Высота звука определяется частотой колебания. Звук в музыке

Вопросы.

1. По рисунку 70 расскажите, как исследовалась зависимость высоты звука от частоты колебаний его источника. Какой вывод был сделан?

В опыте на рис. 70 мы имеем линейку, зажатую в тиски, и издающую звук при колебании. Перемещая линейку в тисках, таким образом, чтобы её колеблющийся кусок уменьшился, мы замечаем что при колебании более короткой части линейки издаваемый ею звук становится выше, а частота колебаний увеличивается. Из этого опыта можно сделать вывод, что при увеличении частоты колебаний увеличивается высота звука.

2. С какой целью ставился опыт, изображенный на рисунке 75? Опишите, как этот опыт проводился и какой был сделан вывод.

В опыте на рис. 75 при соприкосновении картонной пластины с вращающимся зубчатым диском слышится звук, раздающийся в результате колебаний пластины. При увеличении скорости вращения зубчатого диска увеличивается частота колебаний и соответственно увеличивается высота звука.

3. Как на опыте удостовериться в том, что из двух камертонов более высокий звук издает тот, у которого больше собственная частота? (Частоты на камертонах не указаны).

Камертон с более высоким звуком на закопченой пластинке будет оставлять более частый след, т.е. колеблется с большей частотой (см. рис. 76)

4. От чего зависит высота звука?

Высота звука зависит от частоты колебаний.

5. Что называется чистым тоном?

Чистым тоном называется звук источника, совершающего грмонические колебания одной частоты.

6. Что такое основной тон и обертоны звука?

Основной тон - частотная составляющая сложного звука с самой низкой (малой) частотой колебания.
Обертоны - совокупность частотных составляющих звука без его основного тона. Частоты обертонов кратны частоте основного тона.

7. Чем определяется высота звука?

Высота звука определяется высотой основного тона.

8. Что такое тембр звука и чем он определяется?

Тембр звука - обертонная окраска звука; специфическая характеристика музыкального звука. Тембр звука определяется совокупностью его обертонов.

Упражнения.

1. Какое насекомое чаще машет крыльями в полете - шмель, комар или муха? Почему вы так думаете?

Чем выше частота, тем выше звук. Следовательно комар, машет крыльями чаще.

2. Зубья вращающейся циркулярной пилы создают в воздухе звуковую волну. Как изменится высота звука, издаваемого пилой, при ее холостом ходе, если на ней начать распиливать толстую доску из плотной древесины? почему?

Высота звука уменьшится, т.к. уменьшится частота вращения циркулярной пилы.

3. Известно, что чем туже натянута струна на гитаре, тем более высокий звук она издает. Как изменится высота звучания гитарных струн при значительном повышении температуры окружающего воздуха? Ответ поясните.

При повышении температуры гитарная струна растягивается, следовательно увеличивается период колебаний, а значит уменьшается частота и высота звука.

Звук в музыке начнем изучать с самого простого и доступного — с тех звуков, которые нас окружают. По своей физической природе звук это колебания упругого тела, которые образуют в воздухе звуковые волны. Достигнув уха, воздушная звуковая волна воздействует на барабанную перепонку, от которой колебания передаются во внутреннее ухо и далее на слуховой нерв. Так мы слышим звуки.

Если пока не все понятно, не беда. Потому что уроки музыки не про то как мы слышим. Наша задача разобраться что мы слышим и выделить из всего разнообразия слышимого звуки в музыке.

Все звуки можно разделить на музыкальные и шумовые. В музыкальных звуках человеческое ухо может выделить определенную частоту, которая звучит громче других. В шумовых звуках содержится множество разных частот, их которых мы не можем на слух выделить по громкости какую-то отдельную частоту. В шуме сливаются звуки разной частоты с примерно одинаковой или плавающей громкостью.

Послушайте шумовые и музыкальные звуки:

• шумовые звуки

Некоторые шумовые звуки применяются в музыке. Из трех представленных шумовых звуков первые два это звуки музыкальных инструментов. Сначала звучит большой барабан, затем треугольник.

Третий шумовой звук это, так называемый, «белый шум». В нем очень много составляющих, которые изменяются случайным образом. На картинке белый шум выглядел бы так:

Шумовые звуки изучать не будем, а приступим сразу к звукам музыкальным.

