Физика музыкальных инструментов

Министерство общего и профессионального

Образования Свердловской области.

Управление муниципального образования г. Качканар.

МОУ «Средняя общеобразовательная школа №7».







	Образовательная область: 

	Естествознание

	Предмет: физика 





Физика клавишных музыкальных инструментов







Исполнитель: 

Загвозкина Елена Сергеевна 

учащийся 10 Б класса,

ОУ №7, г. Качканар

Научный руководитель:

Гулидова Анна Ефимовна 

учитель физики МОУ №7 





Качканар

2006


Содержание



	ВВЕДЕНИЕ.	3

	1. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ	5

	1.1. Клавишные музыкальные инструменты	5

	1.2. Что такое звук?	20

	1.3. Музыкальный звук	21

	1.4. Характеристики звука	23

	1.4.1. Громкость звука (интенсивность)	23

	1.4.2. Тембр (спектральный состав)	24

	1.4.3. Длительность звука	24

	1.4.4. Высота звука (частота)	25

	1.4.5. Мажорная гамма	26

	1.4.6. Музыкальный интервал	27

	1.5. Распространение звука	27

	ЗАКЛЮЧЕНИЕ	29

	Список литературы	30

	
ВВЕДЕНИЕ

	

Музыка очень многогранна. Это целый мир звуков: тиканье часов и гул моторов, шелест листьев и завывание ветра, пение птиц и голоса людей. Испокон веков наша земля была гигантской музыкальной мастерской и концертной эстрадой. В любой глуши человек пел, играл, выделывал то, что свистит, гудит, гремит. Это было нужно как воздух, ибо музыка помогала ему в труде, украшала радость, облегчала печаль. Музыка сближала, роднила, объединяла людей. Она всюду. Без неё нельзя. По старинным верованиям, музыка не только услада, но и причина событий. Она способна вызвать солнце и утопить хлеб в дождях. 

Но что же издаёт музыку? Это множество музыкальных инструментов. Я решила остановиться на клавишных, потому что они обладают красочным многообразием звучания, которое позволяет особенно ярко воплощать любые образы – от картин природы и событий общественной жизни до тончайших оттенков человеческих переживаний. Но не только это заинтересовало меня в клавишных инструментах, было интересно разобраться в их устройстве, в истории происхождения, в том, как они возникли и совершенствовались. Действительно, сейчас, например, на фортепиано играет почти каждый третий ученик. Но вряд ли кто-то из них хотя бы раз задумывался, почему при нажатие клавиши возникает звук и откуда он вообще берётся. А ведь при нажатии только одной клавиши, тем более во время исполнения какого-либо произведения, внутри инструмента происходит множество процессов, сотни процессов, которые напрямую связаны с физикой. Именно поэтому я решила рассмотреть устройство фортепиано с точки зрения физики. Тем более, что я занималась и училась игре на фортепиано, что более привлекло меня к этой работе. Таким образом, я поставила перед собой цель:

	Разобраться в физических основах действия клавишных инструментов. И исследовать при помощи компьютера характеристики звуков фортепиано.

		Изучить историю возникновения клавишных инструментов.

		Разобраться в понятиях звук и музыкальный звук.

		Разобраться в характеристиках музыкального звука и исследовать их на опытах, с помощью фортепиано и компьютера.


1. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ



Клавишные музыкальные инструменты



Клавикорд

Клавикорд — это самый первый клавишный инструмент. Дословно перевести это название можно как клавишеструнник. История первого клавишеструнника началась в ХI в. с инструмента со странным названием английская шахматная доска. Сведений о нем сохранилось очень мало, в основном догадки и предположения. Одни считают, что на крышке инструмента была изображена шахматная доска, чтобы использовать его не только для музицирования. Другие предполагают, что чередование коротеньких черных и белых клавиш напоминало клетки шахматной доски, а третьи высказывают мнение, что произошла путаница в словах, одно слово с течением времени стали принимать за другое, и понятие шахматная имело раньше другой смысл, никак не относящийся к шахматам.

Как была устроена английская шахматная доска? Точно этого не знает ни кто. Одни считают, что этот инструмент был конструктивно не слишком удачен, поэтому он и уступил место клавикорду. Другие полагают, что неудачным было только мнения, будем считать клавикорд первым клавишеструнником. Это был действительно замечательный инструмент, чрезвычайно простой и в то же время обладающий нежным серебристым звучанием. Несколько столетий он услаждал слух людей самых разных сословий. Уже появился клавесин, еще позже — фортепиано, а клавикорд все еще выдерживал конкуренцию, и многие предпочитали слушать его, настолько завораживающими были звуки. 

Давайте проследим его историю. Итак, к одному из многострунников, потомков монохорда, приспособили клавишный механизм. Его устройство было очень простым. К концу каждой клавиши крепился вертикальный латунный стержень — тангент. Его верхний конец поднимался, ударяя по струне снизу, и оставался прижатым к ней все время, пока клавиша была нажата. Стоило музыканту поднять палец, как тангент своим весом опускал клавишу, и она занимала первоначальное положение.

Струна расположена над ним. Если нажать клавишу, тангент поднимается и ударит по струне.

Все струны клавикорда поначалу были совершенно одинаковыми я даже настраивались одинаково. А разные звуки от разных клавиш получались вот как. Тангент, извлекая звуки, одновременно делил струну на две части — звучащую и не звучащую. Звучащая часть, естественно, оставалась свободной, а не звучащая приглушалась. Соотношение этих частей при нажатии разных клавиш было неодинаковым, поэтому и звуки получались разными по высоте: чем короче звучащая часть, тем выше звук.

