Если, однако, вы послушаете звук струны, трогая ее в различных местах – посередине, на одной четверти от места крепления, в любом другом месте, то услышите не вполне одинаковые звуки. Тон будет один и тот же, а окраска звука, или, как говорят музыканты, тембр звука, будет различным.

В зависимости от возбуждения струна может колебаться и с большими частотами. Все эти частоты, как говорят, относятся к собственным колебаниям струны.

Звукоизвлечение отличается у различных инструментов. Инструменты подразделяются на большие группы: струнные, клавишные, ударные, духовые. В духовых инструментах звук издается в результате колебаний столба воздуха, заключенного внутри трубки.

Чем больше объем воздуха, тем более низкий звук он издает.У струнных инструментов звук здесь издается колеблющейся струной. Для усиления звука струны стали натягивать над полым корпусом — так появились лютня и мандолина, цимбалы, гусли и гитара.

Струнная группа делится на две основные подгруппысмычковые и щипковые инструменты. Звук струнносмычковых инструментов извлекается смычком, которым водят по натянутым струнам. А для щипковых смычок не нужен: музыкант пальцами защипывает струну, заставляя ее колебаться.

Если пальцы, ударяющие по струнам, заменить молоточками, а молоточки приводить в движение с помощью клавиш, получатся клавишные инструменты. 

Выводы по первой главе: звук имеет важное значение в жизни человека, воздействие звука может быть как полезным, так и разрушающим. Звук характеризуется определенными физическими характеристиками: тембром, тоном, высотой, частотой, амплитудой– которые воздействуют на слуховой анализатор.

2.Исследование музыки как физического процесса

2.1.Методики исследования

Большинство опытов со звуком дает чисто субъективные результаты, которые зависят не только от характера наблюдаемых материальных явлений, но и от

собственных реакцией наблюдателя, от его впечатлений, ощущений, представлений. Они связаны с деятельностью организма наблюдателя, с его воспринимающими сенсорными механизмами.

В качестве оборудования во всех опытах использовались скрипка, фортепиано, гитара, флейта, барабаны., тюнер, звукозаписывающая студия (Приложение 1).

Опыт №1. Исследование тембра звука.

Цель опыта: определить наиболее приятный для слуха тембр звука

Оборудование: скрипка, фортепиано, гитара, флейта, барабаны.

Опыт №2. Исследование громкости звука

Цель опыта: определение комфортной для человеческого слуха громкости музыкальных инструментов

Опыт №3. Исследование высоты звука.

Цель опыта: определить частоту самого низкого и самого высокого звука у выбранных инструментов с помощью тюнера, и на слух.

Опыт № 4. Анализ звукоизвлечения с точки зрения физики

Цель опыта: применить знания о звуковых физических процессах при собственной игре на музыкальных инструментах.

Ни одни из описываемых опытов не может причинить зрению ни малейшего ущерба, При проведении многих опытов необходима нормальная функционирование слухового аппарата. Для некоторых эти опыты, безусловно, окажутся трудными, к тому же здесь не миновать расхождений в точности оценки результатов.

Вр время опытов учтены принципы научного исследования. В некоторых случаях, направляя действия наблюдателя, опыт повторен, а затем подсчитан средний арифметический результат.

2.2. Представление результатов опытов

В опыте №1 пятерым людям предлагалось прослушать музыкальный фрагмент на разных инструментах и оценить ощущения по 10-балльной шкале. 1-неприятно, 10-нравится. Результаты опыта представлены в таблице 1.

Таблица 1. Результаты исследования тембра звука

ФортепианоСкрипкаБарабаныГитараФлейта
Саша108598
Рита99577
Ирина1010101010
Полина89397
Арина958106

В опыте №2 Испытуемые прослушивали каждый инструмент с разной регулируемой громкостью от 30Дб до 100Дб. Комфортная для слуха громкость каждого инструмента фиксировалась в таблице 2. Обработанные результаты представлены в диаграмме 1 приложения 2.