• музыкальные звуки:

Если выделить из музыкального звука самую громкую составляющую и нарисовать её, то получим примерно такую картинку:

В реальном звуке картинка была бы посложнее, но, все-таки, главное то, что в музыкальном звуке присутствует самый громкий звук с одной (определенной) частотой. Из таких звуков можно составлять мелодии.

Уроки музыки. Итак, в музыкальных звуках можно выделить определенную частоту. О чем речь? Представим туго натянутую струну. Ударим по ней молоточком. Струна начнет колебания:

Частота, с которой колеблется струна, определяет частоту слышимого звука.
Измеряется частота в герцах: один герц (1 Гц) равен одному колебанию в секунду. Человек способен слышать звук в диапазоне от 16 Гц до 20 тысяч Гц (кГц) при передаче колебаний по воздуху. С возрастом слух ухудшается и звуковой диапазон сужается. Верхняя граница слышимых взрослым человеком звуков примерно 14 тысяч Гц. К тому же наиболее точно и ясно человек слышит ещё более узкий диапазон звуков: примерно от 16 до 4.200 Гц. В этом диапазоне звучат и музыкальные инструменты.

Звук в музыке. Высота звука.

В зависимости от частоты звука мы различаем звуки низкие и высокие. Вообще-то, здесь могли бы применить любые прилагательные, например, жирные и тощие. Однако, обозначение звуков по высоте выбрано не случайно. Оказывается так очень удобно рисовать музыкальные звуки на бумаге. Об этом рассказано на странице «нотная запись».

Чем меньше частота звука, тем более низким он кажется. Так, звук с частотой 200 колебаний в секунду (200 Гц) кажется низким:

Звуки большей частоты кажутся высокими.
Звук с частотой 4000 колебаний в секунду (4000 Гц) кажется высоким:

Высота это одна из характеристик звука в музыке. Каждый звук в музыке имеет свою высоту (частоту) и свое название. Звуки в музыке по высоте подбиралась опытным путем на протяжении столетий. У разных народов существуют разные системы музыкальных звуков и их названий. Мы будем рассматривать только европейскую систему, которая наиболее распространена в мире и используется в России. О звукоряде европейской системы будет рассказано на следующей странице, а сейчас перейдем к ещё одной характеристике звука.

Звук в музыке. Длительность звука.

Длительность характеризует количество времени, в течение которого длится звук.

Например, звук с частотой 440 Гц в течение 6 секунд:

Тот же звук в течение 2 секунд:

Надеюсь с длительностью всё понятно. Уточню, что в музыке длительность измеряется не секундами и не минутами. Длительность в музыке измеряется ритмическими единицами, которые могут быть выражены счетом, например, раз, два, три, четыре. Про это подробно рассказано на странице о темпе, метре и ритме музыки.

Звук в музыке. Амплитуда звука.

Амплитуда, это размах колебания источника звука (например, струны). Чем больше размах колебаний, тем, говорят, больше их амплитуда. В прямой зависимости от амплитуды звука находится его громкость — чем больше амплитуда, тем больше громкость. Меньше амплитуда — меньше громкость. Кроме амплитуды на громкость влияет расстояние для источника звука — чем ближе источник звука, тем (при одинаковой амплитуде) громче он звучит. Ещё на громкость звука оказывает влияние особенность человеческого слуха — так при одинаковой амплитуде и расстоянии до источника звука, громче всего будут слышны звуки в среднем регистре.

Вот два примера, один и тот же тон. Погромче и потише:

На громкость звука оказывает влияние и такой фактор как вид колебаний. Колебания могут быть затухающими (удар по струне гитары). В этом случае вместе с угасанием колебаний будет затихать и звук струны. Могут быть и незатухающие колебания — в этом случае колебания поддерживаются искусственно, например, движением смычка по струне или пением. Для незатухающих колебаний громкость можно изменять (уменьшать, увеличивать или оставлять неизменной) в зависимости от художественных целей и задач.

Звук в музыке. Тембр звука.

