Физика и музыка

Государственное областное бюджетное профессиональное образовательное учреждение "Липецкий машиностроительный колледж"

ФИЗИКА

Физика и музыка

Пендюрин Михаил Феликсович

11 класс

Макашова Любовь Сергеевна

Преподаватель физики

Липецк, 2023

Оглавление

Глава 1. Введение………………………………………………………………………………………..3-4

Глава 2. Основная часть……………………………………….……………………………………….5-13

• Теоретическая часть…………………………………………………………………………….5-9

• Практическая часть………………………………………………………………………….....9-11

Глава 3. Заключение……………………………………………………………………………………...12

Глава 4. Библиографический список…………………………………………........................................13

Введение

Физика и музыка - две разные области знаний, но они тесно связаны друг с другом. Музыка всегда была и будет неотъемлемой частью нашей жизни. Сегодня многие люди не мыслят свою жизнь без музыкального сопровождения. Музыка, как искусство, вдохновляет и движет человечество на протяжении веков, а физика, как наука, объясняет множество аспектов, связанных с созданием, восприятием и производством музыки. В этой работе мы рассмотрим, какие физические законы лежат в основе музыки и как физика влияет на звучание и инструменты музыкального искусства.

Связь физики и музыки является очень актуальной темой так как объединяет две дисциплины - физику и музыку. Исследование связи между физикой и музыкой имеет важное значение и позволяет углубить наше понимание обоих наук.

Во-первых, изучение физики музыки помогает объяснить явления, связанные с созданием и восприятием звука. Например, различные аккорды, гармонии и мелодии имеют определенные физические особенности, связанные с частотой и амплитудой звуков. Использование научных принципов физики позволяет лучше понять, почему некоторые звуки звучат гармонично, а другие - нет.

Во-вторых, физические принципы применяются при создании музыкальных инструментов. Резонанс, акустика и механика звука играют важную роль в процессе конструирования и производства инструментов. Изучение этих физических аспектов позволяет улучшить качество и звучание инструментов.

Кроме того, физика и музыка также взаимосвязаны в области электронной музыки. Музыкальные эффекты, обработка звука, синтезаторы и другие электронные устройства используют физические законы для создания и модификации звуков.

Наконец, изучение физики и музыки может вдохновить молодых ученых и музыкантов на новые исследования и открытия. Она может стимулировать развитие новых технологий в области музыки и активно влиять на индустрию развлечений и современную музыкальную практику.

Объектом исследования являются физические явления в музыке.

Предмет исследования -  музыка.

Цель проекта - изучить благодаря каким физическим явлениям и свойствам создается музыка.

Теоретическая значимость заключается в расширении наших знаний о физических принципах, лежащих в основе создания и восприятия музыки.

Изучение связи между физикой и музыкой может помочь уточнить наши представления о звуковых явлениях и гармонии, а также способствовать развитию новых теоретических моделей и методов анализа звуковых структур.

Практическая значимость заключается в возможности применения физических принципов в создании и улучшении музыкальных инструментов, акустических систем и звукозаписывающей техники.

Основная часть

Теоретическая часть

Звук — это объективно существующее в природе физическое явление, вызываемое механическими колебаниями какого-либо упругого тела (туго натянутой струны или мембраны, голосовых связок, металлической или деревянной пластины, воздушного столба, заполняющего корпус духовых инструментов и т.п.), в результате чего образуются звуковые волны, воспринимаемые ухом и преобразуемые в нем в нервные импульсы.

Звуковыми волнами называются периодически чередующиеся сгущения и разрешения в окружающей упругой — например воздушной — среде (звукопроводящими средами являются также жидкости и твердые тела), вне которой, как, скажем, в вакууме, звук возникнуть вообще не может. Звуковые волны, распространяющиеся в атмосфере от источника звука равномерно во все стороны (подобно радиоволнам), воспринимаются органами нашего слуха и при помощи определенных участков нервной системы передаются в головной мозг, где и осознаются как конкретные звуки.

Гармония и звук

Музыка - это искусство организации звуков во времени. Основной элемент музыки - это звук, который обладает определенными физическими характеристиками. Звук производится колебаниями воздушных молекул, и эти колебания можно описать с помощью таких физических параметров, как частота, амплитуда и длительность. Частота колебаний определяет высоту звука (например, ноту "до" или "ре"), а амплитуда влияет на громкость.