Таблица 2. Результаты определения комфортной громкости

ФортепианоСкрипкаБарабаныГитараФлейта
Саша7040908040
Рита8080507080
Ирина5090507070
Полина4080409070
Арина4040304040
Ср.значение5662705260

В первой части опыт №3 сыгран самый низкий звук, самый высокий звук на инструменте; зафиксирован тюнером частоты, внесено значение в таблицу 3,4

Таблица 3. Самые низко-воспроизводимые звуки.

ФортепианоГитараСкрипкаФлейтаБарабаны
27,2482,39196,00174,5640

Таблица 4. Самые высоко-воспроизводимые звуки:

ФортепианоГитараСкрипкаФлейтаБарабаны
42001175350042001300

Во второй части проигран звук равный частоте 440Гц на инструментах. Испытуемым предложены оценить ощущения высоты звука инструмента по 10-балльной шкале (приложение 2)

Как мы видим из диаграммы и таблицы один и тот же звук, воспроизводимый разными инструментами, воспринимается людьми по-разному.

В опыте 4 обобщен собственный опыт игры на музыкальных инструментах. Анализ представлен в таблице 6.

Таблица 6. Анализ звукоизвлечения.

Название инстру-ментаСпособ звукоизвле-ченияОсобенность устройства музыкального инструментаФизический процесс
ФортепианоУдарный принцип (нажатие клавиш)Струны, дека, механическая часть, расположенные вертикально.Момент атаки и возникновение звукаСкорость атаки определяет силу звука, а также форму звуковой волны. Чем резче атака, тем острее начало звука и более крутой спад. Чем мягче атака, тем более пологой и продолжительной получается звуковая волна
СкрипкаДеташе ( ведение смычка)Пиццикато (щипок)Корпус скрипки имеет специфическую округлую форму. Округлость внешних контуров и линий «талии» обеспечивает удобство игры
Трение возникает между смычком и струной. Для увеличения трения смычок натирают канифолью. Стоячие волны возникают в струне, закреплённой в 2 точках, при сложении бегущей Равномерное и равноускоренное движение смычка при проведении им по струне с постоянной или изменяющейся скоростью  и отражённой волны .Колебательное движение совершают струны и корпус скрипки . Корпус скрипки колеблется, излучая в пространство звуковые волны. Резонанс возникает в корпусе скрипки при колебаниях закреплённой на нём струны. Незатухающие автоколебания струны, возникающие при скольжении смычка по струне. Передача энергии от вибрирующей струны корпусу инструмента.
ФлейтаДыханиеФлейта издает звук, когда создаю поток воздуха у края входного отверстия.В мундштуке рождаются колебания в определенном диапазоне частот. Одна из них резонирует со столбом воздуха в канале духового инструмента и зависит от длины столба.Меняя длину воздушного столба можно извлечь нужную ноту.При игре на духовом инструменте молекулы воздуха в нем совершают колебательные движения с разной амплитудой в разных местах воздушного столба. 
ГитараПиццикато (щипок медиатором)Прижимая пальцами струны к грифу меняю высоту тона струн . Пальцы укорачивают струну, повышая частоту ее колебаний.

Выводы по второй главе: исследованы разные музыкальные инструменты, выявлена комфортная для слуха, сделан анализ звукоизвлечения разных музыкальных инструментов.

Выводы

Организм человека чувствителен к воздействию волн различной частоты и вхождению с ним в резонанс влияет на работу всех систем органов. Звук описывается следующими характеристиками: тембр, высота, тон. Звукоизвлечение у музыкальных инструментов разных групп зависит от физических процессов.

Для разных людей приятными для слуха являются инструменты разных тембров. Фортепиано обладает тембровой нейтральностью, а скрипка имеет самый яркий тембровый окрас.

Комфортная для слуха громкость музыкальных инструментов лежит в пределах от 52Дб до 70Дб. Восприятие высоты звука человеком субъективно и отличается от точных показателей.

Имея начальные знания о музыке и звуковых физических процессах возможно применить их для освоения новых музыкальных инструментов.

Гипотеза исследования подтверждена.

Глоссарий.

Акустика — учение о физических колебаниях.