Во всех последних примерах использовался звук от звукового генератора с частотой 440 Гц. Эта частота в примерах выбрана не случайно. 440 Гц — частота ноты ля первой октавы. Про октавы рассказано на странице звукоряда, а тут важно отметить следующее — хотя, у ноты ля реальных музыкальных инструментов такая же частота, как была установлена у генератора, но звучит нота ля и генератор по разному. Более того, у разных музыкальных инструментов нота ля звучит тоже не совсем одинаково. Именно поэтому мы безошибочно можем сказать, какой инструмент звучит:

это звуковой генератор:

а это фортепиано:

это скрипка:

а это флейта:

Почему же одна и та же нота звучит по-разному, хотя, высота звука одинакова? Дело в том, что когда звучит реальный музыкальный инструмент у него на основную частоту ноты накладываются дополнительные колебания. Когда звучит, например, струна генерируются сразу несколько колебаний:

• основной тон (самый громкий) во всю длину струны и
• обертоны — ряд колебаний в половину, в треть, в четверть и так далее струны. Амплитуда (громкость) обертонных колебаний уменьшается в ростом ступени «деления» струны.

К тому же, к основному тону и обертонам добавляются ещё и звуки колебаний частей корпуса музыкального инструмента. Всё это придает звуку особенную индивидуальную окраску, которую называют тембр звука. Тембр позволяет отличить на слух разные музыкальные инструменты.

Тембр присущ звукам не только музыкальных инструментов, но и человеческому голосу тоже. Поэтому мы легко отличаем голоса разных людей.

Человеческое ухо лучше всего воспринимает самый громкий (основной) тон в музыкальном звуке. Частичные тоны (обертоны) не воспринимаются как отдельные звуки, придают основному звуку определенный колорит сливаясь с ним. Обертоны, входящие в состав сложного звука называют гармониками или гармоническими составляющими. Распределение громкости между гармониками у разных инструментов не всегда такое линейное как в теории. Например у гобоя (духовой музыкальный инструмент) вторая гармоника громче основного тона, а третья громче второй и только у последующих гармоник громкость снижается.

На электронных музыкальных инструментах (синтезаторах), изменяя соотношения гармоник в сложном звуке, можно составить любую громкость обертонов и подобрать их так, чтобы имитировать звучание любых музыкальных инструментов. Если выделить первую, третью и пятую гармоники — зазвучит кларнет 🙂

Итак, мы рассмотрели природу звука в музыке и его характеристики: высоту, амплитуду, длительность и тембр.

Если статья была полезна, поддержите проект — поделитесь этой страницей с друзьями:

Для обучения игре на духовых музыкальных инструментах мы рекомендуем программу «Свирелька», которую получить можно здесь.

Обратимся ещё раз к опыту, изображённому на рисунке 74. Как уже говорилось, свободная часть линейки создаёт звук только в том случае, если она колеблется с частотой, не меньшей чем 16 Гц. Переместим линейку в тисках вниз (укоротив тем самым верхнюю часть) и приведём её в колебательное движение. Заметим, что частота колебаний линейки увеличилась, а издаваемый ею звук стал выше. Продолжая периодически укорачивать колеблющуюся часть линейки, убедимся в том, что с увеличением частоты колебаний звук повышается.

Проверим этот вывод на другом опыте. Возьмём зубчатый диск (рис. 79, а), с помощью специального устройства приведём его во вращение и прикоснёмся к зубчатому краю тонкой картонной пластинкой (рис. 79, б). Под воздействием зубьев вращающегося диска пластинка начнёт совершать вынужденные колебания, в результате чего мы услышим звук. Увеличим скорость вращения диска, и пластинка станет колебаться чаще, а издаваемый ею звук будет выше.

Рис. 79. Исследование зависимости высоты звука от частоты колебаний источника

На основании описанного опыта можно заключить, что высота звука зависит от частоты колебаний: чем больше частота колебаний источника звука, тем выше издаваемый им звук.

Напомним, что ветви камертона совершают гармонические (синусоидальные) колебания, которые являются самым простым видом колебаний. Таким колебаниям присуща только одна строго определённая частота. Звук камертона является чистым тоном.

• Чистым тоном называется звук источника, совершающего гармонические колебания одной частоты

Звуки от других источников (например, звуки различных музыкальных инструментов, голоса людей, звук сирены и многие другие) представляют собой совокупность гармонических колебаний разных частот, т. е. совокупность чистых тонов.

Самая низкая (т. е. самая малая) частота такого сложного звука называется основной частотой, а соответствующий ей звук определённой высоты - основным тоном (иногда его называют просто тоном). Высота сложного звука определяется именно высотой его основного тона.

Все остальные тоны сложного звука называются обертонами. Частоты всех обертонов данного звука в целое число раз больше частоты его основного тона (поэтому их называют также высшими гармоническими тонами).

