Файл: Колебания и волныФизика и музыка.docx

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования

«Кузбасский государственный технический университет

имени Т. Ф. Горбачева» в г. Белово
ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ

по дисциплине «Физика»

на тему «Колебания и волны/Физика и музыка»

Исполнитель: Студент группы ис-215

ФИО Иванников В.И.
Руководитель проекта:

Белов С.В.

преподаватель физики

г. Белово 2022

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

Музыка, с точки зрения физики – это в первую очередь энергия. В зависимости от различного уровня частоты звуковых колебаний, уровня громкости мелодии, ритмичности музыки, определенные звуковые волны могут воздействовать на человека как положительно, так и отрицательно.

Как известно, звук представляет собой продольную волну. Звуковые волны, как известно способны видоизменяться в зависимости от окружающей среды, будь то свободное или замкнутое пространство. Абсолютно любой звук на выходе может кардинально изменить свое звучание, например, стать более звонким, громким и полным или же наоборот совсем глухим и едва слышным. Параллельно звуковые волны, в силу своих параметров, оказывают влияние на пространство.

Актуальность: в повседневной жизни человек буквально окружен разнообразными звуками, некоторые могут влиять на него положительно или отрицательно.

Данная обширная тема охватывает широкий спектр информации, касающийся разнообразных звуковых колебаний, волн и звука в целом.

Цель: Изучить музыку и прочие разнообразные звуки с точки зрения физики.

---

Задачи:
1.Дать общую необходимую информацию о музыке, о звуках;
2.Собрать информацию о разновидностях звуковых колебаний;

3.Изучить физические характеристики звука.

1. Понятие звука в физике

1.1 Звук

О том, как рождаются звуки, и что они собой представляют, люди начали догадываться очень давно. Замечали, к примеру, что звук создают вибрирующие в воздухе тела. Ещё древнегреческий философ и учёный-энциклопедист Аристотель, исходя из наблюдений, верно, объяснил природу звука, полагая, что звучащее тело создаёт попеременное сжатие и разрежение звука. Так, колеблющаяся струна то уплотняет, то разрежает воздух, а благодаря упругости воздуха эти чередующиеся воздействия передаются дальше в пространство - от слоя к слою, возникают упругие волны. Волны - возмущения, распространяющиеся с конечной скоростью в пространстве и несущие с собой энергию без переноса вещества. А упругие волны - это «механические возмущения, распространяющиеся в упругой (твердой, жидкой или газообразной) среде». Достигая нашего уха, они воздействуют на барабанные перепонки и вызывают ощущения звука. На слух человек воспринимает упругие волны, имеющие частоту в пределах примерно от 16 Гц до 20 кГц (1 Гц - 1 колебание в секунду). В соответствии с этим упругие волны в любой среде, частоты которых лежат в указанных пределах, называют звуковыми волнами или просто звуком. Упругие волны с частотой меньше 16 Гц называют инфразвуком, а волны, частота которых превышает 20 кГц - ультразвуком.

1.2 Музыкальный звук

Какими бы разными не были музыкальные инструменты по форме, устройству, размерам, все они создавались для одной цели: извлечения приятных для слуха музыкальных звуков. Звук, с точки зрения физики, представляет собой волну - процесс распространения колебаний от точки к точке, от частицы к частице. Упругое тело, выведенное из положения равновесия, совершает гармонические колебания, эти колебания передаются воздуху, воздушная волна воздействует на нашу барабанную перепонку, и мы слышим звук.

Гармоническое колебание можно рассматривать как движение проекции точки, равномерно движущейся по кругу, на диаметр этого круга. Пусть радиус вспомогательной окружности равен, а, он соответствует наибольшему отклонению от положения равновесия: а - амплитуда. Мгновенное положение определяется абсциссой х = а cos ф, где, а - амплитуда, ф - фазовый угол. [2]

---

Мгновенное отклонение от положения равновесия, называют смещением. Угол, образуемый радиусом-вектором, проведенным к движущейся по окружности, с осью абсцисс, называют фазой ф (или фазовым углом), время Т одного полного оборота точки по окружности, называют периодом колебания, а обратную ему величину - частотой (измеряется в герцах, Гц). Человек слышит звук в диапазоне частот от 16 до 20000 Гц.

Звуки бывают очень разные. Те, что создают постоянный фон, не организованные в стройную систему, не связанные между собой, и те, что обладают особыми свойствами: чистые, звонкие, определённой высоты, обладающие смысловой выразительностью, - звуки музыкальные. Издают их музыкальные инструменты, звуковая волна в которых возникает от колебаний струны или столба воздуха внутри металлической или деревянной трубки. [3]

1.3. Основные характеристики музыкального звука

Музыкальные звуки различаются по высоте, длительности, продолжительности звучания, тембру (специфической окраской, которая зависит от материала, величины и формы инструмента), от способа извлечения звука и динамики, то есть силе звучания.

1 Громкость звука (интенсивность)

Если исполнить музыкальное произведение от начала до конца на одном уровне громкости, оно много потеряет в своей выразительности. Если бы инструменты не могли изменять громкость звука, музыка вряд ли могла бы выражать тончайшие оттенки чувств.

Громкость звука (интенсивность восприятия) определяется амплитудой колебаний, но, чтобы интенсивность восприятия (то, что мы слышим) увеличивалась линейно, интенсивность раздражения (пропорциональная квадрату амплитуды колебаний) должна увеличиваться экспоненциально. Другими словами, удвоение громкости ощущается лишь при достижении второй степени первоначального раздражения.

