Почему звучат инструменты

Звучание музыкальных инструментов

Звучание ноты каждого инструмента определяется его тембром. Тембр звука определяется формой звуковых колебаний. Струна вибрирует как по всей длине, так и в отдельных её частях. Лёгкая вибрация становится источником негромко звучащих высоких нот или обертонов. Они и окрашивают звучание ноты каждого инструмента по-своему.

Звук инструмента зависит от размеров корпуса инструмента. Чем больше сам инструмент, тем ниже его звучание и громче звук.

Рассмотрим, от чего зависят некоторые характеристики звука при помощи гитары.

Чтобы струна гитары зазвучала, мы ударим по ней или ущипнем. Прикосновение к струне вызывает вибрацию. При вибрации мельчайшие частицы воздуха сжимаются, а затем разъединяются.

Громкость звука зависит от амплитуды колебаний.

Следующая характеристика звуковой волны – высота звука, которая определяется частотой колебаний струны. Чем больше частота колебаний, тем выше звук.

Рассмотрим, как зависит частота колебаний от длины струны. Чем короче струна, тем звук выше значит и частота колебаний струны больше.

Сейчас рассмотрим, как зависит частота колебаний от диаметра струны. Чем тоньше струна, тем выше звук.

Почему звучат инструменты.

Человек живет в мире звуков. Звуки, воспринимаемые человеческим ухом являются одним из важнейших источников информации об окружающем мире. Шум моря и ветра, пение птиц, голоса людей и крики животных, раскаты грома звуки движущихся машин воспринимаемые человеческим ухом позволяют легче адаптироваться в изменяющихся внешних условиях.

Большую роль в жизни человека играет и музыка. Разница между музыкой и обыкновенным шумом заключается в том, что музыкальные звуки организованы в стройную систему, подчинены ритму и имеют определенную высоту звучания. Шумы состоят из хаотичных, не связанных между собой звуков. Звуки, будь то музыкальные или шумовые, распространяются по одним и тем же законам. Знание того, как это происходит, помогает понять принципы звучания инструментов.

Что же такое звук? Звуковые волны – упругие продольные волны (в которых колебания частиц происходят вдоль ее распространения) в среде вызывающие у человека слуховые ощущения.

Достигнув человеческого уха, звуковые волны заставляют барабанную перепонку совершать вынужденные колебания с частотой, равной частоте колебаний источника. Свыше 20000 нитевидных рецепторных окончаний находящихся во внутреннем ухе, преобразуют механические колебания в электрические импульсы. При передаче импульсов по нервным волокнам в головной мозг у человека возникают определенные слуховые ощущения. Слуховые ощущения у человека вызывают звуковые волны с частотой колебаний лежащей в пределах от 16 Гц до 20 кГц.

Источники звука – это колеблющиеся тела, что видно хотя бы из наблюдения за звучащей струной музыкального инструмента. Во время звучания она как бы утолщается, особенно в середине. Вид струны меняется именно вследствие ее колебаний. Колебания источника звука (например, струны или голосовых связок) вызывают в воздухе волны сжатия и разрежения. При вибрации мельчайшие частицы воздуха сжимаются, а затем разъединяются.

Скорость распространения звуковых волн определяется скоростью передачи взаимодействия между частицами. Чем более организованы частицы вещества, тем больше скорость звука. Например: скорость звука в стали доходит до 6600 м/с, в воде 1513 м/с а в воздухе – 343 м/с.

Звуки, издаваемые камертоном или другими гармонически колеблющимися телами, называются музыкальными. Воспринимая музыкальные звуки, мы легко улавливаем различия между ними. Традиционными физиологическими характеристиками воспринимаемого звука являются высота, тембр и громкость. Выясним, какие физические величины определяют подобную классификацию звуков и от чего они зависят, с помощью гитары.

Громкость

Для того чтобы гитара зазвучала, надо тронуть струну, ударить по ней или ущипнуть. Слушая музыкальные звуки, мы легко улавливаем различия между ними. Так, меняя силу удара по струне гитары, мы будем слышать звуки, отличающиеся по громкости. Но мы знаем, что, чем сильнее мы ударяем, тем больше амплитуда колебаний струны. При увеличении амплитуды колебаний звучащего тела увеличивается и амплитуда колебаний в звуковой волне. Значит, громкость звука зависит от амплитуды колебаний звучащего тела, а точнее от энергии колебания.

