Добавить материал и получить бесплатное свидетельство о публикации в СМИ
Эл. №ФС77-60625 от 20.01.2015
Инфоурок / Физика / Научные работы / Физика и музыка, физические свойства атмосферы
ВНИМАНИЮ ВСЕХ УЧИТЕЛЕЙ: согласно Федеральному закону № 313-ФЗ все педагоги должны пройти обучение навыкам оказания первой помощи.

Дистанционный курс "Оказание первой помощи детям и взрослым" от проекта "Инфоурок" даёт Вам возможность привести свои знания в соответствие с требованиями закона и получить удостоверение о повышении квалификации установленного образца (180 часов). Начало обучения новой группы: 26 апреля.

Подать заявку на курс
  • Физика

Физика и музыка, физические свойства атмосферы

библиотека
материалов

Министерство образования и молодежной политики Ставропольского края


Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение

«Георгиевский региональный колледж «Интеграл»






ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ

по дисциплине «Физика»


на тему: «Физика и музыка, физические свойства атмосферы »



Руководитель: преподаватель Серкова Н.А.




Дата сдачи: «____» ____________ 2016 г.

Дата защиты: «____» ____________ 2016 г.



Георгиевск

2016











ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Цель:


  1. Установить связь между наукой и искусством на примере физики и музыки.

  2. Изучить устройство музыкальных инструментов с точки зрения физики.

  3. Показать причинно-следственные связи в окружающем мире.

  4. Проанализировать источники информации, провести эксперимент.



Задачи:

  1. Расширить ранее полученные знания о природе звука.

  2. Выяснить какова роль музыки в жизни человека.

  3. Установить физический принцип работы музыкальных инструментов.

  4. Развивать умение работы с различными графическими редакторами и информационными источниками.

  5. Исследовать характеристики звуков.

  6. Выяснить механизмы звукообразования музыкальных инструментов.

  7. Творчески осмыслить изученный материал.




















Содержание











































Введение

Актуальность:


До сравнительно недавнего времени акустика стояла в стороне от магистральных направлений физики нашего века. Акустика, которая развивалась в русле старых, традиционных представлений ньютоновской классической физики, не могла похвастаться ни радикальным изменением человеческих представлений о мире, ни впечатляющими открытиями в технике. А между тем акустика все больше захватывает пространство и в науке, и в технике, и в быту. Как-то незаметно в повседневную жизнь человека вошли и стали необходимыми звуковое кино, грампластинки, магнитофоны, электронные музыкальные инструменты.

При выполнении данной работы я хотела узнать больше о природе звука, о способе его распространения в среде и восприятии. Так же мне интересно было узнать физический принцип работы различных музыкальных инструментов. В своей работе я пояснила, как музыка способна влиять на человека, и его поведение. На примере того, что многие из величайших физиков, занимались музыкой, я постаралась показать, что музыка не только является своего рода порождением физики, но в какой то мере и её двигателем.



Физика звука.

Человек живет в мире звуков. Звук-это то, что слышит ухо. Мы слышим голоса людей, пение птиц, звуки музыкальных инструментов, шум леса, гром во время грозы. Услышав какой-то звук, мы обычно можем установить, что он дошел до нас от какого-то источника. Рассматривая этот источник, мы всегда найдем в нем что-то колеблющееся. Но как звук доходит до нас? Очевидно, через воздух, который разделяет ухо и источник звука. Но распространяющиеся колебания – это волна. Следовательно, звук распространяется в виде волн. Если звуковая волна распространяется в воздухе, значит - это волна продольная, потому что в газе только такие волны и возможны.

В продольных волнах колебания частиц приводят к тому, что в газе возникают сменяющие друг друга области сгущения и разрежения. То, что воздух-"проводник" звука, было доказано опытом, поставленным в 1660 г. Р. Бойлем. Если откачать воздух из-под колокола воздушного насоса, то мы не услышим звучания находящегося там электрического звонка. Звук может также распространяться и в жидкой, и в твердой среде.

