Способы извлечения звука из скрипки

МУНИЦИПАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
КАЛИНИНСКАЯ СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА
Тема работы: «Почему и как поёт
моя скрипка?»
Фаталиева Роза,
8 класс
Руководитель: учитель физики и информатики
Сидореня Галина Ивановна
г. Гусев
2010 год
1
Оглавление
ВВЕДЕНИЕ
3
ЦЕЛИ:
3
ЗАДАЧИ:
3
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ И ПРАКТИЧЕСКИЕ ОПЫТЫ
3
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОЛЕБАНИЙ
ПРИРОДА ЗВУКА
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗВУКА:
СТОЯЧИЕ ВОЛНЫ В СТРУНЕ
УСТРОЙСТВО СКРИПКИ
СПОСОБЫ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ЗВУКА ИЗ СКРИПКИ
ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ, ПРОИСХОДЯЩИЕ ПРИ ИГРЕ НА СКРИПКЕ
КАК ВОЗНИКАЮТ КОЛЕБАНИЯ СТРУНЫ?
ЗАПИСЬ ЗВУКА И ЕГО РЕДАКТИРОВАНИЕ ПРИ ПОМОЩИ ЗВУКОВОГО РЕДАКТОРА
3
3
4
5
6
6
6
7
8
ВЫВОДЫ
10
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
10
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ:
10
2
Введение
Я учусь в музыкальной школе по классу скрипки. Мне очень нравится. Я играю в
ансамбле скрипачей ДШИ. Мне кажется, что знание физики скрипки поможет добиться
гармонии физики и музыки. Поэтому я захотела больше узнать о том, почему и как поёт
моя скрипка.
Цели:
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
8)
выяснить, почему возникает звук;
узнать о величинах, характеризующих звук;
уточнить, как устроена моя скрипка;
выяснить, как возникает звук при игре на скрипке;
выяснить, чем отличается музыкальный звук от немузыкального;
выяснить, какие физические явления происходят при игре на скрипке;
выяснить, почему разные скрипки имеют разное звучание
узнать, почему скрипки известных скрипичных мастеров имеют прекрасное звучание.
Задачи:
изучить литературу о звуковых явлениях;
поставить опыты, с помощью которых выясняются природа звука;
научиться оцифровывать и преобразовывать звук с помощью компьютера;
найти в Интернете и литературе информацию о лучших скрипичных мастерах и
исполнителях;
5) научиться подбирать и редактировать фотографии для использования в презентации;
6) создать мультимедийную презентацию своей работы.
1)
2)
3)
4)
Теоретические сведения и практические опыты
Основные характеристики колебаний
Амплитуда – наибольшее отклонение колеблющегося тела от положения
равновесия.
Период колебаний – время, за которое колеблющееся тело совершает одно полное
колебание. Период Т измеряется в секундах. Зависит от геометрических размеров тела, его
массы.
Частота – число колебаний в единицу времени. Измеряется в герцах.
1
 
Т
Природа звука
Звук возникает в результате колебаний.
Колебания – вид механического движения, при котором тело поочерёдно смещается
то в одну, то в другую сторону.
Звук возникает в результате колебаний, частоты которых лежат в пределах от 20 до
20000 Гц. Струна колеблется так быстро, что разглядеть что-либо невозможно. Для того,
чтобы выяснить, как возникает звук, я взяла длинную стальную линейку и укрепила её при
помощи струбцинки на столе.
Отвела линейку в сторону и отпустила. Линейка колеблется и не звучит (рис.1)
Уменьшая длину выступающего конца линейки, я добилась, чтобы линейка
зазвучала.
3
Линейка не звучит
Звук линейки
низкий
Звук линейки
более высокий
Основные характеристики звука:
• громкость;
• высота;
• тембр.
Громкость звука зависит от амплитуды колебаний. Чем больше амплитуда
колебаний, тем громче звук. Чтобы получить более громкий звук скрипки, надо сильнее
давить смычком на струну. Высота звука определяется частотой колебаний. Чем больше
колебаний совершает звучащее тело в единицу времени, тем выше звук. Моя скрипка
имеет 4 струны, каждая струна имеет разную толщину и массу, поэтому частота
колебаний каждой струны разная. Более тонкие струны колеблются с более высокой
частотой, их звук более высокий. От прижима пальцем струна укорачивается и также
получает более высокий звук.
