В мире звуков

Содержание.

Введение                                                                                        3

Глава 1

1.1 Физическая природа звука                                                        4

1.2  Характеристики звука                                                                 5

1.3 Акустический резонанс                                                                5

1.4  Группы музыкальных инструментов                                                6

Выводы по Главе 1                                                                        6

Глава 2

2.1 Исследование условий испускания звуков музыкальными инструментами разных групп: струнными, духовыми, ударными                                8

2.2 Исследование условий изменения громкости тона и тембра звуков струнных, духовых и ударных инструментов                                        9

2.3 Исследование роли явления резонанса при звучании музыкальных инструментов                                                                                10

2.4 Описание собственного музыкального инструмента                        11

Выводы по Главе 2                                                                        12

Заключение                                                                                13

Список литературы и источников информации                                        14

Приложения                                                                                15

Введение

Музыка окружает человека во всех сферах его жизни и во все времена. Даже у первобытного человека были своеобразные подобия музыкальных инструментов, при помощи которых он издавал различные звуки. Древние люди считали, что музыка – это чудо и дана человеку свыше. Поэтому древние легенды говорят о богах, подаривших людям музыку. И мы до сих пор с трудом верим в то, что ее создал человек. Музыка развивалась с развитием человека. Люди начали отличать ее от речи, а затем научились сопровождать свою музыку и пение игрой на музыкальных инструментах. С течением времени появлялись все новые инструменты.

Почти все предметы, издающие звук, могут быть использованы как музыкальные инструменты, но значение этого термина обычно ограничивают предметами, специально изготовленными или приспособленными для того, чтобы служить музыкальным целям.Инструменты делятся на несколько групп, в зависимости от материала, из которого они сделаны, и от способа игры на них: струнные, ударные, медные духовные и деревянные духовые.

Цель работы: исследовать условия воспроизведения звуков разными группами музыкальных инструментов.

 Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1. найти и изучить информацию о физической природе звука, о характеристиках звуков, явлении акустического резонанса, об устройстве и принципах извлечения звука разными группами музыкальных инструментов;
2. исследовать условия получения звуков музыкальными инструментами разных групп: струнными, духовыми, ударными;
3. исследовать условия изменения характеристик звуков: громкости тона и тембра;
4. исследовать роль явление резонанса при звучании музыкальных инструментов;
5. создать собственный музыкальный инструмент.

Глава 1

1.1 Физическая природа звука

Звук, в широком смысле - упругие волны, распространяющиеся в какой-либо среде и создающие в ней механические колебания; в узком смысле - субъективное восприятие этих колебаний органами чувств животных или человека[1]. Обычно человек слышит звуки, передаваемые по воздуху, в диапазоне частот от 20 Гц до 20 кГц. Звук ниже диапазона слышимости человека называют инфразвуком; выше - ультразвуком. Среди слышимых звуков следует также особо выделить фонетические звуки, из которых состоит устная речь, и музыкальные звуки, из которых состоит музыка.

Звуковые волны в воздухе – чередующиеся области сжатия и разряжения. Если произвести резкое смещение частиц упругой среды, например, с помощью поршня, то в этом месте увеличится давление. За областью повышенного давления следует область пониженного давления. Таким образом, образуется ряд чередующихся областей сжатия и разрежения, распространяющихся в среде в виде волны.  Каждая частица упругой среды при этом будет совершать колебания. В жидких и газообразных средах акустические волны имеют продольный характер, то есть направление колебания частиц совпадает с направлением распространения волны[3].

Обычно для генерации звука применяются колеблющиеся тела различной природы, вызывающие колебания окружающего воздуха. Примером такой генерации может служить использование голосовых связок или динамиков. Большинство музыкальных инструментов основано на том же принципе. Исключением являются духовые инструменты, в которых звук генерируется за счёт взаимодействия потока воздуха с неоднородностями в инструменте[6].

1.2 Характеристики звука

Количество колебаний воздуха в секунду представляет частоту звука, которая определяет высоту звука. Звуки с малой частотой слышатся нами как низкие, а те, которые имеет большую частоту - как высокие.

Громкость звука – субъективное ощущение, которое сложным образом зависит от звукового давления, частоты и формы колебаний. При неизменной частоте и форме колебаний громкость растет с ростом звукового давления.

