Звуковые колебания в музыке Международный конкурс научно-технических работ школьников "Старт в науку"

Международный конкурс научно-технических работ школьников
"Старт в науку"
Звуковые колебания в музыке
Общая и теоретическая физика
Автор: Сиднёва Елизавета,
8 класс, МАОУ гимназии №80,
Научный руководитель:
Харитонова Вера Евгеньевна,
Учитель физики
Высшей категории
Челябинск, 2013
Оглавление
Введение
Основная часть
Физическая основа звука
Физический характер музыкального звука
Акустика
Скорость звука
Распространение ультразвука
Экспериментальная часть
Свирель Пана
Эффект Допплера
Эксперименты со звуком Диего Стокко
Эксперименты с коробочкой
Эксперименты с соломкой
Звук как огнетушитель
Тишина на батарейках
Список литературы
Заключение
стр.3
стр.4
стр. 5
стр.5
стр.6
стр.7
стр.7
стр. 7
стр.7
стр.8
стр.8
стр.9
стр.10
стр.11
стр.12
стр.14
стр.15
Введение
С детства я очень увлекаюсь музыкой и звуками. Я люблю подбирать
мелодии на клавиатуре некогда услышанные мною. Ведь музыка - это жизнь,
я всегда интересовалась от куда происходят эти звуки, зачем они появляются.
Но в ответ я получала не понятные мне слова. И я переспрашивала, наивно
думая, что пойму. Но время бежит, я подрастаю, и теперь мне 14 лет, я учусь
в 8 классе и одним из моих самых любимых предметов стала "физика". Ведь
только на этом предмете я могу узнать ответ на свой неутихающий вопрос.
Однажды я подошла к своему учителю по физике, с просьбой найти ответ на
мой вопрос. И она предложила мне написать работу по этой теме, чтобы я
лучше усвоила эту тему и разобралась в ней сама. И мне это даже стало и
интересно, ведь не я одна люблю музыку, ведь много детей задают
родителям такой же вопрос. И я решила написать работу по теме "Звуковые
колебания в музыке".
Но для этого мне нужно решить некоторые задачи:
1. Узнать что такое звук и зачем он нам нужен.
2. Дать определение к словам физическая основа звука, звуковые колебания,
акустика, скорость звука, ультразвук.
3.Проделать опыты.
4.Найти подходящую литературу.
5.Подобрать интересные факты о музыке, и физике.
И для этого мне нужно поставить цель своего исследования:
Найти взаимосвязь между физикой и музыкой.
Основная часть
Источник звука.
Звук - распространяющиеся в упругих средах, газах, жидкостях и твердых
телах механические колебания, воспринимаемые ухом.
Источник звука - различные колеблющиеся тела, например туго натянутая
струна или тонкая стальная пластина, зажатая с одной стороны. Как
возникают колебательные движения? Достаточно оттянуть и отпустить
струну музыкального инструмента или стальную пластину, зажатую одним
концом в тисках, как они будут издавать звук. Колебания струны или
металлической пластинки передаются окружающему воздуху. Когда
пластинка отклонится, например в правую сторону, она уплотняет (сжимает)
слои воздуха, прилегающие к ней справа; при этом слой воздуха,
прилегающий к пластине с левой стороны, разредится. При отклонении
пластины в левую сторону она сжимает слои воздуха слева и разрежает слои
воздуха, прилегающие к ней с правой стороны, и т.д. Сжатие и разрежение
прилегающих к пластине слоев воздуха будет передаваться соседним слоям.
Этот процесс будет периодически повторяться, постепенно ослабевая, до
полного прекращения колебаний
Таким образом колебания струны или пластинки возбуждают колебания
окружающего воздуха и, распространяясь, достигают уха человека, заставляя
колебаться его барабанную перепонку, вызывая раздражение слухового
нерва, воспринимаемое нами как звук.
Колебания воздуха, источником которых является колеблющееся тело,
называют звуковыми волнами, а пространство, в котором они
распространяются, звуковым полем.