Звук бывает чистым, музыкальным. Такой звук издаёт камертон. Так называется
прибор, состоящий из изогнутого стержня, закреплённого на металлической ножке.
Частота звука камертона зависит от его формы, размеров. Чем больше частота
колебаний камертона, тем выше звук.
Чем сильнее стукнуть резиновым молоточком по камертону, тем больше
отклоняются от положения равновесия ножки камертона и тем громче звук. Установлен
камертон на деревянном резонаторном ящике. Если закрепить камертон без ящика в лапке
штатива и стукнуть по нему молоточком, его звучание очень быстро прекращается.
Камертон с резонаторным ящиком издаёт чистый звук определённой частоты. Данный
камертон имеет частоту 440 Гц. Его применяют для настройки моей скрипки.
Опыты с камертоном
Опыты со струной и
запись звука струны
Запись звука камертона
Все звуки делятся на музыкальные звуки и шумы. В музыкальном звуке
присутствуют колебания только одной частоты, в шуме складываются звуки разных
частот. Сочетание чистых звуков не очень приятно для слуха. Чистый музыкальный звук
4
скучен. У моей скрипки множество оттенков звука - он может быть тёплым и холодным,
жестким и мягким, легким и тяжелым, матовым и блестящим ... Моя скрипка поёт и
радуется, смеётся и печалится.
Объясняется это тем, что скрипка издаёт не только чистые музыкальные звуки.
Среди звуков моей скрипки имеются обертоны.
Чистым тоном называется звук источника, совершающего гармонические колебания
одной частоты.
Самая низкая частота сложного звука называется основной частотой, а
соответствующей ей звук определенной высоты – основным тоном. Все остальные тоны
сложного звука называются обертонами.
Высота звука определяется частотой его основного тона: чем больше частота
основного тона, тем выше звук.
Тембр звука определяется совокупностью его обертонов. Разное количество
обертонов, присущих тому или иному звуку, придает ему особую окраску – тембр.
Отличие одного тембра от другого обусловлено не только числом, но и
интенсивностью обертонов, сопровождающих звучание основного тона. Тембр –
особенность звука, благодаря которой человек может различать даже звуки одинаковой
силы и высоты, но произведенными разными инструментами, например скрипки и
пианино. По тембру мы легко узнаем голоса знакомых людей.
В звуке может быть разное количество обертонов. Оно зависит от длины, толщины и
материала струны, от длины и среднего диаметра духового инструмента.
Обертоны могут быть разной силы, и это тоже влияет на тембр. На тембр влияет и
форма инструмента, и материал, из которого он изготовлен.
Стоячие волны в струне
Струны закреплены в 2 точках. При отклонении струны она совершает на только
поперечные волны, т.е. она колеблется не только в направлении, перпендикулярном ей.
Поскольку струна закреплена с двух концов, в ней возникают и продольные, а точнее,
стоячие волны. В результате отражения бегущей волны в точке закрепления образуется
отражённая волна. Складываясь, бегущая и отражённая волна образуют так называемую
стоячую волну. В точках, где струны крепятся, образуются узлы, посредине между ними –
пучности, т.е. зоны максимального движения. В узлах обе движущиеся волны
нейтрализуют друг друга, в пучностях происходит сложение волн, и колебания обладают
максимальной амплитудой. Эти выступающие зоны не движутся по струне. Такая волна
называется стоячей.
На закреплённой с двух концов струне образуются 4 моды колебаний струны. Так
как все волны движутся с одинаковой скоростью, частоты их колебаний являются
разными. Мода низшей частоты называется базовой, остальные – гармониками. Их
частоты в 2, 3, 4 раза больше.
Гармоники расположены в следующем порядке:
5
Устройство скрипки
Подставка
Гриф
Верхняя дека
Корпус
Эфы
Струны
Способы извлечения звука из скрипки
Звук можно извлекать 3 способами:
• Скольжение смычка по струнам
• Удар смычком по струнам
• (касание кончиком пальца струны)
• Щипок струны пальцем правой руки (пиццикатто)
Для увеличения громкости при игре на скрипке я сильнее прижимаю смычок к
струне, для изменения высоты зажимаю струну пальцем, изменяя её длину.
Физические явления, происходящие при игре на скрипке
Трение
Стоячие волны
Равномерное и
равноускоренное движение
смычка
Колебательное движение
Звуковые волны
Отражение звука
Резонанс
Автоколебания
Распространение звука в
воздухе
Передача энергии
Воздушный резонанс
Гельмгольца
Трение возникает между смычком и струной. Для
увеличения трения смычок натирают канифолью.
