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
Физика игры на гитаре
Хендрикс, Кобейн и Пейдж – их соло известны всему миру. Но как именно культовые инструменты в их руках воспроизводят ноты, ритмы, мелодию и музыку? Касаясь гитарной струны, вы создаете вибрацию, известную как стоячая волна. При этом, некоторые точки струны, называемые узлами, вообще не двигаются, в то время как другие точки, называемые пучностями, колеблются вверх и вниз. Вибрация через гриф и струнодержатель передается на корпус гитары, тонкая гибкая древесина которого также начинает вибрировать, взаимодействуя с окружающими молекулами воздуха, сталкивая их друг с другом. Такая последовательность сжатий создает звуковые волны, и те из них, которые возникают внутри корпуса, выходят через резонаторное отверстие. В конечном счете, они доходят до вашего уха, трансформирующего волны в электрические импульсы, которые мозг интерпретирует как звук.
Тональность звука зависит от частоты сжатий. Быстро вибрирующая струна создает высокую плотность сжатий и высокий звук, в то время как медленная вибрация превращается в звук низкой тональности. На частоту вибраций струны влияют 4 вещи: длина, натяжение, плотность и толщина. Длина и натяжение стандартных гитарных струн, как правило, одинаковы, а толщина и плотность варьируется. Более толстые струны вибрируют медленнее, производя низкие ноты.
Каждый раз, касаясь струны, вы создаете сразу несколько стоячих волн. Первая волна – это основной тон. Она определяет тональность ноты. Есть еще так называемые обертоны – волны, кратные частоте основного тона. Все эти стоячие волны объединяются и формируют сложную волну с насыщенным звуком. От того, как вы касаетесь струны, зависит то, какой обертон вы получите. Касания в районе середины струны даст основной тон и не гармонические обертоны, пучности которых расположены посередине струны. Касания ближе к струнодержателю даст гармонические обертоны и боле звонкий звук.
Известная западная шкала основана на сериях обертонов вибрирующей струны. Когда мы слышим, как за одной нотой следует другая, имеющая в 2 раза большую частоту, являющуюся ее тем самым первым обертоном, то они звучат настолько гармонично, что их обозначают одной буквой, а разницу между ними называют октавой. В свою очередь каждая октава состоит из 12 полутонов, частота каждого из которых в 2 на 1/12 раз больше предыдущего. Этот фактор определяет разбиение на лады. Каждый последующий лад на грифе сокращает оставшуюся длину струны в 2 на 1/12 раз, обеспечивая тем самым четкое возрастание частоты по полутонам. Безладовые инструменты, такие, как скрипка, облегчают воспроизведение бесконечного числа частот между нотами, но в то де время добавляют сложности в плане частоты и точности игры. Количество струн и их настройка подбирается индивидуально, в зависимости от требуемых аккордов и физиологии кисти конкретного человека. Форма и материал гитары также могут отличаться, и оба этих фактора непосредственно влияют на природу и звучание вибраций. Одновременный перебор двух и более струн позволяет создавать новые комбинации волн, то есть извлекать новые аккорды и звуковые эффекты. К примеру, играя 2 частотные близкие ноты, они сливаются и создают звуковую волну, чья амплитуда возрастает и убывает, образуя своего рода эффект колебания. Гитаристы называют это долями.
А в электрогитарах возможностей еще больше. Вибрации все также зарождаются в струнах, однако после этого при помощи звукоснимателя преобразуются в электрические сигналы, которые передаются на динамике и только там переходят в звуковые волны. На пути от звукоснимателя к динамикам сигнал можно обработать различными способами, получая такие эффекты, как дисторшн, овердрайв, вау вау, фланжер. Но если вы решили, что музыкальная струна годится лишь для развлечения, подумайте вот над чем: некоторые физики считают, что абсолютно все во вселенной создано гармоническими колебаниями крошечных сильно натянутых струн. Быть может, вся наша реальность – не что иное, как затянувшееся соло какого-нибудь космического Джими Хендрикса. Струны определенно таят в себе гораздо больше, чем доходит до наших ушей.
Источник
Мир музыки глазами физики на примере гитары
Гитара – наиболее распространённый музыкальный инструмент, особенно среди молодежи. Очень интересно рассмотреть его с физической точки зрения.
При ударе по струне (или при щипке струны) в ней возникает стоячая волна. Частота колебаний струны и, следовательно, частота извлекаемого звука зависит от упругих свойств струны. А эти свойства определяются материалом, из которого струна изготовлена, ее толщиной, длиной и силой натяжения. 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). В зависимости от упругих свойств материала струны эти частоты могут иметь разные амплитуды, т.е. разную громкость звучания.
Современный нотный строй, в теории музыки называемый темперированным, 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. Расстояние (музыкальный интервал) между одноименными нотами соседних октав так и называется – октава. Разумеется, есть и более мелкие интервалы: малая и большая секунды (полутон и тон соответственно), малая и большая терции (1,5 и 2 тона), кварта (2,5 тона), квинта (3,5 тона), секста (4,5 тона), септима (5,5 тона). Созвучия, соответствующие разным интервалам, воспринимаются слухом и сознанием по-разному: одни звучат более приятно, другие – менее или вовсе неприятно, «грязно», как говорят музыканты. Почему? Каждое созвучие – это одновременное звучание двух (или нескольких) основных частот или результат сложения колебаний. . Если отношение частот не кратное, то уху как бы непонятно, на какую из «непримиримых» частот настраиваться, оно чувствует диссонанс.
Посмотрим на частоты, соответствующие звукам какого-либо небольшого диапазона. Например, от «до» первой октавы до «ми» второй октавы. (СЛАЙД)
В приведенном списке от каждой ноты до соседней с ней – полутон. Следовательно:
до – до# – малая секунда;
до – ре – большая секунда;
до – ре# – малая терция;
до – ми – большая терция;
до – фа – кварта и т.д.
Если мы посмотрим на соотношения частот в разных созвучиях, построенных, например, от ноты «до» первой октавы, то увидим, что они таковы:
Малая секунда. 277,2 : 261,7 = 1,059.
Большая секунда. 293,7 : 261,7 = 1,122.
Малая терция. 311,1 : 261,7 = 1,188. 1,2 = 6 : 5.
Большая терция. 329,6 : 261,7= 1,259. 1,25 = 5 : 4.
Кварта. 349,2 : 261,7= 1,310. 4 : 3.
Квинта. 392,0 : 261,7 = 1,498. 1,5 = 3 : 2.
Секста. 440,0 : 261,7 = 1,681.
Септима. 493,9 : 261,7 = 1,887.
Октава. 523,4 : 261,7 = 2 : 1.
Как видим, те созвучия, которые для слуха более приятны (они в списке выделены), имеют лучшую или даже идеальную кратность частот, либо отношение, очень близкое к отношению небольших целых чисел. Недаром аккорды (и в особенности гитарные) состоят в основном из терций!
При переходе от ноты к ноте частота звука повышается примерно в 1,06 раза. Этот коэффициент постоянен для всего нотного диапазона. А вот разность частот между соседними нотами с ростом частоты (т.е. с повышением тона) увеличивается. Можно сказать, что в диапазоне частот ноты расположены неравномерно: более низкие ближе друг к другу, а более высокие дальше. Этим и объясняется неравномерность расстановки ладов на грифе гитары: с ростом номера лада порожки располагаются все чаще.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что музыка и физика имеют неразрывную связь друг с другом.
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