Взаимосвязь физики и музыкального искусства

Реферат

Мир, в котором живет человек, состоит из звуков. Вокруг человека звучат голоса людей, шум ветра и щебет птиц, а также музыка, которая тоже представляет собой звук. Звук — это то, что слышит ухо, то, с помощью чего человек может получить информацию об окружающем его мире. Если рассматривать понятие звука с точки зрения физики, то можно дать этому понятию следующее определение: звук — это «механические колебания, которые распространяются в упругой среде: воздухе, воде, твёрдом теле и тому подобном». музыкальный звук физика тембр

Тема взаимосвязи физики и музыкального искусства, на мой взгляд, очень актуальна, так как в повседневной жизни современного человека музыка является очень важным составляющим — сегодня у каждого человека есть различные приборы для прослушивания музыки, многие люди слушают музыку каждый день и не представляют себе жизни без музыки.

Выполняя данную работу, я стремилась узнать о том, что представляет собой звук, как распространяется звук в среде и как он доходит до уха человека. Наиболее интересно для меня было изучение музыкального звука, принцип работы музыкальных инструментов, так как звуки музыки и музыкальное искусство имеют большое значение в жизни человека, она благотворно влияет на его настроение и поведение, позволяет творчески выражаться. На вопросы о музыкальном звуке и устройстве музыкальных инструментов отвечает наука физика, поэтому, чтобы наиболее полно изучить музыкальное искусство, целесообразно его рассматривать во взаимосвязи с физикой.

О том, как рождаются звуки, и что они собой представляют, люди начали догадываться очень давно. Замечали, к примеру, что звук создают вибрирующие в воздухе тела. Ещё древнегреческий философ и учёный-энциклопедист Аристотель, исходя из наблюдений, верно, объяснил природу звука, полагая, что звучащее тело создаёт попеременное сжатие и разрежение звука. Так, колеблющаяся струна то уплотняет, то разрежает воздух, а благодаря упругости воздуха эти чередующиеся воздействия передаются дальше в пространство — от слоя к слою, возникают упругие волны. Волны — возмущения, распространяющиеся с конечной скоростью в пространстве и несущие с собой энергию без переноса вещества. А упругие волны — это «механические возмущения, распространяющиеся в упругой (твердой, жидкой или газообразной) среде». Достигая нашего уха, они воздействуют на барабанные перепонки и вызывают ощущения звука. На слух человек воспринимает упругие волны, имеющие частоту в пределах примерно от 16 Гц до 20 кГц (1 Гц — 1 колебание в секунду).

7 стр., 3068 слов

«Влияние музыки на здоровье человека» материал по музыке

... и кровеносную систему. Воздействие музыки на человека в зависимости от стилей и направлений Самое всестороннее влияние на человека оказывает классическая музыка. Именно о влиянии классической музыки на человека говорится больше всего. Ученые ... жрецы оздоравливали египтян с помощью мелодий и звуков. А в Ветхом Завете говорится, что Давид игрой на арфе лечил нервное помешательство царя Саула. Да ...

В соответствии с этим упругие волны в любой среде, частоты которых лежат в указанных пределах, называют звуковыми волнами или просто звуком. Упругие волны с частотой меньше 16 Гц называют инфразвуком, а волны, частота которых превышает 20 кГц — ультразвуком.

1.2 Музыкальный звук

Какими бы разными не были музыкальные инструменты по форме, устройству, размерам, все они создавались для одной цели: извлечения приятных для слуха музыкальных звуков. Звук, с точки зрения физики, представляет собой волну — процесс распространения колебаний от точки к точке, от частицы к частице. Упругое тело, выведенное из положения равновесия, совершает гармонические колебания, эти колебания передаются воздуху, воздушная волна воздействует на нашу барабанную перепонку, и мы слышим звук.

Гармоническое колебание можно рассматривать как движение проекции точки, равномерно движущейся по кругу, на диаметр этого круга. Пусть радиус вспомогательной окружности равен а, он соответствует наибольшему отклонению от положения равновесия: а — амплитуда. Мгновенное положение определяется абсциссой х = а cos ф, где а — амплитуда, ф — фазовый угол. [2]

Мгновенное отклонение от положения равновесия, называют смещением. Угол, образуемый радиусом-вектором, проведенным к движущейся по окружности, с осью абсцисс, называют фазой ф (или фазовым углом), время Т одного полного оборота точки по окружности, называют периодом колебания, а обратную ему величину — частотой ( измеряется в герцах, Гц).

