Идея поющей воды пришла в голову средневековых японцев сотни лет назад и достигла своего расцвета к середине XIX века. Подобная инсталляция называется «сюйкинкуцу», что в вольном переводе означает «водяная арфа»:

Как следует из видео, сюйкинкуцу представляет собой большой пустой сосуд, обычно установленный в земле на бетонном основании. В верхней части сосуда имеется отверстие, через которое внутрь капает вода. В бетонное основание вставлена дренажная трубка для отвода излишков воды, а само основание выполнено чуть вогнутым, чтобы на нём постоянно имелась неглубокая лужица. Звук капель отражается от стен сосуда, создавая естественную реверберацию (см. рисунок ниже).

Сюйкинкуцу в разрезе: полый сосуд на вогнутом сверху бетонном основании, дренажная трубка для отвода лишней воды, в основании и вокруг засыпка из камней (гравия).

Сюйкинкуцу традиционно являлись элементом японского садово-паркового дизайна, садов камней в духе дзэн. В старину их устраивали на берегах ручьёв возле буддийских храмов и домиков для чайной церемонии. Считалось, что омыв руки перед чайной церемонией и услышав при этом волшебные звуки из-под земли, человек настраивается на возвышенный лад. Японцы до сих пор уверены, что самые лучшие наиболее чисто звучащие сюйкинкуцу должны изготовляться из цельного камня, хотя в наши дни это требование не соблюдается.
К середине ХХ века искусство устройства сюйкинкуцу было почти утеряно – на всю Японию осталась пара-тройка сюйкинкуцу, но в последние годы интерес к ним переживает необычайный подъём. Сегодня их выполняют из более доступных материалов – чаще всего из керамических или металлических сосудов подходящего размера. Особенность звучания сюйкинкуцу в том, что кроме основного тона капли внутри ёмкости за счёт резонанса стенок возникают дополнительные частоты (гармоники), как выше, так и ниже основного тона.
В наших местных условиях создать сюйкинкуцу можно по-разному: не только из керамической или металлической ёмкости, но и, например, выложить непосредственно в земле из красного кирпича по методу изготовления эскимосских жилищ-иглу или отлить из бетона по т технологии создания колоколов – эти варианты по звучанию будут наиболее близкими к цельнокаменным сюйкинкуцу.
В бюджетной версии можно обойтись отрезком стальной трубы большого диаметра (630 мм, 720 мм), накрытым с торца сверху крышкой (толстым металлическим листом) с отверстием для стока воды. Использовать пластиковые ёмкости я бы не советовал: пластик поглощает некоторые звуковые частоты, а в сюйкинкуцу нужно добиться их максимального отражения от стенок.
Непременные условия:
1. вся система должна быть полностью скрыта под землёй;
2. основание и засыпку боковых пазух необходимо выполнять из камня (щебня, гравия, гальки) -- забивка пазух грунтом сведёт на нет резонансные свойства ёмкости.
Логично предположить, что решающее значение в инсталляции имеет высота сосуда – точнее, его глубина: чем сильнее в полёте разгоняется капля воды, тем звонче будет её удар об дно, тем интереснее и полнее будет звук. Но не стóит доходить до фанатизма и строить ракетную шахту -- вполне достаточно высоты ёмкости (отрезка металлической трубы) в 1,5-2,5 от размера её диаметра. Учтите, что чем шире объём ёмкости, тем ниже будет звучание основного тона сюйкинкуцу.
Физик Йошио Ватанабе (Yoshio Watanabe) лабораторно изучил особенности реверберации сюйкинкуцу, его исследование “Analytic Study of Acoustic Mechanism of «Suikinkutsu»” имеется в Интернете в свободном доступе. Для самых дотошных читателей – Ватанабе предлагает оптимальные на его взгляд размеры традиционных сюйкинкуцу: керамический сосуд со стенкой толщиной 2см колоколообразной или грушевидной формы, свободная высота падения капли от 30 до 40 см, максимальный внутренний диаметр около 35 см. Но учёный вполне допускает любые произвольные размеры и формы.
Можно поэкспериментировать и получить интересные эффекты, если сделать сюйкинкуцу как трубу в трубе: внутрь стальной трубы большего диаметра (например, 820мм) вставить трубу меньшего диаметра (630 мм) и немного меньшей высоты, а в стенках внутренней трубы дополнительно на разной высоте вырезать несколько отверстий диаметром примерно 10-15 см. Тогда пустой зазор между трубами будет создавать дополнительную реверберацию, а если вам повезёт, то и эхо.
Облегчённый вариант: в бетонное основание во время его заливки вертикально и чуть под углом вставить пару толстых металлических пластин шириной 10-15 сантиметров и высотой выше половины внутреннего объёма ёмкости – за счёт этого увеличится площадь внутренней поверхности сюйкинкуцу, возникнут дополнительные отражения звука, и соответственно немного возрастёт время реверберации.
Можно ещё радикальнее модернизировать сюйкинкуцу: если в нижней части ёмкости по оси падения воды подвесить колокольчики или тщательно подобранные металлические пластины, то от ударов по ним капель можно получить благозвучный саунд. Но учтите, что в этом случае искажается идея сюйкинкуцу, которая заключается в том, чтобы слушать именно естественную музыку воды.
Сейчас в Японии сюйкинкуцу устраивают не только в дзэнских парках и в частных владениях, но даже в городах, в офисах и в ресторанах. Для этого возле сюйкинкуцу устанавливают миниатюрный фонтан, иногда внутрь сосуда помещают один-два микрофона, затем их сигнал усиливают и подают на замаскированные неподалёку динамики. Результат звучит примерно так:

Хороший пример для подражания.

Энтузиасты сюйкинкуцу выпустили компакт-диск с записями различных сюйкинкуцу, созданных в разных концах Японии.
Идея сюйкинкуцу нашла своё развитие на другом берегу Тихого океана:

В основе этого американского «волнового органа» обычные пластиковые трубы большой длины. Установленные одним своим краем точно на уровне волн, трубы резонируют от движения воды и за счёт своего изгиба вдобавок работают как звуковой фильтр. В традициях сюйкинкуцу вся конструкция скрыта от глаз. Инсталляция уже включена в туристические справочники.
Следующее британское устройство тоже создано из пластиковых труб, но предназначено не для генерации звука, а для изменения уже имеющегося сигнала.
Устройство называется «Оргáн Корти» и представляет собой несколько рядов полых пластиковых труб, закреплённых вертикально между двумя пластинами. Ряды труб работают как естественный звуковой фильтр подобный тем, что установлены в синтезаторах и в гитарных «примочках»: какие-то частоты поглощаются пластиком, другие многократно отражаются и резонируют. В результате звук, поступающий из окружающего пространства, преобразуется случайным образом:

Интересно было бы поставить такое устройство напротив гитарного комбика или любой акустической системы и послушать, как при этом изменится звук. Воистину, «…всё вокруг есть музыка. Или может ею стать при помощи микрофонов» (американский композитор Джон Кейдж). …Думаю этим летом у себя за городом создать сюйкинкуцу. С лингамом.

Команда ученых из Университета Пенсильвании при поддержке Ben and Jerry’s создала холодильник, который охлаждает еду с помощью звука. В его основе лежит принцип того, что звуковые волны сжимают и расширяют воздух вокруг себя, что нагревает и охлаждает его соответственно. Как правило, звуковые волны меняют температуру не больше чем на 1/10000 градуса, но если газ будет под давлением в 10 атмосфер, эффекты будут значительно сильнее. Так называемый термоакустический холодильник сжимает газ в охлаждающей камере и взрывает его с помощью 173 децибел звука, генерируя тепло. Внутри камеры серия металлических пластин на пути звуковых волн поглощает тепло и возвращает его в теплообменную систему. Тепло удаляется, а содержимое холодильника охлаждается.

Эта система была разработана как более экологичная альтернатива современным холодильникам. В отличие от традиционных моделей, которые используют химические хладагенты в ущерб атмосфере, термоакустический холодильник отлично работает с инертными газами вроде гелия. Поскольку гелий просто покидает атмосферу, если вдруг оказывается в ней, новая технология будет экологичнее любой другой на рынке. По мере развития этой технологии, ее дизайнеры надеются, что термоакустические модели в конечном счете обойдут традиционные холодильники по всем пунктам.

Ультразвуковая сварка

Ультразвуковые волны используются для сварки пластмасс с 1960-х годов. В основе этого метода лежит сжимание двух термопластичных материалов на вершине особого приспособления. Через раструб затем подаются ультразвуковые волны, которые вызывают вибрации в молекулах, что, в свою очередь, приводит к трению, генерирующему тепло. В конечном итоге два куска свариваются вместе равномерно и прочно.

Как и многие технологии, эта была обнаружена случайно. Роберт Солофф работал над ультразвуковой технологией герметизации и случайно коснулся зондом диспенсера скотча на столе. В итоге две части диспенсера спаялись вместе, а Солофф понял, что звуковые волны могут огибать углы и бока жесткого пластика, достигая внутренних частей. После открытия Солофф и его коллеги разработали и запатентовали метод ультразвуковой сварки.

С тех пор ультразвуковая сварка нашла широкое применение во многих отраслях промышленности. От подгузников до автомобилей, этот метод повсеместно используется для соединения пластмасс. В последнее время экспериментируют даже с ультразвуковой сваркой швов на специализированной одежде. Компании вроде Patagonia и Northface уже используют сварные швы в своей одежде, но только прямые, и выходит очень дорого. В настоящее время самым простым и универсальным методом по-прежнему остается ручное шитье.

Кража информации о кредитках

Ученые нашли способ передавать данные с компьютера на компьютер, используя только звук. К сожалению, этот способ также оказался эффективным в передаче вирусов.