Механизм приглушения частей струн, которые не должны были звучать, был очень простым. После настройки ту часть струны, которая не должна была звучать, оплетали вблизи конца суконной полоской или другим приглушающим материалом. Когда планка опускалась, и тангент отделился от струны, глушитель сразу же действовал по всей длине струны, и она смолкала.

Мастера, которые строили клавикорды, шли на некоторую хитрость: использовали одну струну для двух или трех клавиш: тангенты этих клавиш ударили ее в разных местах, и звуки получались разными. Так удавалось делать клавикорд компактнее — в нем было вдвое или даже втрое меньше струн, чем в клавесине. Клавикорд — инструмент многоголосный, т.е. способный одновременно издавать несколько различных звуков. Но если каждая струна предназначена для трех клавиш, то при одной нажатой две другие обречены на бездействие.

В старинных клавикордах каждая струна была рассчитана на несколько звуков; в данном случае – на три. На нижнем рисунке нажата средняя клавиша из трёх. Если нажать левую клавишу, звучащая часть струны будет длинее, а значит, звук ниже. При нажатии правой клавиши звук будет выше.

Многоголосие получалось не вполне свободным. И в конце XVII в. стали делать клавикорды, в которых число струн было равно числу клавиш. Поскольку каждая клавиша управляла теперь собственной струной, появилась возможность варьировать в одном инструменте длину, толщину и материал струны, подбирать для каждого звука наиболее подходящие.

Здесь уместно коротко рассказать об истории струны. Первые струны, появившиеся еще в каменном веке, не отличались от тетивы лука. Они делались из древесного волокна, жил и волоса животных. Когда люди научились выделывать шелк, этот достаточно прочный и эластичный материал тоже стал использоваться для изготовления струн. Шелковые струны звучали тихо, но приятно.

Металлические струны сначала были медными и латунными. Их нельзя было сильно натягивать, потому что они рвались. А звук слабо натянутых струн был очень негромким и быстро затухал. И только в XVII в. научились производить стальные струны. Потом некоторые из них стали обвивать латунной или медной канителью, что делало толстую струну более упругой, увеличивало длительность звучания и улучшало тембр.

На первых клавикордах устанавливались латунные струны, позже появились стальные.

Внешне клавикорд представлял собой невысокий ящик, который музыкант во время игры ставил на колени. Потом его стали устанавливать на столе или на специальной подставке. А еще позже инструмент обрел собственные ножки. Но до самого последнего времени его существования можно было встретить клавикорды очень разных размеров. Самые маленькие были величиной с книгу. Они обладали диапазоном в одну октаву, и этого хватало для несложных мелодий. Большие инструменты имели обширный диапазон — до четырех с половиной октав. Все инструменты украшались росписью, инкрустацией или ажурной резьбой, мозаичным орнаментом.

От последующих клавишно-струнных инструментов клавикорд отличался главным образом своим звучанием. И еще одним: музыкант не терял связи со струной после того, как клавиша была нажата. Можно было еще чуть покачать ее, отчего тангент скользил по звучащей струне, придавал ее голосу вибрирующий оттенок, можно было ослабить нажатие и вновь нажать сильнее — от этого тоже менялся характер звучания. Ни клавесин, ни фортепиано такой возможности не предоставляют.

Может быть, и был бы жив клавикорд до сих пор, если бы не слишком тихий звук. Тут он не выдерживал конкуренции ни с клавесином, ни тем более с фортепиано, хотя довольно долго еще продолжал существовать бок о бок со своими более молодыми собратьями. Сейчас клавикорд можно увидеть лишь, в музее, но там не только играть, но и прикасаться к нему нельзя. Надежда услышать его все же остается. Возвращается в концертные залы клавесин, мы вновь услышали лютню, и уже делаются попытки вернуть клавикорд, чтобы исполнить произведения, написанные специально для него.

Клавесин

Уже на первых порах, в XV—ХVI вв., клавесин сильно отличался от клавикорда. Вместо латунных тангентов мастера установили на задних концах клавиш вертикальные деревянные брусочки с перышками вверху. Перышки заставляли звучать струну уже не ударом, а щипком. Инструмент стал обладателем более громкого голоса, изменился и характер звучания. Каждая клавиша имела собственную струну!

Правда, первые клавесины были несовершенными, но мало-помалу отчетливо выявилось их основное преимущество: возможность музицирования в большом зале. В ХV в. клавесин уже широко распространился во многих европейских странах. Но еще лет двести после этого вокруг клавесина и клавикорда разгоралась ожесточенные споры. Одни считали, что клавесин по сравнению с клавикордом суховат и грубоват, что он не дает музыканту возможности играть выразительно и показать все свое искусство. Другие говорили, что будущее все-таки за клавесином. И те, и другие имели серьезные основания для своих утверждений.

Сколько бы ни говорили триста лет назад о скорой гибели клавикорда, а он выпускался еще в начале ХХ в. Сколько бы ни говорили о том, что клавесин никак не заменит клавикорд, а он стал одним из важнейших явлений музыкальной культуры. Правда, пути этих двух инструментов разошлись. Клавесин стал в основном концертным инструментом, его жизнь изобиловала событиями, после которых он улучшался, обновлялся, становился совершеннее.

Струна в клавесине после щипка звучала вся целиком, не делясь, как в клавикорде, на рабочую и нерабочую части. На первых клавесинах устанавливались жильные струны, позже появились стальные.

Обладал клавесин совершенно новым по сравнению с клавикордом конструктивным элементом — гибкой деревянной декой, которая, резонируя, усиливала и облагораживала звучание струн. Уже потом деку переняли у клавесина и некоторые клавикорды.