Ощущение звука создается только при определенных частотах колебаний в волне. Опыт показывает, что для органа слуха человека звуковыми являются только такие волны, в которых колебания происходят с частотами от 01.01.010 Гц. Вплоть до колебаний в секунду звуковой диапазон полон музыкой. Эти звуки - самые слышные. Звуки выше колебаний в секунду в качестве самостоятельных музыкальных тонов не используются. Они слишком резки, пронзительны.

Звуки даже одного тона могут быть разной громкости. Эта характеристика звука связана с энергией колебаний в источнике и в волне. Энергия колебаний определяется амплитудой колебаний. Громкость, следовательно, зависит от амплитуды колебаний. Но связь между громкостью и амплитудой не простая. О звуках различной громкости говорят, что один громче другого не во столько-то раз, а на столько-то единиц. Единица громкости называется децибелом (дБ). Например, громкость звука шороха листьев оценивается 10 дБ, шепота-20 дБ, уличного шума-70 дБ. Шум громкостью 130 дБ ощущается кожей и вызывает ощущение боли.

Все сказанное относится к звукам вообще, но нас интересует только музыкальный. В чем его отличие? Специалисты говорят: волчий вой и комариный писк - звуки музыкальные, а барабанный бой и стук кастаньет - просто шум. А так ли это на самом деле?

Музыкальные инструменты.

Музыкальные инструменты делятся на струнные, ударные, духовые и клавишные. Они же в зависимости от некоторой индивидуальности своего строения так же подразделяются:

I.  Струнные музыкальные инструменты.

А) струнные щипковые (балалайка, гитара, домбра, лютня и т. д).

Б) струнные смычковые (скрипка, виолончель, альт, контрабас и т. д ).

II. Духовые музыкальные инструменты.

А) медные духовые (труба, корнет, тромбон и т. д).

Б) язычковые духовые (аккордеон, баян, гармонь, и т. д ).

В) деревянные духовые (трембита, дудка, флейта, гобой, фагот и т. д).

III. Клавишные музыкальные инструменты.

А) клавишные духовые (орган, фисгармония, баян, аккордеон, гармонь).

Б) клавишные струнные (фортепиано, рояль, пианино, клавесин и т. д).

IV. Ударные музыкальные инструменты.

А) мембранные ударные (барабан, бубен).

Б) самозвучащие ударные (кастаньеты, колокола, треугольник и т. д).

Разные группы инструментов различаются механизмом, каким в них создается звук: возбуждения колебания струны (струнные музыкальные инструменты); воздушного столба (духовые музыкальные инструменты); мембран (ударные музыкальные инструменты). Излучение звука достаточно большой интенсивности роялем, скрипкой, гитарой, арфой и т. д. происходит только потому, что струны в точках их закрепления передают свои колебания корпусу инструмента и находящемуся в нем воздуху, т. е. корпус музыкальных инструментов играет роль своеобразного резонансного ящика.

Люди с давних времен создают и усовершенствуют различные музыкальные инструменты. В Африке,Южной Америке, Азии несколько столетий назад корпусом для струнных инструментов была обыкновенная тыква, а в арабском двухструнном ребабе для этой цели служит панцирь черепахи. Нубийские людоеды сделали некогда живописный киссар с человеческим черепом. Древние рыбаки всех стран осваивали раковины, гончары - глиняные горшки. Надутые свиные пузыри, берестяные короба-все это человек заставлял подпевать струнам. Но после тысячи проверок и проб лучшим материалом оказалось дерево. Из него выходили самые звонкие, самые легкие и самые чуткие корпуса для инструментов. Для струн тоже испытывали очень много материалов. И крученая древесная кора, и нити бамбука, и бычьи жилы, и сушеные обезьяньи кишки, и, конечно, металл - разные сорта и сплавы, разная толщина, прочность.

Влияние музыки на человека.