Волна — распространение звуковых колебаний.

Звук – распространяющийся в виде продольных волн колебательное движение частиц упругой среды: газообразной, жидкой или твёрдой.

Резонанс — акустическое явление, в результате которого падающие на какое-либо тело звуковые волны вызывают вынужденные колебания этого тела с частотой приходящих волн.

Слуховой, или звуковой анализатор — орган слуха, в основе функции которого лежат анализ и синтез невербальной и вербальной звуковой информации, содержащей природные и искусственные звуки в окружающей среде и речевые символы.

Cписок использованных источников и литературы.

Анфилов Г.В. Физика и музыка / Г. В. Анфилов — М.: Детская литература, 1964. – 187 с.

Бабияк В. И. Оториноларингология / В. И. Бабияк, М. И. Говорун, Я. А. Накатис, А.Н. Пащинин — Санкт-Петербург: Питер, 2005 г. – 203 с.

Газарян С.С. В мире музыкальных инструментов: для учащихся старших классов / С. С. Газарян — М.: Просвещение, 1985. – 246 с.

Ландау Л.Д. Физика для всех / Л. Д. Ландау, А.И. Китайгородский — М.: «Наука», 1974 — 280 с.

Музыкальный энциклопедический словарь / Гл. ред. Г. В. Келдыш. — М.: Советская энциклопедия, 2006. – 500 с.

Перельман Я. И. Занимательная физика : книга 2 «Звук. Волнообразное движение»./ Я. И. Перельман — М.: Наука, 1983. – 330 с.

Эллиот. Л. Физика / Л. Эллиот, У. Уилкокс, пер. с англ. Под ред. А.И.Китайгородского — М.: Физматгиз, 1993. – 276 с.

[Электронный ресурс]. – URL: https://medbe.ru/materials/ukho/fiziologiya-organa-sl..(Дата обращения 20.10.2018

Приложение 1. Практическая часть исследования.

Приложение 2.

Диаграмма 1. Результаты опыта №2.

Диаграмма 2. Опыт №3.

Таблица 5.

ФортепианоСкрипкаГитараФлейта
Саша6948
Рита810510
Ирина7868
Полина8989
Арина5655
Ср.знач.6,88,45,68

Источник: https://school-science.ru/6/11/36860

Почему звучат струнные музыкальные инструменты? • Библиотека

Физика музыкальных инструментов

Когда человек впервые берет музыкальный инструмент, ему не нужно изучать физические законы, лежащие в основе его звучания. Достаточно просто начать играть или хотя бы дергать за струны, нажимать клавиши, чтобы понять, как рождается звук.

Наверняка первые музыкальные инструменты человек изготавливал без серьезной «теоретической» подготовки, просто основываясь на чувственных представлениях.

Возможно, мастерам-создателям музыкальных инструментов прошлого и не нужно было изучать сложные математические закономерности, описывающие звучание изготавливаемого инструмента. Все они были хранителями и продолжателями великих тайн и традиций предшествующих им поколений мастеров, найденных эмпирическим путем.

Материалы, из которых изготавливались скрипки, гитары и виолончели, их размеры, пропорции, рецепты покрытий (лаков) были известны только им, хранились в строжайшем секрете, передавались от поколения к поколению.

Многовековой опыт искусства создания музыкальных инструментов привел к появлению шедевров, подобных творениям таких мастеров, как Страдивари, Амати, Гварнери, Стейнвей.

Однако трудно добиться совершенства в массовом производстве, не постигнув сущности процесса. Во все времена ученые пытались с математической и физической точки зрения описать процесс звучания инструментов, найти связь между колебаниями струны и тем, как человек воспринимает музыкальные звуки. Перефразируя известное выражение, возникала потребность проверить гармонию алгеброй.

Формулы тона

Первые исследования природы звука, физических и механических основ строения музыкальных инструментов, дошедшие до нас, появились в Древней Греции. Еще Пифагор отмечал, что существует связь между высотой тона и длиной струны, его порождающей. Он же создал первый музыкальный строй, основу для которого составляла квинта *.