Скорость распространения звуковых колебаний зависит от упругости среды,
в которой они распространяются. В воздухе скорость распространения
звуковых колебаний в среднем равна 330 м/с, однако она может изменяться в
зависимости от его влажности, давления и температуры. В безвоздушном
пространстве звук не распространяется.
При распространении звука, вследствие колебаний частиц среды, в каждой
точке звукового поля происходит периодическое изменение давления.
Среднее квадратичное значение величины этого давления, обозначаемое
буквой P, называют звуковым давлением. За единицу звукового давления
принята величина, равная силе в один ньютон (Н), действующей на площадь
в один квадратный метр (Н/м2).
Чем больше звуковое давление, тем громче звук. При средней громкости
человеческой речи звуковое давление на расстоянии 1м от рта говорящего
находится в пределах 0,0064-0,64.
Звуковые колебания
Рис. 1. График простого (синусоидального) колебания
Форма звуковых колебаний зависит от свойств источника звука. Наиболее
простыми колебаниями являются равномерные или гармонические
колебания, которые можно представить в виде синусоиды (рис. 1). Такие
колебания характеризуются частотой f, периодом Т и амплитудой А.
Частотой колебаний называют количество полных колебаний в секунду. За
единицу измерения частоты принят 1 герц (Гц). 1 герц соответствует одному
полному (в одну и другую сторону) колебанию, происходящему за одну
секунду.
Периодом называют время (с), в течение которого происходит одно полное
колебание. Чем больше частота колебаний, тем меньше их период, т.е. f=1/T.
Таким образом, частота колебаний тем больше, чем меньше их период, и
наоборот.
Рис. 2. График звуковых колебаний при произношении звуков а, о и у.
Голос человека создает звуковые колебания частотой от 80 до 12000 Гц, а
слух воспринимает звуковые колебания в диапазоне 16-20000 Гц.
Амплитудой колебаний называют наибольшее отклонение колеблющегося
тела от его первоначального (спокойного) положения. Чем больше
амплитуда колебания, тем громче звук. Звуки человеческой речи
представляют собой сложные звуковые колебания, состоящие из того или
иного количества простых колебаний, различных по частоте и амплитуде. В
каждом звуке речи имеется только ему свойственное сочетание колебаний
различной частоты и амплитуды. Поэтому форма колебаний одного звука
речи заметно отличается от формы другого, что видно на рис. 2, на котором
изображены графики колебаний при произношении звуков а, о и у.
Любые звуки человек характеризует в соответствии со своим восприятием
по уровню громкости и высоте.
Громкость тона какой-либо данной высоты определяется амплитудой
колебаний. Высота тона определяется частотой колебания. Колебания
высокой частоты воспринимаются как звуки высокого тона, низкой частоты как звуки низкого тона (рис. 3).
Рис. 3. Два музыкальных тона одной высоты и разной громкости (а) и
одинаковой громкости, но разной высоты (б).
Общие сведения о записи
Под процессом записи понимают преобразование сигналов в
пространственное изменение состояния или формы некоторого физического
тела (носителя записи) с целью сохранения в нем информации для
последующего ее извлечения (получения). Информацию, сохраняемую в
носителе записи, называют записью. Носитель записи, содержащий
информацию, полученную в процессе записи, называют фонограммой.
За столетие, прошедшее с момента возникновения первых идей записи
звука, были предложены десятки способов записи. Одними из них являются:
механический (грамзапись), фотографический, магнитный, лазерный и т.д.
Процесс механической записи состоит из нескольких этапов. первичную
запись ведут на диск из аморфной меди или на дюралюминиевый диск,
покрытый лаковым слоем (так называемый лаковый диск). Записывающий
элемент - острие резца рекордера перемещается механизмом в радиальном
направлении - от края к центру - и вырезает в меди или лаковом слое
спиральную канавку. Помимо поступательного перемещения в радиальном
направлении резец в соответствии с записываемым сигналом совершает
колебания в горизонтальной и вертикальной плоскостях. В результате
изменяются ширина и глубина канавки. С медного или лакового диска
гальваническим путем снимают копию, в которой углублениям канавки
соответствуют выступающие борозды. Эта копия используется как матрица
при прессовании или штамповке пластмассовых
грампластинок. Сигналы, записанные на грампластинках, воспроизводят с
помощью электропроигрывающего устройства (ЭПУ).