Законы акустики

Акустика - это раздел физики, изучающий звук и его распространение. Законы акустики играют важную роль в создании и восприятии музыки. Например, закон обратного квадрата гласит, что интенсивность звука уменьшается с увеличением расстояния от источника по квадрату этого расстояния. Этот закон важен для концертных залов, где необходимо правильно располагать акустические системы, чтобы звук достигал всех слушателей с одинаковой громкостью.

Ритм

Ритм в музыке - это последовательность упорядоченных звуковых событий, разделенных на временные интервалы. Физически ритм определяется длительностью этих интервалов и их последовательностью. Ритм создается колебаниями, которые могут быть сгруппированы в тактовые единицы, такие как удары барабана или пульсация метронома.

В физическом плане ритм также связан с частотой, которая определяет количество колебаний в единицу времени. Например, если у вас есть звуковой сигнал, колебания которого происходят с частотой 440 Гц, то это соответствует частоте ноты "ла" в музыке. Различные длительности и последовательности этих колебаний создают разные ритмические узоры.

Темп

Темп в музыке описывает скорость выполнения музыкального произведения и определяется числом ударов в минуту. Физически темп также связан с частотой, и это влияет на то, как быстро музыканты или исполнители двигаются и как быстро они производят звуки.

Частота ударов или пульсации в минуту определяет темп музыкального произведения. Например, если музыкальное произведение имеет темп 120 ударов в минуту, это означает, что между каждым ударом или пульсацией проходит полсекунды. Темп может варьироваться в широком диапазоне, что позволяет создавать музыку с разной динамикой и выразительностью.

Высота звука в музыке определяется его частотой, которая измеряется в герцах (Гц). Физически высота звука связана с частотой вибрации звуковых волн. Вот основные концепции, связанные с высотой звука с физической точки зрения:

Частота: Частота звуковой волны определяет, насколько высоким или низким будет звук. Высокие частоты соответствуют высоким нотам, а низкие частоты - низким нотам. Нота "Ля" с частотой 440 Гц звучит выше, чем нота "До" с частотой 261,63 Гц.

Диапазоны высоты звука: Человеческое ухо способно воспринимать звуки в диапазоне примерно от 20 Гц (низкие басовые звуки) до 20 000 Гц (высокие частоты). Этот диапазон называется слуховым диапазоном. Ограничения слухового диапазона могут варьировать у разных людей и с возрастом.

Инструменты и высота звука: Разные музыкальные инструменты производят звуки разной высоты на основе частоты вибрации струн, колебаний воздуха или других механизмов. Например, скрипка обычно производит высокие ноты, в то время как контрабас производит низкие ноты.

Гармоники: Помимо основной частоты, музыкальные инструменты производят гармоники, которые являются кратными основной частоте. Гармоники придают звучанию инструмента его характерный тембр и оказывают влияние на восприятие высоты звука.

Мелодия и гармония: В музыке высота звука играет важную роль в создании мелодий и гармоний. Высота звука определяет музыкальные интервалы и аккорды, которые влияют на эмоциональное восприятие музыки.

Музыкальные инструменты:

Все инструменты делятся на 5 видов:

• Струнные

• Духовые

• Клавишные

• Ударные

• Электронные

(см. Приложение 1)

Музыкальные инструменты можно рассматривать с точки зрения физики, учитывая ряд важных характеристик и свойств. Вот некоторые из них:

Резонанс - это ключевое физическое свойство музыкальных инструментов. Инструменты содержат резонирующие элементы, такие как струны, колеблющиеся воздушные колонки или мембраны. Когда эти элементы вибрируют под воздействием энергии (например, при нажатии на струну или духовом инструменте), происходит усиление и резонанс звука.

Частота и высота звука:

Частота вибрации инструмента определяет высоту звука, который он создает. Инструменты с более быстрой вибрацией создают более высокие ноты, а инструменты с медленной вибрацией - низкие ноты.

Амплитуда:

Амплитуда вибрации определяет громкость звука. Большая амплитуда создает более громкий звук, в то время как меньшая амплитуда приводит к более тихому звуку.

Гармоники:

Вибрация инструмента часто включает в себя не только основную частоту, но и гармоники - кратные этой частоты. Гармоники придают инструменту его характерный тембр и богатство звучания.

