Фізика музичних інструментів

ВСТУП

Музика дуже багатогранна. Це цілий світ звуків: цокання годинника і гул моторів, шелест листя і завивання вітру, спів птахів і голоси людей. Споконвіку наша земля була гігантської музичної майстерні та концертної естрадою. У будь глушині людина співав, грав, виробляв те, що свистить, гуде, гримить. Це було потрібно як повітря, бо музика допомагала йому в праці, прикрашала радість, полегшувала печаль. Музика зближувала, ріднила, об'єднувала людей. Вона всюди. Без неї не можна. За старовинним віруванням, музика не тільки насолода, але і причина подій. Вона здатна викликати сонце і втопити хліб в дощах.

Але що ж видає музику? Це безліч музичних інструментів. Я вирішила зупинитися на клавішних, тому що вони володіють барвистим різноманіттям звучання, яке дозволяє особливо яскраво втілювати будь-які образи - від картин природи і подій суспільного життя до найтонших відтінків людських переживань. Але не тільки це зацікавило мене в клавішних інструментах, було цікаво розібратися в їх пристрої, в історії походження, в тому, як вони виникли і удосконалювалися. Дійсно, зараз, наприклад, на фортепіано грає майже кожен третій учень. Але навряд чи хтось із них хоча б раз замислювався, чому при натискання клавіші виникає звук і звідки він взагалі береться. А адже при натисканні тільки однієї клавіші, тим більше під час виконання будь-якого твори, всередині інструмента відбувається безліч процесів, сотні процесів, які напряму пов'язані з фізикою. Саме тому я вирішила розглянути пристрій фортепіано з точки зору фізики. Тим більше, що я займалася і вчилася грі на фортепіано, що більш привернуло мене до цієї роботі. Таким чином, я поставила перед собою мету:

Розібратися в фізичних основах дії клавішних інструментів. І досліджувати за допомогою комп'ютера характеристики звуків фортепіано.

1. Вивчити історію виникнення клавішних інструментів.

2. Розібратися в поняттях звук і музичний звук.

3. Розібратися в характеристиках музичного звуку і досліджувати їх на дослідах, за допомогою фортепіано та комп'ютера.

1. ОСНОВНА ЧАСТИНА

1.1. Клавішні музичні інструменти

Клавікорд - Це найперший клавішний інструмент. Дослівно перекласти цю назву можна як клавішеструннік. Історія першого клавішеструнніка почалася в ХI в. з інструменту з дивним назвою англійська шахівниця. Відомостей про нього збереглося дуже мало, в основному здогадки та припущення. Одні вважають, що на кришці інструменту була зображена шахівниця, щоб використовувати його не тільки для музикування. Інші припускають, що чергування коротеньких чорних і білих клавіш нагадувало клітини шахової дошки, а треті висловлюють думку, що сталася плутанина в словах, одне слово з плином часу стали приймати за інше, і поняття шахова мала раніше інший сенс, ніяк не відноситься до шахів.

Як була влаштована англійська шахівниця? Точно цього не знає ні хто. Одні вважають, що цей інструмент був конструктивно не дуже вдалий, тому він і поступився місце клавікорду. Інші вважають, що невдалим було тільки думки, будемо вважати клавікорд перший клавішеструнніком. Це був дійсно чудовий інструмент, надзвичайно простий і в той же час володіє ніжним сріблястим звучанням. Кілька століть він тішив слух людей самих різних станів. Вже з'явився клавесин, ще пізніше - фортепіано, а клавікорд все ще витримував конкуренцію, і багато хто воліли слухати його, настільки зачаровують були звуки.

Давайте простежимо його історію. Отже, до одного з многострунніков, нащадків монохорда, пристосували клавішний механізм. Його пристрій було дуже простим. До кінця кожної клавіші кріпився вертикальний латунний стрижень - тангент. Його верхній кінець піднімався, б'ючи по струні знизу, і залишався притиснутим до неї весь час, поки клавіша була натиснута. Коштувало музиканту підняти палець, як тангент своїм вагою опускав клавішу, і вона займала первинне положення.

Струна розташована над ним. Якщо натиснути клавішу, тангент піднімається і вдарить по струні.