Много экспериментировали мастера с перышками, которые заставляли звучать струну. Сперва это были перышки в буквальном смысле; заточенные кусочки стволов вороньих или индюшачьих перьев. Потом перышки стали делать из кожи, а еще позже — из латунных и стальных пластинок. Характер звуков получался другим, а кроме того, инструмент стал не таким капризным: ствол вороньего пера, как и пера любой другой птицы, очень быстро портился от столь несвойственной ему работы, кожаные перышки держались гораздо дольше, а металлические и вовсе почти не изнашивались.

Совершенствовалась и конструкция деревянного брусочка, заменявшего тангент клавикорда. Сверху он стал оснащаться глутпителем, который в момент отпускания клавиши ложился на струну и прекращал ее колебания. Мастера продумали и обратный ход перышка: оно с помощью специального приспособления легко огибало струну и не вызывало двойного звука.

Немало потрудились мастера над тем, чтобы заставить инструмент звучать сильнее. Стали ставить двойные, затем тройные, даже четверные струны для каждой клавиши.

Как и клавикорды, клавесины делались самых разных размеров. В больших инструментах неодинаковая длина струн диктовала и форму корпуса — инструмент все больше становился похожим на современный рояль. А в малых клавесинах, располагающих всего двумя-тремя октавами, разница длин струн была не такой большой, и корпус оставался прямоугольным. Правда, эти клавесины были маленькими только по сравнению с полными концертными инструментами, а сами, в свою очередь, казались великанами рядом с крошечными клавесинами, которые оформлялись в виде шкатулок, ларцов, книг. Но иногда мастера не прибегали ни к каким ухищрениям, а делали просто маленькие инструменты. Диапазон их обычно не превышал полторы октавы.

Прыгун клавесина с медиатором и глушителем. А – клавиша не нажата, глушитель лежит на струне. Б – нажатая клавиша подтолкнула прыгун кверху, медиатор по дороге защипнул струну, она зазвучала. В – клавиша отпущена, прыгун опускается на место. Медиатор снова касается струны, но теперь уже не защипывает её, а плавно огибает, т. к. подвижную часть прыгуна легко отклоняется струнной. Г – прыгун стал на своё место, глушитель лёг на струну, пружина возвратила медиатор в исходное положение. 

Большие же клавесины становились еще больше в результате постоянных исканий музыкальных мастеров. Убедившись, что струны и перышки из разных материалов дают разный тембр, клавесинные мастера пытались совместить все находки в одном инструменте. Так появились клавесины с двумя, тремя клавиатурами, расположенными одна над другой. Каждая из них управляла своим набором струн. Иногда клавиатура оставалась одна, но специальными рычагами переключалась на разные наборы струн. Один набор мог состоять из жильных струн другой — из стальных одинарных, третий — из стальных сдвоенных или строенных. Так вносили разнообразие в тембр.

История сохранила сведения об уникальных инструментах. Итальянский композитор и теоретик музыки Вичентано, например, сконструировал клавесин вообще без клавиатуры! Интересный инструмент построили амстердамские мастера. Как бы в противовес спорам между сторонниками клавесина и клавикорда они объединили эти два инструмента в одном корпусе. Справа размещалась клавиатура клавикорда, слева — клавесина. Один музыкант мог чередовать в своей практике оба инструмента, но можно было сесть вдвоем и сыграть дуэтом на клавикорде и клавесине. (Позже точно так же был создан инструмент, объединяющий клавесин и фортепиано.)

Но как ни старались мастера, они не могли преодолеть основной недостаток клавесина — его однообразное по громкости звучание. Громкость звука зависела не от того, с какой силой музыкант ударял пальцем по клавише, а от упругости перышка, защипывающего струну. Искусные музыканты могли взять звук чуть-чуть тише, но такой небольшой разницы в силе звучания уже не хватало. Были скованы и композиторы. В нотах музыкальных пьес, предназначенных для клавесина, они не могли указать "фортиссимо", т.е. "очень громко", т.к. звали, что громче какого-то среднего уровня клавесин звучать не может. Не могли указать "пиано" и тем более "пианиссимо", те. "тихо" и "очень тихо", т.к. знали, что на такие нюансы этот инструмент тоже не способен. Клавесины снабжались двумя и даже тремя клавиатурами и комплектами струн, разными и по тембру, и по громкости, так что два разных музыкальных предложения можно было играть с различной громкостью, однако внутри предложения звуки были однообразными.

Фортепиано. История возникновения

Назревала идея нового инструмента, который сохранил бы все достоинства клавесина, а точнее, клавишеструнника вообще, но вдобавок стал бы более послушен то энергичным, то мягким движениям пальцев музыканта. Иначе говоря, мог бы как угодно гибко звучать и "форте", и "пиано". Стоит ли удивляться, что новый инструмент, воплотивший в себе эту главную идею, так и стал называться — фортепиано?

Однако сразу надо сказать, что полностью задача, которая была поставлена старыми мастерами, не решена до сих пор. Да, родился новый клавишеструнник, но это был другой инструмент, в тембре звучания которого инструмент, к которому нужно было привыкать заново.

Обычно историю фортепиано выводят по такой простой схеме: клавикорд — клавесин — фортепиано. Но эта схема говорит больше о возрасте каждого клавишеструнника. действительно, раньше всех появился клавикорд, потом клавесин, а самый молодой инструмент — фортепиано. Однако, если мы отбросим хронологию и примем во внимание устройство главного узла, который передает механическое движение с клавиши на струну, то убедимся, что предшественником фортепиано был не клавесин, а клавикорд. В клавикорде и фортепиано происходит удар по струне, а в клавесине струна защипывается. Правда, этот главный узел стал в фортепиано очень сложным, никак не похожим на тангент клавикорда, но принцип остался прежним — удар по струне. Поэтому и клавикорд, и фортепиано можно классифицировать как струнно-клавишно-ударный инструмент, а клавесин — как струнно-клавишно-щипковый.

