Проектная работа Тема: «Физика и музыка» Автор работы: Кузьмин Егор 10А Лицей№2 Руководитель: Дугаев Петр Евгеньевич г. Альметьевск 2022 г. Оглавление 1. Введение. 2. Что есть звук? Условия звука. 3. Характеристики звука. 4. Музыкальные звуки. Как строится музыка. 5. Интересные факты. 6. Заключение. 7. Источники. 1. Введение Актуальность. Как-то незаметно в повседневную жизнь человека вошли и стали необходимыми звуковое кино, магнитофоны, музыкальные инструменты. Человек живет в мире звуков. Звук — это то, что слышит ухо. Звуки бывают очень разные: не организованные в стройную систему, не связанные между собой, и те, что обладают особыми свойствами - звуки музыкальные. При выполнении данной работы я хотел узнать больше о природе звука, о способе его распространения в среде и восприятии. Так же мне интересно было узнать физический принцип работы различных музыкальных инструментов. В глубокой древности звук казался людям удивительным, таинственным порождением сверхъестественных сил. Они верили, что звуки могут укрощать диких животных, сдвигать скалы и горы, преграждать путь воде, вызывать дождь, творить другие чудеса. В Древнем Египте, заметив удивительное воздействие музыки на человека, ни один праздник не обходился без ритуальных песнопений. Древние индийцы раньше других овладели высокой музыкальной культурой. Они разработали и широко использовали нотную грамоту задолго до того, как она появилась в Европе. Понять и изучить звук люди стремились с незапамятных времен. Греческий ученый и философ Пифагор, доказал, что низкие тона в музыкальных инструментах присуще длинным струнам. При укорочении струны вдвое звук ее повысится на целую октаву. Открытие Пифагора положило начало акустике. Первые музыкальные инструменты были созданы в Древней Греции и Риме. Цель моего проекта: выявить связь между физическими явлениями и музыкой. Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи: 1. Сбор, анализ и обобщение информации в научной, научно-популярной литературе и в интернет-ресурсах по данной теме. 2. Провести сопоставление характеристик звука и музыки. 3. Рассмотреть некоторые музыкальные инструменты с точки зрения физики. и познакомиться с их историей. 4. Выяснить какова роль музыки в жизни человека. 5. Расширить ранее полученные знания о природе звука 2. Что есть звук? Условия звука. Звук — это механические колебания, которые распространяются в упругой среде: воздухе, воде, твёрдом теле и т.п. 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 звук издает музыкальный инструмент, то источник звука — это колеблющаяся струна. Распространяющиеся колебания — есть волна. Следовательно, звук распространяется в виде волн. И кое-что о звуковых волнах мы можем сразу сказать. Волна называется поперечной, если частицы среды колеблются перпендикулярно лучу. Если же они колеблются вдоль луча, то волна называется продольной. 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. Продольные волны могут возникнуть в среде обладающей упругостью объема, т.е. в твердых телах, жидкостях и газообразных телах. Поперечные волны возникаю только в твердых телах. Основные закономерности волнового процесса справедливы не только для механических волн упругой среды, но и для воли любой природы, и, в частности, для волн электромагнитного поля. 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. Тот, кто нырял в реку или море, знает, что под водой хорошо слышны звуки гребных винтов теплоходов, удары камней, плесканий и др. Звук движущегося поезда хорошо слышен, если приложить ухо к рельсу. Если звук — это волна, распространяющаяся в воздухе, то он должен возникать всякий раз, когда частицы воздуха приходят в колебательное движение. Размахивание руками, например, тоже должно было бы вызвать звук: ведь машущие руки заставляют частицы колебаться. Известно, однако, что размахивание руками не воспринимается ухом как звук, хотя волна при этом возникает. Объясняется это тем, что ощущение звука создается только при определенных частотах колебаний в волне. Опыт показывает, что для органа слуха человека звуковыми являются только такие волны, в которых колебания происходят с частотами от 20 до 20 000 Гц. Размахивать руками 20 и более раз в секунду никто не может! Изучает звук такая наука как акустика. Она изучает физическую природу звука и проблемы, связанные его возникновением, распространением, восприятием и воздействием. До сравнительно недавнего времени акустика стояла в стороне от магистральных направлений физики нашего века. Акустика, которая развивалась в русле старых, традиционных представлений ньютоновской классической физики, не могла похвастаться ни радикальным изменением человеческих представлений о мире, ни впечатляющими открытиями технике. Акустика является одним из направлений механики, исследующей упругие колебания и волны от самых низких до высоких частот. 3. Характеристики звука. Есть 3 важных понятия, характеризующих звуки. Первое понятие – громкость – зависит от: амплитуды колебаний источника звука (чем больше амплитуда колебаний, тем громче звук), длительности звука и от индивидуальных особенностей слушателя. В физике пользуются понятием интенсивность звука. Единица громкости – белл. 