Методы исследования: наблюдение, эксперимент.

Актуальность: полученные в ходе исследования знания можно использовать при сочинении и исполнении музыки.

Характеристики звука

Звук – это колебательное движение частиц упругой среды, распространяющееся в виде волн в газообразной, жидкой или твердой сфере.

Вблизи источника звука возникают сжатие и разрежение воздуха, то есть колебания давления. Возмущение передается от точки к точке, в пространстве распространяется акустическая волна. Она является продольной в газах и жидкостях. Если частота колебаний лежит в диапазоне 16-20000 Гц, мы слышим звук. Мы различаем разные звуки. Чем же они отличаются?

Рассмотрим характеристики звука.

Громкость звука – субъективное качество слухового ощущения, позволяющее располагать все звуки по шкале от тихих до громких. Так как звук переносит изменения давления воздуха, можно предположить, что громкость звука связана с амплитудой колебаний давления.

Громкость звучащего камертона постепенно уменьшается. Почему? Если провести по закопченному стеклу иглой, прикрепленной к звучащему камертону, мы увидим, что амплитуда колебаний уменьшается (Приложение №1).

 

При помощи специального оборудования и компьютерных программ были проведены эксперименты со звуком.

Суть экспериментов заключалась в том, чтобы получить графики, записав камертон, звучащий с разной динамикой, т.е. звучащий тихо и громко.

По камертону ударили слабо и записали звук на специальный микрофон. Был получен следующий график (Приложение №2).

Затем по камертону ударили сильнее и, записав звук, получили другой график (Приложение №2).

Мы можем видеть, что второй график отличается от первого большим «размахом», т.е. большей амплитудой колебаний. Следовательно, громкость звука определяется амплитудой колебаний тела.

Вторая характеристика звука – высота.

Возьмем 2 камертона: один с частотой колебание 440 Гц, второй – 56 Гц. Если ударить по ним молоточком, то можно услышать, что их звуки различаются по высоте.

Сравним графики этих колебаний (Приложение №3). Очевидно, что высота звука определяется его частотой: чем больше частота колебаний в звуковой волне, тем выше звук.

 

И еще одна характеристика звука — это тембр.

Тембром называют особое качество звука, его окраску, характерную для каждого голоса или музыкального инструмента. От чего же зависит тембр звука?

Если подключить микрофон и пропеть какую-нибудь мелодию, то на экране осциллографа появится не синусоида, а более сложная кривая (Приложение №4). Это значит, что источник звука совершает несинусоидальные колебания.

Такое колебание может быть представлено в виде суммы гармонических колебаний с разными частотами. Колебания с наименьшей частотой называются основным тоном, а колебания с более высокой частотой называются обертоном или гармоникой.

Таким образом, тембр определяется наличием и интенсивностью обертонов.

 

 

О струнах

Если бы каждая струна колебалась только с одной частотой, то все гитары имели бы практически одинаковое звучание. Но «голоса» гитар различаются. И во многом благодаря струнам.

Дело в том, что струна, помимо основного колебания, частота которого задается гитаристом при зажатии струны, участвует и в других колебаниях, больших частот и меньших амплитуд. Это кратные частоты. Их набор и определяет тембр.

В зависимости от упругих свойств материала струны эти частоты могут иметь разные амплитуды, т.е. разную громкость звучания на фоне звука основной частоты. А эти свойства определяются материалом, из которого струна изготовлена, ее толщиной, длиной и силой натяжения. Чем толще струна, тем ниже звук (меньше частота). Чем сильнее натянута струна, тем звук выше. Эти параметры задаются уже при установке струн и настройке гитары. При игре гитарист регулирует, по сути, только один параметр – длину струны, пережимая ее в разных местах. Чем меньше рабочая длина струны, тем выше частота колебаний (выше звук). Таким образом, увеличение натяжения струны приводит к повышению частот колебаний.

Сравним графики звуковых колебаний камертона на ноту ля с графиком этой же ноты, но сыгранной на гитаре (Приложение №5). Нетрудно увидеть, что у камертона синусоидальный график, а у гитары график с такой же частотой, но с некоторыми неровностями — это и есть обертоны.

А если сыграть на гитаре ля на октаву ниже (Приложение №6), то изменится и частота, и набор обертонов.

Таким образом, каждая нота, сыгранная на любом инструменте, представляет собой сложный звук, состоящий из основного тона и большого числа обертонов.

 

 

 

3. Ноты, созвучия и аккорды

Современный нотный строй таков, что одноименные ноты соседних октав различаются по частоте в 2 раза. Например, «ля» первой октавы соответствует частоте 440 Гц, второй – 880 Гц, третьей – 1320 Гц и т.д. Созвучия, соответствующие разным интервалам, воспринимаются слухом и сознанием по-разному: одни звучат более приятно, другие – менее. Так как каждое созвучие – это одновременное звучание двух основных частот или результат сложения колебаний.

Если мы посмотрим на соотношения частот в разных созвучиях, построенных, например, от ноты До, то увидим, что они таковы (Приложение №6)

Поэтому аккорды – это не случайно подобранные красивые созвучия, а сочетания нот, частоты которых дают отношения целых чисел.