Древние греки связывали появление звука со сжатием и разрежением воздуха. Первое же аналитическое решение для задачи колебаний музыкальной струны было получено лишь в начале восемнадцатого века англичанином Бруком Тейлором. Он нашел формулу для выражения частоты колебания через отношение силы натяжения к массе и длине струны.

Задача распространения волн в гибкой однородной струне решалась уже в XVIII в. Даниилом Бернулли, Леонардом Эйлером, Жозефом Луи Лагранжем. Уравнение распространения поперечных волн в струне

где b — скорость распространения волн, и его общее решение в виде двух бегущих волн

были даны французским ученым Жаном Лероном Д'Аламбером еще в 1750 г.

Постановка задачи колебаний струн музыкального инструмента восходит к фундаментальным работам Джона Уильяма Рэлея, в частности к его классической книге «Теория звука» [1], в которой подробно обсуждаются различные виды возбуждения колебаний в натянутых струнах музыкальных инструментов, таких как щипковый музыкальный инструмент гитара, смычковые — скрипка, виолончель, клавишные музыкальные инструменты.

Традиционно задача колебаний и динамических нагружений натянутой гибкой музыкальной струны сводилась к анализу только лишь поперечных колебаний. Считалось, что основным источником звука, который может восприниматься ухом человека, служат именно колебания частиц струны поперек первоначального направления.

А продольные колебания (вдоль первоначального направления), их вклад в динамику движения самой струны и присоединенной к струне деки (корпуса), которая собственно и является генератором звука любого музыкального инструмента, не учитывались. Продольные колебания рассматривались как колебания, которые не оказывают влияния на процесс формирования звука.

Возможно, это связано с малостью «невидимых глазу» продольных перемещений струн по сравнению с поперечными. Более того, основной тон собственных продольных колебаний лежит намного выше основного тона поперечных колебаний — так, для струнных музыкальных инструментов он находится вообще в верхней части акустического спектра, который воспринимается человеком.

Лорд Рэлей рассматривал это обстоятельство как отрицательное, негативно сказывающееся на качестве звучания инструмента.

В частности, Бернулли в 1755 г. показал, что свободные поперечные колебания струны, возбуждаемой произвольным образом, могут быть представлены в виде

где l — длина струны, ωn = πnb/l — частота колебаний, х, у — продольная и поперечная координаты, Ап, Вп — амплитуда колебаний струны.

Например, в основе простейшей теории возбуждения колебаний струн щипкового музыкального инструмента была задача, когда начальное отклонение струны представлялось в виде треугольника с высотой в точке воздействия исполнителя х = c (в точках х = 0 и х = l предполагалось жесткое закрепление струны в местах заделки), рис. 1.

Как уже упоминалось, продольные колебания в данной постановке во внимание не принимались.

Также здесь не учитывается процесс воздействия возбудителя колебаний на струну, считается, что это воздействие снимается мгновенно.

Но в таком случае, например, не очень понятно, чем отличается хороший исполнитель от плохого, как особенности звукоизвлечения отражаются на звучании музыкального инструмента.

Куда влечет струна

В последние годы мы провели цикл работ, из которых стало ясно, что «невидимые» глазу продольные колебания струны играют такую же роль в рождении звука, как и поперечные (а для некоторых инструментов и большую). Установлено, что вклады продольных и поперечных составляющих в динамическое нагружение оказываются одного порядка.

Также обнаружено, что вынужденные продольные колебания происходят на частотах поперечных. Поперечные составляющие играют роль вынуждающей силы для продольных движений частиц струны, при этом возможны резонансные явления.

Это означает необходимость рассмотрения продольных составляющих как одного из основных источников колебания деки и, следовательно, формирования звука в музыкальных инструментах.

Впервые на это обстоятельство (распространение продольных волн в струнах музыкальных инструментов) в 1945 г. обратил внимание выдающийся советский ученый Х. А. Рахматулин в работе «О косом ударе по гибкой нити с большими скоростями при наличии трения» [2].