С древних времен существовала военная музыка. Она всегда выполняла две важнейшие задачи: поднимала боевой дух воинов и управляла ими во время сражений, с ее помощью устанавливалась связь, подавались различные сигналы и команды. Раньше у армии не было ни сигнальных ракет, ни радио, ни других подобных средств связи. В шуме битвы мог быть услышан только призывный голос трубы. Всего несколько коротких звуков - и участники битвы знали, что им нужно перестроиться, перейти в наступление или отступить.

В российской армии в XVIII - XIX веках музыке придавалось большое значение. В это время Россия участвовала в многочисленных войнах. Знаменитый русский полководец А. В. Суворов говорил: "Музыка удваивает, утраивает армию. Музыка в бою нужна и полезна, и надобно, чтобы она была самая громкая. С распущенными знаменами и громогласной музыкой взял я Измаил".

Особое влияние на человека могут оказывать звуки государственного гимна. Звучание гимна торжественное. Он часто начинается с интервала в 2,5 тона - с кварты. Гимн вызывает чувство гордости, сплачивает людей. Под влиянием чрезмерно громкой, ритмичной музыки толпа часто становится агрессивной. Такое психическое воздействие оказывается на концертах многих современных групп, которые проходят при большом скоплении слушателей, например на стадионах. Музыка давно используется в психотерапевтических целях. Ее применяют при лечении нервных расстройств. Спокойная мелодичная музыка благоприятно воздействует на человека и используется в так называемой музыкальной терапии. Она не мешает выполнению работы, способствует концентрации внимания. Исследования показали, что водители, слушавшие в пути спокойную музыку, реагировали на опасность на 10% быстрее, чем водители, в кабине которых звучала громкая ритмичная музыка.

Музыка как муза для физики.

Мы не только живём в мире музыки, музыка живёт внутри каждого из нас. Мы можем считать физику прародительницей музыки, но нужно помнить, что музыка сопровождала многие великие открытия этой науки. Знайте, что многие знаменитые ученые физики увлекались музыкой и виртуозно играли на различных музыкальных инструментах. Некоторые из них стояли перед выбором: заниматься физикой или искусством, и лишь по случайности они всё же отдавали предпочтение физике, но через всю свою жизнь проносили любовь к музыке.

Макс Планк немецкий физик, основоположник квантовой теории, член Берлинской АН (1894) был великолепным пианистом, он часто играл камерные произведения со своим другом Эйнштейном.

Альберт Эйнштейн немецкий физик, основоположник СТО прекрасно играл на скрипке. В 1934 году на благотворительном концерте Эйнштейн перед 264 слушателями дал концерт на скрипке. Сбор с этого концерта (6500 долларов) пошел в пользу ученых-эмигрантов из гитлеровской Германии.

Людвиг Больцман австрийский физик - теоретик, основатель статистической механики и молекулярно – кинетической теории, говорил: «То, чем я стал, я обязан Шиллеру», преклонялся перед Моцартом и Бетховеном, часто устраивал дома музыкальные вечера и сам играл на рояле.

Блестящим скрипачом и художником был ленинградский физик-теоретик Я. И. Френкель.















































Музыка Вселенной

Звучит ли наша Вселенная? — Да, ведь всё, что происходит во Вселенной связано с колебаниями. Звуки — тоже колебания. Вращение Земли вокруг Солнца — звук, вращение Земли вокруг своей оси — звук. Наш мир наполнен звуками, но мы слышим только малую их часть, да к тому же только то, что может быть передано через плотную среду — атмосферу. И хотя все частоты вращений небесных тел, соответствуют неслышимой для человека области звуковых частот — инфразвуку, а в космическом пространстве нет плотной среды, это абсолютно не отменяет опосредованного воздействия таких колебаний на человека.

Что же представляет собой «музыкальная картина» Вселенной? — Зная период обращения объекта, мы легко можем перевести эти немые для нас «звуки» в слышимый диапазон, а для того, чтобы это сделать, нужно известные частоты колебаний умножить несколько раз на 2, увеличивая их октавность.

