Номер 4, страница 155 - гдз по физике 7 класс учебник Пурышева, Важеевская

4. Звуки музыкальных инструментов.

Решение

Звук музыкального инструмента — это результат колебаний какого-либо физического тела (источника звука), которые распространяются в упругой среде, например, в воздухе, в виде волн и воспринимаются человеческим ухом.

Как возникает звук?

В основе любого звука лежат механические колебания. В музыкальных инструментах источником таких колебаний служат различные элементы. В струнных инструментах (гитара, скрипка, фортепиано) колеблется натянутая струна. В духовых инструментах (флейта, труба, кларнет) колеблется столб воздуха внутри инструмента. В ударных инструментах (барабан, ксилофон, тарелки) колеблется натянутая мембрана или сам корпус инструмента. Эти первоначальные колебания усиливаются и обогащаются за счет резонанса с другими частями инструмента (например, с корпусом гитары или декой скрипки), что формирует окончательное звучание.

Ответ: Звук в музыкальных инструментах возникает благодаря механическим колебаниям их элементов (струн, столбов воздуха, мембран), которые затем усиливаются и модифицируются корпусом инструмента.

Основные характеристики музыкального звука

Любой музыкальный звук можно описать тремя основными физическими характеристиками: высотой, громкостью и тембром.

1. Высота тона — определяется частотой колебаний источника звука. Частота измеряется в Герцах (Гц). Чем выше частота, тем выше звук. Человеческое ухо воспринимает звуки в диапазоне примерно от 20 Гц до 20 000 Гц. Скорость звука $v$, его частота $f$ и длина волны $\lambda$ связаны соотношением: $v = \lambda \cdot f$.

2. Громкость — определяется амплитудой колебаний. Амплитуда — это максимальное отклонение колеблющегося тела от положения равновесия. Чем больше амплитуда, тем громче звук. Уровень громкости измеряется в децибелах (дБ).

3. Тембр — это "окраска" звука, которая позволяет нам отличать звуки одинаковой высоты и громкости, но изданные разными инструментами или голосами. Тембр зависит от наличия и интенсивности дополнительных колебаний — обертонов.

Ответ: Основными характеристиками музыкального звука являются высота (зависит от частоты колебаний), громкость (зависит от амплитуды колебаний) и тембр (зависит от состава обертонов).

Что такое тембр?

Когда мы слышим ноту "ля" в исполнении скрипки и рояля, мы легко их различаем, хотя основная частота звука в обоих случаях одинакова (для первой октавы это 440 Гц). Это различие обусловлено тембром. Музыкальный звук почти никогда не является "чистым" тоном (простой синусоидальной волной). Он состоит из:

Основного тона — колебания с самой низкой частотой ($f_1$), которое и определяет воспринимаемую высоту звука.

Обертонов (или гармоник) — колебаний с частотами, кратными частоте основного тона ($2f_1, 3f_1, 4f_1, \dots$).

Тембр инструмента определяется уникальным набором этих обертонов и их относительной громкостью (амплитудой). У одного инструмента могут быть сильнее выражены чётные гармоники, у другого — нечётные, что и создает их неповторимое звучание. Например, звук кларнета богат нечётными гармониками, что придает ему специфический тембр.

Ответ: Тембр — это качественная характеристика звука, которая определяется количеством и относительной интенсивностью обертонов (гармоник), сопровождающих основной тон.

Классификация музыкальных инструментов по источнику звука

В зависимости от того, что является источником колебаний, инструменты делят на три основные группы:

1. Струнные (Хордофоны). Источником звука является колеблющаяся струна. Высота звука зависит от длины струны $L$, её натяжения $T$ и линейной плотности $\mu$ (массы на единицу длины). Частота основного тона струны определяется формулой: $f_1 = \frac{1}{2L} \sqrt{\frac{T}{\mu}}$. Музыкант изменяет высоту, прижимая струну к грифу (изменяя $L$). Примеры: скрипка, гитара, арфа, фортепиано.

2. Духовые (Аэрофоны). Источником звука является столб воздуха, заключенный в трубке инструмента. Высота звука зависит от длины этого столба. Музыкант изменяет высоту, открывая/закрывая отверстия или используя клапаны, которые меняют эффективную длину воздушного столба. Примеры: флейта, труба, кларнет, саксофон.

3. Ударные. Звук возникает от удара по звучащему телу. Они делятся на мембранофоны (звучит мембрана: барабаны, литавры) и идиофоны (звучит сам корпус: ксилофон, тарелки). Могут иметь определённую высоту звука (литавры, ксилофон) или неопределённую (большой барабан, тарелки), звук которых представляет собой сложный набор негармонических частот.

Ответ: Музыкальные инструменты классифицируются по источнику звука на струнные (колеблется струна), духовые (колеблется столб воздуха) и ударные (колеблется мембрана или корпус).