Всі струни клавікорда спочатку були абсолютно однаковими я навіть налаштовувалися однаково. А різні звуки від різних клавіш виходили ось як. Тангент, витягуючи звуки, одночасно ділив струну на дві частини - звучну і не звучну. Звучна частина, природно, залишалася вільною, а не звучна приглушувався. Співвідношення цих частин при натисканні різних клавіш було неоднаковим, тому і звуки виходили різними по висоті: чим коротше звучна частина, тим вище звук.

Механізм приглушення частин струн, які не повинні були звучати, був дуже простим. Після налаштування ту частину струни, яка не мала звучати, обплітали поблизу кінця суконної смужкою або іншим приглушає матеріалом. Коли планка опускалася, і тангент відокремився від струни, глушник відразу ж діяв за всій довжині струни, і вона замовкала.

Майстри, які будували клавікорди, йшли на деяку хитрість: використовували одну струну для двох або трьох клавіш: тангенти цих клавіш вдарили її в різних місцях, і звуки виходили різними. Так вдавалося робити клавікорд компактніше - в ньому було вдвічі або навіть втричі менше струн, ніж в клавесині. Клавікорд - інструмент багатоголосий, тобто здатний одночасно видавати кілька різних звуків. Але якщо кожна струна призначена для трьох клавіш, то при одній натиснутою дві інші приречені на бездіяльність.

У старовинних клавикордах кожна струна була розрахована на кілька звуків; в даному випадку - на три. На нижньому малюнку натиснута середня клавіша з трьох. Якщо натиснути ліву клавішу, звучна частина струни буде довшим, а значить, звук нижче. При натисканні правої клавіші звук буде вище.

Багатоголосся виходило не цілком вільним. І в кінці XVII в. стали робити клавікорди, в яких число струн було дорівнює числу клавіш. Оскільки кожна клавіша управляла тепер власної струною, з'явилася можливість варіювати в одному інструменті довжину, товщину і матеріал струни, підбирати для кожного звуку найбільш підходящі.

Тут доречно коротко розповісти про історію струни. Перші струни, що з'явилися ще в кам'яному столітті, не відрізнялися від тятиви лука. Вони робилися з деревного волокна, жив і волосу тварин. Коли люди навчилися виробляти шовк, цей достатньо міцний і еластичний матеріал теж став використовуватися для виготовлення струн. Шовкові струни звучали тихо, але приємно.

Металеві струни спочатку були мідними і латунними. Їх не можна було сильно натягувати, тому що вони рвалися. А звук слабо натягнутих струн був дуже тихим і швидко загасав. І тільки в XVII в. навчилися виробляти сталеві струни. Потім деякі з них стали обв...ивати латунної або мідної канителлю, що робило товсту струну більш пружною, збільшувало тривалість звучання і покращувало тембр.

На перший клавикордах встановлювалися латунні струни, пізніше з'явилися сталеві.

Зовні клавікорд являв собою невисокий ящик, який музикант під час гри ставив на коліна. Потім його стали встановлювати на столі або на спеціальній підставці. А ще пізніше інструмент знайшов власні ніжки. Але до самого останнього часу його існування можна було зустріти клавікорди дуже різних розмірів. Найменші були завбільшки з книгу. Вони володіли діапазоном в одну октаву, і цього вистачало для нескладних мелодій. Великі інструменти мали великий діапазон - до чотирьох з половиною октав. Всі інструменти прикрашалися розписом, інкрустацією або ажурною різьбою, мозаїчним орнаментом.

Від подальших клавішно-струнних інструментів клавікорд відрізнявся головним чином своїм звучанням. І ще одним: музикант не втрачав зв'язку зі струною після того, як клавіша була натиснута. Можна було ще трохи покачати її, від чого тангент ковзав по звучної струни, надавав її голосу вібруючий відтінок, можна було послабити натискання і знову натиснути сильніше - від цього теж змінювався характер звучання. Ні клавесин, ні фортепіано такої можливості не надають.

Може бути, і був би живий клавікорд досі, якби не занадто тихий звук. Тут він не витримував конкуренції ні з клавесином, ні тим більше з фортепіано, хоча досить довго ще продовжував існувати пліч-о-пліч зі своїми більш молодими побратимами. Зараз клавікорд можна побачити лише, в музеї, але там не тільки грати, але і доторкатися до нього не можна. Надія почути його все ж залишається. Повертається в концертні зали клавесин, ми знову почули лютню, і вже робляться спроби повернути клавікорд, щоб виконати твори, написані спеціально для нього.