 

 

Акустический резонатор

Резонатор предназначен для эффекта усиления вынужденных колебаний, возникающих при несовпадении частот возмущающей силы и собственной частоты. Если поставить звучащий камертон на стол, то доска стола приходит в вынужденные колебания и звук усиливается, но это объясняется увеличением площади колеблющейся поверхности, а не совпадением частот.

Но если камертон поставить на специальный резонаторный ящик, длина которого равна четверти длины звуковой волны, создаваемой камертоном, то слышимость звука камертона улучшается из-за резонанса в воздушной среде. Но почему же резонатор камертона — это простой ящик незамысловатой формы, в то время как корпус гитары представляет собой нечто более сложной формы? Дело в том, что если резонатор камертона должен усиливать звук только одной частоты, то резонатор гитары должен усиливать звуки разных частот.

 

Устройство гитары

Резонаторный ящик гитары, образованный двумя деками и боковиной, имеет особую форму. Расстояние от розетки до стенок ящика в разных местах разное, что и позволяет воздуху резонировать в ящике на разных частотах. Набор этих частот определяет общий тембр инструмента.

Наличие резонатора необходимо потому, что сама по себе струна плохой источник звука, т.к. она имеет маленькую площадь поверхность, а, следовательно, не может вызвать большие возмущения воздуха. Материал, из которого изготовлен корпус гитары, её форма, и даже лак, которым она покрыта, оказывают большое влияние на звучание инструмента.

 

 

Стоячие волны на струне

При игре на гитаре нельзя не столкнуться с явлением стоячих волн. Если щипнуть струну, она начинает вибрировать. Это очень маленькая стоячая волна, чья частота остается практически постоянной. Частота характеризует высоту тона, так что звук – постоянная нота. Это основа для любого струнного инструмента.

Стоячей именуют кажущуюся неподвижной волну. То есть, она остается в стабильном положении. В струне это тип поперечной волны, где перемещение частичек среды выступает перпендикулярно направлению волнового распространения. Возникает, если две одинаковых волны, перемещающихся в разных направлениях, начинают друг другу мешать.

В случае со струнами возникает два сценария для волн: струна фиксируется на обоих концах или она фиксируется на одном и остается свободной на другом. Поперечная будет смещаться вдоль струны до тех пор, пока не достигнет второго конца. Потом она отражается и возвращается в исходное положение. Именно на этом этапе создаются помехи.

В момент одного из этих сценариев падающая волна встречает отражённую. Они перемещаются в противоположные стороны, приводя к помехам. Если обладают одной частотой, то создают стоячую волну. Кажется, будто она лишена движений.

Если бы замедлили стоячую волну, то она приняла б такой вид (Приложение №5). Она создана падающей волной на отраженной. Затем возвращается в том же направлении, в котором следовала ранее. Две волны сталкиваются и мешают друг другу.

Флажолеты

Флажолет — название лёгкого, мягкого звука, получаемого на струнных инструментах. Приём игры, с помощью которого получается данный звук, также называют флажолетом.

Дёрнув струну, вы слышите звук основного тона (обертоны тоже присутствуют, но они гораздо тише). А флажолет представляет собой обертон, причём без основного тона. Колебание струны в этом случае будет именно таким, каким вы его видите на рисунке у обертонов (Приложение №7). Как заставить струну колебаться таким образом?

Исполняя флажолет, необходимо пальцем левой руки коснуться струны в определённом месте, например, над XII ладом. Затем нужно щипнуть струну правой рукой и снять палец левой руки со струны. Струна при этом будет колебаться следующим образом (Приложение №8).

Узнаёте рисунок колебаний? Это первый обертон. Высота натурального флажолета, взятого на XII ладу, выше на одну октаву, чем высота звука открытой струны (основного тона).

В то же время звучание струны, прижатой на XII ладу, так же выше на одну октаву основного тона. Так в чём же разница между флажолетом на XII ладу и прижатой на этом же ладу струной? Ведь высота звука в обоих случаях одинакова! Сравните: вот такие колебания совершает струна, зажатая на XII ладу (Приложение №8).

Итак, флажолет, взятый на XII ладу, представляет собой первый обертон (без основного тона). А как насчёт второго обертона (без основного тона и первого обертона)?

Если взять флажолет на VII ладу, то струна будет разделена на три равных части. Колебания струны в этом случае представляют собой второй обертон (Приложение №9).

Флажолет на VII ладу взять сложнее, чем на XII ладу. Звук такого флажолета не содержит ни основного тона, ни первого обертона.

Аналогичным способом можно получить и третий обертон (чтобы разделить струну на 4 равных части, надо дотронуться над V ладом). Однако все последующие флажолеты будут звучать заметно тише.

 

Заключение

Вся история физики убеждает, что обладание мыслью – неосязаемым и невидимым оружием – даёт возможность проникнуть необычайно глубоко в окружающий мир и достичь самых далёких уголков нашей необъятной Вселенной. Физика показывает, как велик и в то же время близок мир, в котором мы живём. Физика позволяет почувствовать человеку своё величие, необыкновенную силу мысли, которая делает его самым могущественным существом на свете и наделяет его способностью самому создавать музыкальные инструменты, с помощью которых он и создаёт музыкальные произведения.

 

Список литературы