(Интересно отметить, что данная работа была выполнена в рамках сугубо военной темы защиты Москвы аэростатами заграждения от самолетов противника.

) Автор подчеркивал, что «при ударе по струне вдоль нее также побежит волна продольного растяжения, которая в обычной теории колебаний струны во внимание не принимается».

В процессе движения струна не только смещается поперек своего первоначального положения, но и испытывает дополнительное растяжение. Простая задача из курса школьной физики поможет понять важность учета продольных движений. Пусть струна закреплена между двух опор. В середине струны (рис. 2) поперек ее первоначального направления действует сила F.

Возникающие силы Т в струне определяются следующим образом: Т = F / 2sinα (α — угол отклонения струны от первоначального положения).

Очевидно, что в процессе колебаний струны ее отклонения очень малы (порядка одного градуса и меньше). Поэтому знаменатель дроби можно оценить как 2sinα ≈ 0,005–0,01. А следовательно, Т ≈ (100–200)F, т. е.

продольные силы, возникающие в струне, более чем в 100 раз больше поперечных сил. Поперечные силы оказываются источником продольных движений. Они будут раскачивать деку и станут основным источником звука музыкального инструмента.

Понятно, что не учитывать их нельзя.

Из курса физики известно уравнение движения колебательной свободной системы d2x/dt2 + ω02х = 0. Здесь ω0 — собственная частота колебаний системы.

Для движения под действием периодической вынуждающей силы это уравнение приобретает вид d2x/dt2 + ω02х=Asinωt, где ω — частота колебаний вынуждающей силы.

Хорошо известны явления резонанса при совпадении собственной частоты системы и частоты вынуждающей силы.

Конечно, процессы колебаний струн или деки более сложны, чем движение маятника. Уравнения поперечно-продольных колебаний гибкой предварительно натянутой струны, полученные в работе [3], таковы:

где b, а — скорости поперечных и продольных волн, е0 — первоначальная деформация струны.

Первое уравнение представляет собой традиционное уравнение поперечных колебаний. Второе — уравнение продольных колебаний.

Это уравнение неоднородно, наличие в правой части второго члена говорит, что роль вынуждающей силы для продольных колебаний играют поперечные составляющие.

Значит, решение второго уравнения представляет собой суперпозицию продольных колебаний на собственных частотах и вынужденных продольных колебаний на частотах поперечных, при этом возможны резонансные явления, когда амплитуда продольных колебаний резко возрастает.

Аналогичные процессы связывают крутильные и продольные колебания, когда рассматриваются смычковые инструменты. Мы показали, что при игре на смычковых инструментах крутильные и продольные составляющие движения необходимо учитывать наряду с поперечными, для того чтобы наиболее полно описать музыкальное звучание скрипки, виолончели.

Чтобы лучше понять на практике, как все это работает, те читатели, которые имеют свою гитару или скрипку, могут (не ломая инструмент) самостоятельно сделать следующий качественный эксперимент. Прижмите одной рукой струны инструмента, чтобы они не звучали.

Другой рукой постучите по той части какой-либо струны, которая находится между колком (с помощью которого натягивается струна) и порожком грифа. Послушайте внимательно, как звучит дека (то есть корпус инструмента). В этой части струны возникают поперечные движения.

Они передаются в основную часть струны, которая прикреплена к деке. А так как эта часть прижата рукой, то в ней возникают только продольные движения, которые не видны, но рукой их не удержать.

Эти продольные колебания, происходящие с частотами поперечных колебаний части струны между колком и порожком, раскачивают деку и заставляют ее звучать. И при этом звучит дека достаточно громко.

При теоретическом анализе игры на смычковом инструменте используется схема, предложенная А. В. Римским-Корсаковым, — чередования повторяющихся захватов и срывов за счет трения между смычком и струной.

Крутильные составляющие играют роль вынуждающей силы для продольных. Возникновение крутильных движений приводит к появлению продольных.

Продольные колебания происходят на собственных частотах, а также на частотах поперечных и крутильных колебаний. Крутильные колебания воздействуют на подставку и приводят к ее вращательному движению.

