Музыкальная физика или музыка как физический процесс

VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Музыкальная физика или музыка как физический процесс

Баукина И.К. 1
1Муниципальное общеобразовательное бюджетное учреждение Гимназия №14 г. Белорецк муниципального района Белорецкий район Республики Башкортостан
Казанцева М.Б. 1
1Муниципальное общеобразовательное бюджетное учреждение Гимназия №14 г. Белорецк муниципального района Белорецкий район Республики Башкортостан
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение.

В мир музыки, мир волшебных звуков мы попадаем с самых первых дней своей жизни. Первая колыбельная, которую поет нам мама, первая музыкальная игрушка.

Я увлекаюсь музыкой с детства. Мне всегда было интересно как появлялись звуки и как их извлекать на разных инструментах. Но позже, в школе, на одном из уроков физики я познакомилась с одной из её областей – акустика. Эта тема меня заинтересовала, и я решила более подробно изучить её.

Нет более интересной области науки, чем та, что изучает физическую природу звука. Высота, частота звука влияет на восприятие музыки человеком. Одна доставляет удовольствие, другая раздражает слух и вызывает агрессию. Поэтому знания акустики важны музыканту.

В своей работе я попытаюсь вам рассказать о звукоизвлечении с позиции физики и музыки у разных музыкальных инструментов.

Мы считаем, что данная работа очень актуальна, поскольку совмещает физику, музыку и биологию.

Цель нашей работы: исследовать процесс звукоизвлечения разных типов инструментов с точки зрения физики.

Задачи:

изучить роль звука в жизни человека, физике и музыке

провести исследование по влиянию громкости звука, высоты, тембра различных музыкальных инструментов у группы моих одноклассников.

сделать вывод о применении знаний физики при игре на музыкальных инструментов

Гипотеза исследования: если использовать знания физики, то возможно освоить игру на многих м музыкальных инструментах.

Объект исследования: звукоизвлечение у фортепиано, скрипки, гитары, флейты, барабанов.

Предмет исследования: фортепиано, скрипка, гитара, флейта, барабан.

1.Анализ теоретического материала.

1.1.Роль звука в жизни человека

Мы привыкли слышать различные шумы. Когда мы находимся на природе, мы слышим пение птиц, скрип деревьев, шелест листвы, шум прибоя. И это нас умиротворяет. В городе же звуков гораздо больше - это и автомобильные гудки, и шорох шин, и грохот ближайшей стройки, и вой автомобильной сигнализации, и смех малышей на детской площадке.

Звук по-разному действует на людей в зависимости от их возраста, общего состояния здоровья и слуховой чувствительности, однако в той или иной степени интенсивный шум негативно влияет на всех. Разумеется, человеческий организм должен защитить себя, и поэтому в результате воздействия сильных акустических колебаний мы начинаем терять слух. Кстати, для того, чтобы потерять слух, не обязательно работать у токарного станка - достаточно часто слушать громкую музыку (8).

Важным моментом является сочетание определенных музыкальных ритмов с тем, чем именно занят человек и какого результата хочет добиться. Простые примеры из жизни каждого дают понимание о том, что релаксирующая спокойная музыка помогает снять раздражительность и уснуть, а бодрая способна активизировать силы организма и являться вдохновляющим фактором при тяжелой физической работе или спортивных нагрузках. Имеет влияние не только жанр и этническая принадлежность, ритм и громкость, а также музыкальные инструменты, участвующие в исполнении произведения. Например, звучание некоторых инструментов (пианино) очищает щитовидную железу, стимулирует мозговую активность (5).

Здоровье человека имеет зависимость от музыкального воздействия, объясняющуюся, прежде всего тем, что любая музыка или ритм синхронизирует работу органов и систем. Делается это в сторону улучшения или нарушения баланса – вопрос подбора произведения, Организм человека чувствителен к воздействию волн различной частоты и вхождению с ним в резонанс влияет на работу всех систем органов.

1.2. Роль звука в физике

Мы называем колебания среды звуковыми, но это не значит, что все звуковые колебания мы слышим. Звуковые колебания возникают в любой среде, способной сжиматься, а так как несжимающихся тел в природе нет, то, значит, частицы любого материала могут оказаться в этих условиях. (6). При звуковых колебаниях каждая частица воздуха в среднем остается на месте – она совершает лишь колебания около положения равновесия. В самом простейшем случае частица воздуха может совершать гармоническое колебание, которое, как мы помним, происходит по закону синуса. Такое колебание характеризуется максимальным смещением от положения равновесия – амплитудой и периодом колебания, т.е. временем, затрачиваемым на совершение полного колебания.

