Музыкальный звук. Как формируется гитарный звук
Звук – колебание физического тела. Звук обладает следующими свойствами:
Высота. Зависит от частоты колебаний источника звука.
Длительность (сустейн). Зависит от продолжительности колебаний источника звука.
Громкость – сила звука.
Тембр – окраска звука.
Тебр звука формируется за счёт призвуков (обертонов), которые образуются в результате колебаний физического тела, будь то струна в щипковых инструментах таких как гитара, или столб воздуха в духовых. У каждого инструмента набор этих обертонов (призвуков) отличается. Слух улавливает эти различия, и мы слышим тембр звучание разных инструментов.
Звуки можно разделить на музыкальные и шумовые.
Что отличает музыкальный звук от любого другого? Система высотных соотношений лежащая в основе определённой музыкальной культуры. К примеру частота колебаний ноты “ми” (1-я струна на гитаре) 329,63 Гц, ноты “ля” (это 1-я струна, зажатая на 5-м ладу) 440 Гц и т.п. Т.е. у каждого музыкального звука есть определённая точная высота выраженная в герцах. Эта система называется музыкальный строй.
Формирование гитарного звука
В формировании звука у акустической гитары напрямую участвует корпус, а точнее верхняя и нижняя деки. О том из каких частей состоит гитара и как она устроена читайте здесь. Струны колеблясь передают энергию на корпус гитары, который в свою очередь также начинает колебаться, и за счёт этого мы слышим звук. На звук акустической гитары очень сильно влияет дерево из которого сделан инструмент, в отличии от электро гитар, в которых дерево играет второстепенную роль, а вся ответственность за звук ложится на электронные датчики. Поэтому очень часто электро гитары делают из материалов отличных от дерева, например из пластика или оргстекла, и несмотря на это они звучат. Акустика, конечно же, сделанная из подобных материалов, звучать не будет. О том какие струны нужно выбирать для акустической гитары, чтобы она выдавала все свои возможности, читайте здесь.
О музыкальной системе
Ряд звуков отобранных музыкальной практикой в определенную эпоху или в определённой местности – называется музыкальной системой.
Мы можем с лёгкостью отличить китайскую музыку от русской народной, или же узнать какие-то арабские мотивы. Это происходит благодаря тому, что в определенных культурах использовались разные музыкальные системы. Китайская традиционная музыка например, состоит в основном из звуков входящих пентатонику (5 звуков). Сыграйте изображённую на фрагменте нот для гитары последовательность звуков, или варьируйте их, и вы с лёгкостью узнаете китайские мотивы: 
А вот ноты для гитары и табы с примером звуков из восточной музыкальной системы: 
В в европейской музыке музыке было принято использовать 7 звуков, так называемая диатоника:
В диатонической системе написано большая часть мировой музыки. 
Существует также множество других музыкальных систем или как их еще называют ладов начиная от народных, сложных джазовых и заканчивая придуманными определёнными композиторами, но это уже более углубленная тема для изучения.
Источник
Физические основы звучания электрогитары
Электрогитара — разновидность гитары со сплошным корпусом и электронными звукоснимателями, преобразующими колебания стальных струн в колебания электрического тока. Сигнал со звукоснимателей может быть обработан для получения различных звуковых эффектов и затем усилен для воспроизведения через динамики
Для того чтобы играть на данном инструменте требуется оборудование
Комбоусилитель (комбик) — усилитель и динамик, cмонтированные в одном корпусе. Основной элемент создания гитарного звука. Усилитель может быть построен на электронных лампах (ламповый) или полупроводниках (транзисторный или микросхемный).
Педаль эффектов (примочка) — устройство, обрабатывающее звук гитары. Обычно одно устройство реализует один тип эффекта, реже — два и более. Наиболее известные эффекты: Distortion — эффект сильного искажения, используется в тяжёлой музыке. Overdrive — моделирование звучания лампового усилителя с перегруженным входом. Цифровой процессор — устройство, обрабатывающее гитарный звук при помощи цифровых алгоритмов. Реализует несколько типов эффектов с возможностью их комбинирования.
В принципе в основной состав электрогитары входят Звукосниматели.