Обертоны определяют тембр звука, т. е. такое его качество, которое позволяет нам отличать звуки одних источников от звуков других. Например, мы легко отличаем звук рояля от звука скрипки даже в том случае, если эти звуки имеют одинаковую высоту, т. е. одну и ту же частоту основного тона. Отличие же этих звуков обусловлено разным набором обертонов (совокупность обертонов различных источников может отличаться количеством обертонов, их амплитудами, сдвигом фаз между ними, спектром частот).

Таким образом, высота звука определяется частотой его основного тона: чем больше частота основного тона, тем выше звук.

Тембр звука определяется совокупностью его обертонов.

Чтобы выяснить, от чего зависит громкость звука, вернёмся к опыту, изображённому на рисунке 76. К одной ветви камертона подводят вплотную маленький висящий на нити шарик, а по другой слегка ударяют молоточком. Обе ветви камертона приходят в колебательное движение. Слышен негромкий звук. Шарик отскакивает от колеблющейся ветви на небольшое расстояние. Затем камертон глушат и снова ударяют по нему, но гораздо сильнее, чем в первый раз. Теперь камертон звучит громче, а шарик отскакивает на большее расстояние, что свидетельствует о большей амплитуде колебаний ветвей.

Этот и многие другие опыты позволяют сделать вывод о том, что громкость звука зависит от амплитуды колебаний: чем больше амплитуда колебаний, тем громче звук.

В рассмотренном опыте частоты колебаний обоих звуков - тихого и громкого - одинаковы, так как их источником является один и тот же камертон. Но если сравнить звуки разных частот, то кроме амплитуды колебаний пришлось бы учитывать ещё один фактор, влияющий на громкость. Дело в том, что чувствительность человеческого уха к звукам разной частоты различна. При одинаковых амплитудах как более громкие воспринимаются звуки, частоты, которых лежат в пределах от 1000 до 5000 Гц. Поэтому, например, высокий женский голос с частотой 1000 Гц будет для нашего уха громче низкого мужского с частотой 200 Гц, даже если амплитуды колебаний голосовых связок в обоих случаях одинаковы. Громкость звука зависит также от его длительности и от индивидуальных особенностей слушателя.

• При равных амплитудах женский голос, имеющий большую частоту, чем мужской, воспринимается как более громкий

Громкость звука - это субъективное качество слухового ощущения, позволяющее располагать все звуки по шкале от тихих до громких.

Единица громкости звука называется сон. В практических задачах громкость звука принято характеризовать уровнем звукового давления, измеряемым в белах (Б) или децибелах (дБ), составляющих десятую часть бела.

Например, звуку, возникающему при листании газеты, соответствует уровень звукового давления порядка 20 дБ, звуку звонка будильника - примерно 80 дБ, двигателя самолёта - порядка 130 дБ (такой громкий звук вызывает у человека болевое ощущение).

Систематическое воздействие на человека громких звуков, особенно шумов (совокупности звуков разной громкости, высоты тона, тембра), неблагоприятно отражается на его здоровье.

В шумных районах у многих людей появляются симптомы шумовой болезни: повышенная нервная возбудимость, быстрая утомляемость, повышенное артериальное давление. Поэтому в больших городах приходится принимать специальные меры для уменьшения шумов, например запрещать звуковые сигналы автомобилей.

Вопросы

• С какой целью проводились опыты, изображённые на рисунках 74 и 79? Какой был сделан вывод по результатам этих опытов?
• Как на опыте удостовериться в том, что из двух камертонов более высокий звук издаёт тот, у которого больше собственная частота? (Частоты на камертонах не указаны.)
• От чего зависит высота звука?
• Как изменится громкость звука, если уменьшить амплитуду колебаний его источника?
• Звук какой частоты - 500 Гц или 3000 Гц - человеческое ухо воспримет как более громкий при одинаковых амплитудах колебаний источников этих звуков?
• От чего зависит громкость звука?
• Как отражается на здоровье человека систематическое действие громких звуков?

Упражнение 29

• Какое насекомое чаще машет крыльями в полёте - шмель, комар или муха? Почему вы так думаете?
• Зубья вращающейся циркулярной пилы создают в воздухе звуковую волну. Как изменится высота звука, издаваемого пилой при её холостом ходе, если на ней начать распиливать толстую доску из плотной древесины? Почему?
• Известно, что чем туже натянута струна на гитаре, тем более высокий звук она издаёт. Как изменится высота звучания гитарных струн при значительном повышении температуры окружающего воздуха? Ответ поясните.