Продольные колебания (наряду с поперечными) раскачивают деку и тем самым вносят свой вклад в акустическое звучание струнных музыкальных инструментов.

Традиционно звучание струн инструментов анализируется в фазе свободных колебаний, когда воздействие исполнителя закончилось. В практических задачах взаимодействие возбудителя колебаний (медиатора, молоточка фортепиано, смычка) со струной не рассматривается. Но ведь именно фаза воздействия на струну (приемы извлечения звука) отличает хорошего исполнителя от плохого!

В классическом решении задачи о колебании струны щипкового инструмента не учитывается динамический процесс взаимодействия медиатора со струной, и, как следствие, не принимаются во внимание колебания, возникающие в период возбуждения струны.

Такая постановка задачи означает, что воздействие исполнителя на струну происходит мгновенно.

На самом деле процесс взаимодействия струны и возбудителя колебаний происходит в течение определенного конечного времени (по экспериментальным оценкам от 0,01 до 0,05 с), воспринимается декой и отражается на звучании музыкального инструмента.

Мы изучили процесс воздействия возбудителя колебаний (медиатора, ногтя или пальца исполнителя, смычка), который рассматривается как взаимодействие со струной в течение времени движения тела [4–7]. Форма тела соответствует форме возбудителя колебаний.

Устанавливается возможность различных вариантов движения медиатора в руке исполнителя:

  • когда, в силу большей скорости и меньшего времени соприкосновения его со струной, он сохраняет неизменную ориентацию; при этом волновые и колебательные процессы происходят только в одной плоскости;
  • когда, в силу меньшей скорости и большего времени соприкосновения, момент силы воздействия струны превысит предельно допустимое значение, позволяющее удерживать медиатор без разворота, — начнется вращение медиатора. В этом случае имеют место пространственные волновые и колебательные процессы и после окончания воздействия исполнителя.

Для смычковых инструментов была решена задача взаимодействия смычка и струны, рассмотрен процесс возникновения автоколебаний. Для клавишных музыкальных инструментов была решена задача взаимодействия (удар и отскок) молоточка со струной с определением дальнейшего движения струны.

От теории к эксперименту

Существование вынужденных продольных колебаний на частотах поперечных колебаний для гибких деформируемых струн было подтверждено экспериментально. Наблюдалось также явление резонанса между модами (обертонами) продольных колебаний и модами поперечных колебаний.

Суть эксперимента составляет исследование амплитудно-частотных характеристик продольных колебаний и их сравнение с поперечными составляющими [8]. Опыт настолько прост, что может быть воспроизведен в домашних условиях.

Установка, которая использовалась для определения влияния продольных колебаний на динамическое нагружение струны и связанных с ней креплений, схематично представлена на рис. 3.

В первых экспериментах из-за особой малости амплитуды продольных колебаний и сложности в измерении динамических составляющих напряжений, возникающих в струне в период колебаний, в качестве присоединенного элемента использовалась резонаторная дека гитары.

Длинная струна закрепляется таким образом, что один ее конец присоединен к деке, а другой — жестко на колке для возможности регулировки начального натяжения.

Струна разделена на несколько частей (в эксперименте — на три) жесткими неподвижными креплениями, которые позволяют ей двигаться на них в продольном направлении, не испытывая при этом поперечных движений.

Эксперимент заключается в том, чтобы сравнить натяжения, возникающие в струне, динамическое нагружение, оказываемое на присоединенный к ней элемент (деку гитары), и возникающие спектры колебаний в двух случаях: 1) при «традиционных» поперечных колебаниях струны, 2) при вынужденном продольном движении струны, источником которого являются поперечные колебания в части струны, которая не прикреплена к деке.

С помощью звукозаписывающей аппаратуры и амплитудно-частотного анализатора исследовалась зависимость амплитуды звука, издаваемого декой, а также его частотных характеристик от прикладываемого динамического воздействия.

В первом случае часть струны длины l3 = 65 см, закрепленная на деке, возбуждается поперечным ударом, и поперечные воздействия передаются на деку.