Форма и размер инструмента:

Форма и размер инструмента влияют на его звук. Например, форма резонатора и длина струн влияют на частоту резонанса инструмента и его тембр.

Материалы:

Материалы, из которых сделан инструмент, также играют важную роль. Например, дерево, металл или пластик влияют на звучание инструмента.

Атака и затухание:

Атака описывает начальный момент звучания инструмента, а затухание - исчезновение звука после его создания. Физически атака и затухание связаны с характером вибрации инструмента и взаимодействием звука с окружающей средой.

Вибрация воздуха:

Духовые инструменты создают звук путем вибрации столба воздуха в их резонаторах. Физика вибрации воздуха играет важную роль в производстве звука на таких инструментах.

Практическая часть:

Приведем примеры разного применения физики в разных музыкальных инструментах и композициях.

Гитара:

Музыкальная акустическая гитара использует несколько физических явлений и свойств для создания звука:

1. Резонанс: Гитара имеет резонансные полости - корпус и звукосниматель. Когда струны гитары раскачиваются и производят звуковые волны, они взаимодействуют с воздушной полостью внутри корпуса и звукоснимателя. Резонансные частоты полостей гитары усиливают определенные частоты звука, что дает ей характерный тональный окрас и громкость.

2. Акустика: Звуковые волны, созданные струнами гитары, распространяются через воздух и отражаются от поверхностей корпуса. Различные формы и материалы корпуса влияют на рассеивание и рефлексию звука, что в свою очередь формирует тональность и атмосферность инструмента.

3. Резонанс и декорация струн: При игре на гитаре струны вибрируют с определенной частотой. Длина, масса и натяжение струн влияют на частоту и характер вибрации. Резонирующие струны создают звук, который передается через гриф гитары и вибрирует корпус, что способствует усилению звука.

4. Вибрация грифа и флажков: При зажиме струн на грифе гитары и продуве воздухом через флажки или порожки, длина и частота вибрации струн меняются, что влияет на звук и возможность проиграть разные ноты.

Одними из знаковых композиций связанных с акустической гитарой являются:

1. Losing My Religion – R.E.M.

2. Angie – The Rolling Stones.

3. Как на войне – Агата Кристи

(см. Приложение 2)

Пианино:

Музыкальное пианино также использует несколько физических явлений и свойств для создания звука:

1. Акустический резонанс: Когда музыкант нажимает клавишу на пианино, молоточки со специальными головками ударяют по струнам. Струны вибрируют и создают звуковые волны, а резонансные полости и материалы корпуса пианино усиливают определенные частоты и формируют звуковое распространение внутри инструмента.

2. Механика и резонаторы: Когда клавиша на пианино нажимается, происходит механическое передвижение и резонанс. Молоточки приходят в контакт со струнами и передают им энергию вибрации. Отличительной особенностью пианино является резонирующий деревянный регистратор, который является частью механической конструкции и стоит над каждой группой струн. Регистраторы усиливают звук и помогают формированию его характеристик.

3. Контроль тембра и громкости: Пианино позволяет музыканту контролировать тембр и громкость звука. В результате механики и использования педалей на пианино создается длительность и отрывистость звуков, различные громкости и динамика игры.

4. Резонансные колебания воздуха: При проигрывании пианино, открытая дека и проборные отверстия создают резонансные колебания воздуха, которые способствуют обогащению звучания инструмента и его акустической проекции.

Всеми известные композиции которые исполняются на пианино это:

1. Бетховен - Соната для фортепиано № 14

2. Рахманинов – Концерт для фортепиано с оркестром №3

3. Шостакович – Концерт для фортепиано с оркестром №2

(см. Приложение 3)

Синтезатор:

Музыкальный синтезатор является электронным инструментом, который использует ряд физических явлений и свойств для создания звука:

1. Электрические сигналы и колебания: Синтезатор производит звук, генерируя электрические сигналы и колебания. Он может использовать различные осцилляторы, которые создают разные звуковые волны, такие как синусоиды, квадратные или пилообразные волны.

2. Синтез звука: Синтезаторы могут использовать разные методы синтеза звука, включая аналоговый, цифровой, FM-синтез и другие. В аналоговых синтезаторах, например, изменение параметров напряжения и частоты колебаний может приводить к изменению тона, тембра и громкости звука.