Октава — музыкальный интервал, в котором соотношение частот между звуками составляет 1 к 2. Субъективно на слух октава воспринимается как устойчивый, базисный музыкальный интервал. Два последовательных звука, отстоящие на октаву, воспринимаются очень похожими друг на друга, хотя явно различаются по высоте. Например, частота ноты ЛЯ первой октавы – 440 Гц, ЛЯ малой октавы – 220 Гц, второй октавы – 880 Гц.

Наиболее крупными объектами неба для земного наблюдателя являются Солнце, Луна и Венера, соответственно и астрономические периоды этих объектов, а также астрономические периоды Земли, если их расценивать, как звуки, будут являться наиболее «громкими», наиболее влияющими на нас:

Период обращение Земли вокруг своей оси (звёздные сутки) — 23 часа 56 минут 4 секунды

Период обращения Земли вокруг Солнца (тропический год) — 365,242199 дней

Период обращения Венеры вокруг Солнца — 224,70069 дней

Период обращения Луны вокруг Земли (синодерический месяц) — 29,5305882 дней

Период прецессии Земной оси — 25765 лет

hello_html_23ce2a0f.png

Стоячие волны

Если камертон установить на ящик, закрытый с одного конца, причем длина ящика составит четверть длины волны, излучаемой камертоном, то в воздушном столбе внутри ящика образуется стоячая волна. Поскольку собственная частота этого столба равна частоте камертона, то наступит резонанс, и звук усилится. Понятно, что камертоны разного тона должны иметь резонаторные ящики разных размеров.

Роль резонаторов играют корпуса всех струнных музыкальных инструментов (гитары, скрипки, рояля и т.п.). Почему же резонатор камертона √ простой ящик, тогда как корпуса даже балалайки, не говоря о виолончели, скрипки, рояле, имеют сложные формы? Да потому, что резонатор камертона должен усиливать только один, основной тон, а корпуса музыкальных инструментов множество тонов и гармоник. Отметим, что изменение любой детали в архитектуре, например, скрипки, обязательно приведет к изменению характера ее звучания, ее, как говорят, тембра. Полный и точный расчет оптимальной формы музыкального инструмента пока выходит за пределы возможностей современной науки из-за необычайной сложности. И в настоящее время создание инструмента √ это скорее искусство, чем техника, это итог творчества мастера, интуитивно придающего нужный облик своему творению. Поэтому до сих пор остаются непревзойденными шедевры гениальных кремонцев Амати, Гварнери, Страдивари.

Вид резонатора определяет, какие из обертонов будут усилены , а какие ослаблены или вовсе подавлены. Именно это отличает звук одного музыкального инструмента от другого, даже если они звучат на одной ноте, и такая индивидуальность в окраске звучания инструмента называется тембром (магнитофонная запись тембров разных инструментов). Например, соль диез большой октавы рояля и кларнета имеют одну общую характеристику: частота основного тона n = 104 Гц. А вот обертонов в звуках этих инструментов √ разное количество, различно и отношение амплитуд обертонов к амплитуде основного тона (демонстрация через эпипроектор рис. 38 из учебника Г.С.Ландсберга). Вообще, чем больше в звуке обертонов, тем он кажется богаче, благороднее, тем сильнее его график отличается от простой синусоиды. (Гельмгольц говорил, что звук камертона чист и прозрачен, как дистиллированная вода, но так же безвкусен). Правда, есть некоторое ограничение: звук, в состав которого входят континуально все частоты, воспринимается нами как шум. Для уха человека важно соотношение частот. Так, очень приятно для слуха звучит музыкально двухзвучие (интервал), характеризуемый отношением частот Такой интервал зовут октавой. Неплохо звучат интервалы квинта кварта большая терция большая секста Самым диссонирующим, режущим слух является секунда Из этих примеров видно, что музыкальным будет звук, в составе которого много обертонов, а их частоты составляют простые отношения.