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. Шкала громкости: порог слышимости — 0дБ, шепот — 20 дБ, нормальная речь — 40 дБ, крик — 80 дБ, большой оркестр — 100 дБ, боль в ушах — I8О дБ. Музыкальные термины, которые определяют степень громкости исполнения музыки, называют динамическими оттенками. Второе важное понятие – это высота тона. Высота звука — свойство звука, определяемое человеком на слух и зависящее в основном от числа колебаний среды (обычно воздуха) в секунду, которые воздействуют на барабанную перепонку человека. С увеличением частоты колебаний растёт высота звука. В физике она характеризуется частотой колебаний. Нормой для человека считается способность воспринимать звуки в частотном диапазоне от 20 до 20000 Гц. Звуки, частота которых выше 20000 Гц, называются ультразвуки, ниже 20 Гц – инфразвуки. Диапазон частот, соответствующих голосам певцов: Мужские голоса Колоратурное сопрано 260 – 1400 Гц Бас 80 – 350 Гц Баритон 100 – 400 Гц Тенор 130 – 500 Гц Женские голоса Контральто 170 – 780 Гц Меццо-сопрано 200 – 900 Гц Сопрано 250 – 1000 Гц Третье понятие – это тембр звука или его окраска. Объясняется различие тембра тем, что в обычных звуках присутствуют колебания разных наборов частот и амплитуд. Получить чистый звук со строго определенной частотой колебаний очень трудно, даже при полном отсутствии шумов. Например, звуки пианино и скрипки могут включать в себя до 15 – 20 различных колебаний. От состава каждого сложного звука зависит его тембр. Кроме того, у звука есть скорость распространения. Распространение звука происходит не мгновенно, а с конечной скоростью. Скорость звука в воздухе приблизительно 340 м/с. Скорость звука в воде — 1500 м/с. Скорость звука в металлах, в стали — 5000 м/с Она связана с энергией колебаний в источнике и в волне. Энергия же колебаний определяется амплитудой колебаний. 4. Музыкальные звуки. Как строится музыка. Музыкальный звук — это звук, обладающий: Определённой высотой. Тембром, который определяется присутствием в звуке обертонов. Звуковые колебания, происходящие по гармоническому закону, воспринимаются человеком как музыкальный тон. Для того чтобы звучала музыка необходимо, чтобы музыкальные инструменты издавали звуки. Значит, звук- первооснова, начало музыки. Очень давно люди научились находить приятные сочетания звуков – музыкальные мелодии. 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 - одно из основных свойств музыкального звука, результат продолжительности колебания звучащего тела. В музыке большое выразительное значение имеет относительная длительность звуков; сравнение её с длительностями других звуков является основанием сложных музыкально-логических связей, выражающихся прежде всего в ритме и метре. 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. И делится на более мелкие доли: половинные, четверти, восьмые и шестнадцатые. Характер восприятия звука во многом зависит от акустики зала, которая оценивается по времени реверберации. Это остаточное звучание, наблюдающееся после выключения источника звука и обусловленное приходом в данную точку не только прямых, но и отраженных и рассеянных волн. Большая реверберация вызывает в помещении впечатление гулкости, звуки очень долго не замирают. Если время реверберации мало, то речь звучит четко, музыка отрывисто, глухо, слушатели лишаются ощущения привычного объема. Восприятия речи и музыки становятся утомительным. Зал обладает хорошей акустикой, если время реверберации от 2 до 1,5 с. и очень хорошей, если между 1,5 и 0,5 с. 5. Интересные факты Самый низкий из слышимых человеком музыкальных звуков имеем частоту 16 колебаний в секунду. Он извлекается оргАном. Но применяется не часто - очень басовит. 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. Абсолютный «нижний» рекорд мужского баса, поставленный в XVII веке певцом Каспаром Феспером - 44 колебания в секунду. 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 можно попасть в тот участок диапазона, где работают почти все голоса и музыкальные инструменты. Именно в этом районе акустика закрепила всеобщий эталон высоты тона: 440 колебаний в секунду ("ля" первой октавы). Вплоть до 1000 - 1200 колебаний в секунду звуковой диапазон полон музыкой. Эти звуки - самые слышные. Звуки выше издают 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 Робей пела полным голосом «ре» четвертой октавы - 2300 колебаний в секунду. 6. Заключение Многие знаменитые ученые физики увлекались музыкой и виртуозно играли на различных музыкальных инструментах. Так что музыка не только является своего рода порождением физики, но в какой-то мере и её двигателем. Макс Планк немецкий физик, основоположник квантовой теории, часто играл камерные произведения на рояле со своим другим Эйнштейном. Альберт Эйнштейн немецкий физик, основоположник теории относительности, прекрасно играл на скрипке. Блестящим скрипачом и художником был ленинградский физик-теоретик Я. И. Френкель. В данной работе в рамках физики было рассмотрено понятие звук в целом и понятие музыкального звука в частности. Изучая музыкальное искусство с точки зрения физики, я рассмотрел основные характеристики музыкального звука, такие как громкость звука, его тембр, высота и длительность. Таким образом, мы видим, что физический звук очень тесно связан с музыкой. 7. Источники 1. https://docplayer.com/183506550-Individualnyy-proekt-fizika-i-muzyka.html 2. https://muzrock.com/teoriya-muzyki/chto-takoe-zvTik 3. Алдошина И. М узыкальная акустика. Учебник / И. Алдошина, Р. Приттс. — СПб.: Композитор, 2016. — 720 с., ил. 4. Интересные факты о распространении музыкального звука - учебные материалы онлайн - 2017-2019 5. https://studwood.ru/2518825/kulturologiva/iTiteresnve fakty rasprostranenii muzykalnogoZYitka 6. https://thedb.ru/items/Chem-ot]ichaetsia-muzvkalnvi-zvuk-ot-shuma,; Меерзон М. Я. «Акустические основы звукорежессуры» - 2014