Человек слышит звук в диапазоне частот от 16 до 20000 Гц.

Звуки бывают очень разные. Те, что создают постоянный фон, не организованные в стройную систему, не связанные между собой, и те, что обладают особыми свойствами: чистые, звонкие, определённой высоты, обладающие смысловой выразительностью, — звуки музыкальные. Издают их музыкальные инструменты, звуковая волна в которых возникает от колебаний струны или столба воздуха внутри металлической или деревянной трубки. [3]

Музыкальные звуки различаются по высоте, длительности, продолжительности звучания, тембру (специфической окраской, которая зависит от материала, величины и формы инструмента), от способа извлечения звука и динамики, то есть силе звучания.

2.1 Громкость звука (интенсивность)

Если исполнить музыкальное произведение от начала до конца на одном уровне громкости, оно много потеряет в своей выразительности. Если бы инструменты не могли изменять громкость звука, музыка вряд ли могла бы выражать тончайшие оттенки чувств.

Громкость звука (интенсивность восприятия) определяется амплитудой колебаний, но чтобы интенсивность восприятия (то, что мы слышим) увеличивалась линейно, интенсивность раздражения (пропорциональная квадрату амплитуды колебаний) должна увеличиваться экспоненциально (закон Вебера — Фехнера).

Другими словами, удвоение громкости ощущается лишь при достижении второй степени первоначального раздражения. [3]

4 стр., 1788 слов

Звук, мелодия, гармония. Музыкальные инструменты

... музыкального звука в отдельности. Высота звука определяется частотой колебаний вибрирующего тела. Чем чаще колебания, тем выше звук, и наоборот. Громкость звука определяется энергией колебательных движений, то есть амплитудой колебаний. Чем шире амплитуда колебаний, тем громче звук, ... - возможность спеть ее или сыграть на инструменте. Этим фактором ограничивается бесконечность мыслимых мелодий. ...

Для измерения громкости в физике пользуются единицами, называемыми фонами (децибелами):

В данной формуле I’ и I — интенсивности звуков.

Говорят: громкости I’ и I различаются на n фонов, или на n децибел (дБ).

Музыкальные термины, которые определяют степень громкости исполнения музыки, называют динамическими оттенками (от греческого слова — силовой, т.е. сила звука).

В нотах можно увидеть такие обозначения:

  • «рр — pianissimo(пианиссимо) — очень тихо;
  • р —рiаnо (пиано) — тихо;
  • mр —mezzo рiаnо (меццо пиано) — умеренно тихо, немного громче, чем пиано;
  • mf —mezzo forte (меццо форте) — умеренно громко, громче, чем меццо пиано;
  • f — forte (форте) — громко;
  • ff — fortissimo (фортиссимо) — очень громко».

2.2 Тембр (спектральный состав)

Музыка способна выразить всё. Ей доступны и движения мысли, и любое чувство, и малейший оттенок настроения.

Желание человека располагать большим выбором музыкальных голосов и вызвало к жизни многообразие инструментов. И если один инструмент не может что-то передать, то это делает другой. Звук скрипки от звука точно такой же высоты, взятой на кларнете, отличается тембром. Объясняется различие тембра тем, что в обычных звуках присутствуют колебания разных наборов частот и амплитуд. Колебания самой низкой частоты в этом наборе служат основным тоном. Их амплитуда самая большая. Все остальные колебания называют обертонами. Отдельно мы не слышим обертонов, но именно они, смешиваясь с основным тоном, образуют тембр. Тембр — это окраска звука; одна из специфических характеристик музыкального звука [7].

Количество и качество обертонов зависит от длины, толщины и материала струны, от длины и среднего размера инструмента, от материала, из которого он сделан. Влияет на тембр и форма инструмента.

2.3 Длительность звука

Если быстро ударить пальцем по клавише, получится отрывистый, очень короткий звук. А если нажать на нее и держать, то звук получится значительно более долгий, постепенно угасающий. Длительность звучания зависит от продолжительности колебаний источника звука.

Длительность в музыке обозначают специальной системой значков. Одна и та же нота, изображенная на бумаге, может при исполнении на инструменте длиться разное время (конечно, не сама нота, а звук, обозначаемый ею).