Изобретение фортепиано принято связывать с именем флорентийца Бартоломео Кристофори. Но когда идея носится в воздухе, ее воплощают почти одновременно и независимо друг от друга разные люди. Так случилось и с фортепиано. Во Франции Жан Мариус, в Германии Готлиб Шрётер предложили свои конструкции нового инструмента.

Первые инструменты были настолько несовершенными, что о немедленном и безоговорочном их признании не могло быть и речи Жан Марнус, например, не предусмотрел глушители для струн, и во время игры звучание сливалось в сплошной гул. У инструмента Шрётера все было наоборот: струны заглушались так быстро, что не получалась певучая мелодия. Инструмент Кристофори оказался более удачным, да и публике был продемонстрирован раньше. 

Бартоломео Кристофори работал хранителем в реставратором музея музыкальных инструментов во дворце флорентийского герцога Медичи. Однажды гостям герцога объявили, что их ожидает сюрприз: изобретенное Кристофори фортепиано. Но ожидаемой радости не получилось. Фортепиано гостям не понравилось — его звучание показалось чересчур грубым по сравнению с клавикордам и клавесином. Вряд ли кто-нибудь из гостей мог предположить, что присутствует при рождении инструмента, которому уготовано столь блестящее будущее.

Не будем обвинять вельможных визитеров герцога в отсутствии вкуса. Звучание первого фортепиано, продемонстрированного в 1709 г., действительно было грубым. Хотя инструмент был способен даже в одной музыкальной фразе издавать то очень тихие, то громкие звуки, сами звуки были маловыразительными. Поэтому в Италии эксперимент так и остался экспериментом. Фортепиано было забыто здесь на многие десятилетия, да и потом с большим трудом обретало популярность.

Больше повезло новому инструменту в Германии. Музыкальный мастер Готфрид Зильберман, державший в Дрездене клавесинную фабрику, наладил производство фортепиано. Эти инструменты звучали уже лучше первых моделей, но до более или менее приемлемых им было еще далеко. Многие композиторы в исполнители того времени отзывались о фортепиано неодобрительно. Зильберман показывал один из своих инструментов Иоганну Себастьяну Баху, но ожидаемой похвалы не получил. Бах откровенно сказал, что фортепиано звучит грубо и примитивно. Правда, когда через двадцать лет Зильберман вновь продемонстрировал свои лучшие образцы, великий маэстро высказался значительно более мягко. Тем не менее, фортепиано мало-помалу прокладывало себе дорогу к признанию, хотя почти сто лет не могло конкурировать ни с клавикордам, ни с клавесином.

Принципиальная новизна фортепиано заключалась в том, что по струне ударял молоточек, связанный с клавишей. Забывать о клавише нельзя, потому что просто удар молоточком по струнам был известен и раньше, — так играли, например, на цимбалах. Музыкант держал в каждой руке по молоточку и ударял ими по струнам, натянутым над деревянным резонатором. Понятно, что цимбалист способен извлечь одновременно лишь два звука, а музыкант. Играющий на фортепиано десятью пальцами, — больше.

Молоточек был связан с клавишей не так жестко, как тангент в клавикорде или стойка с перышком в клавесине, между ними были еще в детали-посредники. После нажатия на клавишу молоточек ударял по струне и отскакивал, не дожидаясь, пока клавиша будет отпущена. Причем сила удара зависела от того, мягко или энергично нажималась клавиша. Эта новизна очень значительна, именно она дала жизнь фортепиано. Все остальное — корпус, рама. Струны, колки, дека — было заимствовано у клавесина, во всяком случае, на первых порах.

А дальше, примерно до середины истории фортепиано, шла борьба за качество звука. Поначалу много экспериментировали со струнами, считая, что звучание инструмента можно смягчить, сделать более благородным, если правильно подобрать струны. Эксперименты в этом направлении не принесли заметных успехов. Тогда решили увеличить натяжение струн. Но в старых конструкциях натягивать струны сильно было нельзя, потому что деревянная рама, на которой они держались, коробилась и даже ломалась. Стали укреплять раму железными ребрами, но все равно жесткость оставалась недостаточной. И тогда попробовали отлить раму целиком из чугуна. Результаты сказались сразу же: сильно натянутые на чугунной раме струны зазвучали гораздо лучше. Теперь-то мы знаем, что мастерам надо было учитывать частоту колебаний струн, которая обратно пропорциональна длине струны, прямо пропорциональна квадратному корню из натяжения струны, обратно пропорциональна диаметру и обратно пропорциональна квадратному корню из плотности. Также частота колебаний зависит от материала, из которого изготовлена струна.

Итак, чугунная рама фортепиано появилась в 1825 г., приблизительно в середине его истории. И тут надо сказать, что это время было особенно насыщено усовершенствованиями. Француз Себастьян Эрар дополнил молоточковый механизм так называемым репетиционным (т.е. повторяющим) устройством. До этого нововведения приходилось отпускать клавишу до конца, чтобы она подготовилась к новому удару, поэтому брать подряд быстрые короткие звуки одной высоты не удавалось. Репетиционное устройство при нажатой клавише не возвращало молоточек на свое место, а удерживало вблизи струны, и теперь можно было, чуть отпустив палец, нажать клавишу снова. Музыканту стали доступны очень быстрые повторные звуки. И только когда клавиша отпускалась до конца, молоточек возвращался на свое место.

Прошло каких-нибудь двадцать лет — и вновь серьезное усовершенствование. Деревянный молоточек раньше обтягивался лосиной кожей, а теперь его обтянули фильдем — высококачественной разновидностью технического войлока. Тембр звука стал значительно мягче.