Присутствует также некая субъективная характеристика звука или тембр, который невозможно измерить ни в каких единицах. Существование тембра обусловлено тем, что звуки представляют собой созвучия, которые составляют композицию из нескольких простых звуковых волн. Она и определяет индивидуальное звучание инструмента. Тембр — это окраска звука, по которой возможно определение того, какой инструмент издает данные звуки[3].

1.3 Акустический резонанс

Явление резонанса играет важную роль в понимании природы звучания музыкальных инструментов. Если поднести звучащий камертон к стеклянной трубке, опущенной в сосуд с водой, то при некоторой длине воздушного столба в трубке будет слышно довольно сильное звучание. Поднимая или опуская трубку можно изменить длину воздушного столба. Звучание камертона при этом будет слышаться гораздо тише. Наиболее громкое звучание наступает при такой длине воздушного столба, когда собственная частота его колебаний совпадает с частотой колебания камертона. Это и есть условие резонанса. Такая закрытая с одного конца трубка, создающая условие резонанса, называется резонатором [3].

У камертона роль резонатора играет открытый с одной стороны ящик, на котором он крепится. Корпус многих музыкальных инструментов, например, гитары или рояля является резонатором и усиливает их звучание. Корпуса скрипок и других струнных инструментов имеют довольно сложную форму. В результате отдельные участки имеют разные размеры и резонируют на различные частоты, что обогащает тембр инструмента. Человек так же имеет собственный резонатор – это полость рта, усиливающая издаваемые звуки.

1.4 Группы музыкальных инструментов

Музыкальные инструменты — предметы, с помощью которых извлекаются различные музыкальные, а также немузыкальные неорганизованные звуки для исполнения  произведения.

Их можно разделить по разному принципу. По материалу, из которого они изготовлены, например медные или  деревянные. По способу извлечения звука,  например щипковые, смычковые, клавишные. Но нас интересует разделение по принципу источника звука.

В разных музыкальных инструментах свой источник звука.  В струнных инструментах-  колебания струн. Духовые инструменты, представляющие собой деревянные, металлические и иные трубки различного устройства и формы, издают музыкальные звуки в результате колебаний заключённого в них столба воздуха.  В ударных музыкальных инструментахзвук  извлекается ударом молоточков, колотушек, палочек и т. п. по звучащему телу мембране, металлу, дереву и др.

Клавишные музыкальные инструменты — инструменты, извлечение звука в которых осуществляется при помощи системы рычагов и управляется при помощи клавиш, расположенных в определённом порядке и составляющих клавиатуру инструмента[2].

Выводы по Главе 1

Звук, в широком смысле - упругие волны, распространяющиеся в какой-либо среде и создающие в ней механические колебания; в узком смысле - субъективное восприятие этих колебаний органами чувств животных или человека.

Количество колебаний воздуха в секунду представляет частоту звука, которая определяет высоту звука.

Громкость звука – субъективное ощущение, которое сложным образом зависит от звукового давления, частоты и формы колебаний.

Тембр - субъективная характеристика звука, которую невозможно измерить ни в каких единицах.

Явление резонанса играет важную роль в понимании природы звучания музыкальных инструментов.Корпус музыкального инструмента играет роль резонатора, усиливающего звучание.

Музыкальные инструменты — предметы, с помощью которых извлекаются различные музыкальные, а также немузыкальные неорганизованные звуки для исполнения  произведения.

Глава 2

2.1 Исследование условий испускания звуков музыкальными инструментами разных групп: струнными, духовыми, ударными

Для исследования условий испускания звуков разными инструментами были отобраны гитара, металлофон, дудка. Наш выбор обоснован тем, что на примере этих инструментов мы можем рассмотреть три различающиеся по принципу звучания группы инструментов: струнные, ударные и духовые. Звучание других групп инструментов, например, клавишных будет происходить подобным образом. В Приложении 1 приведена фотография используемых инструментов.

Чтобы понять принцип звучания струны мы использовали тонкий резиновый жгут, натянутый между двумя опорами. После удара жгут начинал издавать низкий глухой звук. На фотографии, сделанной с большой выдержкой, жгут представляет собой размытую полосу. Это объясняется тем, что он непрерывно движется то в одну, то в другую сторону, т.е. колеблется. Можно сделать вывод, что звучащая струна колеблется подобно этому жгуту. Фотографии неподвижного и колеблющегося жгута приведены в Приложении 2.