Звукосниматель — устройство, преобразующее колебания стальных струн в электрический сигнал, который может быть в дальнейшем усилен и записан. Существуют два основных вида звукоснимателей: магнитные и пьезоэлектрические.
При более сложной физике преобразования механической энергии непосредственно в электрическую энергию, пьезозвукосниматель является простым и прогнозируемым устройством. Пьезозвукосниматель — это пьезокристал с обкладками из проводника, поэтому его свойства полностью заранее определены физическими свойствами этого кристалла. Пьезодатчики используют для озвучивания акустических гитар, поскольку они, как и микрофон, преобразуют в той или иной степени в электрический сигнал все колебания системы корпус-струны. Кроме того, пьезодатчики работают со струнами абсолютно любого типа.
Магнитные звукосниматели работают только со струнами из ферромагнитных материалов (стальная жила + оплетка из никеля, стали и т. п. ) и состоят из магнитов и катушек.
Магнитные звукосниматели подразделяются на однокатушечные (single coil или просто single – один) и двухкатушечные — хамбакеры (humbucker – подавитель фона).
Двухкатушечные датчики делятся в свою очередь на 2 типа: хамбакеры и хамкенселлеры от английских hum-bucker (фоно-подавитель) и hum-canceller (фоно-погаситель) соответственно. Общее в этих датчиках то, что в них используются две катушки, которые одинаковы геометрически и одинаковы или близки по количеству витков, электрически находятся в противофазе, чтобы паразитные наводки и шумы сводить до минимума. На этом сходство хамкенселлера и хамбакера заканчивается.
В остальном хамкенселлер полностью похож на сингл, его катушки находятся строго одна под другой (поэтому его по-другому называют стековый от stack хамбакер). Сигналы в каждой катушке полностью идентичны друг другу по спектру и фазе, поскольку снимаются с одной и той же точки струны, но они в достаточной степени отличаются друг от друга по амплитуде, поскольку струна сильнее меняет магнитный поток в ближайшей по отношению к ней катушке. Выходное напряжение, таким образом, составляющее разностный сигнал катушек хамкенселлера, является спектрально (по тембру) точной копией синглового, имеет меньшую, чем у сингла амплитуду, зато полностью свободно от любых синфазных шумов, которые наводятся в катушках практически одинаково.
Хамбакер представляет из себя 2 сингла, стоящие параллельно друг другу на одном уровне под струнами. Общий для этих синглов магнит расположен под ними таким образом, что его ось перпендикулярна оси катушек, т. е. он одним своим полюсом прижат к сердечникам, находящимся в одной катушке, а другим – в другой. В результате поле с обоих полюсов через сердечники подводится под струны, в которых же большей частью и замыкается.
Так же электрогитара состоит из потенциометра ( Резистора )
Потенциометр — регулируемый делитель электрического напряжения, представляющий собой, как правило, резистор с подвижным отводным контактом (движком).
Реле́ — электромагнитный аппарат (переключатель), предназначенный для коммутации электрических цепей (скачкообразного изменения выходных величин) при заданных изменениях электрических или не электрических входных величин.
Разъём TRS (англ. Tip, Ring, Sleeve) — распространённый разъём для передачи аудиосигнала. Обычно имеет три контакта, но есть и модификации с двумя (TS) и четырьмя (TRRS) контактами. Существует три стандартных диаметра разъема — 1/4″ (6,35 мм), 3,5 мм и 2,5 мм. Часто 1/4″ TRS называют «джек» (англ. jack), а 3,5 мм TRS «мини-джек» (англ. mini-jack).
Вспомним основные физические понятия, которые используются в курсе звуковые волны.
В электрогитаре звук занимает самое значительное место. Поскольку создана она для того чтобы воспроизводить звук. Звук электрогитары может быть на столько разнообразным, что этому практически нет границ. Со Звуком можно импровизировать, можно из одной мелодии сделать множество новых мелодий. А так же, в разных условиях гитара может звучать по-разному. Для того чтоб на концертах звук был идеален приходиться настраивать инструменты где то около часу.
Звук — в широком смысле — упругие волны, распространяющиеся в среде и создающие в ней механические колебания; в узком смысле — субъективное восприятие этих колебаний специальными органами чувств животных или человека.