Для измерения громкости в физике пользуются единицами, называемыми фонами (децибелами). [2]

2.Тембр (спектральный состав)

Музыка способна выразить всё. Ей доступны и движения мысли, и любое чувство, и малейший оттенок настроения.

Желание человека располагать большим выбором музыкальных голосов и вызвало к жизни многообразие инструментов. И если один инструмент не может что-то передать, то это делает другой. Звук скрипки от звука точно такой же высоты, взятой на кларнете, отличается тембром. Объясняется различие тембра тем, что в обычных звуках присутствуют колебания разных наборов частот и амплитуд. Колебания самой низкой частоты в этом наборе служат основным тоном. Их амплитуда самая большая. Все остальные колебания называют обертонами. Отдельно мы не слышим обертонов, но именно они, смешиваясь с основным тоном, образуют тембр. Тембр - это окраска звука; одна из специфических характеристик музыкального звука.

---

Количество и качество обертонов зависит от длины, толщины и материала струны, от длины и среднего размера инструмента, от материала, из которого он сделан. Влияет на тембр и форма инструмента. [2]

3. Длительность звука

Если быстро ударить пальцем по клавише, получится отрывистый, очень короткий звук. А если нажать на нее и держать, то звук получится значительно более долгий, постепенно угасающий. Длительность звучания зависит от продолжительности колебаний источника звука.

Длительность в музыке обозначают специальной системой значков. Одна и та же нота, изображенная на бумаге, может при исполнении на инструменте длиться разное время (конечно, не сама нота, а звук, обозначаемый ею). Основное обозначение -- это целая нота, равная целому такту в четыре четверти. Она делится на более мелкие доли: половинные, четверти, восьмые, шестнадцатые и т.д. [3]

4. Высота звука (частота)

Нажав крайнюю левую клавишу рояля или фортепиано, мы услышим очень низкий звук, а нажав крайнюю правую, -- очень высокий. В нашем восприятии музыкальные звуки вызывают чувство пространства. При продвижении вправо по клавиатуре, или, как говорят музыканты, вверх, действительно возникает ощущение подъема, восхождения, просветления. Если открыть крышку рояля, то можно увидеть, что струны в нем не одинаковы. У рояля своеобразная форма, похожая на крыло. Это обусловлено разной длиной его струн: слева длиннее, справа короче. Кроме того, струны, которые соответствуют нижним звукам, толстые, обвитые так называемой канителью, а верхние -- тонкие.

От длины и массы струны зависит высота звука, а высота звука -- это частота ее колебаний.

Стандарты для высоты тона предложены всего поколения три назад, а общеприняты в течение едва ли 25 лет. Как правило, для физиков стандартной высотой тона является "до" первой октавы -- 256 колебаний в секунду (С-256). Большинство знает, что музыкальные инструменты настраиваются на определенный звук средней октавы (например, "ля" имеет частоту 426,6 Гц, или 426,6 колебания в секунду).

В музыкальных кругах использовались различные стандарты. Концертная высота тона, которой сейчас редко пользуются, составляла 271 колебание в секунду, что «дает для "ля" около 450 Гц, т.е. тон слишком высокий».

Международный стандарт высоты тона составлял для "ля" 435 Гц, однако в настоящее время во всем мире (вслед за Американской федерацией музыкантов) принята стандартная высота для "ля" 440 Гц. Это ниже концертной высоты тона, однако, и при

---

таком стандарте спеть арии, сочиненные старыми мастерами, могут не все сопрано. [4]

1.4 Разновидности звуковых волн

Звуковые волны- это разрежение и сгущение звука в упругой, или звукопроводящей, среде. Когда происходит то или иное механическое колебание тела, волна расходится по данной звукопроводящей среде: воздуху, воде, газу, различным жидкостям. Распространение происходит с различной скоростью, которая зависит от конкретной среды и ее упругости. В воздухе этот показатель звуковой волны составляет 330-340 м/сек, в воде – 1450 м/сек.

Звуковая волна невидима, но слышима человеком, поскольку воздействует на его барабанные перепонки. Для ее распространения необходима среда. Учеными доказано: в вакууме, то есть пространстве без воздуха, звуковая волна может образовываться, но не распространяться.

Сами звуковые волны делятся на продольные и поперечные.

Продольные волны — распространяющееся с конечной скоростью в пространстве переменное взаимодействие материи, которое обычно характеризуется двумя функциями ─ векторной, направленной вдоль потока энергии волны, и скалярной функцией. В упругих волнах (звуковых волнах) векторная функция описывает колебания скорости движения элементов среды распространения волны. В зависимости от вида продольных волн и среды их распространения, скалярная функция описывает разного рода изменения в среде или в поле, например, плотность вещества.

Продольными волнами называются волны, в которых колебания совершаются вдоль направления распространения. Примером таких волн могут быть акустические (упругие) волны, в редких случаях существуют примеры продольных электромагнитных волн (в сильно диспергирующих средах). Примером продольной волны является звуковая волна в воздухе. [3]

Поперечная волна — волна, распространяющаяся в направлении, перпендикулярном к плоскости, в которой происходят колебания частиц среды (в случае упругой волны) или в которой лежат векторы электрического и магнитного поля (для электромагнитной волны). Поперечные упругие волны называются S-волнами.

К поперечным волнам относят, например, волны в струнах или упругих мембранах, когда смещения частиц в них происходят строго перпендикулярно направлению распространения волн, а также однородные плоские электромагнитные волны в изотропном диэлектрике

---