В качестве носителя записи при фотографической записи используют
светочувствительный носитель - прозрачную пластмассовую основу в виде
ленты, покрытую светочувствительным слоем. Фонограмма образуется в
результате фотографического процесса. Под воздействием записываемого
сигнала изменяется световой поток, попадающий на движущийся носитель.
Киноленту проявляют, промывают, закрепляют, сушат. С полученного
негатива снимают позитивную копию и повторяют перечисленные
фотохимические процессы. В результате образуется фотографическая
фонограмма. Сигнал отображается на киноленте в виде прозрачной полоски
переменной ширины или переменной плотности (прозрачности). Чтобы
воспроизвести записанный сигнал, движущуюся фонограмму просвечивают
пучком света.
Магнитную запись на движущийся ферромагнитный носитель производят с
помощью особого электромагнита - магнитной головки - в обмотку которого
подают ток сигнала. Магнитное поле электромагнита намагничивает
носитель записи, в качестве которого используют пластмассовую ленту,
покрытую порошком окислов ферромагнитных металлов или металлическим
ферромагнитным слоем. Фонограмма получается в виде намагниченных
участков разной длины. Она не нуждается ни в каких процессах обработки и
может быть воспроизведена немедленно с помощью устройства,
аналогичного записывающему.
Комбинацией механического и оптического способов записи является
запись лазерным лучом на компакт-диски. Запись ведут модулированным
лучом лазера на вращающийся диск. Под его воздействием в материале
первичного носителя образуются углубления - лунки - разной длины. Далее
как и при механической записи, получают матрицу. Прессованием получают
копии первичной записи. Для воспроизведения также используют луч лазера.
Магнитооптическая запись (или запись на MiniDisk) - это гибрид магнитной
и лазерной записи. В ней для записи используется и лазерный луч, и
магнитная головка. Главная технология формата MD заложена в самом
носителе, специальный магнитный слой которого обладает одним очень
полезным, хотя и немного странным свойством. Если этот слой намагничен
отрицательным полюсом магнита, то отражающийся от его поверхности
лазерный луч немного отклонится в одну сторону. Если этот слой
намагничен положительным полюсом, то он отклоняет луч в другую
сторону. И хотя отклонения составляют всего лишь около одного градуса,
этого достаточно, чтобы их уловил считывающий сенсор и зарегистрировал в
виде нулей и единиц цифрового сигнала.
Микрофоны. Классификация и основные параметры
Микрофон - это устройство для преобразования акустических колебаний
воздушной среды в электрические сигналы.
В настоящее время существуют различные типы микрофонов, которые
находят широкое применение в системах радиовещания, телевидения,
телефонии, озвучения, звукоусиления, записи и усиления звука. Микрофон
является первым и одним из наиболее важных звеньев любого
электроакустического тракта. Поэтому его свойства оказывают огромное
влияние на качество работы этого тракта.
Микрофоны в зависимости от назначения подразделяют на
профессиональные и бытовые (любительские). Первые из них используют
при профессиональной звукозаписи в радиовещании, телевидении, системах
звукоусиления, для акустических измерений и т.д. Бытовые микрофоны
используют при домашней звукозаписи.
Любая периодическая функция f(t) с периодом T может быть представлена в
виде суммы синусов и косинусов от аргумента n t (так называемый ряд
Фурье), где n - целое положительное число, t - время,
T - угловая
частота.
Компоненты ряда Фурье называются гармониками. Любая четная функция
может быть разложена в ряд Фурье, состоящий из косинусов, а любая
нечетная функция раскладывается в ряд из синусов.
1. Рассмотрим функцию в виде периодически повторяющихся
прямоугольных импульсов как показано на рисунке (где a=b=T/2).. Период
функции T=
Эта функция раскладывается в ряд:
Анимация показывает сумму первых 40 гармоник меандра (чётные
Как видно из этой анимации первая гармоника соответствует синусу с
частотой
синуса и меандр формируется в основном первыми десятью гармониками.
