Физика музыки: из чего сделана симфония

Наслаждаясь музыкой, мы не задумываемся, откуда появляется такое разнообразие звуков. Но завесу тайны работы музыкальных инструментов можно немного приоткрыть, если разобраться в этом вопросе с точки зрения физики. 

Наши органы слуха воспринимают колебания, то есть периодическое возмущение частиц в разных средах — газообразных, жидких, твердых. Представим шарики, подвешенные в ряд на тонких нитках. Если поднять крайний шар и отпустить, он толкнет соседний, а тот, в свою очередь, — следующий и так далее. В итоге возникнет волна, которая будет распространяться по всей среде, в данном случае — между шариками. 

Однако молекулы воздуха, которые распространяют звук, так просто рукой не толкнешь — нужен источник. Так, при игре на музыкальном инструменте исполнитель вызывает колебание одной из его частей — дергает струну, нажимает на клавишу, бьет по барабану. 

Возмущенные «ударом», частицы в составе среды начинают двигаться с определенными частотами (количество замкнутых циклов движения в единицу времени) и амплитудами (максимальное расстояние от нулевой точки). Волны с малыми частотами воспринимаются как низкие звуки, а с большими — как высокие. На восприятие колебаний частиц нашим органом слуха также влияет их фаза, по сути, сдвиг графика одной волны от другой.

Важно, что в децибелах измеряют не саму величину, а ее изменение. Характеристикой звука, которую можно непосредственно измерить, является его интенсивность — поток энергии, приходящейся на единицу площади. Помимо изначальных свойств колебаний «переносчиков» шума (в частности, амплитуды и частоты), она зависит от расстояния между объектами и сопротивления среды. Для перевода интенсивности в децибелы необходимо воспользоваться следующей формулой: 

Громкость (дБ) = 10lg (интенсивность/эталонная интенсивность)  

За эталонную интенсивность принято брать величину самого слабого слышимого звука, 10-12 Вт/м². Попробуем рассчитать громкость шума, интенсивность которого составляет 0,2 Вт/м²:

0,2 Вт/м2 = 10lg (0,2/10-12) = 113 децибел.

Такой уровень примерно соответствует звуку работающего перфоратора.

Также в музыке есть понятие октавы. На самом деле это просто интервал, в котором соотношение частот составляет один к двум. Ведь наш слух устроен так, что при одновременном воспроизведении этих частот они сливаются в один звук. Например, на фортепиано есть несколько клавиш с нотами ля. Первая октава имеет частоту 440 Гц, вторая — 880 Гц, третья — 1760 Гц и так далее. При нажатии на клавиши ля соседних октав (первой и второй, второй и третьей) полученный звук кажется нам гармоничным.  Именно на этом эффекте основана музыкальная шкала, в которой одна и та же нота повторяется каждую октаву.

Октава фортепиано

Однако звук, который издают музыкальные инструменты, не является «единым». Вследствие сложности производящих его объектов возникают дополнительные колебания. Скажем, в фортепиано есть молоточки, которые бьют по определенным частям туго натянутых металлических струн. Но за счет локализованности прикосновения молоточка колебания «распределяются» по струнам — ее части движутся с разными частотами. Если слегка прикоснуться к уже тронутой струне гитары, звук изменится, но не исчезнет полностью, потому что будет погашена (или изменена) часть колебаний. 

Источник звука в фортепиано

Словом «тембр» чаще всего характеризуют голос человека. Но тембром обладают и музыкальные инструменты. По этому параметру отличают звуки одинаковой частоты и громкости, но воспроизведенные на разных инструментах. Дело в том, что материалы, конструкция и форма последних отличаются, как и строение голосовых связок каждого человека. Ключевыми в определении тембра являются как раз обертоны — сложная система колебаний, зависящая от особенностей устройства музыкального инструмента. 

«Для меня, как человека, посвятившего жизнь музыке, объяснять ее звуки с точки зрения только физики не совсем приемлемо. Наш слух — это не просто регистратор тембра, громкости, высоты, это нечто большее! Мозг обрабатывает полученную информацию согласно индивидуальным особенностям — гибкости слуха, его развитости, умения человека переключаться. Поэтому в музыкальных школах детей учат воспринимать звук, рассматривать его, словно картину, в которой всегда можно найти нечто более глубокое, чем видит непрофессионал. В любом случае каждый человек слышит свою музыку, вкладывает в нее свой смысл, и это следует учитывать, разбивая звук на простые «кирпичики», нарисованные колебательными характеристиками частиц», — комментирует Ирина Воронцова, доцент кафедры теории музыки Московской государственной консерватории имени П. И. Чайковского. 

Источник: ria.ru

Новости по теме:

Оставить ответ

*