Физика в оркестре

Размещено на http://www.allbest.ru/

Управление образования и науки

Билингвальная гимназия № 2

Кафедра Физики

Тема: «Физика в оркестре»

Выполнили:

Ученики 10- Б класса

Мартишин Андрей,

Улитин Александр

Руководитель:

Крестинина Ирина Викторовна

учитель физики

Севастополь

2011 г.

Содержание

Введение

1. Звук как физический процесс

1.1 Виды звуковых волн

1.2 Характеристики звуковых волн

2. Сравнение звуков, издаваемых различными музыкальными инструментами

2.1 Фортепиано

2.2 Флейта

2.3 Скрипка

2.4 Мужской и женский голос

2.5 Ударные инструменты

3. Концертные залы

4. Заключение

Литература

ВВЕДЕНИЕ

Человек воспринимает окружающий мир органами чувств. Одним из самых важных способов получения информации является слух. Весь мир - совокупность звуков. Мы привыкли слышать различные звуки: шорох шагов, скрип дверей, шелест листьев, пение птиц, человеческую речь. Также человек разговаривает с помощью звуков, общается с людьми и получает информацию. Животные тоже общаются с помощью звуков. Человек очень хорошо изучил все свойства звука и это можно увидеть на примере конструкции театров: зал построен так, чтобы звук был максимально четким и все зрители могли слышать его даже с самых последних рядов. Жизнь была бы невозможна без звука, потому что мы бы не смогли услышать красоту природы, великолепие оперного пения и разнообразие музыкальных композиций. Так же невозможно не задуматься над красотой звука в оркестре. Мы решили изучить и выделить различия в звучании инструментов в оркестре методом физического исследования. Поэтому мы и назвали свою исследовательскую работу «Физика в оркестре».

Мы считаем, что материалы данной работы будут интересны широкому кругу читателей, увлекающихся музыкой и интересующихся физикой. Учителя физики могут использовать результаты исследований на уроках физики по теме «Механические волны. Звук».

1. Звук как физическое явление

1.1 Виды механических волн

Механические волны делятся на продольные и поперечные волны:

В продольной волне колебания точек среды происходят вдоль направления распространения волн, при этом возникают области сжатия и разрежения среды (например, звуковые волны). Возникают в любой среде (жидкости, в газах, в твёрдых телах).

Размещено на http://www.allbest.ru/

В поперечной волне колебания среды происходят перпендикулярно направлению их распространения, при этом происходит сдвиг слоев среды (например, волны на струне, волны сдвига в твёрдых телах, электромагнитные волны). Возникают только в твердых телах.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Звук является продольной волной. Причина возникновения звука - колебание. То есть, любой колеблющийся предмет порождает звуковую волну. А далее она передается от частицы к частице в любой среде. В такой волне вместе с информацией переносится и энергия. В вакууме механическая волна - звук возникнуть не может, так как отсутствуют частицы способные передавать колебания.

1.2 Характеристика звука

Частота звука

Количество колебаний частиц в секунду называется частотой звука и измеряется в герцах (?, Гц).

Амплитуда звука

Амплитудой звуковой волны называется максимальное отклонение колеблющейся частицы от положения равновесия. На графике амплитуде будет соответствовать разница между самой высокой (или низкой) точкой волны и горизонтальной осью графика (А , м)

Скорость звуковых волн

Скорость перемещения возмущения в пространстве называется скоростью волны. Скорость механических волн зависит от свойства среды, а в некоторых случаях и от частоты. Скорость звука в различных веществах имеет разные значения:

Скорость распространения звуковой волны в различных веществах отличается из-за их внутреннего молекулярного строения. Чем ближе расположены частицы по отношению друг к другу, тем выше скорость звука в среде.

Длина волны

Длина волны - это расстояние, на которое распространяется волна в течение одного периода.

Громкость звука

При восприятии различных звуков человеческое ухо оценивает их прежде всего по уровню громкости, зависящей от потока энергии или интенсивности звуковой волны. Воздействие звуковой волны на барабанную перепонку зависит от звукового давления, т.е. амплитуды колебаний давления в волне. Человеческое ухо является совершенным созданием Природы, способным воспринимать звуки в огромном диапазоне интенсивностей: от слабого писка комара до грохота вулкана. Таким образом, человеческое ухо способно воспринимать волны, в которых звуковое давление изменяется в миллион раз.

Человеческое ухо, способное воспринимать звуки в таком огромном диапазоне интенсивности, можно сравнить с прибором, который можно использовать для измерения и диаметра атома и размеров футбольного поля. При обычных разговорах людей в комнате интенсивность звука приблизительно в 106 раз превышает порог слышимости, а интенсивность звука на рок-концерте приближается к болевому порогу.

Таким образом, громкость звука зависит от амплитуды звуковых колебаний.

Высота тона звука

Высота звука -- характеристика звука как волны: частота колебаний (воздуха). Звук, обладающий определённой высотой, в музыке часто называется тоном. Чем выше частота колебаний частиц, тем выше тон звука.

Тембр

Теммбр (фр. timbre) -- окраска звука; один из признаков музыкального звука (наряду с высотой, громкостью и длительностью).

По тембрам отличают звуки одинаковой высоты и громкости, но исполненные или на разных инструментах, разными голосами, или на одном инструменте разными способами, штрихами.

Тембр определяется материалом, формой вибратора, условиями его колебаний, резонатором, акустикой помещения. В характеристике тембра большое значение имеют обертоны и их соотношение по высоте и громкости, шумовые призвуки, атака (начальный момент звука), форманты, вибрато и др. факторы.