Основа звуковой волны остается неизменной, в то время как высота и объем звучания меняются. Графически это можно представить

Однако между громкостью звука и энергией колебания нет пропорциональной зависимости. Эта зависимость гораздо сложнее, что связано с особенностями нашего органа слуха. Оказывается, что если энергия звуковых колебаний увеличивается в геометрической прогрессии, то громкость растет лишь в арифметической прогрессии. Так, если энергия колебания возрастает в 10 раз, то громкость возрастает в 2 раза; если же энергия колебания возрастает в 100 раз, то громкость возрастает лишь в 3 раза.

Это позволяет человеку воспринимать звуки от шепота или шороха листьев до звуков симфонического оркестра и рева самолета. Энергия звука от мотора самолета по сравнению с шепотом больше примерно в 1012 (т. е. в миллион миллионов!) раз, а их громкости отличаются лишь в 12 раз.

Кроме того, восприятие громкости звука нашим ухом зависит: а) от частоты колебаний в звуковой волне. При равной амплитуде колебания мы лучше воспринимаем те звуки, частота которых лежит в пределах от 1000 до 5000 Гц. По мере приближения к частотным границам, т. е. 16 Гц и 20 кГц, падает чувствительность уха и к громкости. И даже при значительной энергии колебаний на границе очень низких или очень высоких частот мы звука не услышим; б) от возраста. С возрастом границы слышимости уменьшаются. Вот почему у пожилых людей громкие звуки вызывают чувства дискомфорта, раздражительность.

Высота тона

Музыкальные звуки отличаются не только громкостью. Мы легко различаем низкий голос (бас) и высокий (сопрано), т. е. тон. Камертоны различного размера издают также звуки разного тона. От чего же зависит высота тона?

Берут две камертона, издающие звуки разного тона, и записывают графики их колебаний. Сопоставляя эти графики со звучаниями камертонов, видят, что более высокому тону соответствует большая частота колебаний. Следовательно, высота тона определяется частотой колебаний.

Звуки человеческого голоса могут быть как низкого тона – басы (80 – 350 Гц), так и самого высокого тона – колоратурное сопрано (330 – 1400 Гц).

Различные шумы отличаются от музыкальных звуков тем, что им не соответствует какая-нибудь определенная частота колебаний. Это смесь беспорядочно чередующихся звуков с самыми разными частотами.

В настоящее время в музыке применяется шкала частот, составленная следующим образом. Каждая октава делится на двенадцать интервалов. На рояле им соответствуют семь белых клавишей и пять черных. Последние в нотной грамоте обозначаются знаком «диез». В пределах октавы частота возрастает в 2 раза, в пределах одного интервала – в ~1,06 раза.

Ниже в таблице показаны частоты, соответствующие первой октаве.

Тон Частота, Гц Тон Частота, Гц Тон Частота, Гц

До 261,63 Фа 349,23 Ля-диез 466,16

До-диез 277,18 Фа-диез 369,99 Си 493,88

Ре 293,67 Соль 392,00 До второй 523,25

Ре-диез 311,13 Соль-диез 415,31 октавы

Ми 329,63 Ля 440 (точно)

Заметим, что тон ре-диез иначе называется ми-бемоль, соль-диез – ля-бемоль и т. д.

Выясним, как зависит высота тона струны гитары от ее геометрических размеров.

Прослушаем звуки, которые издают струны одной и той же длины, но разного диаметра. Более толстые струны издают низкие звуки, тонкие – более высокие.

Послушаем, как меняется звук струны при изменении ее длины. Чем длиннее струна, тем ниже ее звук, чем короче - тем выше. Для двух звуков одной и той же громкости это можно представить так (рис. 3).

Когда все инструменты группы одновременно играют одни и те же ноты, они должны совпадать по высоте. Если этого не происходит, значит, инструменты группы не настроены. Частота звучания ля первой октавы составляет 440 Гц, и ее называют концертной. Все инструменты оркестра настраивают именно по этой ноте. Нота на октаву выше другой имеет двойную частоту звучания. Нота ля второй октавы составляет 220Гц. (рис. 4)

Тембр. Особое качество звука – это характерная для каждого голоса или музыкального инструмента окраска звука, которая называется тембром. Именно по тембру мы узнаем голос человека или различаем инструменты, которые исполняют одну и ту же мелодию в одной тональности и с одинаковой громкостью.