Клавесин

Вже на перших порах, в XV-XVI ст., клавесин сильно відрізнявся від клавікорда. Замість латунних тангенти майстри встановили на задніх кінцях клавіш вертикальні дерев'яні брусочки з пір'їнками вгорі. Пір'ячко змушували звучати струну вже не ударом, а щипком. Інструмент став володарем більше гучного голосу, змінився і характер звучання. Кожна клавіша мала власну струну!

Правда, перший клавесини були недосконалими, але мало-помалу виразно виявилося їх основна перевага: можливість музикування у великому залі. У ХV ст. клавесин вже широко поширився у багатьох європейських країнах. Але ще років двісті після цього навколо клавесина і клавікорда розгоралася запеклі суперечки. Одні вважали, що клавесин в порівнянні з клавікорда сухуватий і грубуватий, що він не дає музиканту можливості грати виразно і показати все своє мистецтво. Інші говорили, що майбутнє все-таки за клавесином. І ті, й інші мали серйозні підстави для своїх тверджень.

Скільки б не говорили триста років тому про швидку загибель клавікорда, а він випускався ще на початку ХХ ст. Скільки б не говорили про те, що клавесин ніяк не замінить клавікорд, а він став одним з найважливіших явищ музичної культури. Правда, шляхи цих двох інструментів розійшлися. Клавесин став в основному концертним інструментом, її життя рясніла подіями, після яких він поліпшувався, оновлювався, ставав досконалішим.

Струна в клавесині після щипка звучала вся цілком, не ділячись, як в Клавікорде, на робочу та неробочу частини. На перших клавесинах встановлювалися жильні струни, пізніше з'явилися сталеві.

Володів клавесин абсолютно новим у порівнянні з клавікорда конструктивним елементом - гнучкою дерев'яною декою, яка, резонуючи, посилювала і облагороджувала звучання струн. Вже потім деку перейняли у клавесина і деякі клавікорди.

Багато експериментували майстри з пір'їнками, які змушували звучати струну. Спершу це були пір'ячко в буквальному сенсі; заточені шматочки стовбурів воронячих або індичого пір'я. Потім пір'ячко стали робити зі шкіри, а ще пізніше - З латунних і сталевих пластинок. Характер звуків виходив іншим, а крім того, інструмент став не таким примхливим: стовбур воронячого пера, як і пера будь-який інший птахи, дуже швидко псувався від настільки невластивою йому роботи, шкіряні пір'ячко трималися набагато довше, а металеві і зовсім майже не зношувалися.

Удосконалювалася і конструкція дерев'яного брусочки, що заміняв тангент клавікорда. Зверху він став оснащуватися глутпітелем, який в момент відпускання клавіші лягав на струну і припиняв її коливання. Майстри продумали і зворотний хід пір'їнки: воно за допомогою спеціального пристосування легко огинають струну і не викликало подвійного звуку.

Чимало потрудилися майстри над тим, щоб змусити інструмент звучати сильніше. Стали ставити подвійні, потім потрійні, навіть четверні струни для кожної клавіші.

Як і клавікорди, клавесини робилися самих різних розмірів. У великих інструментах неоднакова довжина струн диктувала і форму корпусу - інструмент все більше ставав схожим на сучасний рояль. А в малих клавесинах, що розташовують всього двома-трьома октавами, різниця довжин струн була не такою великою, і корпус залишався прямокутним. Правда, ці клавесини були маленькими тільки по порівнянні з повними концертними інструментами, а самі, в свою чергу, здавалися велетнями поруч з крихітними клавесин, які оформлялися у вигляді шкатулок, скриньок, книг. Але іноді майстри не вдавалися до жодних хитрощів, а робили просто маленькі інструменти. Діапазон їх зазвичай не перевищував півтори октави.

Стрибун клавесина з медіатором і глушником. А - клавіша не натиснута, глушник лежить на струні. Б - натиснута клавіша підштовхнула стрибун догори, медіатор по дорозі защіпнул струну, вона зазвучала. В - клавіша відпущена, стрибун опускається на місце. Медіатор знову стосується струни, але тепер уже не защипують її, а плавно огинає, т. к. рухому частину стрибуна легко відхиляється струнної. Г - стрибун став на своє місце, глушник ліг на струну, пружина повернула медіатор в вихідне положення.

