Темы докладов, страница 156 - гдз по физике 9 класс учебник Громов, Родина

Глава 4. Колебания и волны. Параграф 37. Звуковые волны. Вопросы - страница 156.

Условие.

Индивидуальность музыкальных инструментов.

Решение.

Индивидуальность музыкальных инструментов, то есть способность нашего слуха отличать звучание одного инструмента от другого, даже если они играют ноту одинаковой высоты и громкости, определяется уникальной характеристикой звука, называемой тембром. Тембр — это «окраска» звука, его узнаваемый характер, который формируется совокупностью нескольких ключевых физических факторов.

1. Спектральный состав звука (обертоны)

Любой звук, издаваемый музыкальным инструментом, представляет собой не простую синусоидальную волну, а сложное колебание. Это колебание можно разложить на сумму простых синусоидальных волн с разными частотами и амплитудами. Самая низкая частота в этом наборе называется основной частотой ($f_0$) и определяет высоту звука (ноту). Остальные, более высокие частоты, называются обертонами. Если частоты обертонов кратны основной ($2f_0, 3f_0, 4f_0, ...$), их называют гармониками. Именно количество обертонов, их частоты и, что самое важное, их относительная громкость (амплитуда) создают уникальный спектр звука для каждого инструмента.

• Звук флейты близок к чистому тону, так как в его спектре мало ярко выраженных обертонов.
• Звук кларнета (как у инструмента с закрытым с одного конца цилиндрическим резонатором) богат нечетными гармониками ($f_0, 3f_0, 5f_0, ...$), что придает ему характерный «пустой» или «деревянный» оттенок.
• Звук скрипки или рояля имеет очень богатый спектр с большим количеством гармоник, что делает их звучание насыщенным и сложным.

Различия в спектральном составе являются главной причиной, по которой мы легко отличаем тембры разных инструментов.

Ответ: Индивидуальность звучания инструмента в первую очередь определяется его уникальным набором обертонов (гармоник) и их относительной громкостью, которые в совокупности формируют его акустический спектр.

2. Динамическая огибающая звука (ADSR)

Тембр также зависит от того, как громкость звука изменяется во времени. Этот процесс описывается так называемой динамической огибающей, которая условно состоит из четырех фаз (ADSR):

• Attack (Атака) – время, за которое звук достигает максимальной громкости. У щипковых инструментов (гитара, арфа) атака очень быстрая и резкая. У смычковых (скрипка, виолончель) или духовых она может быть гораздо более плавной и медленной.
• Decay (Спад) – начальное, более быстрое затухание звука сразу после фазы атаки до уровня поддержания.
• Sustain (Поддержание) – уровень громкости, который поддерживается во время звучания ноты (например, пока клавиша рояля нажата или музыкант непрерывно дует в трубу).
• Release (Затухание) – время, за которое звук полностью затухает после того, как источник звука перестал действовать (например, отпустили клавишу). У рояля с нажатой правой педалью фаза затухания очень длинная.

Разная форма огибающей является важной частью «портрета» инструмента. Например, если у звука рояля убрать характерную быструю атаку, он станет неузнаваемым и будет похож на звук скрипки, играющей с постепенным нарастанием громкости.

Ответ: Характер изменения громкости звука во времени, описываемый фазами атаки, спада, поддержания и затухания (ADSR), является ключевым элементом, формирующим индивидуальность инструмента.

3. Форманты и негармонические составляющие

Помимо гармонических обертонов, в звуке инструмента присутствуют и другие компоненты, вносящие вклад в его уникальность.

• Форманты – это области частот, которые усиливаются самим корпусом инструмента (резонатором) независимо от того, какая нота играется. По сути, корпус инструмента работает как акустический фильтр, который всегда подчеркивает одни и те же частотные диапазоны. Именно форманты придают инструменту его неизменный «голос» или «акцент». Например, характерное «гнусавое» звучание гобоя или тембр человеческого голоса во многом определяются формантами.
• Негармонические обертоны (ингармонизм) – у некоторых инструментов, особенно ударных (колокола, тарелки) и струнных клавишных (рояль), частоты обертонов не являются строго кратными основной частоте. Это небольшое отклонение (ингармонизм) делает звук более сложным и является важной частью их тембра.
• Шумы – это непериодические компоненты звука: шипение воздуха при игре на флейте, скрип смычка по струнам скрипки, щелчок клапанов у саксофона или звук удара молоточка по струне у фортепиано. Эти «побочные» звуки делают звучание инструмента более живым и узнаваемым.

Ответ: Резонансные свойства корпуса (форманты), наличие негармонических обертонов и шумовых компонентов (шипение, скрип, щелчки) вносят существенный вклад в уникальную окраску и индивидуальность звучания музыкального инструмента.