Функция органа слуха базируется на двух принципиально различающихся процессах — механоакустическом, определяемом как механизм звукопроведения, и нейрональном, определяемом как механизм звуковосприятия (2).

Распространяющиеся в среде звуковые волны обладают свойством затухания, т. е. снижением амплитуды. Степень затухания звука зависит от его частоты и упругости среды, в которой он распространяется. Чем ниже частота, тем меньше степень затухания, тем дальше распространяется звук. Поглощение звука средой заметно возрастает с увеличением его частоты. Поэтому ультразвук, особенно высокочастотный, и гиперзвук распространяются на очень малые расстояния, ограниченные несколькими сантиметрами (4) Чем ближе собственная частота колебаний облучаемого объекта к частоте падающих волн, тем больше звуковой энергии этот объект поглощает, тем выше становится амплитуда его вынужденных колебаний, в результате чего этот объект сам начинает издавать собственный звук с частотой, равной частоте падающего звука. Барабанная перепонка благодаря своим акустическим свойствам обладает способностью резонировать на широкий спектр звуковых частот практически с одинаковой амплитудой (1)

В слуховом ощущении субъективно (звук оценивается человеком) различаются высота, громкость и тембр звука.

Простой музыкальный тон создается периодическим колебанием определенной частоты. Сложные звуки представляют собой сочетания чистых тонов.

Оркестр музыкантов воспроизводит почти все слышимые частоты. Диапазон рояля охватывает тона с частотами примерно от 25 до 4000 Гц.

Звуки, находящиеся на границе слухового диапазона, раздражают человеческое ухо. Например, писк комара – верхняя граница звука, раскаты грома – нижний звук.

1.3. Роль звука в музыке

Не все комбинации звуков доставляют удовольствие слушающему. Оказывается, приятное ощущение создают такие звуки, частоты колебаний которых находятся в простых отношениях (3). При помощи бесклавишных инструментов – типа скрипки – музыкант может взять любой тон и дать звучание любому сочетанию тонов.

В таком инструменте, как рояль, дело обстоит иначе. Струны рояля настроены на определенные частоты, удар о клавиши не может изменить тональности звука.

Вы видели, как настраивают гитару – струну натягивают на колки. Если длина струны и степень натяжения подобраны, то струна будет издавать, если ее тронуть, вполне определенный тон.

Если, однако, вы послушаете звук струны, трогая ее в различных местах – посередине, на одной четверти от места крепления, в любом другом месте, то услышите не вполне одинаковые звуки. Тон будет один и тот же, а окраска звука, или, как говорят музыканты, тембр звука, будет различным.

В зависимости от возбуждения струна может колебаться и с большими частотами. Все эти частоты, как говорят, относятся к собственным колебаниям струны.

Звукоизвлечение отличается у различных инструментов. Инструменты подразделяются на большие группы: струнные, клавишные, ударные, духовые. В духовых инструментах звук издается в результате колебаний столба воздуха, заключенного внутри трубки. Чем больше объем воздуха, тем более низкий звук он издает.У струнных инструментов звук здесь издается колеблющейся струной. Для усиления звука струны стали натягивать над полым корпусом - так появились лютня и мандолина, цимбалы, гусли и гитара.

Струнная группа делится на две основные подгруппысмычковые и щипковые инструменты. Звук струнносмычковых инструментов извлекается смычком, которым водят по натянутым струнам. А для щипковых смычок не нужен: музыкант пальцами защипывает струну, заставляя ее колебаться.

Если пальцы, ударяющие по струнам, заменить молоточками, а молоточки приводить в движение с помощью клавиш, получатся клавишные инструменты. 

Выводы по первой главе: звук имеет важное значение в жизни человека, воздействие звука может быть как полезным, так и разрушающим. Звук характеризуется определенными физическими характеристиками: тембром, тоном, высотой, частотой, амплитудой– которые воздействуют на слуховой анализатор.

2.Исследование музыки как физического процесса

2.1.Методики исследования

Большинство опытов со звуком дает чисто субъективные результаты, которые зависят не только от характера наблюдаемых материальных явлений, но и от

собственных реакцией наблюдателя, от его впечатлений, ощущений, представлений. Они связаны с деятельностью организма наблюдателя, с его воспринимающими сенсорными механизмами.