Возникают в струне, закреплённой в 2 точках, при
сложении бегущей и отражённой волны.
Скрипач ведёт смычком по струне с постоянной или
изменяющейся скоростью
Колебательное движение совершают струны и корпус
скрипки
Корпус скрипки колеблется, излучая в пространство
звуковые волны.
Происходит внутри корпуса скрипки
Возникает в корпусе скрипки при колебаниях
закреплённой на нём струны.
Незатухающие колебания струны, возникающие при
скольжении смычка по струне.
Зрители слышат звук скрипки, так как продольные
звуковые волны распространяются по воздуху.
Передача энергии от вибрирующей струны корпусу
инструмента.
Усиление звука эфами при возвратно-поступательном
движении воздуха через них.
6
Как возникают колебания струны?
Звучание скрипки вызывается движением смычка. При движении смычка между
ним и струной действует сила сухого трения скольжения, которая зависит от скорости
движения смычка. С увеличением скорости она сначала уменьшается, а затем возрастает.
С увеличением смещения струны по закону Гука сила упругости, возникающая
в струне, увеличивается. В тот момент, когда сила упругости становится равной силе
трения, смычок срывается, и струна начинает колебаться. Возникает звук. В точке, где
скорость струны равна нулю, она подхватывается смычком. Процесс повторяется много
раз.
Трение скольжения приводит к потере энергии струной. Зацепление смычка и
струны происходит при меньшем отклонении струны, чем при её срыве. При этом сила
трения покоя во время сцепления смычка и струны совершает работу. Эта работа
компенсирует потери энергии за счёт трения скольжения смычка по струне. Колебания
струны будут незатухающими. Поскольку энергия, которая компенсирует потери энергии,
запасена в самой колебательной системе, колебания струны являются автоколебаниями.
С помощью смычка к струне прикладывается переменная вынуждающая сила,
поддерживающая колебания струны. Под действием движущегося смычка струна за счет
трения отводится в сторону, пока из-за увеличения силы натяжения не срывается.
Вернувшись в исходное положение, она снова увлекается смычком. Этот процесс
повторяется, так что на струну действует периодическая внешняя сила. Процесс
повторяется много раз.
Звучание струны без корпуса (звукового короба) быстро затухает. Корпус скрипки и
воздух в корпусе отзываются на звучание струны. Корпус колеблется, причём отзывается
не только на одну какую-то частоту, а на многие частоты благодаря сложной форме
корпуса скрипки. Звучание скрипки зависит не только от толщины, длины, натяжения и
состояния струны, но также от формы и материала корпуса.
Корпус скрипки является резонатором, тоже имеет свои резонансные частоты,
главная из которых расположена вблизи 400 Гц. Из-за своей особой формы скрипка
обладает многочисленными резонансами. Корпус скрипки отзывается на колебания
струны.
В отличие от фортепиано скрипач может изменять тембр звука, меняя характер
движения смычка. На тембр звука влияет и помещение, в котором звучит скрипка. Звук
скрипки, отражаясь от окружающих стен и предметов, воспринимается ухом человека.
Качество звука скрипки зависит как от уровня мастерства владения смычком, так и
от физических свойств самого смычка. Смычок натирают канифолью для увеличения
трения.
Струны поддерживаются подставкой, которая не только ограничивает длину
вибрирующей части струны, но и исполняет роль механического преобразователя.
Подставка преобразует поперечные колебания струн в разнообразные моды (типы)
колебаний звукового короба, и, поскольку сама имеет резонансные моды, то играет
ключевую роль в формировании звука инструмента.
Верхняя дека скрипки вырезается из мелкослойной ели, для нижней деки и обечаек
обычно используется клен. На верхней деке вырезаны два изящных эфа. Эфы усиливают
звук за счёт резонанса при возвратно-поступательном движении воздуха через низ
(резонанс Гельмгольца). Силу звука струнных инструментов можно увеличить, если
установить между деками возле ножки подставки опору - "душку". Сила колебаний струн,
возбужденных смычком, приводит в колебание подставку, которая в свою очередь
вызывает усиленные колебания дна верхней деки. Благодаря этому уровень звукового
излучения скрипки увеличивается, и ее звук становится намного более сильным.