От чего же зависит тембр звука? Оказывается, что любой источник звука (за небольшими исключениями, например, камертон) совершает несинусоидальные колебания.

Несинусоидальное колебание может быть представлено в виде суммы гармонических колебаний с различными частотами. Колебание с наименьшей частотой называется основным тоном, колебание с более высокой частотой называется обертоном или гармоникой.

Тембр звука при одном и том же основном тоне определяется наличием тех или иных гармоник. Этим же определяется и форма осциллограммы. Струна вибрирует как по всей длине, так и в ее отдельных частях. Мелкая вибрация становится источником негромко звучащих, высоких нот, обертонов. (рис. 5)

От обертонов зависит тембр музыкального инструмента. Число обертонов зависит от геометрических размеров струны, от материала, из которого она сделана. На рисунке 6 показаны звуковые волны, производимые разными инструментами.

Большую роль в формировании тембра инструмента играют форма деки и объем корпуса. Вибрация струны заставляет вибрировать и частицы воздуха внутри инструмента, что обогащает звук и делает его объемным. Это явление называется резонансом.

Тембр инструмента зависит и от способа звукоизвлечения. Звучание струны зависит от того, ведут ли по ней смычком или щиплют пальцами.

Если мы прослушаем один и тот же набор нот в исполнении различных инструментов, то заметим, что чем больше корпус, тем звук объемнее, богаче, громче.

А теперь я попробую сравнить, чем похожи и чем отличаются друг от друга инструменты: гитара – спутница молодежи, туристов, геологов; аристократ – рояль, незаменимый в концертных залах и не имеющий конкурентов в группе родственных ему инструментов.

Мы не знаем, когда появились первые музыкальные инструменты, что стало причиной их появления и прообразом. Возможно, это были звуки натянутой тетивы лука, или звук, издаваемый полой костью, или звук щепы дерева. С тех пор прошло очень много времени. Первой появилась гитара.

Гитара - струнный музыкальный инструмент. История струнных инструментов начинается в глубокой древности, когда первобытный человек стал использовать звучание тетивы лука. Две или три тетивы разной длины, натянутые на один лук, позволяли варьировать последовательность звуков, которые становились громче, если в нижней части прикрепляется полый деревянный резонатор.

Этапы расцвета гитары связаны с деятельностью выдающихся мастеров, каждый из которых был, как правило, виртуозом- исполнителем, композитором и педагогом. Основы заложили испанские, итальянские и французские гитаристы 16-17 вв. В 18-19 в возможности новой шестиструнной гитары выдвинули ряд блестящих виртуозов в Испании, Италии. С начала 20 века начинается период бурного развития гитары благодаря кипучей деятельности, таланту и трудолюбию испанских гитаристов Ф. Тарреги, Э. Пухоля и великого современного музыканта А. Сеговии.

Современная классическая гитара окончательно сформировалась в 18 веке. Гитара – один из немногих инструментов, на которых звук подготавливается и извлекается непосредственно пальцами. Иногда гитару называют щипковым инструментом, но это не совсем точно, т. к. движение, называемое «щипком», почти не употребляется, а звук извлекается способами «удар» или «бросок».

В 1709 г. итальянский мастер Б. Кристофори из Флоренции изготовил музыкальный инструмент, в котором с помощью молоточков извлекались тихие (форте) и громкие (пиано) звуки. Поэтому его и назвали «фортепиано».

В фортепиано, по сравнению с его предшественниками, было сделано важное усовершенствование: введена система молоточков, ударявших по струнам с любой быстротой и силой. С тех пор как появились большие концертные залы и многочисленная аудитория, у фортепиано больше нет конкурентов в группе родственных ему инструментов. В наше время встречаются две основные его разновидности: рояль, предназначенный для концертного исполнения (встречаются и сравнительно небольшие, «кабинетные» рояли) и пианино, используемое для домашнего музыцирования.