Великі ж клавесини ставали ще більше в результаті постійних пошуків музичних майстрів. Переконавшись, що струни і пір'ячко з різних матеріалів дають різний тембр, клавесинних майстри намагалися поєднати всі знахідки в одному інструменті. Так з'явилися клавесини з двома, трьома клавіатурами, розташованими одна над інший. Кожна з них управляла своїм набором струн. Іноді клавіатура залишалася одна, але спеціальними важелями перемикалася на різні набори струн. Один набір міг складатися з жильних струн інший - із сталевих одинарних, третій - Із сталевих здвоєних або прибудованих. Так вносили різноманітність у тембр.

Історія зберегла відомості про унікальні інструментах. Італійський композитор і теоретик музики Вічентано, наприклад, сконструював клавесин взагалі без клавіатури! Цікавий інструмент побудували амстердамські майстра. Як би в противагу спорах між прихильниками клавесина і клавікорда вони об'єднали ці два інструменти в одному корпусі. Праворуч розміщувалася клавіатура клавікорда, зліва - клавесина. Один музикант міг чергувати в своїй практиці обидва інструменту, але можна було сісти вдвох і зіграти дуетом на Клавікорде і клавесині. (Пізніше точно так само був створений інструмент, який об'єднує клавесин і фортепіано.)

Але як не старалися майстри, вони не могли подолати основний недолік клавесина - Його одноманітне по гучності звучання. Гучність звуку залежала не від того, з якою силою музикант ударяв пальцем по клавіші, а від пружності пір'їни, защипують струну. Вправні музиканти могли взяти звук трохи тихіше, але такий невеликої різниці в силі звучання вже не вистачало. Були скуті і композитори. У нотах музичних п'єс, призначених для клавесина, вони не могли вказати "фортіссімо", тобто "Дуже голосно", тому що звали, що голосніше якогось середнього рівня клавесин звучати не може. Не могли вказати "піано" і тим більше "піанісимо", ті. "Тихо" і "дуже тихо", тому що знали, що на такі нюанси цей інс...трумент теж не здатний. Клавесини забезпечувалися двома і навіть трьома клавіатурами і комплектами струн, різними і за тембром, і по гучності, так що два різних музичних пропозиції можна було грати з різною гучністю, проте усередині пропозиції звуки були одноманітними.

Фортепіано. Історія виникнення

Назрівала ідея нового інструменту, який зберіг би всі достоїнства клавесина, а точніше, клавішеструнніка взагалі, але до того ж став би більш слухняний то енергійним, то м'яким рухам пальців музиканта. Інакше кажучи, міг би як завгодно гнучко звучати і "форте", і "піано". Чи варто дивуватися, що новий інструмент, що втілив у собі цю головну ідею, так і став називатися - фортепіано?

Однак відразу треба сказати, що повністю задача, яка була поставлена ​​старими майстрами, не вирішена й досі. Так, народився новий клавішеструннік, але це був інший інструмент, в тембрі звучання якого інструмент, до якого потрібно було звикати заново.

Зазвичай історію фортепіано виводять за такою простою схемою: клавікорд - клавесин - фортепіано. Але ця схема говорить більше про вік кожного клавішеструнніка. дійсно, раніше за всіх з'явився клавікорд, потім клавесин, а наймолодший інструмент - фортепіано. Однак, якщо ми відкинемо хронологію і візьмемо до увагу пристрій головного вузла, який передає механічний рух з клавіші на струну, то переконаємося, що попередником фортепіано був не клавесин, а клавікорд. У Клавікорде і фортепіано відбувається удар по струні, а в клавесині струна защипують. Правда, цей головний вузол став у фортепіано дуже складним, ніяк не схожим на тангент клавікорда, але принцип залишився колишнім - удар по струні. Тому і клавікорд, і фортепіано можна класифікувати як струнно-клавішно-ударний інструмент, а клавесин - як струнно-клавішно-щипковий.

Винахід фортепіано прийнято пов'язувати з ім'ям флорентійця Бартоломео Крістофорі. Але коли ідея носиться в повітрі, її втілюють майже одночасно і незалежно один від одного різні люди. Так сталося і з фортепіано. У Франції Жан Маріус, в Німеччини Готліб Шретер запропонували свої конструкції нового інструменту.

Перші У

Не Звучання популярність.

Більше Ці

Принципова Після натискання на фортепіано.

А Також

Отже, І

Минуло Дерев'яний

І, краще. Від цього

Ось звучанням.