Как уже упоминалось, поскольку высота звука является репрезентацией частоты звуковых колебаний, как правило, используются единицы измерения частоты - Герцы (Hz), где количество Герц, это количество колебаний в секунду:

Однако, используются и альтернативные системы измерения высоты звука, основанные на физиологическом (Барки) и психофизиологическом (Мелы) механизме его восприятия.

«Критические полосы» и Барки

Критическая полоса (ее также называют полосой равной разборчивости) - это минимальная полоса частот, которая возбуждает одну и ту же часть базилярной мембраны. В частотном промежутке от 0 до 16 кГц опытным путем были определены 24 критические полосы:

0-100 Гц,
100-200 Гц,
200-300 Гц,
300- 400 Гц,
400-510 Гц,
510-630 Гц,
630-770 Гц,
770-920 Гц,
920-1080 Гц,
1080- 1270 Гц,
1270-1480 Гц,
1480-1720 Гц,
1720-2000 Гц,
2000-2320 Гц,
2320- 2700 Гц,
2700-3150 Гц,
3150-3700 Гц,
3700-4400 Гц,
4400-5300 Гц,
5300- 6400 Гц,
6400-7700 Гц,
7700-9500 Гц,
9500-12 000 Гц
12 000-15 500 Гц

Звуковой сигнал в пределах одной и той же критической полосы как бы обобщается мозгом, создавая близкие слуховые ощущения. Если же звуковой сигнал переходит из одной критической полосы в другую, то слуховые ощущения в момент перехода заметно изменяются, потому что мозг анализирует информацию, полученную из разных критических полос, раздельно. Это не значит, что два тона, попавшие в одну критическую полосу, не различимы на слух, однако, слуховые ощущения внутри одной полосы очень близки, а в разных полосах - отличаются существенно. Участки базилярной мембраны, соответствующие критическим полосам, имеют приблизительно равную длину, которая составляет 1,2 мм на полосу.

Для удобства работы с критическими полосами существует специальная единица измерения частоты - Барк. В таблице приведены критические полосы и соответствующие им параметры:

Измерение субъективного ощущения высоты и Мелы

На этой шкале равное изменение частоты в Мелах соответствует равному изменению ощущения высоты тона. Уже привычная нам шкала частот с единицей измерения “герц” такого свойства не имеет. Например, изменения частоты от 500 до 1000 Гц и от 1000 до 2000 Гц воспринимаются на слух слушателем, как неравные. В то же самое время звуковой сигнал с частотой 1000 мел кажется слушателю ровно в два раза “выше”, чем сигнал с частотой 500 мел, и в два раза “ниже”, чем сигнал с частотой 2000 мел. (Закон Вебера-Фехнера):

Итак, частотные параметры звука могут измеряться в Герцах, Мелах и Барках.

Герц - это единица измерения, которой удобно пользоваться при проведении спектрального анализа.

Мел и Барк - это психофизиологические акустические единицы измерения высоты тона, используемые в психоакустике при оценке субъективной высотой тона.

Как видно из графика, шкалы барков и мелов приблизительно совпадают, хотя некоторые расхождения наблюдаются в области средних частот:

В музыке используются другие шкалы для оценки высоты тона - музыкальные: полутоны, тоны, октавы и другие музыкальные интервалы. Следует отметить, что связь с психофизической шкалой высоты тона, построенной для чистых тонов, неоднозначна. До частоты примерно 5000 Гц увеличение высоты тона на октаву связано с удвоением частоты. Например, переход от ноты ля первой октавы к ноте ля второй октавы соответствует увеличению частоты от 440 до 880 Гц. Но выше частоты 5000 Гц это соответствие нарушается - чтобы получить ощущение увеличения высоты на октаву, надо увеличить соотношение частот почти в 10 раз, что следует иметь в виду при создании компьютерных композиций. Это дало основание некоторым ученым предложить две размерности высоты тона: психофизическую в мелах, пропорциональную в некоторых пределах логарифму частоты, установленную для чистых тонов (pitch height) и музыкальную, соответствующую названию нот (pitch chroma), которая может быть определена примерно до 5000 Гц. Следует отметить, что даже музыканты с абсолютным музыкальным слухом затрудняются в определении нот для звуков с частотой выше 5000 Гц. Это говорит о том, что механизмы восприятия высоты тона до 5000 Гц и выше - различны. (И. Алдошина)