Основное обозначение — это целая нота, равная целому такту в четыре четверти. Она делится на более мелкие доли: половинные, четверти, восьмые, шестнадцатые и т.д. [4]

2.4 Высота звука (частота)

Нажав крайнюю левую клавишу рояля или фортепиано, мы услышим очень низкий звук, а нажав крайнюю правую, — очень высокий. В нашем восприятии музыкальные звуки вызывают чувство пространства. При продвижении вправо по клавиатуре, или, как говорят музыканты, вверх, действительно возникает ощущение подъема, восхождения, просветления. Если открыть крышку рояля, то можно увидеть, что струны в нем не одинаковы. У рояля своеобразная форма, похожая на крыло. Это обусловлено разной длиной его струн: слева длиннее, справа короче. Кроме того, струны, которые соответствуют нижним звукам, толстые, обвитые так называемой канителью, а верхние — тонкие.

19 стр., 9326 слов

Технология обработки звука

... 109 умножений в секунду Обработка звуковых сигналов Анализ и синтез речи, сжатие и распознавание 20 кГц (40 кГц), 16 бит 10 MIPS "Напев", ЦНИИ "Агат" Системы обработки изображений ... которые почти невозможно воссоздать искусственно. Как и графика, компьютерный звук бывает двух основных типов: Цифровой звук, Синтезированный звук Суть MIDI-технологии можно изложить так: компьютер не просто ...

От длины и массы струны зависит высота звука, а высота звука — это частота ее колебаний [7]:

Где l — длина струны, Р — ее натяжение, m — масса единицы длины.

Стандарты для высоты тона предложены всего поколения три назад, а общеприняты в течение едва ли 25 лет. Как правило, для физиков стандартной высотой тона является «до» первой октавы — 256 колебаний в секунду (С-256).

Большинство знает, что музыкальные инструменты настраиваются на определенный звук средней октавы (например, «ля» имеет частоту 426,6 Гц, или 426,6 колебания в секунду).

В музыкальных кругах использовались различные стандарты. Концертная высота тона, которой сейчас редко пользуются, составляла 271 колебание в секунду, что «дает для «ля» около 450 Гц, т.е. тон слишком высокий».

Международный стандарт высоты тона составлял для «ля» 435 Гц, однако в настоящее время во всем мире (вслед за Американской федерацией музыкантов) принята стандартная высота для «ля» 440 Гц. Это ниже концертной высоты тона, однако, и при таком стандарте спеть арии, сочиненные старыми мастерами, могут не все сопрано.

3.1 Продольные и поперечные волны

Звук может распространяться в виде продольных и поперечных волн. В газообразной и жидкой среде возникают только продольные волны, когда колебательное движение частиц происходит лишь в том направлении, в каком распространяется волна.

В твёрдых телах помимо продольных волн возникают также и поперечные волны. Речь идет о поперечных волнах, когда частицы среды «колеблются в направлениях, перпендикулярных к направлению распространения волны».

Так, ударяя по струне перпендикулярно её направлению, мы заставляем бежать волну вдоль струны. Звуковые волны несут с собой энергию, которую сообщает им источник звука. Величину кинетической энергии, протекающей за одну секунду через один квадратный сантиметр поверхности, перпендикулярной направления волны, вычислил русский учёный Н.А. Умов. Эту величину назвал потоком энергии. Она выражает меру интенсивности, или, как говорят, силы звука. Чтобы вызывать звуковое ощущение, волна должна обладать некоторой минимальной интенсивностью. Величину её называют порогом слышимости.

Скорость звука можно вычислить как произведение длины волны на частоту колебания, то есть, по формуле:

где с — скорость звука, л- длина волны, х- частота колебания.

В газах скорость звука меньше чем в жидкостях, а в жидкостях меньше чем в твёрдых телах.

В продольных волнах колебания частиц приводят к тому, в газе возникают сменяющие друг друга области сгущения и разрежения. То, что «воздух — «проводник» звука, было научно доказано физическим опытом, поставленным в 1660 году британским физиком Робертом Бойлем». Ученый установил, что если откачать воздух из-под колокола воздушного насоса, то невозможно услышать 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. [6]

5 стр., 2227 слов

Особенности голосообразования и образования звуков речи

... Б — при голосообразовании; В — при фальцете (стрелки указывают направление колебаний голосовых складок) Колебания голосовых связок ... волны, которые воспринимаются как звук определенной силы и высоты. Схема язычковой трубы Подобным же образом колеблются и голосовые связки. В результате их колебаний ... возле рта остается совершенно неподвижной. Механизм шепота Есливо время звукопроизнесения смыкание ...