До Кожен Причому Можна, І ось

Один

Пристрій

Пора

Що До його

Дуже

Якщо Але навіть

Рис. 6. міцною.

Теперваемий педальний гул, який не має нічого спільного з милозвучністю.

Праву педаль можна натиснути не до кінця, а трохи, щоб глушники залишалися дуже близько до струнах і в якійсь мірі впливали на їх звучання. Але цей прийом вимагає від виконавця великої майстерності. А крім того, таке тонке рух правої ногою настільки залежить від механіки тугий або, навпаки, занадто легко піддається педалі, що на гастролях музикантові доводиться кілька годин освоювати незнайомий інструмент.

Коли піаніст натискає педаль, вся молоточкова механіка зсувається трохи вбік, тому удар доводиться вже не на всі три струни, призначені для даного звуку, а тільки на дві (або на одну, якщо для якихось звуків передбачені всього дві струни). Звучання, природно, стає більш тихим і м'яким. (У піаніно молоточки не зрушуються убік, а наближаються до струн.)

Як бути, якщо потрібно довго розучувати вправи, а звукоізоляція в будинку не настільки хороша, щоб не докучати сусідам? Для цього в деяких інструментах передбачивши модератор. Якщо його включити, між молоточками і струнами проляже стрічка тонкого фетру або якого-небудь іншого матеріалу, і звучання інструменту стане тихим і глухим. Управління модератором виводиться на третя педаль, яка фіксується в натиснутому положенні, або на спеціальний важіль, розташований збоку від клавіатури.

В деяких сучасних роялях третього педаль має інше призначення - вона звільняє від глушників не всі струни відразу, як права педаль, а тільки ті, клавіші яких були натиснуті до натискання педалі. Це дозволяє музикантові вибірково оперувати різними глушниками, вільне користуватися ними і при цьому уникати педального гулу.

Залишається сказати про один дуже важливий вимозі до інструменту. Ми звикли, що будь працюючий механізм видає якийсь шум. А в фортепіано, теж представляє собою механізм, це неприпустимо. Ні яких скрипів, стуків, клацань не повинно бути. Повинна бути тільки музика.

1.2. Що таке звук?

Про те, як народжуються звуки, і що вони собою являють, люди почали здогадуватися дуже давно. Помічали, наприклад, що звук створюють вібруючі в повітрі тіла. Ще давньогрецький філософ і вчений-енциклопедист Арістотель, виходячи зі спостережень, вірно, пояснив природу звуку, вважаючи, що звучить тіло створює поперемінне стиснення і розрідження звуку. Так, коливається струна то ущільнює, то розріджує повітря, а завдяки пружності повітря ці чергуються впливу передаються далі в простір - від шару до шару, виникають пружні хвилі. Хвилі - обурення, що поширюються з кінцевою швидкістю в просторі і несуть з собою енергію без перенесення речовини. А пружні хвилі - це механічні обурення, що поширюються в пружної (твердої, рідкої або газоподібної) середовищі. Досягаючи нашого вуха, вони впливають на барабанні перетинки і викликають відчуття звуку. На слух людина сприймає пружні хвилі, що мають частоту в межах приблизно від 16 Гц до 20 кГц (1 Гц - 1 коливання в секунду). У відповідності з цим пружні хвилі в будь-якому середовищі, частоти яких лежать в зазначених межах, називають звуковими хвилями або просто звуком. Пружні хвилі з частотою менше 16 Гц називають інфразвуком, а хвилі, частота яких перевищує 20 кГц - ультразвуком.

1.3 Музичний звук

Якими б різними не були музичні інструменти за формою, влаштуванню, розмірами, все вони створювалися для однієї мети: витягання приємних для слуху музичних звуків. Що ж таке музичний звук? З точки зору фізики - це хвиля, то є процес поширення коливань від точки до точки, від частинки до частинки. Пружне тіло, виведене з положення рівноваги, здійснює гармонійні коливання, ці коливання передаються повітрю, повітряна хвиля впливає на нашу барабанну перетинку, і ми чуємо звук.

Гармонійне коливання можна розглядати як рух проекції точки, рівномірно що рухається по колу, на діаметр цього кола. Нехай радіус допоміжної кола дорівнює а, він відповідає найбільшому відхиленню від положення рівноваги: а - амплітуда. Миттєве становище визначається абсцисою х = а cos ф, де а - амплітуда, ф - фазовий кут.