Представление сложного колебания как суммы его основного тона и обертонов (или гармоник) называется его спектральным разложением, а совокупность частот, входящих в него, √ его спектром. Заметим, что Фурье показал возможность представить любой периодический процесс как результат сложения конечного числа гармонических процессов с соответственно подобранными частотами, амплитудами и начальными фазами, а непериодический процесс как сумму бесконечного числа гармонических процессов с соответственно подобранными частотами, амплитудами и начальными фазами.

Применяя теорию стоячих волн, объясним принцип действия музыкальных духовых инструментов и голосового аппарата человека.

Любой духовой инструмент состоит из двух элементов: генератора шума (источника звука, излучающего звуки всех частот) и резонатора в виде столба воздуха, находящегося внутри трубы. Генератором шума служит мундштук, трость и т.п., помещенные в закрытом конце трубы. Из всего множества звуков разных частот, издаваемых генератором шума, резонатор усиливает те, которые удовлетворяют условиям возникновения стоячих волн, и подавляет все остальные. Если музыкант желает извлечь звук другого тона (сыграть другую ноту), он изменяет длину резонирующего воздушного столба. Особенно наглядно это видно на тромбоне. На других трубах это менее заметно, здесь изменение длины резонирующего столба достигается нажатием на клавиши-пистоны, которые включают или отключают отдельные участки трубы (кстати, такой механизм сравнительно молод; до 1826 г. каждая труба могла излучать очень ограниченный набор собственных частот) или создают новые пути выхода воздуха.



(При демонстрации модели тромбона задаем вопрос: почему меняется тон при закрывании выходного отверстия трубы?

Ответ. Когда выходное отверстие трубы открыто, то при звучании основного тона на длине трубы укладывается одна четверть длины волны, а при закрывании трубы стоячая волна устанавливается, если на той же длине укладывается половина длины волны. Следовательно, резонансная длина волны уменьшается вдвое и во столько же раз возрастает частота.)

В голосовом аппарате человека роль генератора шума играют голосовые связки, а роль резонаторов √ полости рта, гортани и других ╚воздухопроводов╩. Изменяя их форму и размеры, мы в состоянии произносить различные звуки. Интересно, что спектр обертонов (даже при пропевании одной и той же ноты) так же индивидуален для каждого человека, как и отпечатки его пальцев. На основе этого созданы приборы, идентифицирующие личность по голосу. Оказалось также, что если у человека меняется настроение или он лжет, то это сразу сказывается на спектральном составе его голоса. На этом принципе работает один из детекторов лжи, эффективность которого составляет 98% (см., например, ╚Аргументы и факты╩ ╧ 47/1996).

Как определить скорость звука в воздухе, применяя знания о стоячих волнах? Предложим два способа:

1. Над открытым сосудом расположим источник звука переменной частоты (питаемый от звукового генератора) и, постепенно увеличивая частоту, добьемся резонанса, что скажет о том, что в столбе воздуха в сосуде возникла стоячая волна основного тона n (частота, наименьшая из всех возможных). Значит, в длине столба L воздуха в сосуде уложилась четверть волны: отсюда l = 4 L и, поскольку скорость волны v = l n, получаем v = 4Ln. Измерив L, произведем вычисления.

2. Направим звуковую волну известной частоты n на плотную стенку и получим стоячую волну. Возьмем микрофон, подключенный к осциллографу, и будем двигать его, меняя расстояние до стенки. При попадании микрофона в узлы (в них максимальна потенциальная энергия) осциллограф зарегистрирует наибольшую амплитуду колебаний давления. Первый узел находится на расстоянии полуволны от стенки, второй √ на расстоянии l, третий √ на расстоянии 1,5l и т.д. Определив l, рассчитаем скорость звука.

Как объяснить такой факт: когда подводники Ж.-И.Кусто вынуждены были применить для дыхания вместо воздуха кислородно-гелиевую смесь, то их голоса изменили свой тон на октаву. Почему это произошло и в какую сторону изменился тон?