История фортепианного исполнительства начинается с XIX в. Прекрасными исполнителями были Ф. Лист и Шопен. Русская и советская исполнительская традиция, прославленная именами А. Г. Рубинштейна, С. В. Рахманинова, С. Т. Рихтера, Э. Г. Гилельса, сочетает глубокую сдержанность с техническим совершенством и виртуозным блеском. Широкое распространение получили международные конкурсы, где чаще других проходят соревнования по специальности «фортепиано». Крупнейшие из них проходят в Москве, Париже, Варшаве, Брюсселе. Они открывают новые имена молодых пианистов, знакомят нас с будущим музыкально-исполнительского искусства.

Ну и где же тут сходство, различия

И гитара и фортепиано - акустические инструменты. В них звук образуется и усиливается благодаря корпусу.

Классическая гитара не входит в состав музыкальных групп, но сольный репертуар для нее огромный. Она незаменима в походе, как приятно посидеть с друзьями у костра под чарующие звуки. Фортепиано незаменимо в концертных залах. Для него создано больше сочинений, чем для любого другого солирующего инструмента. Техника игры на фортепиано позволяет и на других клавишных.

Играть на классической гитаре нелегко, пальцам надо привыкнуть к разнообразным быстрым и очень точным движениям. На фортепиано читать и играть сразу несколько нот сложно. Но можно продлить звучание одной ноты, нажав на клавишу или педаль.

Для того чтобы гитара зазвучала, надо тронуть струну, ударить по ней или ущипнуть. Струны рояля звучат, когда по ним ударяют молоточки клавишного механизма. Поэтому этот инструмент относят как к струнным, так и к ударным. Чем сильнее мы ударим по струне гитары или клавише рояля, тем громче звук.

Чтобы изменить высоту звука гитарной струны, регулируют ее длину, прижимая пальцем к грифу в нужной точке. У фортепиано каждая клавиша соединена со струной определенной длины и диаметра, звуки разной частоты издают разные струны. Поэтому у гитары 6-7 струн, а у фортепиано – 88.

Диапазон частот гитары составляет 50 – 600 Гц, у рояля _20 - 2500 Гц и более.

Струны гитары расположены на корпусе инструмента, при возбуждении вибрация проникает в корпус гитары через резонаторное отверстие в верхней деке. Но не все звуковые волны попадают внутрь, часть рассеивается в воздухе. Струны фортепиано расположены внутри корпуса, поэтому его звук более объемный, громкий, насыщенный.

Гасят вибрацию струн у гитары пальцами, а у фортепиано существует специальное приспособление демпфер (глушитель). Когда отпускаешь клавишу, он прекращает вибрацию.

Как мы видим - каждый инструмент хорош по-своему. Время не стоит на месте, с появлением электрического тока, появилась большая группа электрических инструментов. Им необходима постоянная подача электроэнергии, только при этом условии они могут звучать. К ним относятся электрогитара, бас-гитара, электроорган

Особая группа электромузыкальных инструментов – музыкальные синтезаторы. Они позволяют сохранять различные звуковые волны в цифровом варианте. При этом достигается большое разнообразие звуков – от подражания музыкальным инструментам, до жужжания или свиста, на них можно создавать новые звуки.

Подводя итог своей работе, я могу сделать следующие выводы.

В основе устройства и принципа действия музыкальных инструментов лежат законы физики.

В музыкальных инструментах роль резонаторов выполняют части их корпусов.

Тембр звука зависит не только от формы и размера резонатора, но и от того, из какого дерева он изготовлен, и даже от состава лака покрывающего его. Тембр определяется также материалом, из которого сделана струна, и тем, гладкая она или витая.

Громкость звука зависит от амплитуды колебаний: чем больше амплитуда, тем громче звук.

Высота звука зависит от частоты колебаний: чем больше частота колебаний источника звука, тем выше издаваемый звук.

«В мире, живом и неживом, все связано и все взаимообусловлено, все подчинено одним законам. Человек в своей разносторонней деятельности - в науке, технике, художественном творчестве - не может не подчиняться тем же законам».

Но с развитием науки и техники появляются новые электрические и электронные инструменты. Устройство и принцип их работы опирается не только на законы акустики, но и на законы электрического тока, электромагнитного поля. Но это уже следующая тема моей работы.