Физика и музыка

СЛАЙД 2:Человек живет в мире звуков. 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 издает музыкальный инструмент, то источник звука - это колеблющаяся струна, колеблющийся столб воздуха и др.
   СЛАЙД 3:      Звук доходит до нас 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, что 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.
       СЛАЙД 4: Звук может также распространяться и в жидкой, и в твердой среде.
Ощущение звука создается 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. Наинизший из слышимых человеком музыкальных звуков имеет частоту 16 колебаний в секунду. Он извлекается органом. Но применяется не часто. 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.

СЛАЙД 5:80 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 мы попадаем в тот участок диапазона, где работают почти все голоса и музыкальные инструменты. Недаром именно в этом районе акустика закрепила всеобщий эталон высоты тона: 440 колебаний в секунду. Вплоть до 1000-1200 колебаний в секунду звуковой диапазон полон музыкой. Эти звуки - самые слышные. Выше следуют менее населенные "этажи". Легко взбираются на них лишь скрипки, флейты, орган, рояль, арфа. И полновластными хозяйками выступают звонкие сопрано. 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 пела полным голосом "ре" четвертой октавы - 2300 колебаний в секунду.
          Еще несколько редких, нехоженых ступенек  - и музыкальный диапазон кончается. Звуки выше 2500-3000 колебаний в секунду в качестве самостоятельных музыкальных тонов не используются. Они слишком резки, пронзительны.
        СЛАЙД 6: Существуют особые источники звука, испускающие единственную частоту, так называемый чистый тон. Это камертоны различных размеров - простые устройства, представляющие собой изогнутые металлические стержни на ножках. Чем больше размеры камертонов, тем ниже звук, который он испускает при ударе по нему. Звуковые колебания, переносимые звуковой волной, могут служить вынуждающей, периодически изменяющейся силой для колебательных систем и вызывать в этих системах явление резонанса, т.е. заставить их звучать. Такой резонанс называют акустическим резонансом. Например, устройство для получения чистого тона, т.е. звука одной частоты, камертон сам по себе дает очень слабый звук, потому что площадь поверхности колеблющихся ветвей камертона, соприкасающейся с воздухом, мала и в колебательное движение приходит слишком мало частиц воздуха. Поэтому камертон обычно укрепляют на деревянном ящике, подобранном так, чтобы частота его собственных колебаний была равна частоте звука, создаваемого камертоном. Благодаря резонансу стенки ящика тоже начинают колебаться с частотой камертона. Это колебания большой амплитуды (резонанс!), да и площадь поверхности ящика велика, поэтому звук камертона оказывается значительно более громким. Ящик так и называют - резонатор.

СЛАЙД 7:Звуки даже одного тона могут быть разной громкости. Эта характеристика звука связана с энергией колебаний в источнике и в волне. Энергия колебаний определяется амплитудой колебаний. Громкость, следовательно, зависит от амплитуды колебаний. Но связь между громкостью и амплитудой не простая.
        Самый слабый еще слышимый звук, дошедший до барабанной перепонки, приносит в 1с. энергию, равную примерно 10^-16 Дж, а самый громкий звук (реактивного ракетного двигателя в нескольких метрах от него)-около 10 ^-4 Дж. По мощности самый громкий звук примерно в тысячу миллиардов раз превосходит самый слабый. Но этого нельзя сказать о громкости звука. О звуках различной громкости говорят, что один громче другого не во столько-то раз, а настолько-то единиц. Единица громкости – белл. На практике чаще громкость измеряют в децибеллах. Например, громкость звука шороха листьев оценивается 10 дБ, шепота - 20 дБ, уличного шума - 70 дБ. Шум громкостью 130 дБ ощущается кожей и вызывает ощущение боли. О громкости уличного шума, например, можно сказать, что она на 60 дБ больше громкости шороха листьев.
       СЛАЙД 8: Все звуки делятся на две группы: музыкальные звуки и шумы. Установить различие между музыкой и шумом довольно трудно, так как то, что может казаться музыкой для одного, может быть просто шумом для другого. Однако большинство людей согласится с тем, что звуки, идущие от колеблющихся струн, язычков, камертона и вибрирующих голосовых связок певца, музыкальные. Но если это так, то что же существенно в возбуждении музыкального звука или тона? Для  музыкального звука существенно, чтобы колебания происходили через равные промежутки времени. Колебания струн, камертонов имеют такой характер; а колебания поездов, вагонов с лесом происходят через неправильные, неравномерные промежутки времени, и производимые ими звуки представляют только шум.

СЛАЙД 9: Не все комбинации звуков доставляют удовольствие слушателю. Приятные ощущения создают такие звуки, частоты колебаний которых находятся в простых соотношениях. Ощущение благозвучности теряется, если частоты звуковых колебаний нельзя представить простыми соотношениями. Тогда музыканты говорят о диссонансе. Ухо хорошо ощущает сочетания различных тонов. Поэтому люди даже с посредственным слухом чувствительны к диссонансам.

СЛАЙД 10: Ученые обоснование того, что скрежет ногтей по школьной доске неприятен подавляющему большинству людей. Причиной оказались особенности формы человеческого слухового канала. Исследователи выяснили, что скрежет ногтей по доске имеет частоту от двух до четырех тысяч герц. Исходя из формы слухового канала человека, ухо наиболее чувствительно именно к этому интервалу частот. То есть звуки такой частоты должны быть наиболее раздражающими, что и было подтверждено учеными.

СЛАЙД 11: Люди с давних времен создают и усовершенствуют различные музыкальные инструменты.

Но после тысячи проверок и проб лучшим материалом оказалось дерево. Из него выходили самые звонкие, самые легкие и самые чуткие корпуса инструментов.

СЛАЙД 12: 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.