Звук музыкальный — звук, обладающий:
• определённой высотой (высота основного тона обычно от до субконтроктавы до — ре пятой октавы (от 16 до 4000 — 4500 Гц);
• тембром, который определяется присутствием в звуке обертонов и зависит от источника звука. По тембру звуки очень разнообразны;
• громкостью, которая не должна превышать порога болевого ощущения;
Известно, что важной частью гитары являются струны. Они натянуты по-разному, и при разном натяжении издают разные звуки.
Упругость – свойство тела деформироваться под действием нагрузки и восстанавливать первоначальную форму и размеры после её снятия.
Для упругих деформаций выполняется закон Гука, в котором сила упругости, возникающая при деформации тела, прямо пропорциональна величине деформации и направлена в сторону противоположную направлению перемещения частиц.
Данное правило используется в струнах. Струна натягивается по грифу и регулируется колками.
Таким образом, струну можно настроить под ноты (Ми, Фа, Ля, Ре)
Итак проведём небольшие опыты и расчёты. Во- первых просчитаем период колебаний струн разного диаметра.
Для этого используем таблицу соответствия нот частоте колебаний
Тон Частота, Гц Тон Частота, Гц Тон Частота, Гц
До 261,63 Фа 349,23 Си 466,16
Ре 293,67 Соль 392,00
Ми 329,63 Ля 440 (точно)
Теперь просчитаем период колебания для каждой ноты:
До: Т=1/261,63 , Т =0,00382с
Ре: Т=1/293,67 ,Т =0,0034с.
Ми: Т=1/329,63, Т =0,00303с
Фа: Т=1/349,23, Т =0,00286с
Соль: Т=1/392,00, Т =0,00255с
Ля: Т=1/440, Т = 0,00227с
Си: Т=1/466,16, Т =0,00214с
Из этого следует, что струны разные по диаметру выполняют повторяющиеся движение за разные промежутки времени. И чем выше нота, тем больше ее период колебаний.
У каждой струны будет своя длина волны (расстояние между двумя точками, которые совершают колебания в одинаковых фазах).
Зная период колебаний, определим длину волны струн в различных средах.
V — скорость звука, определяется самой средой.
1)Скорость звука в воздухе – 331м/с
2)В морской воде скорость Звука – 1513м/с
3)Скорость звука в воде – 1483м/с
1) λ= 0,00382с * 331 = 1,26442
2) λ = 0,00382с * 1513 = 5,77966
3) λ = 0,00382с * 1483 = 5,66506
1) λ =0,0034*331=1,1254
2) λ =0,0034*1513=5,1442
3) λ =0,0034*1483=5,0422
1) λ = 0,00303*331=1,00293
2) λ= 0,00303*1513=4,58439
3) λ= 0,00303*1483=4,49349
1) λ = 0,00286*331=0,94666
2) λ= 0,00286*1513=4,32718
3) λ = 0,00286*1483=4,24138
1) λ = 0,00255*331=0,84405
2) λ =0,00255*1513=3,85815
3) λ =0,00255*1483=3,78165
1) λ = 0,00227*331=0,75137
2) λ =0,00227*1513=3,43451
3) λ =0,00227*1483=3,36641
1) λ= 0,00214*331=0,70834
2) λ =0,00214*1513=3,23782
3) λ =0,00214*1483=3,17362
Таким образом, все результаты оказались абсолютно разными. В разной среде разная длинна волны, а значит, что гитара в разных условиях будет играть по-разному. Но звук в воде будет очень быстро прекращаться, из-за высокого коэффициента затухания.
В работе мы описали строение электрогитары, описали с точки зрения физики процессы, происходящие в электрогитаре. Рассчитали длину волны разных тонов в различных средах.
Источник
Звук от гитары физика
Проблематика проекта:
Изучить физику гитары
Актуальность проблемы:
Использование законов физики для грамотного сочинения мелодий на гитаре
Задачи проекта:
Научиться работать с устройством LabQuest, используя программное обеспечение Logger Pro, для получения графиков колебаний с последующим анализом
Изучить физику звуковых колебаний и стоячих волн
Определить практическое применение полученных знаний
Цель проекта:
1) Изучить физику гитары.
