Реферат Фізика музичних інструментів - Банк рефератів, творів, доповідей, курсових та дипломних
Праву педаль можна натиснути не до кінця, а трохи, щоб глушники залишалися дуже близько до струн і певною мірою впливали на їхнє звучання. Але це прийом вимагає від виконавця великої майстерності. А крім того, такий тонкий рух правою ногою настільки залежить від механіки тугий або, навпаки, педалі, що надто легко піддається, що на гастролях музикантові доводиться кілька годин освоювати незнайомий інструмент.
Коли піаніст натискає педаль, вся молоточкова механіка зрушується трохи убік, тому удар припадатиме вже не на всі три струни, призначені для даного звуку, а тільки на дві (або на одну, якщо для якихось звуків передбачено лише дві струни). Звучання, природно, стає тихішим 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 та струнами проляже стрічка тонкого фетру чи якогось іншого матеріалу, і звучання інструменту стане тихим та глухим. Управління модератором виводиться на третю педаль, яка фіксується в натиснутому положенні, або спеціальний важіль, розташований збоку від клавіатури.
У деяких сучасних роялях третя педаль має інше призначення — вона звільняє від глушників не всі струни відразу, як права педаль, лише ті, клавіші яких були натиснуті до натискання педалі. Це дозволяє музикантові вибірково оперувати різними глушниками, вільне користуватися ними і уникати педального гулу.
Залишається сказати про одну дуже важливу вимогу до інструменту. Ми звикли, щобудь-який працюючий механізм видає якийсь шум. А в фортепіано, що теж є механізмом, це неприпустимо. Жодних скрипів, стуків, клацань не повинно бути. Має бути лише музика.
1.2. Що таке звук?
Про те, як народжуються звуки, і що вони являють собою, люди почали здогадуватися дуже давно. Помічали, наприклад, що звук створюють тіла, що вібрують у повітрі. Ще давньогрецький філософ і вчений-енциклопедист Аристотель, виходячи зі спостережень, вірно, пояснив природу звуку, вважаючи, що тіло, що звучить, створює поперемінне стиск і розрідження звуку. Так, струна, що коливається, то ущільнює, то розріджує повітря, а завдяки пружності повітря ці чергувальні впливи передаються далі в простір - від шару до шару, виникають пружні хвилі. Хвилі - обурення, що розповсюджуються з кінцевою швидкістю в просторі і несуть із собою енергію без перенесення речовини. А пружні хвилі - це механічні обурення, що поширюються в пружному (твердому, рідкому або газоподібному) середовищі. Досягаючи нашого вуха, вони впливають на барабанні перетинки та викликають відчуття звуку. На слух людина сприймає пружні хвилі, що мають частоту в межах від 16 Гц до 20 кГц (1 Гц - 1 коливання в секунду). Відповідно пружні хвилі в будь-якому середовищі, частоти яких лежать у зазначених межах, називають звуковими хвилями або просто звуком. Пружні хвилі із частотою менше 16 Гц називають інфразвуком, а хвилі, частота яких перевищує 20 кГц – ультразвуком.
Якими б різними не були музичні інструменти за формою, пристроєм, розмірами, всі вони створювалися для однієї мети: отримання приємних для слуху музичних звуків. Що таке музичний звук? З погляду фізики – це хвиля, тобто процес поширення коливань від точки до точки,від частки до частки. Пружне тіло, виведене з положення рівноваги, здійснює гармонійні коливання, ці коливання передаються повітрям, повітряна хвиля впливає на нашу барабанну перетинку, і ми чуємо звук.
Гармонійне коливання можна розглядати як рух проекції точки, що рівномірно рухається по колу, на діаметр цього кола. Нехай радіус допоміжного кола дорівнює а, він відповідає найбільшому відхилення від положення рівноваги: а-амплітуда. Миттєве становище визначається абсцисоюх =а cos ф, де а – амплітуда, ф – фазовий кут.
Миттєве відхилення від положення рівноваги називають зсувом. 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 колу, називають періодом коливання, а обернену йому величину - частотою (вимірюється в герцах, Гц). Людина чує звук у діапазоні частот від 16 до 20 000 Гц.
Звуки бувають дуже різні. Ті, що створюють постійне тло, не організовані в струнку систему, не пов'язані між собою, і ті, що мають особливі властивості: чисті, дзвінкі, певної висоти, що мають смислову виразність, - звуки музичні. Видають їх музичні інструменти, звукова хвиля у яких виникає від коливань струни чи стовпа повітря всередині металевої чи дерев'яної трубки.
1.4. Характеристики звуку
Музичні звуки різняться за висотою, тривалістю, тривалістю звучання, тембром (специфічним забарвленням, яке залежить від матеріалу, величини та форми інструменту), від способу звуковидобування та по динаміці, тобто силі звучання.
1.4.1. Гучність звуку (інтенсивність)
Якщо виконати музичний твір відпочатку до кінця на одному рівні гучності, воно багато втратить у своїй виразності. Якби інструменти не могли змінювати гучність звуку, музика навряд чи могла виражати найтонші відтінки почуттів.
Гучність звуку (інтенсивність сприйняття) визначається амплітудою коливань, але щоб інтенсивність сприйняття (те, що ми чуємо) збільшувалася лінійно, інтенсивність подразнення (пропорційна квадрату амплітуди коливань) має збільшуватися експоненційно (закон Вебера - Фехнера). Іншими словами, подвоєння гучності відчувається лише при досягненні другого ступеня первісного подразнення.