Миттєве відхилення від положення рівноваги, називають зміщенням. Кут, утворений радіусом-вектором, проведеним до рухається по колу, з віссю абсцис, називають фазою ф (або фазовим кутом), час Т одного повного обороту точки по окружності, називають періодом коливання, а зворотний йому величину - частотою ( вимірюється в герцах, Гц). Людина чує звук в діапазоні частот від 16 до 20000 Гц.

Звуки бувають дуже різні. Ті, що створюють постійний фон, не організовані в струнку систему, не пов'язані між собою, і ті, що володіють особливими властивостями: чисті, дзвінкі, певної висоти, що володіють смисловою виразністю, - звуки музичні. Видають їх музичні інструменти, звукова хвиля в яких виникає від коливань струни або стовпа повітря усередині металевої або дерев'яної трубки.

1.4. Характеристики звуку

Музичні звуки розрізняються по висоті, тривалості, тривалості звучання, тембру (Специфічної забарвленням, яка залежить від матеріалу, величини і форми інструменту), від способу звуковидобування і по динаміці, тобто силі звучання.

1.4.1. Гучність звуку (інтенсивність)

Якщо виконати музичний твір від початку до кінця на одному рівні гучності, воно багато втратить у своїй виразності. Якщо б інструменти не могли змінювати гучність звуку, музика навряд чи могла б виражати найтонші відтінки почуттів.

Гучність звуку (інтенсивність сприйняття) визначається амплітудою коливань, але щоб інтенсивність сприйняття (те, що ми чуємо) збільшувалася лінійно, інтенсивність роздратування (пропорційна квадрату амплітуди коливань) повинна збільшуватися експоненціально (закон Вебера - Фехнера). Іншими словами, подвоєння гучності відчувається лише при досягненні другого ступеня первісного роздратування.

Для вимірювання гучності у фізиці користуються одиницями, називаними фонами (Децибелами):

n фонів = 101g I '/ I,

де I 'і I - інтенсивності звуків. Кажуть: гучності I 'і I розрізняються на n фонів, або на n децибел (дБ). (Мал. 8)

Шкала гучності: поріг чутності - 0дБ, шепіт - 20 дБ, нормальна мова - 40 дБ, крик - 80 дБ, великий оркестр - 100 дБ, біль в вухах - I8О дБ. Музичні терміни, які визначають ступінь гучності виконання музики, називають динамічними відтінками (від грецького слова - Силовий, тобто сила звуку). У нотах можна побачити такі позначення:

рр - pianissimo (піаніссімо) - дуже тихо;

р -Рiаnо (піано) - тихо;

mр-mezzo рiаnо (меццо піано) - помірно тихо, трохи голосніше, ніж піано;

mf-mezzo forte (меццо форте) - помірно голосно, голосніше, ніж меццо піано;

f - forte (форте) - голосно;

ff - fortissimo (фортіссімо) - дуже голосно.

1.4.2. Тембр (Спектральний склад)

Музика здатна виразити все. Їй доступні і руху думки, і будь-яке почуття, і найменший відтінок настрою. Бажання людини розташовувати великим вибором музичних голосів і викликало до життя різноманіття інструментів. І якщо один інструмент не може щось передати, то це робить інший. Але як вдається розрізнити звук взятий, наприклад, на скрипці, від звуку точно такої ж висоти, взятого на кларнеті? Це залежить від тембру. Пояснюється розходження тембру тим, що в звичайних звуках присутні коливання різних наборів частот і амплітуд. Коливання найнижчої частоти в цьому наборі служать основним тоном. Їх амплітуда найбільша. Всі інші коливання називають обертонами. Окремо ми не чуємо обертонів, але саме вони, змішуючись з основним тоном, утворюють тембр.

Кількість і якість обертонів залежить від довжини, товщини і матеріалу струни, від довжини і середнього розміру інструменту, від матеріалу, з якого він зроблений. Впливає на тембр і форма інструменту.

1.4.3. Тривалість звуку

Якщо швидко вдарити пальцем по клавіші, вийде уривчастий, дуже короткий звук. А якщо натиснути на неї і тримати, то звук вийде значно довший, поступово згасає. Загальна тривалість звучання залежить від тривалості коливань джерела звуку.