Металлофон представляет собой набор металлических пластинок разного размера, которые звучат после удара молоточком. Такой же принцип извлечения звука у камертона, который мы использовали для изучения условий возникновения звука при ударе. После удара молоточком камертон начал звучать. Визуально колебания не были видны, но если прикоснуться рукой к звучащему камертону, можно было ощутить его вибрацию.

Для того чтобы сделать колебания камертона наглядными мы приклеили к вилке камертона иглу и провели иглой звучащего камертона по закопчённой стеклянной пластинке. Рядом для сравнения зафиксировали след иглы не звучащего камертона. Полученные дорожки рассмотрели с помощью электронного микроскопа. На полученном изображении видно, что след иглы звучащего камертона шире и выглядит размазанным. Фотографии приведены в Приложении 3.

Когда звучит дудка, то вибрация не наблюдается ни визуально, ни на ощупь. Чтобы понять, как возникает звук в духовом инструменте, мы поднесли звучащую дудку к пламени свечи. Пламя отклонилось  так, как будто из дудки выходил воздух   (Приложение 4).

Таким образом, мы установили, что при звучании струнных и ударных инструментов источником звука является колеблющаяся струна или другое тело. Звучание духовых инструментов происходит благодаря движению столба воздуха в трубке инструмента.

2.2 Исследование условий изменения громкости тона и тембра звуков струнных, духовых и ударных инструментов

Музыкальные инструменты могут издавать звуки, различающиеся громкостью, высотой и тембром. Для того чтобы установить от чего зависит громкость, тон и тембр мы воспользовались программой  GoldWave, позволяющей записывать звуки и анализировать форму соответствующего им сигнала или осциллограмму.

С помощью программы GoldWave мы записали громкий и тихий  звук камертона, расположив камертон перед микрофоном, соединенным с компьютером (Приложение 5). На соответствующей осциллограмме видно, что громкому звуку соответствует больший размах колебаний.После изменения масштаба записанного сигнала мы увидели, что его форма напоминает плавную волну (Приложение 6).

Форма сигнала, соответствующего звучащему металлофону, сильно отличается от формы сигнала камертона, она более угловатая. Записав звучание ноты соль первой и второй октавы (Приложение 7)  металлофона, мы увидели, что их сигналы отличаются частотой следования пиков и амплитудой колебаний.  Осциллограмма звука соль второй октавы показывает, что частота и амплитуда больше чем у звука соль 1 октавы. Это соответствует более высокому и более громкому звуку.

Наблюдая звучание гитары можно заметить, что первая самая тонкая струна издаёт высокий звук,шестая, самая толстая, струна издаёт наиболее низкий звук (запись сигналов приведена в Приложении 8). Осциллограмма звучания первой и шестой струны гитары отличаются частотой следования пиков. Для первой струны пики следуют чаще, чем для шестой. Форма сигналов волнообразная и не имеет острых углов.

Запись сигнала дудки (Приложение 9) не похожа ни на сигнал камертона, ни на сигнал струны гитары или металлофона.  Но и звучание дудки на слух сильно отличается от них.

Таким образом, громкость звука определяется амплитудой колебания. В разных инструментах громкость меняется схожим образом: чем сильнее воздействие на источник звука, тем громче звук.

Высота звука определяется частотой колебаний. В ударных инструментах она задаётся размером и формой самого инструмента, и изменяться уже не может. В струнных инструментах высота звука определяется длиной и толщиной струны и изменяется при зажатии струны. В духовых инструментах высота определяется длиной звучащей трубки. Звуки одной и той же частоты, извлекаемые разными инструментами, отличаются тембром.

Форма сигнала одного музыкального инструмента отличается от формы сигнала другого.

2.3 Исследование роли явления резонанса при звучании музыкальных инструментов

Для наблюдения явления акустического резонанса мы разместили два камертона так, чтобы отверстия резонаторов располагались друг напротив друга. Ударили молоточком по одному камертону, а затем заглушили его звучание. При этом было слышно, что второй камертон зазвучал в ответ. После того, как на один из камертонов закрепили дополнительный грузик, изменив собственную частоту камертона, ответного звучания получить не удалось. Можно сделать вывод, что звуковая волна первого камертона раскачала второй камертон. Это происходит только если частоты камертонов совпадают.

Явление резонанса может быть использовано для усиления звучания музыкального инструмента. Мы записали звук камертона, снятого с резонатора. Звук был тихий, амплитуда колебаний на осциллограмме маленькая. После того, как камертон был помещен на резонатор, громкость звука заметно усилилась, амплитуда колебаний резко возросла. Осциллограммы сигналов приведены в Приложении 10.