И, наконец, еще через полтора десятка лет обнаружили, что если струны натягивать не строго параллельно друг другу, а так, чтобы они чуть расходились от того места, где расположены молоточки, к заднему краю инструмента, звук получается лучше. Одновременно было внедрено и такое нововведение: струны легли не в одной плоскости, а в двух. Басовые пошли от левой части молоточкового механизма к заднему правому углу инструмента, а тонкие расположились перекрестно к басовым и пошли под ними — от правой части механизма к заднему левому углу. От этого улучшился резонанс деки.

Вот теперь это было то фортепиано, которое мы знаем: с сильным, полным, благородным звучанием. Усовершенствования продолжались и дальше, но они были уже не столь принципиальными, хотя, конечно же, улучшали звук. Так инструмент, который поначалу был, отвергнут как грубый и примитивный, обрел право на жизнь.

К сожалению, не все любят фортепиано. И чаще всего потому, что не слышали настоящего звучания этого инструмента. Попытаемся объяснить, в чем дело. Каждый звук фортепиано отчетливо делятся на две части: начало (в момент удара молоточка по струне) и продолжение (когда струна звучит сама по себе). Причем начало звука всегда получается намного более громким, чем продолжение. Можно, конечно, взять тихий звук, но в этом случае продолжение будет еще тише. И вот этих-то продолжений мы очень часто не слышим вообще, если слушаем фортепианное произведение по радиотрансляционному динамику, посредственному транзисторному приемнику или с пластинки, поставленной на проигрыватель.

Один пианист, тонко управляя при ударе не только клавишей, но и педалями, заставляет струну и после удара звучать так, как ему хочется, а другой эти тонкости упускает. У первого продолжения звуков будут богаты разными опенками, у второго же останутся однообразными. Это однообразие — частый спутник любительской игры на фортепиано, поэтому нельзя судить об инструменте, не услышав безукоризненного исполнения, и лучше всего — в концертном зале.

Устройство современного фортепиано.

Пора перейти от родового названия инструмента к видовому: конкретно мы знаем не фортепиано, а пианино и рояль, потому что фортепиано — это собирательное название клавишеструных молоточковых инструментов — роялей и пианино.

Что касается рояля, то его называют королем музыкальных инструментов. К его несомненным достоинствам относится то, что рояль охватывает почти весь слышимый музыкальный диапазон. Если пока брать во внимание только высоту звука, то в музыкальное пространство рояля может уложиться большой симфонический оркестр со всем многообразием инструментов.

Пианино — инструмент компромиссный. Его звучание заведомо хуже, зато это более компактный инструмент. (Тем не менее встречаются великолепные пианино и весьма посредственные рояли.)

Рояль полнозвучен главным образом потому, что в нем можно использовать более длинные струны и большую резонансную деку. Кроме того, можно поднять крышку, и не останется никакой преграды между струнами и слушателями. Зато пианино легко поставить в небольшой комнате, и оно отлично уживется в ней рядом с обычной мебелью.

Очень важная деталь и рояля, и пианино — дека. Это деревянный щит, склеенный из отдельных досок. В рояле дека размещается горизонтально под струнами, а в пианино вертикально. Она не только усиливает звук, но и участвует в формировании тембра инструмента, причем так, что от характерного струнного звука мало что остается, — мы слышим звучание дерева. Деку делают из резонансной ели, иногда из сосны, причем дерево специально подбирают, чтобы слои в нем были узкими и прямыми, без сучков. И конечно же, дерево для деки должно быть сухим и выдержанным.

Если взглянуть на струны рояля, можно заметить, что в способе их крепления много общего с обычными струнными инструментами, например с мандолиной. Одним концом каждая струна крепится на чугунной раме (Рис.6.) (у мандолины — к металлической накладке на корпусе), потом перекидывается через укрепленную на деке деревянную подставку, которая передает деке колебания струн, затем переходит через порожек на противоположной стороне рамы и, наконец, наматывается на колок. Но даже восемь струн мандолины, натягиваясь, способны покоробить корпус инструмента, что же говорить о рояле, в котором две с лишним сотни струн! Чугунная рама должна выдерживать усилие примерно в 20 т. А больше двухсот струн набирается в рояле и пианино оттого, что для каждого звука натягиваются две или три одинаково настроенные. Ведь и в мандолине мы наблюдаем примерно то же самое: считается, что у нее четыре струны, но они двойные, поэтому получается восемь. 

Рис. 6. Так натягиваются струны рояля (вверху) и мандолины (внизу). Принципиальной разницы, как видите, нет. Учтите только, что мандолина для наглядности сильно увеличена.

Струны, переходя через подставку на деке, давят на нее с достаточно большей силой — примерно в полтонны. Поэтому дека должна быть не только гибкой, но и очень прочной. Для этого в роялях ее делают чуть выгнутой в сторону струн. Ручные струнные инструменты рас страиваются очень быстро. Мандолину, домру, гитару каждый раз перед игрой приходится подстраивать. Для рояля и пианино это было бы совершенно неприемлемым, хотя бы потому, что тогда и вовсе некогда было бы играть, — процесс настройки этих инструментов долог. По этому колки у них устроены особо: они плотно запрессованы в деревянную раму, которая соединена с чугунной. Каждое отверстие для колка свернётся с таким расчетом, чтобы оно было меньше диаметра самого колкая 1,5 мм, и когда в это отверстие с большим усилием вгоняют колок, он сидит в нем так плотно, что провернуть его можно только специальным ключом.

Теперь о действии педалей. Нажатие клавиши вызывает, кроме удара молоточка о струну, еще и отделение от нее глушителя. Когда клавиша отпускается, глушитель вновь возвращается на струну. А с помощью правой педали можно продлить звучание струн, когда клавиши уже отпущены. Педаль поднимает со всех струн глушители и оставляет их в таком положении. Музыканты пользуются этой педалью очень осторожно, иначе не заглушаемое звучание может слиться в так называемый педальный гул, который не имеет ничего общего с благозвучием.