Во втором — две части струны (часть l3 = 65 см, которая прикреплена к деке, и часть, которая находится между разделительными креплениями, расстояние между которыми l2) демпфируются (закрепляются в нескольких точках мягким материалом) для того, чтобы исключить развитие в них поперечных колебаний (продольные колебания при этом не ограничиваются). Третья часть длины l1 может свободно колебаться в поперечном направлении. Она и служит источником вынужденных продольных колебаний на частотах поперечных колебаний.

В эксперименте по сравнению спектров разделительные крепления делят струну на три равные части l1 = l2 = l3. В этом случае частоты поперечных колебаний при возбуждении части струны III (l3) совпадают с частотами вынужденных продольных колебаний при возбуждении части I (l1) (рис. 4).

В случаях поперечного и поперечно-продольного воздействий амплитуды звуковых колебаний различаются незначительно. Обобщенный результат отношения амплитуд A1/A3 = 0,57 для различных натяжений говорит о том, что продольные колебания струны являются источником механический колебаний прикрепленного к ней элемента.

Были обнаружены резонансные явления, вызванные совпадением частот обертонов поперечных колебаний с частотами вынужденных продольных колебаний.

При выполнении условия резонанса

(как и следует ожидать) наблюдается увеличение амплитуды вынужденных продольных колебаний на частотах поперечных (рис. 5, частота 1178 Гц).

В эксперименте изучалась зависимость амплитуды звуковых колебаний от частоты (в частности, ее увеличение при совпадении частот колебаний).

Условие резонанса для частот поперечных и продольных колебаний в настоящем эксперименте выражается следующими соотношениями

где l1 + l2 + l3 = L — длина струны, п  1, 2, …, k  1, 2, … — целые числа.

Также здесь применялась техника флажолета (особого приема извлечения звука струнных музыкальных инструментов за счет сокращения длины струны, когда присутствуют только высокие обертоны поперечных волн).

Было обнаружено увеличение амплитуды акустических колебаний, соответствующее первой и второй гармоникам продольных колебаний, которое носит резонансный характер.

В частности, обнаружено резонансное усиление между этими гармониками продольных колебаний и первой, и второй, и третьей (k = 1, 2, 3) гармониками поперечных. Например, при L = 380 см и ω1 = 1174 Гц, ω2 = 2348 Гц (рис. 5).

Стоит отметить, что при увеличении относительных деформаций струны эффекты, связанные с резонансами между модами колебаний, усиливаются.

За последние годы нам удалось продвинуться в изучении не только колебаний струн, но и движений мембран и пластин (в частности, деки музыкальных инструментов), где был обнаружен целый ряд интересных явлений, связанных с взаимным влиянием различных типов волн и колебаний.

Результаты данных исследований уже сейчас могут быть использованы при проектировании и создании электронных музыкальных инструментов.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований.
Проект 07-01-00700-а.

Литература:

  1. Baron Rayleigh. The theory of sound. L., 1926; Рэлей. Теория звука. Л.; М., 1940. Т. 1. С. 187–257.
  2. Рахматулин Х. А. // ПММ. 1945. Т. 9. Вып. 6. С. 449–462.
  3. Демьянов Ю. А. // Докл. РАН. 1999. Т.369. №4. С.461–465.
  4. Демьянов Ю. А. // Докл. РАН. 2000. Т.372. №6. С.743–748.
  5. Демьянов Ю. А., Малашин А. А. // Докл. РАН. 2002. Т. 387. №3. С. 333–337.
  6. Демьянов Ю. А., Дементьева Д. В., Малашин А. А. // ПММ. 2003. Т. 67. №2. С. 273–283.
  7. Демьянов Ю. А., Малашин А. А. // ПММ. 2003. Т. 67. №3.
  8. Малашин А. А. // Докл. РАН. 2007. Т. 413. №5. С. 312–315.

* Квинта — это музыкальный интервал между первой и пятой нотой (например, между до и соль).

Источник: https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/430692/Pochemu_zvuchat_strunnye_muzykalnye_instrumenty

Refy-free
Добавить комментарий