Высшие гармоники увеличивают крутизну фронтов и делают меандр более
ровным.
f(t)=1.273*sin(1*w*t)+0.424*sin(3*w*t)+0.255*sin(5*w*t)+0.182*sin(
7*w*t)+0.141*sin(9*w*t)+0.116*sin(11*w*t)+0.098*sin(13*w*t)+0.0
85*sin(15*w*t)+0.075*sin(17*w*t)+0.067*sin(19*w*t)+0.060*sin(21*
w*t)+0.055*sin(23*w*t)+0.051*sin(25*w*t)+0.047*sin(27*w*t)+0.04
4*sin(29*w*t)+0.041*sin(31*w*t)+0.039*sin(33*w*t)+0.036*sin(35*
w*t)+0.034*sin(37*w*t)+0.033*sin(39*w*t)
2. Рассмотрим разложение в ряд Фурье прямоугольного импульса, для
которого T/b=4:
Как мы видим из формулы, для такой функции в разложении Фурье
появляются четные гармоники.
Анимация показывает сумму первых 20 гармоник ряда Фурье.
Экспериментальная часть.
Свирель Пана
Имея полоску гофрированного картона и 8 трубочек — стеклянных,
деревянных или металлических,— легко сделать так называемую свирель
Пана. (Пан — древнегреческий бог лесов.) Длину трубок надо подобрать так,
чтобы звуки, производимые ими, составили полную октаву. Самая длинная
трубка даст самое низкое по тону звучание.
Эксперименты со звуком Диего Стокко: музыка без музыкальных
инструментов.
Для создания оригинальных акустических композиций итальянцу
Диего Стокко (Diego Stocco) не нужны традиционные музыкальные
инструменты: в его руках в инструмент может превратиться что угодно!
Талантливый композитор извлекает уникальные звуки из песка, деревьев или
даже обыкновенного степлера и создает оригинальные и инновационные
композиции.
В ходе своих экспериментов со звуком Диего прикрепляет к своим пальцам
высокочувствительные микрофоны, которые записывают звуки и передают
их на компьютер. А в качестве источников звуков может выступать что
угодно. К примеру, в проекте «Music from a Tree» автор шелестел листьями
дерева, стучал по стволу, водил по веткам смычком. В композиции “Music
from Sand” Диего проделывал различные манипуляции с песком: пересыпал
его, водил по нему палочками… В общем, стоит автору только захотеть – и
малейший шум становится элементом его музыкальной композиции.
Звуки, которые получает Диего Стокко, остаются в его мелодиях в
первозданном виде, то есть не преобразовываются с помощью аппаратуры.
Единственный инструмент, который помогает автору добиться наилучшего
качества звука – это обычный медицинский фонендоскоп. На видео можно
увидеть и процесс создания мелодий, и послушать результат.
Диего Стокко увлекся музыкой в шестилетнем возрасте, когда родители
подарили ему первую электронную клавиатуру. С тех пор композитор не
оставляет экспериментов со звуком, находя все новые и новые источники
музыки. Впрочем, сам автор не называет себя композитором, считая, что
определение «звуковой дизайнер» более точно характеризует его
деятельность.
Эксперимент с коробочкой.
Звуки помогают людям видеть. по звукам, которые мы слышим, мы без
труда можем определить, что же происходит вокруг. Убедится в этом
довольно легко.
Если положить в пустую коробку поочерёдно известные предметы - рубль,
скрепки, точилка, ластик, брелок, блеск для губ. Звуки которые попадают в
уши, превращаются в нервные импульсы, которые воспринимает мозг. Когда
мозг обрабатывает этот сигнал, он учитывает все свойства звука: его высоту,
громкость, длительность, - всё оттенки. Принимая во внимания темп и
интенсивность звука, мозг определяет углы , под которыми перемещается
предмет в коробке, сталкиваясь со стенками коробки. Но приняв во внимание
вся информацию, которая доступна из звука, наш мозг делает предположение
о наиболее вероятной форме фигуры в коробке.
Звук как огнетушитель
Звуковые волны довольно сильны. Но их можно усилить еще больше.
Понадобится: воронка, воздушный шарик, круглая свеча, блюдце, спички.