7
Запись звука и его редактирование при помощи звукового
редактора
Мною с помощью программы Звукозапись был записан звук моей скрипки. Затем
сохранённый файл был открыт с помощью звукового редактора Audacity. На экране
звуковая дорожка записанного звука.
С помощью звукового редактора Audacity для выделенного фрагмента увеличена
амплитуда колебаний. При этом громкость звука также возрастает.
А на этом рисунке увеличен масштаб, можно хорошо рассмотреть форму колебаний.
Форма колебаний несинусоидальная, звук сложный, в нём имеются обертоны.
8
А здесь для выделенного фрагмента увеличена частота колебаний примерно в 200
раз. При этом высота звука также увеличилась.
Колебания корпуса вызывают колебания частиц воздуха – возникает звуковая волна.
Волна достигает уха человека, и мы слышим чарующие звуки скрипки.
Такими они стали потому, что в течение многих веков скрипичные мастера
подбирали такую форму скрипок, чтобы звук их был волшебным. Изгибы её корпуса,
форма эф, дек, высота подставки – всё влияет на звучание. Но чтобы скрипка пела, её
должны изготовить Мастер. Нужно очень долго учиться играть на этом инструменте,
чтобы найти гармонию физики скрипки и её звучания. Такую гармонию нашли
скрипичные мастера Страдивари и Гварнери.
Скрипки делали во многих странах мира, но лучшие скрипичные мастера жили в
Италии, в городе Кремоне. Скрипки, сделанные мастерами XVI - XVIII веков Амати,
Гварнери и Страдивари, до сих пор считаются непревзойденными. Свято хранили
итальянцы секреты своего мастерства. Они умели делать звук скрипок особенно певучим
и нежным, похожим на человеческий голос.
Учёные неоднократно пытались выяснить причину неповторимого звучания их
скрипок.
Одним из лучших скрипачей был Паганини. Его обвиняли в колдовстве, потому что
не верилось, что обыкновенный человек без волшебной силы мог так виртуозно играть на
скрипке.
Выдающимися мастерами скрипки были Давид Ойстрах и Святослав Растропович.
Среди современных скрипачей наиболее известна Ванесса Мэй.
Из всех, что я досель слыхал,
Достойна скрипка лишь похвал.
Полезно слушать всем ее.
Коль сердце ранено твое,
То исцелится эта мука
От нежной сладостности звука.
Немецкий поэт Ульрих Эшенбах
9
Выводы
•
•
•
•
•
•
•
•
При игре на скрипке происходит множество физических явлений – трение,
равномерное и равноускоренное движение, колебания, звук, волновые явления,
резонанс и др.
Причиной звучания скрипки являются колебания струн;
В струне возникают поперечные и стоячие волны;
Колебания струны являются автоколебаниями;
На колебания струн отзывается корпус, который обладает многочисленными
резонансами;
Звук скрипки сложный, состоит из основного тона и обертонов;
Красота звучания скрипки обеспечивается геометрией корпуса, подставкой,
душкой, эфами;
Красота звучания скрипки зависит от физики корпуса и мастерства владения
смычком.
Заключение
В своей практической работе я взглянула на скрипку с точки зрения физики. Я узнала о
том, что звучание скрипки зависит не только от геометрии и свойств корпуса, но и умения
скрипача понимать и использовать физические свойства скрипки. Я надеюсь, что игра на
скрипке станет моей будущей профессией, а полученные знания помогут лучше понимать
мою скрипку.
Источники информации:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Пёрышкин А.В. Физика. 9 кл. Учебник. – М.: Дрофа, 2002
Энциклопедический словарь юного физика/ Сост. В.А.. – М.: Педагогика, 1984
http://www.soue.ru/article.php?i=4&limit=0
http://img-fotki.yandex.ru/get/15/min-net05.60/0_aeef_5faaf5d5_XL
http://www.gmstrings.ru/russian/articles/Wolfe_StingsHarmonics.htm
http://www.muzmarket.ru/020.html
http://sputnik.master-telecom.ru/Seans/Kvant/1975/10/pochemu_zvuchit_skripka.htm
http://www.egomel.com/photo/albums/pic/raznoe/114.jpg
http://roprimaria.com/displayimage.php?album=lastupby&cat=0&pos=30&uid=2
http://www.liveinternet.ru/users/alexandr_kireev/blog/
10