2) Исследовать характеристики звука с помощью графиков, полученных в программе Logger Pro.
3)Исследовать условия возникновения стоячей механической волны.
Использование литературных материалов и степень изученности данного вопроса:
С помощью элементарного учебника физики под редакцией академика Г.С.Ландсберга и учебника «Курс физики» Б.М.Яворского и А.А.Детлафа удалось систематизировать приобретенные знания, составить план, по которому выполнялась исследовательская работа. Изначально степень изученности данной работы была недостаточной для отчетливого представления о проблематике темы. Но благодаря ознакомлению со специальной литературой и интернет-источниками, были выделены и исследованы основные положения работы. Все измерения и полученные по ним графики были выполнены мною самостоятельно.
Для исследования я использовала оборудование:
1) Микрофон 2) LabQuest 3) Программа Logger Pro 4) Электронный усилитель мощности 5) Набор аксессуаров для усилителя мощности 6) Камертоны
Основные этапы работы:
1) Выбор темы работы и обоснование этого выбора 2) Разбор теории работы 3) Проведение исследований 4) Оформление работы. Подготовка презентации для представления проекта
Представление исследовательской работы на городской научно-практической конференции школьников «Физика вокруг нас»
1 этап.Исследование характеристик звука. 5
2 этап.Создание стоячей механической волны. 8
3 этап.О струнах 10
4 этап.Ноты, созвучия и аккорды. 12
5 этап.Акустический резонатор. 13
6 этап.Рассмотрим подробнее устройство гитары. 14
Используемая литература15
Гитара – притягательный инструмент для людей разных поколений, разных возрастов, разных вкусов. Есть народы, испытывающие особое пристрастие к гитаре, например, испанцы. Эту любовь к гитаре, тонкое понимание ее многогранного и богатого звучания ярко выразил известный испанский поэт Федерико Гарсиа Лорка, Например, в своем известном стихотворении «Гитара»:
Тебе не первой, тебе не первой предъявлен веком нелёгкий счёт. Моя гитара, мой спутник верный, давай хоть дождь смахну со щёк.
В России распространение игры на гитаре было связано со становлением традиции городского романса. Во второй половине ХХ века гитарная традиция была оживлена и развита направлением авторской песни, когда поэты сочиняли текст, потом музыку к нему и сами исполняли песню под гитару. Неповторимым талантом исполнения отличались особенно два русских поэта: Булат Окуджава и Владимир Высоцкий. Гитара звучала и неизменно звучит на фестивалях авторской песни. Например, несколько лет подряд такой фестиваль авторской песни проходит под Коломной, в лесу, у станции Пески, куда приезжают и уже признанные поэты, и молодые, дебютные исполнители. Именно гитара, сопровождающая поэтическое слово, создает особую атмосферу теплоты, сердечности, дружеского настроения.
Гитара тот инструмент, который не сразу, но постепенно привлек меня, и я начала учиться игре на гитаре, которая сформировала у меня особое отношение к инструменту, в том числе к его физике.
Итак, что такое звук? Звук- это колебательное движение частиц упругой среды, распространяющееся в виде волн в газообразной, жидкой или твердой сферах.
Как возникает звук? Вблизи источника звука возникают сжатие и разрежение воздуха, то есть колебания давления. Возмущение передается от точки к точке, в пространстве распространяется акустическая волна. Она является продольной в газах и жидкостях. Если частота колебаний лежит в диапазоне 16-20000 Гц, мы слышим звук. Мы различаем разные звуки. Чем же они отличаются?
1 этап. Исследование характеристик звука.
Рассмотрим характеристики звука.
Громкость звука — субъективное качество слухового ощущения, позволяющее располагать все звуки по шкале от тихих до громких. Так как звук переносит изменения давления воздуха, можно предположить, что громкость звука связана с амплитудой колебаний давления.
Громкость звучащего камертона постепенно уменьшается. Почему?Если провести по закопченному стеклу иглой, прикрепленной к звучащему камертону, мы увидим, что амплитуда колебаний уменьшается.
Исследуем звук с помощью микрофона и компьютерной программы Logger Pro:
1) Соберем оборудование следующим образом: к LabQuest присоединим провод для подключения к компьютеру и микрофон, затем подключим LabQuest к розетке и откроем программу Logger Pro.