Таким образом, резонанс усиливает звучание при условии совпадения частот.

2.4 Описание собственного музыкального инструмента

Исследовав особенности звучания струнных, ударных и духовых инструментов,  мы захотели создать музыкальный инструмент, непохожий на другие.  За основу мы взяли описание музыкального инструмента, известного под названием «Шум дождя». Этот инструмент имитирует звук текущей воды. Первоначально он использовался шаманами при выполнении магических ритуалов[5].

Для изготовления инструмента нам потребовалась длинная картонная трубка, шило, зубочистки, наполнитель (пшено и горох), материалы для декорирования (самоклеющаяся бумага).  В картонной трубке шилом проделали отверстия и вставили в них зубочистки так, что бы они образовывали подобие спиральной лестницы. Выступающие наружу концы зубочисток обрезали острым ножом. Один конец трубки закрыли крышкой, засыпали наполнитель, закрыли крышкой второй конец. Готовый инструмент украсили декоративными элементами. Фотографии внутреннего устройства и внешнего вида инструмента приведены в Приложении 12.

Когда инструмент переворачивается, крупинки внутри него начинают падать и, сталкиваясь с шипами и стенками инструмента, производят звук, напоминающий звук дождя или потока воды. Интенсивность звука меняется в зависимости от угла наклона инструмента. 

Этот инструмент можно отнести к группе шумовых инструментов, т.к. он создает нерегулярные колебания, его звук не является гармоническим.

Выводы по Главе2

Изучая звучание различных групп музыкальных инструментов, мы сопоставляли слуховые ощущения и форму сигнала, записанного с помощью программы  GoldWave. Мы установили, что источниками звука являются колеблющиеся части музыкальных инструментов.

Громкость звука определяется амплитудой колебания, чем сильнее воздействие на источник звука, тем громче звук.

Высота звучания определяется частотой колебаний, которая зависит от размеров и формы источника звука.

Каждому инструменту соответствует свой тембр звучания, который определяется неповторимой формой сигнала.

Мы изготовили собственный музыкальный инструмент, имитирующий звук дождя. Этот инструмент можно отнести к группе шумовых инструментов, т.к. он создает нерегулярные колебания, его звук не является гармоническим.

Заключение

Используя для исследования музыкальные инструменты, относящиеся к группам струнных, ударных и духовых, мы записывали их звучание с помощью компьютерной программы для обработки звуков. Изучались осциллограммы звуков разной громкости и высоты. Мы сопоставляли звучание инструментов и вид осциллограммы.

Мы установили, что при звучании струнных и ударных инструментов источником звука является колеблющаяся струна или другое тело. Звучание духовых инструментов происходит благодаря движению столба воздуха в трубке инструмента.

Громкость звука определяется амплитудой колебания. В разных инструментах громкость меняется схожим образом: чем сильнее воздействие на источник звука, тем громче звук.

Высота звука определяется частотой колебаний. В ударных инструментах она задаётся размером и формой самого инструмента, и изменяться уже не может. В струнных инструментах высота звука определяется длиной и толщиной струны и изменяется при зажатии струны. В духовых инструментах высота определяется длиной звучащей трубки.

Звуки одной и той же частоты, извлекаемые разными инструментами, отличаются тембром. Форма сигнала одного музыкального инструмента отличается от формы сигнала другого.

Резонанс усиливает звучание музыкального инструмента. Корпус инструмента играет роль резонатора.

Мы изготовили собственный музыкальный инструмент, имитирующий звук дождя. Этот инструмент можно отнести к группе шумовых инструментов, т.к. он создает нерегулярные колебания, его звук не является гармоническим.

Список литературы и источников информации

1. Физика. Химия. 5-6 кл. : учеб. Для общеобразоват. Учреждений / А. Е. Гуревич, Д. А. Исаев, Л. С. Понтак.- М.: Дрофа, 2010

2. Что? Зачем? Почему? Большая книга вопросов и ответов. М.: Просвещение, 2010

3. Физика. Учебник для 9 класса общеобразовательных учреждений под редакцией А.А. Пинского, В.Г.Разумовского, М.: Просвещение, 2001

4. Википедия – свободная энциклопедия

5. http://www.sdelaysam-svoimirukami.ru/495-shamanskij_posokh_dozhdja.htm1

6. http://www.fizika.ru