Для вимірювання гучності у фізиці користуються одиницями, званими фонами (децибелами):
де I' та I — інтенсивності звуків. Говорять: гучності I' і I різняться на n фонів, або 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 у вухах – I8О дБ. Музичні терміни, які визначають рівень 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-ріано (піано) - тихо;
mр - mezzo рiаnо (мецо піано) - помірно тихо, трохи голосніше, ніж піано;
mf - mezzo forte (мецо форте) - помірно голосно, голосніше, ніж меццо піано;
f - forte (форте) - голосно;
ff - fortissimo (фортисімо) - дуже голосно.
1.4.2. Тембр (спектральний склад)
Музика здатна висловити все. Їй доступні і рухи думки, і будь-яке почуття, найменший відтінок настрою. Бажання людини мати великий вибір музичних голосів і викликало до життя різноманіття інструментів. І якщо одинінструмент не може щось передати, це робить інший. Але як вдається розрізнити звук взятий, наприклад, на скрипці, від звуку такої самої висоти, взятого на кларнеті? Це від тембру. Пояснюється відмінність тембру тим, що у звичних звуках присутні коливання різних наборів частот і амплітуд. Коливання найнижчої частоти в цьому наборі є основним тоном. Їхня амплітуда найбільша. Усі інші коливання називають обертонами. Окремо ми не чуємо обертонів, але саме вони, поєднуючись з основним тоном, утворюють тембр.
Кількість і якість обертонів залежить від довжини, товщини та матеріалу струни, від довжини та середнього розміру інструменту, від матеріалу, з якого він виготовлений. Впливає на тембр та 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, що поступово згасає. Тривалість звуку залежить від тривалості коливань джерела звуку.
Тривалість музики позначають спеціальної системою значків. Одна і та ж нота, зображена на папері, може при виконанні на інструменті тривати різний час (звичайно, не сама нота, а звук, який він позначається). Основне позначення - це ціла нота, що дорівнює цілому такту в чотири чверті. Вона виглядає так: — і ділиться на дрібніші частки: половинні ( ), чверті ( ), восьмі (♫), шістнадцяті (♫) і т.д.
1.4.4. Висота звуку (частота)
Натиснувши крайню ліву клавішу рояля чи фортепіано, ми почуємо дуже низький звук, а натиснувши крайню праву — дуже високий. У сприйнятті музичні звуки викликають почуття простору. При просуванні вправо клавіатурою, або, як кажуть музиканти, вгору, дійсно виникає відчуттяпідйому, сходження, просвітлення. Якщо відкрити кришку рояля, можна побачити, що струни в ньому не однакові. У рояля своєрідна форма, схожа на крило. Це пов'язано з різною довжиною його струн: зліва довше, праворуч коротше. Крім того, струни, які відповідають нижнім звукам, товсті, обвиті так званою канітеллю, а верхні тонкі.
рис.9. Два звуки однієї гучності різної висоти.
Від довжини та маси струни залежить висота звуку, а висота звуку – це частота її коливань:
f = 1/2l 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 25 років. Як правило, для фізиків стандартною висотою тону є "до" першої октави - 256 коливань за 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).
У музичних колах використовувалися різні стандарти. Концертна висота тону, якою нині рідко користуються, становила 271 коливання на секунду, що дає "ля" близько 450 Гц, тобто. тон надто високий. Міжнародний стандарт висоти тону становив для "ля" 435 Гц, проте в даний час в усьому світі (вслід за Американською федерацією музикантів) прийнято стандартну висоту для "ля" 440 Гц. Це нижче концертної висоти тону, однак, і за такого стандарту заспівати арії, складені старими майстрами, можуть не все сопрано.
1.4.5. Мажорна гама
У першій октаві фортепіано до-мі-сіль – мажорне тризвучтя, частоти коливань цих нот – 256, 320 та 384 Гц. Тон, що має частоту 256 коливань за секунду, називаєтьсядо (С)першої октави. Гамма, наведена в таблиці,відома під назвою "до мажор" де є основним тоном, або тонікою. Числа 256, 288, 320 і т.д. є абсолютними числами (значеннями) коливань, числа 24, 27, 30 тощо. - Відносними числами коливань. Відносини 1, 9/8, 5/4 і т.д. виходять шляхом розподілу кожного числа коливань перше (256). Ці відносини однакові всім мажорних гам, незалежно від цього, з якого основного тону вони починаються. (Таблиця 1.)
Гамми завжди називаються по тоніці, наприклад: "до мажор", "ре мажор" і т.д. Повна гамма "до мажор" з відповідними назвами (застосовними до будь-якої гами) та відношення частот коливань наведена в таблиці. Найближчим тоном, наступним за З' є D' (ре другий октави) частотою коливань 576 Гц.
Тони С, Е і G утворюють тонічна тризвучність гами "до мажор". Зазначимо, що 256: 320: 384 = 4: 5: 6. Будь-яка група тонів з таким відношенням частот становить мажорне тризвучтя. Звернувшись до гами «до мажор» ми можемо виявити в ній ще два мажорні тризвучтя: F, А і С'' — субдомінантне тризвучтя, і G, В і D' — домінантне тризвучтя. Оскільки ці тризвучтя містять усі тони мажорної гами, можна сказати, що гама заснована саме у них.