Правую педаль можно нажать не до конца, а чуть-чуть, чтобы глушители оставались очень близко к струнам и в какой-то мере влияли на их звучание. Но этот прием требует от исполнителя большого мастерства. А кроме того, такое тонкое движение правой ногой настолько зависит от механики тугой или, наоборот, слишком легко поддающейся педали, что на гастролях музыканту приходится несколько часов осваивать незнакомый инструмент.

Когда пианист нажимает педаль, вся молоточковая механика сдвигается чуть в сторону, поэтому удар приходиться уже не на все три струны, предназначенные для данного звука, а только на две (или на одну, если для каких-то звуков предусмотрены всего две струны). Звучание, естественно, становится более тихим и мягким. (У пианино молоточки не сдвигаются в сторону, а приближаются к струнам.)

Как быть, если нужно подолгу разучивать упражнения, а звукоизоляция в доме не настолько хороша, чтобы не досаждать соседям? Для этого в некоторых инструментах предусмотрев модератор. Если его включить, между молоточками и струнами проляжет лента тонкого фетра или какого-нибудь другого материала, и звучание инструмента станет тихим и глухим. Управление модератором выводится на третью педаль, которая фиксируется в нажатом положении, или на специальный рычаг, расположенный сбоку от клавиатуры.

В некоторых современных роялях третья педаль имеет другое назначение — она освобождает от глушителей не все струны сразу, как правая педаль, а только те, клавиши которых были нажаты до нажатия педали. Это позволяет музыканту выборочно оперировать разными глушителями, свободное пользоваться ими и при этом избегать педального гула.

Остается сказать об одном очень важном требовании к инструменту. Мы привыкли, что любой работающий механизм издает какой-то шум. А в фортепиано, тоже представляющем собой механизм, это недопустимо. Ни каких скрипов, стуков, щелчков не должно быть. Должна быть только музыка.



1.2. Что такое звук?



О том, как рождаются звуки, и что они собой представляют, люди начали догадываться очень давно. Замечали, к примеру, что звук создают вибрирующие в воздухе тела. Ещё древнегреческий философ и учёный-энциклопедист Аристотель, исходя из наблюдений, верно, объяснил природу звука, полагая, что звучащее тело создаёт попеременное сжатие и разрежение звука. Так, колеблющаяся струна то уплотняет, то разрежает воздух, а благодаря упругости воздуха эти чередующиеся воздействия передаются дальше в пространство – от слоя к слою, возникают упругие волны. Волны - возмущения, распространяющиеся с конечной скоростью в пространстве и несущие с собой энергию без переноса вещества. А упругие волны – это механические возмущения, распространяющиеся в упругой (твердой, жидкой или газообразной) среде. Достигая нашего уха, они воздействуют на барабанные перепонки и вызывают ощущения звука. На слух человек воспринимает упругие волны, имеющие частоту в пределах примерно от 16 Гц до 20 кГц (1 Гц - 1 колебание в секунду). В соответствии с этим упругие волны в любой среде, частоты которых лежат в указанных пределах, называют звуковыми волнами или просто звуком. Упругие волны с частотой меньше 16 Гц называют инфразвуком, а волны, частота которых превышает 20 кГц – ультразвуком. 



Музыкальный звук



Какими бы разными не были музыкальные инструменты по форме, устройству, размерам, все они создавались для одной цели: извлечения приятных для слуха музыкальных звуков. Что же такое музыкальный звук? С точки зрения физики – это волна, то есть процесс распространения колебаний от точки к точки, от частицы к частице. Упругое тело, выведенное из положения равновесия, совершает гармонические колебания, эти колебания передаются воздуху, воздушная волна воздействует на нашу барабанную перепонку, и мы слышим звук.

Гармоническое колебание можно рассматривать как движение проекции точки, равномерно движущийся по кругу, на диаметр этого круга. Пусть радиус вспомогательной окружности равен а, он соответствует наибольшему отклонению от положения равновесия: а – амплитуда. Мгновенное положение определяется абсциссой х = а cos ф, где а – амплитуда, ф – фазовый угол.

Мгновенное отклонение от положения равновесия, называют смещением. Угол, образуемый радиусом-вектором, проведенным к движущейся по окружности, с осью абсцисс, называют фазой ф (или фазовым углом), время Т одного полного оборота точки по окружности, называют периодом колебания, а обратную ему величину – частотой ( измеряется в герцах, Гц). Человек слышит звук в диапазоне частот от 16 до 20000 Гц.

Звуки бывают очень разные. Те, что создают постоянный фон, не организованные в стройную систему, не связанные между собой, и те, что обладают особыми свойствами: чистые, звонкие, определённой высоты, обладающие смысловой выразительностью, - звуки музыкальные. Издают их музыкальные инструменты, звуковая волна в которых возникает от колебаний струны или столба воздуха внутри металлической или деревянной трубки.



1.4. Характеристики звука



Музыкальные звуки различаются по высоте, длительности, продолжительности звучания, тембру (специфической окраской, которая зависит от материала, величины и формы инструмента), от способа звукоизвлечения и по динамике, то есть силе звучания. 



1.4.1. Громкость звука (интенсивность)

Если исполнить музыкальное произведение от начала до конца на одном уровне громкости, оно много потеряет в своей выразительности. Если бы инструменты не могли изменять громкость звука, музыка вряд ли могла бы выражать тончайшие оттенки чувств.

Громкость звука (интенсивность восприятия) определяется амплитудой колебаний, но чтобы интенсивность восприятия (то, что мы слышим) увеличивалась линейно, интенсивность раздражения (пропорциональная квадрату амплитуды колебаний) должна увеличиваться экспоненциально (закон Вебера — Фехнера). Другими словами, удвоение громкости ощущается лишь при достижении второй степени первоначального раздражения.

