Физика музыки: из чего сделана симфония
Наслаждаясь музыкой, мы не задумываемся, откуда появляется такое разнообразие звуков. Но завесу этой тайны можно немного приоткрыть, если разобраться с точки зрения физики.
Наши органы слуха воспринимают колебания, то есть периодическое возмущение частиц в разных средах — газообразных, жидких, твердых. Представим шарики, подвешенные в ряд на тонких нитках. Если поднять и отпустить крайний шар, он толкнет соседний, а тот — следующий и так далее. В итоге возникнет волна, которая будет распространяться по всей среде, в нашем случае — между шариками.
Однако молекулы воздуха, которые распространяют звук, так просто рукой не толкнешь — нужен источник. Так, при игре на музыкальном инструменте исполнитель вызывает колебание одной из его частей — дергает струну, нажимает на клавишу, бьет по барабану.
Возмущенные ударом, частицы в составе среды начинают двигаться с определенной частотой (количество замкнутых циклов движения в единицу времени) и амплитудой (максимальное расстояние от нулевой точки). Волны с малыми частотами воспринимаются как низкие звуки, а с большими — как высокие. На восприятие колебаний частиц слухом также влияет их фаза — по сути, сдвиг графика одной волны по сравнению с другой.
То, что мы привыкли называть громкостью, — это уровень звукового давления, а измеряется он в белах. На практике чаще всего используют понятие "децибел", так как громкость явлений, воспринимаемых ухом, лежит в области десятых долей этой единицы измерений, обозначаемых приставкой "деци".
Важно, что в децибелах измеряют не саму величину, а ее изменение. Характеристикой звука, которую можно непосредственно измерить, выступает его интенсивность — поток энергии, приходящейся на единицу площади. Помимо изначальных свойств колебаний переносчиков шума (в частности, амплитуды и частоты), она зависит от расстояния между объектами и сопротивления среды. Для перевода интенсивности в децибелы необходимо воспользоваться формулой:
Громкость (дБ) = 10lg (интенсивность/эталонная интенсивность)
За эталонную интенсивность принято брать величину самого слабого слышимого звука, 10-12 Вт/м². Попробуем рассчитать громкость шума, интенсивность которого составляет 0,2 Вт/м²:
0,2 Вт/м2 = 10lg (0,2/10-12) = 113 децибел.
Такой уровень примерно соответствует звуку работающего перфоратора.
Также в музыке есть понятие октавы. На самом деле это просто интервал, в котором соотношение частот составляет один к двум. Ведь наш слух устроен так, что при одновременном воспроизведении этих частот они сливаются в один звук. Например, на фортепиано есть несколько клавиш с нотами ля. У первой октавы частота 440 Гц, второй — 880 Гц, третьей — 1760 Гц и так далее. Если мы нажмем на клавиши ля соседних октав (первой и второй, второй и третьей), то полученный звук покажется нам гармоничным. Именно на этом эффекте основана музыкальная шкала, в которой одна и та же нота повторяется каждую октаву.
Однако звук музыкальных инструментов на самом деле не един. Из-за сложности производящих его объектов возникают дополнительные колебания. Скажем, в фортепиано молоточки бьют по определенным частям туго натянутых металлических струн. Но за счет локализованности прикосновения молоточка колебания распределяются по струнам — ее части движутся с разными частотами. Если слегка прикоснуться к уже тронутой струне гитары, звук изменится, но не исчезнет полностью, потому что будет погашена (или изменена) часть колебаний.
Словом "тембр" чаще всего характеризуют голос человека. Но тембром обладают и музыкальные инструменты. По этому параметру отличают звуки одинаковой частоты и громкости, но воспроизведенные на разных инструментах. Дело в том, что их материалы, конструкция и форма различаются, как и строение голосовых связок каждого человека. Ключевыми в определении тембра будут как раз обертоны — сложная система колебаний, зависящая от особенностей устройства музыкального инструмента.
"Для меня, как человека, посвятившего жизнь музыке, объяснять ее звуки с точки зрения только физики не совсем приемлемо. Наш слух — это не просто регистратор тембра, громкости, высоты, это нечто большее! Мозг обрабатывает полученную информацию согласно индивидуальным особенностям — гибкости слуха, его развитости, умения человека переключаться. Поэтому в музыкальных школах детей учат воспринимать звук, рассматривать его, словно картину, в которой всегда можно найти нечто более глубокое, чем видит непрофессионал. В любом случае каждый человек слышит свою музыку, вкладывает в нее свой смысл, и это следует учитывать, разбивая звук на простые "кирпичики", нарисованные колебательными характеристиками частиц", — комментирует Ирина Воронцова, доцент кафедры теории музыки Московской государственной консерватории имени П. И. Чайковского.