Обертоны

Обертомны (нем. Oberton -- «верхний тон») в акустике -- призвуки, входящие в спектр музыкального звука; высота обертонов выше основного тона (отсюда название). Наличие обертонов обусловлено сложной картиной колебаний звучащего тела (струны, столба воздуха, мембраны, голосовых связок и т. д.): частоты обертонов соответствуют частотам колебания его частей.

Обертоны бывают гармоническими и негармоническими. Частоты гармонических обертонов кратны частоте основного тона (гармонические обертоны вместе с основным тоном также называются гармониками); в реальных физических ситуациях (например, при колебаниях массивной и жесткой струны) частоты обертонов могут заметно отклоняться от величин, кратных частоте основного тона -- такие обертоны называются негармоническими.

2. Сравнение звуков, издаваемых различными музыкальными инструментами

2.1 Скрипка

Звук может иметь естественную или искусственную природу. Естественные звуки получаются благодаря колебаниям некоторого тела, например, струны в струнных музыкальных инструментах, столба воздуха в духовых инструментах, мембраны или пластины в ударных музыкальных инструментах. Мы смогли «увидеть» звучание некоторых музыкальных инструментов.

Давайте кратко рассмотрим звук, производимый вибрирующей струной скрипки.

Если оттянуть струну, а затем отпустить её, то последующее движение будет определяться волнами, которые мы возбудили. Время, необходимое для того, чтобы волна достигла конца струны в любом направлении, одинаково. Каждая точка струны после целого периода ( прохода дважды всей длины струны) возвращается в своё исходное положение, затем опять отклоняется от него и снова, спустя период возвращается и так далее.

Возникающий при этом звук тоже должен повторять те же колебания. Вот почему мы, тронув струну получаем музыкальный звук.

Рис.1 Низкий тон скрипки

Рис.2 Высокий тон скрипки

2.2 Пианино

Аналогично можно рассмотреть и звучание других инструментов: фортепиано, камертон, флейта, металлофон.

Например, в фортепиано тоже имеются струны, по которым ударяются молоточки, создаётся звуковая волна

Рис . 3

Рис . 4

Указанные на рисунке (3, 4) изображения волны отличаются высотой тона, т.е. частотой звука и амплитудой, т.е. громкостью.

2.3 Флейта

В флейте колебания создаются потоками воздуха, как и в других духовых инструментах (труба, орган, фагот, кларнет и др.).

Рис. 5

Частота звука при этом изменяется засчёт диаметра отверстия, длины инструмента. А громкость достигается засчёт скорости прохождения звука (чем быстрее скорость, тем больше громкость)

2.4 Мужской и женский голоса

Так же отличается мужские и женские голоса из-за различия толщины голосовых связок. Управление голосом человека осуществляется с помощью мышечного управления толщиной голосовых связок.

Рис. 6 Мужской голос

Рис. 7 Женский голос

2.5 Ударные инструменты

Источник чистого тона не содержит обертонов.

Рис.8 Камертон

По камертону настраивают инструменты, по ноте «Ля».

Рис. 9 Металлофон

3. Концертные залы

Но каждый инструмент имеет особенности своего звучания - тембр, характерный оттенок. Этим отличались авторские инструменты Страдивари и Амати. Однако, чтобы инструмент зазвучал и был услышан необходимо специально обустроенное помещение, которое украсит этот звук и сделает его более насыщенным.

В последние годы наблюдается интенсивное развитие новых направлений аудиотехники, появляются новые системы пространственного звучания, активно разрабатываются цифровые технологии накопления и обработки звука. Соответственно к акустическим свойствам помещений для записи и прослушивания музыкального материала предъявляются более высокие требования. Речь идет о студиях звукозаписи, концертных залах, домашних театрах, специализированных музыкальных комнатах.

Требования к акустическим характеристикам студий и музыкальных комнат различного назначения, а также технологии их проектирования подробно изложены в международных и отечественных стандартах.

Для разработки акустического дизайна специальных помещений инженеры-акустики имеют в своем распоряжении всего 3 инструмента: поглощение, отражение и рассеивание (диффузия) звуковой энергии. Звукопоглощающие панели и звукоотражающие поверхности (плоские или криволинейные) получили на сегодняшний день довольно широкое распространение. Но применение одних только методов поглощения и отражения звука не в состоянии решить некоторые акустические проблемы, возникающие в студийных помещениях малого объема или в непропорционально широких концертных залах.

Большое влияние на акустику зала оказывает потолок. Поэтому одно из решений - звукопоглощение потолка - применение подвесного акустического потолка из звукопоглощающих плит.

Так же имеет большое значение расположение рабочего места звукового оператора. Рассмотрим следующие варианты:

На рис.(а) и сидящий, и стоящий будут плохо слышать звук. На рисунке (б) самый оптимальный вариант: сидящий человек будет воспринимать сильный уровень сигнала, а стоящий - средний. Это хороший вариант для концерта, когда слушатели сидят. Вариант (в) подходит только для дискотек.

звуковой волна музыкальный инструмент

4. Заключение

Звук обладает множеством характеристик. И все они разнообразны. Мы смогли изучить основные из них при работе с такими инструментами как флейта, скрипка, фортепиано, камертон.

С помощью осциллографа мы смогли «увидеть» звучание этих инструментов и получив график, описали увиденное. В ходе исследований мы заметили значимые различия в "изображении" звучания инструментов и изучили причины этих различий.

Изучив концертные залы, узнали, каким образом можно добиться такого чистого звука. Поняли секреты акустики зала и материалы, применяемые для поглощения, отражения и диффузии звука.

Литература

1. Фейман Р., Лейтон Р., Сэндс М. «Феймановские лекции по физике» - Москва, 1976.;

2. Ланцберг Г.С. «Элементарный учебник физики» - Москва, 1985 г.;

3. Мякишев Г.Я., Синяков А.З. «Колебания и волны» - Москва, 2000г.

Размещено на Allbest.ru