Для измерения громкости в физике пользуются единицами, называемыми фонами (децибелами):

n фонов = 101g I' / I ,

где I’ и I — интенсивности звуков. Говорят: громкости I' и I различаются на n фонов, или на n децибел (дБ). (Рис. 8)

Шкала громкости: порог слышимости — 0дБ, шепот — 20 дБ, нормальная речь — 40 дБ, крик — 80 дБ, большой оркестр — 100 дБ, боль в ушах — I8О дБ. Музыкальные термины, которые определяют степень громкости исполнения музыки, называют динамическими оттенками (от греческого слова — силовой, т.е. сила звука). В нотах можно увидеть такие обозначения:

рр — pianissimo(пианиссимо) — очень тихо;

р —рiаnо (пиано) — тихо;

mр —mezzo рiаnо (меццо пиано) — умеренно тихо, немного громче, чем пиано;

mf —mezzo forte (меццо форте) — умеренно громко, громче, чем меццо пиано;

f — forte (форте) — громко;

ff — fortissimo (фортиссимо) — очень громко.



1.4.2. Тембр (спектральный состав)

Музыка способна выразить всё. Ей доступны и движения мысли, и любое чувство, и малейший оттенок настроения. Желание человека располагать большим выбором музыкальных голосов и вызвало к жизни многообразие инструментов. И если один инструмент не может что-то передать, то это делает другой. Но как удаётся различить звук взятый, например, на скрипке, от звука точно такой же высоты, взятого на кларнете? Это зависит от тембра. Объясняется различие тембра тем, что в обычных звуках присутствуют колебания разных наборов частот и амплитуд. Колебания самой низкой частоты в этом наборе служат основным тоном. Их амплитуда самая большая. Все остальные колебания называют обертонами. Отдельно мы не слышим обертонов, но именно они, смешиваясь с основным тоном, образуют тембр.

Количество и качество обертонов зависит от длины, толщины и материала струны, от длины и среднего размера инструмента, от материала, из которого он сделан. Влияет на тембр и форма инструмента.



1.4.3. Длительность звука

Если быстро ударить пальцем по клавише, получится отрывистый, очень короткий звук. А если нажать на нее и держать, то звук получится значительно более долгий, постепенно угасающий. Длительность звучания зависит от продолжительности колебаний источника звука.

Длительность в музыке обозначают специальной системой значков. Одна и та же нота, изображенная на бумаге, может при исполнении на инструменте длиться разное время (конечно, не сама нота, а звук, обозначаемый ею). Основное обозначение — это целая нота, равная целому такту в четыре четверти. Она выглядит так: — и делится на более мелкие доли: половинные ( ), четверти ( ), восьмые (♫), шестнадцатые (♫) и т.д.



1.4.4. Высота звука (частота)

Нажав крайнюю левую клавишу рояля или фортепиано, мы услышим очень низкий звук, а нажав крайнюю правую, — очень высокий. В нашем восприятии музыкальные звуки вызывают чувство пространства. При продвижении вправо по клавиатуре, или, как говорят музыканты, вверх, действительно возникает ощущение подъема, восхождения, просветления. Если открыть крышку рояля, то можно увидеть, что струны в нем не одинаковы. У рояля своеобразная форма, похожая на крыло. Это обусловлено разной длиной его струн: слева длиннее, справа короче. Кроме того, струны, которые соответствуют нижним звукам, толстые, обвитые так называемой канителью, а верхние — тонкие. 

рис.9. Два звука одной громкости разной высоты.

От длины и массы струны зависит высота звука, а высота звука — это частота ее колебаний:

f = 1/2l P/m

где l — длина струны, Р — ее натяжение, m — масса единицы длины.

Стандарты для высоты тона предложены всего поколения три назад, а общеприняты в течение едва ли 25 лет. Как правило, для физиков стандартной высотой тона является "до" первой октавы — 256 колебаний в секунду (С-256). Большинство знает, что музыкальные инструменты настраиваются на определенный звук средней октавы (например, "ля" имеет частоту 426,6 Гц, или 426,6 колебания в секунду).

В музыкальных кругах использовались различные стандарты. Концертная высота тона, которой сейчас редко пользуются, составляла 271 колебание в секунду, что дает для "ля" около 450 Гц, т.е. тон слишком высокий. Международный стандарт высоты тона составлял для "ля" 435 Гц, однако в настоящее время во всем мире (вслед за Американской федерацией музыкантов) принята стандартная высота для "ля" 440 Гц. Это ниже концертной высоты тона, однако, и при таком стандарте спеть арии, сочиненные старыми мастерами, могут не все сопрано.



1.4.5. Мажорная гамма

В первой октаве фортепиано до-ми-соль — мажорное трезвучие, частоты колебаний этих нот — 256, 320 и 384 Гц. Тон, имеющий частоту 256 колебаний в секунду, называется до (С) первой октавы. Гамма, приведенная в таблице, известна под названием "до мажор" где С является основным тоном, или тоникой. Числа 256, 288, 320 и т.д. являются абсолютными числами (значениями) колебаний, числа 24, 27, 30 и т.д. — относительными числами колебаний. Отношения 1, 9/8, 5/4 и т.д. получаются путем деления каждого числа колебаний на первое (256). Эти отношения одинаковы для всех мажорных гамм, независимо от того, с какого основного тона они начинаются. (Таблица.1.) 

Гаммы всегда называются по тонике, например: "до мажор", "ре мажор" и т.д. Полная гамма "до мажор" с соответствующими названиями (применимыми к любой гамме) и отношениями частот колебаний приведена в таблице. Ближайшим тоном, следующим за С', является D' (ре второй октавы) частотой колебаний 576 Гц.