2) Ударим по камертону слабо, держа возле него микрофон, и запишем данные в компьютерной программе, в результате чего получим график данных колебаний.
3) Затемударим по камертону сильнее, тем самым увеличив амплитуду его колебаний, мы услышим более громкий звук. Получим график аналогичным образом.
Вывод: Второй график отличается от первого большим «размахом», т.е. большей амплитудой колебаний. Следовательно, громкость звука определяется амплитудой колебаний тела.
Вторая характеристика звука — высота.
Возьмем 2 камертона и ударим по ним молоточком,
мы слышим разный звук. Сравним графики этих колебаний
колебания камертона с частотой 56 гц 440 гц
Очевидно, что высота звука определяется его частотой: чем больше частота колебаний в звуковой волне, тем выше звук.
И еще одна характеристика звука — это тембр.
Тембром называют особое качество звука, его окраску, характерную для каждого голоса или музыкального инструмента. От чего же зависит тембр звука? Если подключить микрофон и пропеть какую-нибудь мелодию, то на экране осциллографа появится не синусоида, а более сложная кривая(график снизу), это значит, что источник звука совершает несинусоидальные колебания.
Такое колебание может быть представлено в виде суммы гармонических колебаний с разными частотами. Колебания с наименьшей частотой называются основным тоном, а колебания с более высокой частотой называются обертоном или гармоникой. Тембр звука определяет его окраску. Он определяется наличием и интенсивностью обертонов — частот, кратных основной.
Как извлечь звук на гитаре? Вы скажете, надо оттянуть струну и отпустить её. Рассмотрим аналог струны — резиновый шнур, т.к. он колеблется с меньшей частотой, то мы может наблюдать эти колебания.
2 этап. Создание стоячей механической волны.
Соберём установку для получения стоячей механической волны:
конец резинового резинового шнура к электронному усилителю мощности а другой к штативу, как показано на фото слева. 2) Подключим усилитель мощность к LabQuest последовательно с компьютером. 3) Откроем на компьютере программу Logger Pro и зададим такую частоту, чтобы получилась механическая волна с одной пучностью.
Это частота, равная 5 Гц. Далее поставим частоту 10Гц и получим стоячую волну с двумя пучностями(фото снизу).
Шнур, оттянутый строго посередине, будет совершать колебания. Через каждые пол периода весь шнур оказывается по разные стороны от положения равновесия. На концах шнура образуются узлы, а посередине — пучность, на длине шнура укладывается ровно половина длины волны. Мы видим возникновение стоячей волны.
Стоячие волны образуются в случае наложения двух волн одинаковой амплитуды, фазы и частоты, когда при «встрече» таких волн одна движется в прямом, а другая – в обратном направлении.
Стоячая волна это результат интерференции — явление наложения волн, приводящего к образованию интерференционной картины.
Частота стоячей волны с единственной пучностью называется основной частотой. Стоячие волны с более высокими частотами называются гармониками. Первой гармоникой называют основную частоту, вторая гармоника(фото снизу) имеет частоту, равную удвоенной основной и т.д.
Мы наблюдали стоячую волну в шнуре, как наглядный пример образования стоячей волны в звуковых колебаниях, которые нельзя увидеть, но можно услышать. При ударе по струне в ней тоже возникает стоячая волна с пучностью посередине(1).
3 этап. О струнах
Если бы каждая струна колебалась только с одной частотой, то все гитары имели бы практически одинаковое звучание. Но «голоса» гитар различаются. И во многом благодаря струнам.
Дело в том, что струна, помимо основного колебания, частота которого задается гитаристом при зажатии струны, участвует и в других колебаниях, больших частот и меньших амплитуд. Это кратные частоты. Их набор и определяет тембр. Сложное колебание с разными частотами хорошо заметно на басовых струнах(фото снизу)
В зависимости от упругих свойств материала струны (упругих свойств) эти частоты могут иметь разные амплитуды, т.е. разную громкость звучания на фоне звука основной частоты. А эти свойства определяются материалом, из которого струна изготовлена, ее толщиной, длиной и силой натяжения. Чем толще струна, тем ниже звук (меньше частота). Чем сильнее натянута струна, тем звук выше. Эти параметры задаются уже при установке струн и настройке гитары. При игре гитарист регулирует, по сути, только один параметр – длину струны, пережимая ее в разных местах. Чем меньше рабочая длина струны, тем выше частота колебаний (выше звук). Таким образом, увеличение натяжения струны приводит к повышению частот колебаний.