3. Фильтрация и модуляция: Синтезатор также может применять фильтрацию, чтобы формировать частотный спектр звука и изменять его характеристики. Модуляция позволяет менять параметры звука, такие как атака, длительность и релиз, создавая разнообразные звуковые эффекты.

4. Управление и программирование: Синтезаторы обычно имеют интерфейс, который позволяет программировать и контролировать звуковые параметры. Музыкант может управлять высотой тона, динамикой, тембром, эффектами и другими параметрами, чтобы создавать различные звуковые эффекты и мелодии.

Композиции которые написаны с помощью синтезатора:

1. Kaitlyn Aurelia Smith — First Flight

2. Electronic Feelings-Stive Morgan

3. We Are Mirage-Eric Prydz, Empire Of The Sun

(см. Приложение 4)

Один из примеров музыкальных композиций, в которых участвуют различные типы инструментов, это популярная песня "Bohemian Rhapsody" группы Queen (см. Приложение 5):

1. Струнные инструменты:

В песне используются электрическая гитара для создания мощных рифов и соло-партий, а также акустическая гитара, которая добавляет аккомпанемент и поддержку.

1. Духовые инструменты:

В композиции звучат саксофон, труба и флейта, которые придают мелодичность и разнообразие звучанию.

1. Ударные инструменты:

Барабаны, тарелки и перкуссия создают ритмическую основу композиции и обеспечивают динамический эффект.

1. Клавишные инструменты:

Пианино играет важную роль в "Bohemian Rhapsody". Его звук помогает развивать ритм и гармонию песни.

1. Электронные инструменты:

В песне "Bohemian Rhapsody" также добавлены электронные музыкальные инструменты, включая синтезаторы и орган, чтобы создать различные звуковые эффекты и дополнительные звуковые текстуры.

Этот пример показывает, как различные типы инструментов объединяются в композиции, чтобы создать богатый и многогранный звуковой пейзаж.

Заключение

Музыка и физика - две области знаний, которые взаимодействуют и дополняют друг друга. Физика звука объясняет основы музыки, а понимание акустики и физических принципов инструментов помогает музыкантам и звукорежиссерам достичь лучших результатов. Соединение этих двух дисциплин позволяет создавать и наслаждаться музыкой во всей ее красоте и гармонии.

Музыкальные инструменты играют важную роль в создании музыки, и каждый из них обладает уникальными физическими явлениями и свойствами. Например, синтезаторы используют электрические сигналы и колебания для генерации звука, а струнные инструменты производят звук путем вибрации струн. Духовые инструменты используют поток воздуха и колебания для создания звука, в то время как ударные инструменты используют удары и перкуссию. Клавишные инструменты, такие как пианино, используют механизмы клавиатуры для создания звука, а электронные инструменты, включая синтезаторы, управляемы электрическими сигналами и программированием.

Изучение физических явлений и свойств, лежащих в основе каждого инструмента, позволяет музыкантам экспериментировать с звуком и создавать уникальные композиции. Это также позволяет развивать инновационные звуковые эффекты и новые инструменты, расширяя границы и возможности музыкального творчества.

В итоге, музыка становится мощным и эмоциональным средством самовыражения, которое объединяет разные типы инструментов и физические явления, чтобы создать великолепные музыкальные произведения.

(см. Приложение 6)

Библиографический список:

1. Газарян С.С. В мире музыкальных инструментов/Для учащихся старших классов. -- М.: Просвещение, 1985.

2. Клара Р. Хитц. Петер в стране музыкальных инструментов. -- М.: Музыка, 1965.

3. Перельман Я.И. Занимательная физика. (Книга 2, глава 10. «Звук. Волнообразное движение».)/21-е изд. испр. и доп. -- М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1983.

4. Бармасов, А.В. Курс общей физики для природопользователей. Колебания и волны. / А.В. Бармасов. - СПб.: BHV, 2012. - 256 c.

5. https://ru.wikipedia.org/wiki/Электронные_музыкальные_инструменты

6. https://dzen.ru/a/YYY0IPSX9lVJHlpS

7. https://jliza.ru/vidyi-muzyikalnyix-instrumentov.html

8. https://music.yandex.ru/users/i.zeshadow/playlists/1014

Приложение 1

Струнные инструменты:

Духовые инструменты:

Клавишные инструменты:

Ударные инструменты:

Электронные инструменты:

Приложение 2

Приложение 3

Приложение 4

Приложение 5

Приложение 6