В качестве оборудования во всех опытах использовались скрипка, фортепиано, гитара, флейта, барабаны., тюнер, звукозаписывающая студия (Приложение 1).

Опыт №1. Исследование тембра звука.

Цель опыта: определить наиболее приятный для слуха тембр звука

Оборудование: скрипка, фортепиано, гитара, флейта, барабаны.

Опыт №2. Исследование громкости звука

Цель опыта: определение комфортной для человеческого слуха громкости музыкальных инструментов

Опыт №3. Исследование высоты звука.

Цель опыта: определить частоту самого низкого и самого высокого звука у выбранных инструментов с помощью тюнера, и на слух.

Опыт № 4. Анализ звукоизвлечения с точки зрения физики

Цель опыта: применить знания о звуковых физических процессах при собственной игре на музыкальных инструментах.

Ни одни из описываемых опытов не может причинить зрению ни малейшего ущерба, При проведении многих опытов необходима нормальная функционирование слухового аппарата. Для некоторых эти опыты, безусловно, окажутся трудными, к тому же здесь не миновать расхождений в точности оценки результатов.

Вр время опытов учтены принципы научного исследования. В некоторых случаях, направляя действия наблюдателя, опыт повторен, а затем подсчитан средний арифметический результат.

2.2. Представление результатов опытов

В опыте №1 пятерым людям предлагалось прослушать музыкальный фрагмент на разных инструментах и оценить ощущения по 10-балльной шкале. 1-неприятно, 10-нравится. Результаты опыта представлены в таблице 1.

Таблица 1. Результаты исследования тембра звука

 

Фортепиано

Скрипка

Барабаны

Гитара

Флейта

Саша

10

8

5

9

8

Рита

9

9

5

7

7

Ирина

10

10

10

10

10

Полина

8

9

3

9

7

Арина

9

5

8

10

6

В опыте №2 Испытуемые прослушивали каждый инструмент с разной регулируемой громкостью от 30Дб до 100Дб. Комфортная для слуха громкость каждого инструмента фиксировалась в таблице 2. Обработанные результаты представлены в диаграмме 1 приложения 2.

Таблица 2. Результаты определения комфортной громкости

 

Фортепиано

Скрипка

Барабаны

Гитара

Флейта

Саша

70

40

90

80

40

Рита

80

80

50

70

80

Ирина

50

90

50

70

70

Полина

40

80

40

90

70

Арина

40

40

30

40

40

Ср.значение

56

62

70

52

60

В первой части опыт №3 сыгран самый низкий звук, самый высокий звук на инструменте; зафиксирован тюнером частоты, внесено значение в таблицу 3,4

Таблица 3. Самые низко-воспроизводимые звуки.

Фортепиано

Гитара

Скрипка

Флейта

Барабаны

27,24

82,39

196,00

174,56

40

Таблица 4. Самые высоко-воспроизводимые звуки:

Фортепиано

Гитара

Скрипка

Флейта

Барабаны

4200

1175

3500

4200

1300

Во второй части проигран звук равный частоте 440Гц на инструментах. Испытуемым предложены оценить ощущения высоты звука инструмента по 10-балльной шкале (приложение 2)

Как мы видим из диаграммы и таблицы один и тот же звук, воспроизводимый разными инструментами, воспринимается людьми по-разному.

В опыте 4 обобщен собственный опыт игры на музыкальных инструментах. Анализ представлен в таблице 6.

Таблица 6. Анализ звукоизвлечения.

Название инстру-мента

Способ звукоизвле-чения

Особенность устройства музыкального инструмента

Физический процесс

Фортепиано

Ударный принцип (нажатие клавиш)

Струны, дека, механическая часть, расположенные вертикально.

Момент атаки и возникновение звука

Скорость атаки определяет силу звука, а также форму звуковой волны. Чем резче атака, тем острее начало звука и более крутой спад. Чем мягче атака, тем более пологой и продолжительной получается звуковая волна

Скрипка

Деташе ( ведение смычка)

Пиццикато (щипок)

Корпус скрипки имеет специфическую округлую форму. Округлость внешних контуров и линий «талии» обеспечивает удобство игры

Трение возникает между смычком и струной. Для увеличения трения смычок натирают канифолью. Стоячие волны возникают в струне, закреплённой в 2 точках, при сложении бегущей Равномерное и равноускоренное движение смычка при проведении им по струне с постоянной или изменяющейся скоростью  и отражённой волны .Колебательное движение совершают струны и корпус скрипки . Корпус скрипки колеблется, излучая в пространство звуковые волны. Резонанс возникает в корпусе скрипки при колебаниях закреплённой на нём струны. Незатухающие автоколебания струны, возникающие при скольжении смычка по струне. Передача энергии от вибрирующей струны корпусу инструмента.