Сравним графики звуковых колебаний, полученных в программе Logger Pro камертона (ноты ля), (рисунок слева) с графиком этой же ноты, но сыгранной на гитаре (рисунок справа). Нетрудно увидеть, что у камертона синусоидальный график, а у гитары график с такой же частотой, но с некоторыми неровностями — это и есть обертоны.
А если сыграть на гитаре ля на октаву выше или ниже (рисунки слева, справа), то изменится и частота и набор обертонов.
Таким образом, каждая нота, сыгранная на любом инструменте, представляет собой сложный звук, состоящий из основного тона и большого числа обертонов.
4 этап. Ноты, созвучия и аккорды.
Рассмотрим ноты, созвучия и аккорды.
Современный нотный строй таков, что одноименные ноты соседних октав различаются по частоте в 2 раза. Например, «ля» первой октавы соответствует частоте 440 Гц, второй – 880 Гц, третьей – 1320 Гц и т.д. Созвучия, соответствующие разным интервалам, воспринимаются слухом и сознанием по-разному: одни звучат более приятно, другие – менее. Так как каждое созвучие – это одновременное звучание двух основных частот или результат сложения колебаний.
Если мы посмотрим на соотношения частот в разных созвучиях, построенных, например, от ноты «до», то увидим, что они таковы:
до-до диез 277,2 : 261,7 = 1,059.
до-ре 293,7 : 261,7 = 1,122.
до-ре диез 311,1 : 261,7 = 1,188. 1,2 = 6 : 5
до-ми 329,6 : 261,7= 1,259. 1,25 = 5 : 4
до-фа 349,2 : 261,7= 1,310. 4 : 3
до-соль 392,0 : 261,7 = 1,498. 1,5 = 3 : 2
до-ля 440,0 : 261,7 = 1,681.
до-си 493,9 : 261,7 = 1,887.
до-до(октава) 523,4 : 261,7 = 2 : 1
Поэтому аккорды — это не случайно подобранные красивые созвучия, а сочетания нот, частоты которых дают отношения целых чисел.
5 этап. Акустический резонатор.
Резонатор предназначен для эффекта усиления вынужденных колебаний, возникающих при несовпадении частот возмущающей силы и собственной частоты. Если поставить звучащий камертон на стол(фото справа), то доска стола приходит в вынужденные колебания и звук усиливается, но это объясняется увеличением площади колеблющейся поверхности, а не совпадением частот.
Но если камертон поставить на специальный резонаторный ящик, длина которого равна четверти длины звуковой волны, создаваемой камертоном, то слышимость звука камертона улучшается из-за резонанса в воздушной среде. Но почему же резонатор камертона — это простой ящик незамысловатой формы, в то время как корпус гитары представляет собой нечто более сложной формы? Дело в том, что если резонатор камертона должен усиливать звук только одной частоты, то резонатор гитары должен усиливать звуки разных частот.
6 этап. Рассмотрим подробнее устройство гитары.
Резонаторный ящик гитары, образованный двумя деками и боковиной, имеет особую форму. Расстояние от розетки до стенок ящика в разных местах разное, что и позволяет воздуху резонировать в ящике на разных частотах.Набор этих частот определяет общий тембр инструмента.
Наличие резонатора необходимо потому, что сама по себе струна плохой источник звука, т.к. она имеет маленькую площадь поверхность, а, следовательно, не может вызвать большие возмущения воздуха. Материал, из которого изготовлен корпус гитары, её форма, и даже лак, которым она покрыта, оказывают большое влияние на звучание инструмента. Знаменитый Страдивари создал гитары с неповторимым звучанием.
1. Б.М.Яворский, А.А.Детлаф, «Курс физики», М.,Высшая школа,1999
2. А.Радзишевский, «Основы аналогового и цифрового звука», Вильямс, 2006
Источник