Тривалість в музиці позначають спеціальною системою значків. Одна і та ж нота, зображена на папері, може при виконанні на інструменті тривати різний час (звичайно, не сама нота, а звук, позначуваний нею). Основне позначення - це ціла нота, рівна цілій такту в чотири чверті. Вона виглядає так: - і ділиться на більш дрібні частки: половинні (), чверті (), восьмі (в™«), шістнадцяті (в™«) і т.д.

1.4.4. Висота звуку (частота)

Натиснувши крайню ліву клавішу рояля або фортепіано, ми почуємо дуже низький звук, а натиснувши крайню праву, - дуже високий. У нашому сприйнятті музичні звуки викликають почуття простору. При просуванні вправо по клавіатурі, або, як кажуть музиканти, вгору, дійсно виникає відчуття піднесення, сходження, просвітління. Якщо відкрити кришку рояля, то можна побачити, що струни в ньому не однакові. У рояля своєрідна форма, схожа на крило. Це обумовлено різною довжиною його струн: зліва довший, праворуч коротше. Крім того, струни, які відповідають нижнім звукам, товсті, обвиті так званої канителлю, а верхні - тонкі.

рис.9. Два звуку одній гучності різної висоти.

Від довжини і маси струни залежить висота звуку, а висота звуку - це частота її коливань:

f = 1/2 l P / m

де l - довжина струни, Р - її натяг, m - маса одиниці довжини.

Стандарти для висоти тону запропоновані всього покоління три тому, а загальноприйняті протягом навряд чи 25 років. Як правило, для фізиків стандартною висотою тону є "До" першої октави - 256 коливань в секунду (С-256). Більшість знає, що музичні інструменти налаштовуються на певний звук середньої октави (наприклад, "ля" має частоту 426,6 Гц, або 426,6 коливання в секунду).

В музичних колах використовувалися різні стандарти. Концертна висота тону, якій зараз рідко користуються, становила 271 коливання в секунду, що дає для "ля" близько 450 Гц, тобто тон занадто високий. Міжнародний стандарт висоти тону становив для "ля" 435 Гц, проте в даний час під всьому світі (слідом за Американської федерацією музикантів) прийнята стандартна висота для "ля" 440 Гц. Це нижче концертної висоти тону, проте, і при такому стандарті заспівати арії, складені старими майстрами, можуть не всі сопрано.

1.4.5. Мажорна гамма

В першій октаві фортепіано до-мі-соль - мажорний тризвук, частоти коливань цих нот - 256, 320 і 384 Гц. Тон, який має частоту 256 коливань в секунду, називається до (С) першої октави. Гамма, наведена в таблиці, відома під назвою "до мажор" де С є основним тоном, або тонікою. Числа 256, 288, 320 і т.д. є абсолютними числами (значеннями) коливань, числа 24, 27, 30 і т.д. - Відносними числами коливань. Відносини 1, 9/8, 5/4 і т.д. виходять шляхом ділення кожного числа коливань на перше (256). Ці відносини однакові для всіх мажорних гам, незалежно від того, з якого основного тону вони починаються. (Таблиця.1.)

Гамми завжди називаються по тонік, наприклад: "до мажор", "ре мажор "і т.д. Повна гамма "до мажор" з відповідними назвами (застосовними до будь гамі) і відносинами частот коливань наведена у таблиці. Найближчим тоном, наступним за С ', є D' (ре другої октави) частотою коливань 576 Гц.

Тони С, Е і G утворюють тонічний тризвук гами "До мажор". Відзначимо, що 256: 320: 384 = 4: 5: 6. Будь-яка група тонів з таким ставленням частот становить мажорний тризвук. Звернувшись до гаммі В«до мажорВ» ми можемо виявити в ній ще два мажорних тризвуки: F, А і С'' - субдомінантное тризвук, і G, В і D '- домінантне тризвук. Оскільки ці тризвуки містять всі тони мажорній гами, то можна сказати, що гамма заснована саме на них.

Таблиця № 1.

1.4.6. Музичний інтервал

Якщо залишаються постійними відносини частот коливань, то зберігаються і відносини між висотами зі відповідних тонів. Термін музичний інтервал описує відношення частот двох тонів, а не їх різниця. Коли це відношення дорівнює 2: 1, як у випадку С ': З = 512: 256, інтервал становить октаву. Відношення між третій і перший тонами мажорній гами одно 5: 4, як у випадку Е: С. Це велика терція. Іншими важливими інтервалами є кварта (4: 3), квінта (3: 2), секста (5: 3) і мала терція (6: 5) (G: E в гаммі В«до мажор В»). Очевидно, октава - це восьмий інтервал.