Тоны С, Е и G образуют тоническое трезвучие гаммы "до мажор". Отметим, что 256 : 320 : 384 = 4 : 5 : 6. Любая группа тонов с таким отношением частот составляет мажорное трезвучие. Обратившись к гамме «до мажор» мы можем обнаружить в ней еще два мажорных трезвучия: F, А и С'' — субдоминантное трезвучие, и G, В и D' — доминантное трезвучие. Поскольку эти трезвучия содержат все тоны мажорной гаммы, то можно сказать, что гамма основана именно на них.



Таблица №1.

Нотные линейки







Ноты

C

D

E

F

G

A

B

C’

D’

Название нот

до

ре

ми

фа

соль

ля

си

до’

ре’

Порядковый номер в гамме

1

2

3

4

5

6

7

8

1’

Частоты, Гц

256

288

320

341

384

427

480

512

576

Относительное число колебаний

24

27

30

32

36

40

45

48

54

Отношение частот

1

9/8

5/4

4/3

3/2

5/3

15/8

2

18/8

Тоническое трезвучие

4



5



6









Субдоминантовое трезвучие







4



5



6



Доминантовое трезвучие









4



5



6





1.4.6. Музыкальный интервал

Если остаются постоянными отношения частот колебаний, то сохраняются и отношения между высотами со ответствующих тонов. Термин музыкальный интервал описывает отношение частот двух тонов, а не их разность. Когда это отношение равно 2 : 1, как в случае С' : С = 512 : 256, интервал составляет октаву. Отношение между третьим и первым тонами мажорной гаммы равно 5: 4, как в случае Е : С. Это большая терция. Другими важными интервалами являются кварта (4: 3), квинта (3: 2), секста (5 : 3) и малая терция (6: 5) (G: E в гамме «до мажор»). Очевидно, октава — это восьмой интервал.



1.5. Распространение звука



Звук может распространяться в виде продольных и поперечных волн. В газообразной и жидкой среде возникают только продольные волны, когда колебательное движение частиц происходит лишь в том направлении, в каком распространяется волна. В твёрдых телах помимо продольных возникают также и поперечные волны, когда частицы среды колеблются в направлениях, перпендикулярных к направлению распространения волны. Так, ударяя по струне перпендикулярно её направлению, мы заставляем бежать волну вдоль струны.

Звуковые волны несут с собой энергию, которую сообщает им источник звука. Величину кинетической энергии, протекающей за одну секунду через один квадратный сантиметр поверхности, перпендикулярной направления волны, вычислил русский учёный Н.А. Умов. Эту величину назвал потоком энергии. Она выражает меру интенсивности, или, как говорят, силы звука. Чтобы вызывать звуковое ощущение, волна должна обладать некоторой минимальной интенсивностью. Величину её называют порогом слышимости.

Звуковые волны распространяются со скоростью. Скорость звука есть не что иное, как скорость распространения упругих колебаний в твёрдой, жидкой и газообразной среде. Скорость звука можно вычислить по формуле:

с = λυ

где с – скорость звука, λ- длина волны, υ- частота колебания. В газах скорость звука меньше чем в жидкостях, а в жидкостях меньше чем в твёрдых телах.


ЗАКЛЮЧЕНИЕ



Я считаю, что проделала большую работу. Работая над данной темой, я узнала много нового и интересного о звуке и происхождении звука, о его характеристиках. Так же я разобралась в устройстве фортепиано с физической точки зрения, и в истории его происхождении. Действительно сейчас, когда я проучилась 7 лет в музыкальной школе я поняла, почему при нажатие только одной клавиши, тем более во время исполнения какого-либо произведения, внутри инструмента происходит множество процессов, сотни процессов, которые напрямую связаны с физикой. Мне даже захотелось продолжить свои исследования. Скорей всего это будут струнные инструменты, такие как скрипка, гитара, домра, виолончель. 

В реферате были рассмотрены физические основы работы клавишных музыкальных инструментов. Изученные материалы дали мне возможность глубже понять и разобраться в таких характеристиках музыкальных звуков, как громкость, высота, тембр и длительность.

С физической точки зрения были рассмотрены такие музыкальные понятия, как мажорная гамма и музыкальный интервал.

Также я познакомилась и узнала больше о клавесине, клавикорде и фортепиано. Все эти инструменты являются клавишно-струнными и имеют сходное устройство. В ходе работы я уделила наибольшее внимание изучению устройства фортепиано и исследованию звуков, которые оно издает.

Проведенные эксперименты дали мне возможность убедиться в справедливости теоретических сведений. Я думаю, что мои исследования можно использовать при рассмотрении темы звука на уроках физики.


Список литературы



1. Анфилов Г.В. Физика и музыка. — М.: Детская литература, 1964.

2. Газарян С.С. В мире музыкальных инструментов/Для учащихся старших классов. — М.: Просвещение, 1985.

Клара Р. Хитц. Петер в стране музыкальных инструментов. — М.: Музыка, 1965.

Левашева Г.И. Рассказы из музыкальной шкатулки. — Л.: Детгиз, 1960.

Гл. ред. Г.В.Келдыш. Музыкальный энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия, 1990.

Перельман Я.И. Занимательная физика. (Книга 2, глава 10. «Звук. Волнообразное движение».)/21-е изд. испр. и доп. — М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1983.

Рассказы из «Пионерского музыкального клуба».— М.: Музыка, 1968.

Физический энциклопедический словарь. — М.:Советская энциклопедия, 1963. Т. 3.

Эллиот. Л., Уилкокс У. Физика/Пер. с англ. Под ред. А.И.Китайгородского. — М.: Физматгиз, 1963.

2