Флейта

Дыхание

 

Флейта издает звук, когда создаю поток воздуха у края входного отверстия.

В мундштуке рождаются колебания в определенном диапазоне частот. Одна из них резонирует со столбом воздуха в канале духового инструмента и зависит от длины столба.

Меняя длину воздушного столба можно извлечь нужную ноту.

При игре на духовом инструменте молекулы воздуха в нем совершают колебательные движения с разной амплитудой в разных местах воздушного столба. 

Гитара

Пиццикато (щипок медиатором)

 

Прижимая пальцами струны к грифу меняю высоту тона струн . Пальцы укорачивают струну, повышая частоту ее колебаний.

Выводы по второй главе: исследованы разные музыкальные инструменты, выявлена комфортная для слуха, сделан анализ звукоизвлечения разных музыкальных инструментов.

Выводы

Организм человека чувствителен к воздействию волн различной частоты и вхождению с ним в резонанс влияет на работу всех систем органов. Звук описывается следующими характеристиками: тембр, высота, тон. Звукоизвлечение у музыкальных инструментов разных групп зависит от физических процессов.

Для разных людей приятными для слуха являются инструменты разных тембров. Фортепиано обладает тембровой нейтральностью, а скрипка имеет самый яркий тембровый окрас.

Комфортная для слуха громкость музыкальных инструментов лежит в пределах от 52Дб до 70Дб. Восприятие высоты звука человеком субъективно и отличается от точных показателей.

Имея начальные знания о музыке и звуковых физических процессах возможно применить их для освоения новых музыкальных инструментов.

Гипотеза исследования подтверждена.

Глоссарий.

Акустика - учение о физических колебаниях.

Волна - распространение звуковых колебаний.

Звук – распространяющийся в виде продольных волн колебательное движение частиц упругой среды: газообразной, жидкой или твёрдой.

Резонанс — акустическое явление, в результате которого падающие на какое-либо тело звуковые волны вызывают вынужденные колебания этого тела с частотой приходящих волн.

Слуховой, или звуковой анализатор - орган слуха, в основе функции которого лежат анализ и синтез невербальной и вербальной звуковой информации, содержащей природные и искусственные звуки в окружающей среде и речевые символы.

Cписок использованных источников и литературы.

Анфилов Г.В. Физика и музыка / Г. В. Анфилов — М.: Детская литература, 1964. – 187 с.

Бабияк В. И. Оториноларингология / В. И. Бабияк, М. И. Говорун, Я. А. Накатис, А.Н. Пащинин - Санкт-Петербург: Питер, 2005 г. – 203 с.

Газарян С.С. В мире музыкальных инструментов: для учащихся старших классов / С. С. Газарян — М.: Просвещение, 1985. – 246 с.

Ландау Л.Д. Физика для всех / Л. Д. Ландау, А.И. Китайгородский - М.: «Наука», 1974 - 280 с.

Музыкальный энциклопедический словарь / Гл. ред. Г. В. Келдыш. — М.: Советская энциклопедия, 2006. – 500 с.

Перельман Я. И. Занимательная физика : книга 2 «Звук. Волнообразное движение»./ Я. И. Перельман - М.: Наука, 1983. – 330 с.

Эллиот. Л. Физика / Л. Эллиот, У. Уилкокс, пер. с англ. Под ред. А.И.Китайгородского — М.: Физматгиз, 1993. – 276 с.

[Электронный ресурс]. – URL: https://medbe.ru/materials/ukho/fiziologiya-organa-sl..(Дата обращения 20.10.2018

Приложение 1. Практическая часть исследования.

Приложение 2.

Диаграмма 1. Результаты опыта №2.


Диаграмма 2. Опыт №3.

Таблица 5.

 

Фортепиано

Скрипка

Гитара

Флейта

Саша

6

9

4

8

Рита

8

10

5

10

Ирина

7

8

6

8

Полина

8

9

8

9

Арина

5

6

5

5

Ср.знач.

6,8

8,4

5,6

8

Просмотров работы: 2941