1.5. Поширення звуку

Звук може поширюватися у вигляді поздовжніх і поперечних хвиль. У газоподібної і рідкої середовищі виникають лише подовжні хвилі, коли коливальний рух часток відбувається лише в тому напрямку, в якому поширюється хвиля. У твердих тілах крім повздовжніх виникають також і поперечні хвилі, коли частинки середовища коливаються в напрямках, перпендикулярних до напрямку поширення хвилі. Так, б'ючи по струні перпендикулярно її напрямку, ми змушуємо бігти хвилю уздовж струни.

Звукові хвилі несуть із собою енергію, яку повідомляє їм джерело звуку. Величину кінетичної енергії, що протікає за одну секунду через один квадратний сантиметр поверхні, перпендикулярної напрямку хвилі, обчислив російський вчений Н.А. Умів. Цю величину назвав потоком енергії. Вона виражає міру інтенсивності, або, як кажуть, сили звуку. Щоб викликати звукове відчуття, хвиля повинна володіти деякою мінімальною інтенсивністю. Величину її називають порогом чутності.

Звукові хвилі поширюються зі швидкістю. Швидкість звуку є не що інше, як швидкість поширення пружних коливань в твердій, рідкій і газоподібній середовищі. Швидкість звуку можна обчислити за формулою:

з = О»П…

де з - Швидкість звуку, О» - довжина хвилі, П… - частота коливання. У газах швидкість звуку менше ніж в рідинах, а в рідинах менше ніж у твердих тілах.

ВИСНОВОК

Я вважаю, що проробила велику роботу. Працюючи над даною темою, я дізналася багато нового і цікавого про звуці і походження звуку, про його характеристики. Так само я розібралася в пристрої фортепіано з фізичної точки зору, і в історії його походження. Дійсно зараз, коли я провчилася 7 років у музичній школі я зрозуміла, чому при натискання лише однієї клавіші, тим більше під час виконання якого твору, всередині інструмента відбувається безліч процесів, сотні процесів, які напряму пов'язані з фізикою. Мені навіть захотілося продовжити свої дослідження. Скоріш за все це будуть струнні інструменти, такі як скрипка, гітара, домра, віолончель.

В рефераті були розглянуті фізичні основи роботи клавішних музичних інструментів. Вивчені матеріали дали мені можливість глибше зрозуміти й розібратися в таких характеристиках музичних звуків, як гучність, висота, тембр і тривалість.

З фізичної точки зору були розглянуті такі музичні поняття, як мажорна гама і музичний інтервал.

Також я познайомилася і дізналася більше про клавесині, Клавікорде і фортепіано. Всі ці інструменти є клавішно-струнними і мають подібне пристрій. В ході роботи я приділила найбільшу увагу вивченню устрою фортепіано і дослідженню звуків, які воно видає.

Проведені експерименти дали мені можливість переконатися в справедливості теоретичних відомостей. Я думаю, що мої дослідження можна використовувати при розгляді теми звуку на уроках фізики.

Список літератури

1. Анфілов Г.В. Фізика та музика. - М.: Дитяча література, 1964.

2. Газарян С.С. У світі музичних інструментів/Для учнів старших класів. - М.: Просвещение, 1985.

1. Клара Р. Хитці. Петер в країні музичних інструментів. - М.: Музика, 1965.

2. Левашева Г.І. Розповіді з музичної шкатулки. - Л.: Детгиз, 1960.

3. Гол. ред. Г.В.Келдиш. Музичний енциклопедичний словник. - М.: Радянська енциклопедія, 1990.

4. Перельман Я.І. Цікава фізика. (Книга 2, глава 10. В«Звук. Хвилеподібний рухВ».)/21-е изд. испр. і доп. - М.: Наука. Головна редакція фізико-математичної літератури, 1983.

5. Розповіді з В«Піонерського музичного клубуВ». - М.: Музика, 1968.

6. Фізичний енциклопедичний словник. - М.: Радянська енциклопедія, 1963. Т. 3.

7. Елліот. Л., Вілкокс У. Фізика/Пер. з англ. Під ред. А.І.Кітайгородского. - М.: Фізматгіз, 1963.