Решение

Длина столба воздуха L в элементах голосового аппарата человека одинакова, независимо от того, чем он наполнен (воздухом или кислородно-гелиевой смесью). Скорость звука v в кислородно-гелиевой смеси вдвое больше, чем в воздухе. Поэтому собственные частоты всех резонаторов (те частоты, при которых образуются стоячие волны) увеличиваются вдвое. Это соответствует повышению тона на октаву.

3. Почему для различения звуков ╚а╩ и ╚о╩, произносимых на частоте 1 кГц, надо уметь регистрировать частоты не менее 2 кГц?

Решение

Гласные, даже произносимые одним тоном, различаются обертонами. Первый обертон имеет частоту, вдвое большую, чем основной тон, который по условию задачи равен 1 кГц. Поэтому для различения гласных необходимо иметь возможность воспринимать как минимум второй обертон (а лучше √ несколько обертонов), т.е. частоту не менее 2 кГц.

Литература

Элементарный учебник физики.//Под ред. Г.С.Ландсберга. - М.: Наука, 1986.

Яворский Б.М., Пинский А.А. Основы физики. - М.: Наука, 1974.

Музыкальным тоном или тоном называется звук, издаваемый гармонически колеблющемся телом.

hello_html_715698d.png

Рис.1

Этот тон ещё называется простым или чистым. Простой тон издает, например, камертон (рис.1).



Основной физической характеристикой чистого тона является частота. Это объективная характеристика звука, которая оценивается специальными приборами независимо от человека. Во всяком музыкальном тоне можно различить на слух два качества: громкость и высоту. Это субъективные характеристики звука. Высота тона определяется, прежде всего, частотой основного тона. Возьмем камертоны различных размеров. Самый большой камертон дает наиболее низкий звук. Самый маленький – наиболее высокий. Чем выше звук, издаваемый камертоном, тем больше частота колебаний камертона. (вставка фильма) Громкость звука какой-либо данной высоты определяется амплитудой колебаний. Чем сильнее удар молоточка по камертону, тем громче звучит камертон. А более сильный удар вызывает колебания большей амплитуды (вставка фильма). Чувствительность нашего уха зависит от частоты звука. Звуковые колебания одинаковых амплитуд не кажутся нам одинаково громкими, если частоты их различны. Наше ухо наиболее чувствительно к колебаниям с частотой около 3500 Гц.



Громкость характеризует субъективное звуковое ощущение и пропорциональна интенсивности звука, которая является объективной энергетической характеристике акустических волн.



Ангармоническому (негармоническому) колебанию соответствует сложный тон. Сложный тон создается музыкальными инструментами, аппаратом речи (гласные звуки) и т. п. Сложный тон может быть разложен на простые. Ж. Фурье показал, что периодическая функция любой сложности может быть представлена в виде суммы гармонических функций, частоты которых кратны частоте сложной периодической функции. Теорема Фурье: всякое периодическое колебание периода Т может быть представлено в виде суммы гармонических колебаний с периодами, равными Т, Т/2, Т/3, Т/4 и т.д., т.е. с частотами Наиболее низкая частота называется основной частотой. Колебание с основной частотой называется первой гармоникой или основным тоном, а колебания с частотами высшими гармониками или обертонами.



Такое разложение периодической функции на гармонические составляющие и, следовательно, разложение различных периодических процессов (механические, электрические и т. п.) на гармонические колебания называется гармоническим анализом. Совокупность гармонических колебаний, на которые разложено сложное колебание, называется гармоническим спектром сложного колебания.

Гармонический спектр удобно представить как набор частот (или круговых частот) отдельных гармоник совместно с соответствующими им амплитудами. Наиболее наглядно такое представление выполняется графически. В качестве

hello_html_4dcb856.png

примера на рис.2,а изображены графики сложного колебания (кривая 4) и составляющих его гармонических колебаний (кривые 1, 2 и 3); на рис.2,б показан гармонический спектр, соответствующий этому примеру.

Гармонический анализ позволяет достаточно детально описать и проанализировать любой сложный колебательный процесс, он находит применение в акустике, радиотехнике, электронике и других областях науки и техники.