Проведение опыта: поставить свечу на блюдце и зажечь ее (убедитесь, что
ничего не загорится!). Натянуть шарик на воронку и направить ее узкое
отверстие на пламя с расстояния нескольких сантиметров. Если теперь
сильно стукнуть по мембране, пламя погаснет.
Почему это происходит: из-за своей формы воронка является усилителем
звука. Исходящие от мембраны ударные волны тесно связаны и идут одна за
другой, поэтому, вырываясь из трубки воронки, они могут даже потушить
пламя.
Для усиления звука раньше существовали слуховые рожки и граммофоны,
чья конструкция напоминала воронку. И теперь, когда мы хотим крикнуть
громче, мы подносим ко рту ладони, сложенные «воронкой».
Звуковые зеркала
Стена леса, высокий забор, строение, гора — всякая вообще преграда,
отражающая эхо, есть не что иное, как зеркало для звука; она отражает звук
так же, как плоское зеркало отражает свет.
Рис. 151. Звуковые вогнутые зеркала.
Звуковые зеркала бывают не только плоские, но и кривые. Вогнутое
звуковое зеркало действует как рефлектор: сосредоточивает «звуковые лучи»
в своем фокусе.
Две глубокие тарелки дают возможность проделать любопытный опыт
этого рода. Поставьте одну тарелку на стол и в нескольких сантиметрах от ее
дна держите карманные часы. Другую тарелку держите у головы, близ уха,
как изображено на рис. 151. Если положение часов, уха и тарелок найдено
правильно (это удается после ряда проб), вы услышите тиканье часов, словно
исходящее от той тарелки, которую вы держите у головы. Иллюзия
усиливается, если закрыть глаза: тогда положительно нельзя определить по
слуху, в какой руке часы — в правой или в левой.
Рис. 152. Звуковые диковинки в древнем замке — говорящие бюсты. (Из
книги Афанасия Кирхера, 1560 г.).
Строители средневековых замков нередко создавали такие звуковые
курьезы, помещая бюсты либо в фокусе вогнутого звукового зеркала, либо у
конца говорной трубы, искусно скрытой в стене. На рис. 152,
заимствованном из старинной книги XVI века, можно видеть эти хитроумные
приспособления: потолок в форме свода направляет к губам бюста звуки,
приносимые извне говорной трубой; огромные говорные трубы,
замурованные в здании, приносят разнообразные звуки со двора к каменным
бюстам, размещенным у стен одной из зал, и т. п. Посетителю такой галереи
казалось, что мраморные бюсты шепчут, напевают и т. п.
Заключение.
В ходе этого исследования я поняла что звук и физика - это одно целое.
Физика изучает звуковые колебания, акустику и многое другое связанное со
звуками. А звуки и музыка издают эти колебания, акустику, мелодию. И тем
самым они взаимодействуют друг с другом. Когда мы исполняем песню,
играем на разных музыкальных инструментах таких как синтезатор,
мелофон, фортепиано, треугольник, барабан, и другие, мы не подозреваем
что тем самым мы познаём и углубляем свои познания в физике. Ведь мир
звуков который нас окружает делится на два раздела музыка и науки. Ведь
звуки также могут присутствовать в биологии, химии, естествознании,
экологии. Но такой тесной связи как с физикой звуки не имеют.
Музыкальные звуки являются результатом быстрых
регулярных колебаний тел.
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.
Список литературы.
1. Журнал " Популярная механика". апрель 2007 №4 (54)
2. " В мире застывших звуков" М. Ганзбург 1997 г.
3. Радзишевский Александр Юрьевич. Основы аналогового и цифрового
звука — М.: Вильямс, 2006.
4. Учебник Физика – “Л.Эллиот, У.Уилкокс”
5. Интернет - ресурсы
6. " Физический фейерверк" Дж. Уокер
7. "Удивительная физика". Л.Г. Асламазов, А.А. Варламов. Библиотечка
"Квант". Выпуск 63
8. "Занимательные задачи и опыты". Я.И. Перельман
9. "Занимательная физика." Кн.2 Я.И. Перельман
10."Опыты в домашней лаборатории". Библиотечка "Квант". Выпуск 4.