ФИЗИКА И МУЗЫКА

Человек живет в мире звуков. Звук-это то, что слышит ухо. Мы слышим голоса людей, пение птиц, звуки музыкальных инструментов, шум леса, гром во время грозы. Услышав какой-то звук, мы обычно можем установить, что он дошел до нас от какого-то источника. Рассматривая этот источник, мы всегда найдем в нем что-то колеблющееся. Если, например, звук исходит от репродуктора, то в нем колеблется мембрана-легкий диск, закрепленный по его окружности. Если звук издает музыкальный инструмент, то источник звука-это колеблющаяся струна, колеблющийся столб воздуха и др. Но как звук доходит до нас? Очевидно, через воздух, который разделяет ухо и источник звука.Но распространяющиеся колебания-это волна. Следовательно, звук распространяется в виде волн. Если звуковая волна распространяется в воздухе, значит-это волна продольная, потому что в газе только такие волны и возможны. В продольных волнах колебания частиц приводят к тому, в газе возникают сменяющие друг друга области сгущения и разрежения. То, что воздух-»проводник» звука, было доказано опытом, поставленным в 1660 г. Р.Бойлем.Если откачать воздух из-под колокола воздушного насоса, то мы не услышим звучания находящегося там электрического звонка. Звук может также распространяться и в жидкой, и в твердой среде. Ощущение звука создается только при определенных частотах колебаний в волне. Опыт показывает, что для органа слуха человека звуковыми являются только такие волны, в которых колебания происходят с частотами от 20 до 20000 Гц. Наинизший из слышимых человеком музыкальных звуков имеет частоту 16 колебаний в секунду. Он извлекается органом. Но применяется не часто - очень басовит. Разобрать и понять его трудно. Зато 27 колебаний в секунду-тон вполне ясный для уха, хоть тоже редкий. Услышать его можно, нажав крайнюю левую клавишу рояля. Музыкальные звуки сопровождают нас на протяжении всей жизни. Окружающих нас звуков много, но интересуют нас не все, а именно музыкальные. В чем различие между музыкой и шумом? Установить различие между музыкой и шумом довольно трудно, как-то, что может казаться музыкой для одного, может быть просто шумом для другого. Большинство людей согласится с тем, что звуки, возбуждаемые колеблющимися струнами язычками, камертонами, столбами воз Музыкальные звуки издают различные музыкальные инструменты. Источники звука в них разные, поэтому музыкальные инструменты делятся на ряд групп: ударные - бубны; барабаны, ксилофоны (натянутый материал или металлические пластинки колеблют удара палочки или руки); клавишные - пианино, клавесины (колебания струн вызываются ударом по ним молоточков); духовые - флейты, горны, кларнеты трубы (колебания столба воздуха внутри инструмента); струнные - скрипка, гитара, домра, балалайка. Чем же отличаются звуки разных инструментов? Для характеристики звука существует три важных понятия:

1.1 Громкость звука.Она определяется действием звука на орган слуха, её трудно оценит объективно. Поэтому в физике используется понятие — интенсивность звука; которая, зависит от амплитуды колебаний и от площади тела, совершающего колебания. Хотя амплитуда колебаний источника звука может быть велика, амплитуда частиц; передающей среды, воздуха, очень мала. Ухо чувствительно к амплитудам колебаний воздуха порядка одной миллиардной сантиметра и к еще меньшим амплитудам колебаний частиц жидкостей и твердых тел. Колебания частиц воздуха с амплитудой в одну сотую сантиметра создают такой громкий звук, который способен нанести повреждение уху. Единица громкости - белл. На практике громкость чаще всего измеряют в децибелах.

1,2 Высота тона характеризует, нисколько «тонок» или «груб» звук. В физик характеризуется частотой колебаний.

Не все комбинации звуков доставляют удовольствие слущащему. Существуют интервалы. В музыке интервалом называют промежуток между двумя звуками различной высоты, духа и вибрирующими голосовыми связками певца, музыкальны.

1.3 Кроме громкости и высоты тона, характеризуется тембром звука.

Получить чистый звук со строго определенной частотой колебаний, даже при полном отсутствии посторонних шумов, очень трудно.

Любое колеблющееся тело издает не только один основной звук. Его постоянно сопровождают звуки других частот. Эти «спутники» всегда выше основного звука и поэтому называются обертонами, т. е. верхними тонами. Именно они помогают нам отличать звук одного инструмент от другого и голоса различных людей, если даже они равны по высоте.

Каждому звуку обертоны придают своеобразную окраску, или, как говорят тембр. Если основной звук сопровождаются близкими cn высоте обертонами, но сам звук кажется нам мягким и «бархатным». Когда же обертоны значительно выше основного тона, то голос или звук не приятен для нашего уха.

Как можно изобразить звуковые волны?

Для демонстрации явлений звука можно воспользоваться катодным осциллографом. Этотприбор начинает находить все большее применение в средних школах наше страны. Основная функция осциллографа — вычерчивать на экране(телевизионного типа) график, отражающий изменения приложенного напряжения.

а) b) c) d)

Рисунок 8

a) Малая амплитуда (256 кол/сек);

b) большая амплитуда (256 кол/сек);

c) более высокий тон (512 кол/сек);

d) обертоны и основной тон (256 кол/сек)

Если звуковая волна попадает в микрофон, то возникает небольшое переменное напряжение. Это напряжение изменяется точно с такой же частотой и амплитудой, что и звуковая волна. Изменяющееся напряжение подается по проводам на осциллограф, на экране которого можно видеть изображения, подобные тем, которые приведены на рисунке 8. Если слегка ударить резиновым молоточком по камертону, имеющему частоту 256 колебаний в секунду, то получится кривая, подобная кривой, а) на рисунке 8. Если ударить сильнее, кривая станет похожей на b). Если ударить по камертону, имеющему частоту 512 колебаний в секунду, то получится график с). При скользящем ударе по ножкам камертона (с частотой 256) возникает картина, подобная д) . Здесь виден основной тон вместе с обертонами.

Играя на различных музыкальных инструментах и заставляя различных людей говорить в микрофон, мы можем видеть графики звуков. Удивительно, что графики, соответствующие голосам различных людей, произносящих одни и те же гласные, очень похожи.

Сколько сил нужно потратить чтобы превратить колебания воздуха в чудесный звук! Мастера, изготавливающие музыкальные инструменты, вкладывают душу и весь опыт, накопленный годами, в свои творения. И мы можем только восхищаться как они превращают обыкновенные воздушные волны в прекрасную музыку!

С развитием музыкальной механики в синтезаторах и других современных инструментах используется все больше различных физических спецэффектов, и чем дальше будет совершенствоваться физика, тем дальше пойдет музыкальная наука.  

Автор:  Бодина Татьяна, Бумажнов Денис, 10ЛГ класс
Научный руководитель — Петряшова Ольга Николаевна