Набор частот с указанием их относительной интенсивности (или амплитуды А) называется акустическим спектром. Спектр сложного тона линейчатый. На рис. 3 показаны осциллограммы звуковых

hello_html_m4527d47d.png

колебаний, создаваемых роялем (а) и кларнетом (б) для одной и той же ноты (частота равна 100 Гц) и их акустические спектры.

Если колебание не является гармоническим, то на слух оно имеет ещё одно качество, специфический оттенок, называемый тембром.



По различному тембру мы легко распознаем звук голоса, свист, звучание струны рояля, скрипичной струны, звук флейты. Тембр звука почти исключительно определяется спектральным составом (числом обертонов и их амплитудами). На рис. 3 а, б разные акустические спектры соответствуют разному тембру, хотя основной тон и, следовательно, высота тона одинаковы. Период обоих колебаний одинаков (0,01 с), но они сильно отличаются друг от друга по форме, т.е. имеют разный гармонический состав. Оба звука состоят из одних и тех же гармонических колебаний (тонов), но в каждом из них эти тоны - основной и его обертоны - представлены разными амплитудами и фазами. В звуке рояля заметны гармоники до 18-ой, причем 15-я и 16-я практически отсутствуют. У кларнета присутствуют гармоники лишь до 12-ой, отсутствуют 2-ая и 4-ая.



С помощью компьютерной программы можно создать звуки различных инструментов одной частоты.

Шумом называют звук, отличающийся сложной неповторяющейся временной зависимостью.

К шуму относятся звуки от вибрации машин, аплодисменты, шум пламени горелки, шорох, скрип, согласные звуки речи и т. п.

Шум можно рассматривать как сочетание беспорядочно изменяющихся сложных тонов. Если попытаться с некоторой степенью условности разложить шум в спектр, то окажется, что этот спектр будет

hello_html_m5f66f3d8.png

сплошным, на¬пример спектр, полученный от шума горения бунзеновской газовой горелки (рис. 5).

Выводы исследования

Шум отличается от музыкального тона тем, что ему не соответствует какая-либо определенная частота колебаний. В шуме присутствуют колебания всевозможных частот.

Задачи теоретического исследования

Определить длину резонатора (ящика) камертона, чтобы произошло усиление звука. Выяснить почему музыкальные инструменты[1]имеют сложную форму по сравнению с ящиком камертона.

Результаты теоретического исследования

Воздух является упругим телом. Столб воздуха в трубе или ящике обладает определенным набором собственных частот. В столбе воздуха могут возникать стоячие волны. Если труба закрыта с двух концов, то на ее краях образуются узлы стоячей волны. Частоты собственных колебаний будут определяться формулой

:n = v k/2l

где v — скорость звука, l — длина трубы, к=1, 2,3,… Если труба открыта с одного конца, то у открытого конца образуется пучность смещений. Поэтому вдоль трубы (или ящика) при колебаниях основной частоты укладывается четверть длины волны. Частота основного тона равна в этом случае

: n = v /'4l

Основной тон резонаторного ящика совпадает с собственной частотой колебаний камертона. Поэтому под влиянием периодической силы, с которой камертон действует на крышку ящика, в ящике возбуждается интенсивная стоячая волна. Звуковая волна создается в основном за счет колебаний воздуха в ящике, а не ветвей камертона. В духовых музыкальных инструментах (орган, кларнет, саксофон и т. д.) под действием воздушной струи возбуждаются колебания с частотой, очень близкой к собственной частоте колебаний столба воздуха в трубе. В зависимости от длины трубы возбуждаются колебания той или иной частоты.

hello_html_2551feb3.png

Стоячие волны в ящике, изображенном на рис.6: а) основное колебание; б) первый обертон; в) второй обертон.

Роль резонаторов играют корпуса всех струнных музыкальных инструментов (гитары, скрипки, рояля и т.п.). Но резонатор камертона должен усиливать только один, основной тон, а корпуса музыкальных инструментов - множество тонов и гармоник.