3.2 Интересные факты о распространении музыкального звука

Самый низкий 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.

Абсолютный «нижний» рекорд мужского баса, поставленный в XVIII веке певцом Каспаром Феспером — 44 колебания в секунду. 80 колебаний в секунду — обычная нижняя нота хорошего баса и многих инструментов.

Удвоив число колебаний (повысив звук на октаву), приходим к тону, доступному виолончелям, альтам. Здесь отлично чувствуют себя и басы, и баритоны, и тенора, и женские контральто. А еще октава вверх — и можно попасть в тот участок диапазона, где работают почти все голоса и музыкальные инструменты. Именно в этом районе акустика закрепила всеобщий эталон высоты тона: 440 колебаний в секунду («ля» первой октавы).

Вплоть до 1000 — 1200 колебаний в секунду звуковой диапазон полон музыкой. Эти звуки — самые слышные. Звуки выше издают лишь скрипки, флейты, орган, рояль, арфа. И полновластными хозяйками выступают звонкие сопрано. [4]

Вершины женского голоса забрались еще дальше. В XVIII веке Моцарт восхищался певицей Лукрецией Аджуяри, которая «брала «до» четвертой октавы — 2018 колебаний в секунду». Француженка Мадо Робен (умершая в 1960 году) пела полным голосом «ре» четвертой октавы — 2300 колебаний в секунду. Еще несколько редких, нехоженых ступенек (доступных разве мастерам художественного свиста) — и музыкальный диапазон кончается. Звуки выше 2500 — 3000 колебаний в секунду в качестве самостоятельных музыкальных тонов не используются. Они слишком резки, пронзительны.

В данной работе в рамках физики было рассмотрено понятие звука в целом и понятие музыкального звука в частности. Выполняя данную работу, я узнала, что звук — это механические колебания, распространяющиеся в упругой среде. Изучая музыкальное искусство с точки зрения физики, я рассмотрела основные характеристики музыкального звука, такие как громкость звука, его тембр, высота и длительность.

Для того, чтобы понять, как звук доходит до уха человека, мне понадобилось изучить способы, с помощью которых звук может распространяться. Так я узнала, что звук распространяется в виде продольных волн, возникающих только в жидкой и газообразной среде и поперечных волн, которые возникают только в твердых телах.

Продольные волны возникают тогда, когда колебательное движение частиц происходит лишь в том направлении, в каком распространяется волна, возникновение поперечных волн происходит тогда, когда частицы среды колеблются в направлениях, перпендикулярных к направлению распространения волны.

Особенно интересным стало то, что ощущение звука может возникать только при определенных частотах колебаний в волне. Для органа слуха человека звуковыми являются только такие волны, в которых колебания происходят с частотами от 20 до 20000 Гц, а значит звуки, которые не попадают в этот диапазон, попросту не улавливаются человеком.

15 стр., 7256 слов

Физика музыкальных инструментов

... компьютера характеристики звуков фортепиано. 1. Изучить историю возникновения клавишных инструментов. 2. Разобраться в понятиях звук и музыкальный звук. 3. Разобраться в характеристиках музыкального звука и исследовать ... устанавливались жильные струны, позже появились стальные. Обладал клавесин совершенно новым по сравнению с клавикордом конструктивным элементом — гибкой деревянной декой, которая, ...

Звуки бывают разными по частоте, рассматривая вопрос о частоте звука, я узнала интересный факт — самый низкий из всех музыкальных звуков, слышимых человеком, имеет частоту 16 колебаний в секунду и извлекается он органом.

Газарян С.С. В мире музыкальных инструментов/Для учащихся старших классов. — М.:

2. Гл. ред. Г.В.Келдыш. Музыкальный энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия, 1990.

3. Звук // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.).

— СПб., 1890—1907

4. Перельман Я.И. Занимательная физика. (Книга 2, глава 10. «Звук. Волнообразное движение».) / 21-е изд. испр. и доп. — М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 2011 — 224 с.

5. Физический энциклопедический словарь. — М.:Советская энциклопедия, 1963. Т. 3.

6. Эллиот. Л., Уилкокс У. Физика/Пер. с англ. Под ред. А.И.Китайгородского. — М.: Физматгиз, 2013.

7. Википедия. Свободная энциклопедия [Электронный ресурс] https://ru.wikipedia.org/