Изменение любой детали в архитектуре, например, скрипки, обязательно приведет к изменению характера ее звучания, тембра. Полный и точный расчет оптимальной формы музыкального инструмента пока выходит за пределы возможностей современной науки из-за необычайной сложности. И в настоящее время создание инструмента – это скорее искусство, чем техника, это итог творчества мастера, интуитивно придающего нужный облик своему творению. Поэтому до сих пор остаются непревзойденными шедевры гениальных мастеров Амати, Гварнери, Страдивари. Вид резонатора определяет, какие из обертонов будут усилены («подчеркнуты» в звучании), а какие ослаблены или вовсе подавлены. Именно это отличает звук одного музыкального инструмента от другого, даже если они звучат на одной ноте. Любой духовой инструмент состоит из двух элементов: генератора шума (источника звука, излучающего звуки всех частот) и резонатора в виде столба воздуха, находящегося внутри трубы. Генератором шума служит мундштук, трость и т.п., помещенные в закрытом конце трубы. Из всего множества звуков разных частот, издаваемых генератором шума, резонатор усиливает те, которые удовлетворяют условиям возникновения стоячих волн, и подавляет все остальные. Если музыкант желает извлечь звук другого тона (сыграть другую ноту), он изменяет длину резонирующего воздушного столба.

Выводы теоретического исследования



Минимальная длина ящика камертона для наступления резонанса равна одной четвертой части длины волны камертона.

Выводы практического исследования исследования

Литература



Ресурсы

http://ru.wikipedia.org/wiki/ звук

Музыкальные инструменты

Г.С.Ландсберг Элементарный учебник физики. - М.: Наука, 1986.

Г.Я.Мякишев, А.З.Синяков Физика 11 класс.Колебания и волны. М.:Дрофа, 2002

Л.Эллиот, У.Уилкокс Физика.-М.:Наука, 1967

Автор
Дата добавления 26.10.2016
Раздел Физика
Подраздел Научные работы
Просмотров362
Номер материала ДБ-292274
Получить свидетельство о публикации

"Инфоурок" приглашает всех педагогов и детей к участию в самой массовой интернет-олимпиаде «Весна 2017» с рекордно низкой оплатой за одного ученика - всего 45 рублей

В олимпиадах "Инфоурок" лучшие условия для учителей и учеников:

1. невероятно низкий размер орг.взноса — всего 58 рублей, из которых 13 рублей остаётся учителю на компенсацию расходов;
2. подходящие по сложности для большинства учеников задания;
3. призовой фонд 1.000.000 рублей для самых активных учителей;
4. официальные наградные документы для учителей бесплатно(от организатора - ООО "Инфоурок" - имеющего образовательную лицензию и свидетельство СМИ) - при участии от 10 учеников
5. бесплатный доступ ко всем видеоурокам проекта "Инфоурок";
6. легко подать заявку, не нужно отправлять ответы в бумажном виде;
7. родителям всех учеников - благодарственные письма от «Инфоурок».
и многое другое...

Подайте заявку сейчас - https://infourok.ru/konkurs


Выберите специальность, которую Вы хотите получить:

Обучение проходит дистанционно на сайте проекта "Инфоурок".
По итогам обучения слушателям выдаются печатные дипломы установленного образца.

ПЕРЕЙТИ В КАТАЛОГ КУРСОВ


Идёт приём заявок на международный конкурс по математике "Весенний марафон" для учеников 1-11 классов и дошкольников

Уникальность конкурса в преимуществах для учителей и учеников:

1. Задания подходят для учеников с любым уровнем знаний;
2. Бесплатные наградные документы для учителей;
3. Невероятно низкий орг.взнос - всего 38 рублей;
4. Публикация рейтинга классов по итогам конкурса;
и многое другое...

Подайте заявку сейчас - https://urokimatematiki.ru

Похожие материалы

Включите уведомления прямо сейчас и мы сразу сообщим Вам о важных новостях. Не волнуйтесь, мы будем отправлять только самое главное.
Специальное предложение
Вверх