Специалисту по безопасности Драгошу Руйу пришла эта идея после того, как он заметил нечто странное со своим MacBook Air: после установки OS X его компьютер спонтанно загрузил кое-что еще. Это был весьма мощный вирус, который мог удалять данные и вносить изменения по собственному желанию. Даже после удаления, переустановки и перенастройки всей системы проблема оставалась. Наиболее правдоподобное объяснение бессмертия вируса было таковым, что он проживал в BIOS и оставался там, несмотря на любые операции. Другая, менее вероятная теория была таковой, что вирус использовал высокочастотные передачи между динамиками и микрофоном для управления данным.

Эта странная теория казалась невероятной, но была доказана хотя бы в плане возможности, когда Германский институт нашел способ воспроизвести этот эффект. На основе разработанного для подводной связи программного обеспечения ученые разработали прототип вредоносной программы, которая передавала данные между неподключенными к Сети ноутбуками, используя их динамики. В тестах ноутбуки могли сообщаться на расстоянии до 20 метров. Диапазон можно было расширить, связав зараженные устройства в сеть, подобно ретрансляторам Wi-Fi.

Хорошие новости в том, что эта акустическая передача происходит крайне медленно, достигая скорости в 20 бит в секунду. Хотя этого недостаточно для передачи больших пакетов данных, этого достаточно, чтобы передавать информацию вроде нажатия клавиш, паролей, номеров кредитных карт и ключей шифрования. Поскольку современные вирусы умеют делать все это быстрее и лучше, маловероятно, что новая акустическая система станет популярной в ближайшем будущем.

Акустические скальпели

Врачи уже используют звуковые волны для медицинских процедур вроде УЗИ и разрушения камней в почках, но ученые из Университета штата Мичиган создали акустический скальпель, точность которого позволяет отделять даже одну клетку. Современные ультразвуковые технологии позволяют создать луч с фокусом в несколько миллиметров, однако новый инструмент обладает точностью уже в 75 на 400 микрометров.

Общая технология была известна с конца 1800-х, однако новый скальпель стал возможным, благодаря использованию линзы, обернутой в углеродные нанотрубки и материал под названием полидиметилсилоксан, которая конвертирует свет в звуковые волны высокого давления. При должном фокусе, звуковые волны создают ударные волны и микропузырьки, которые оказывают давление на микроскопическом уровне. Технологию протестировали, отделив одну клетку рака яичников и просверлив 150-микрометровую дыру в искусственном почечном камне. Авторы технологии считают, что ее можно будет наконец использовать для доставки лекарств или удаления малых раковых опухолей или бляшек. Ее можно даже использовать для проведения безболезненных операций, поскольку такой ультразвуковой луч сможет избегать нервные клетки.

Подзарядка телефона голосом

С помощью нанотехнологий ученые пытаются извлекать энергию из самых разных источников. Одна из таких задач - создание устройства, которое не нужно будет заряжать. Nokia даже запатентовала устройство, которое поглощает энергию движения.

Поскольку звук - это всего лишь сжатие и расширение газов в воздухе, а значит движение, он может стать жизнеспособным источником энергии. Ученые экспериментируют с возможностью зарядки телефона прямо во время использования - пока вы звоните, например. В 2011 году ученые из Сеула взяли наностержни из оксида цинка, зажатые между двух электродов, чтобы добыть электричество из звуковых волн. Эта технология могла вырабатывать 50 милливольт просто из шума движения машин. Этого недостаточно, чтобы зарядить большинство электрических устройств, но в прошлом году лондонские инженеры решили создать устройство, вырабатывающее 5 вольт - и этого уже хватает, чтобы подзарядить телефон.

Хотя зарядка телефонов с помощью звуков может быть хорошей новостью для любителей поболтать, она может оказать серьезное влияние на развивающийся мир. Та же технология, которая обеспечила существование термоакустического холодильника, может быть использована для преобразования звука в электричество. Score-Stove - это плита и холодильник, которая извлекает энергию в процессе приготовления на топливной биомассе для производства небольших объемов электричества, порядка 150 ватт. Это немного, но достаточно, чтобы обеспечить 1,3 миллиарда людей на Земле, не имеющих доступа к электричеству, энергией.

Превратить тело человека в микрофон

Ученые из Disney сделали устройство, которое превращает человеческое тело в микрофон. Названное «ишин-ден-шин» в честь японского выражения, означающего общение через негласное взаимопонимание, оно позволяет кому-либо передать записанное сообщение, просто коснувшись уха другой персоны.

Это устройство включает микрофон, прикрепленный к компьютеру. Когда кто-то говорит в микрофон, компьютер сохраняет речь в виде записи на повторе, которая затем преобразуется в едва слышный сигнал. Этот сигнал передается по проводу от микрофона к телу любого, кто его держит, и производит модулированное электростатическое поле, которое вызывает крошечные вибрации, если человек чего-то касается. Вибрации могут быть услышаны, если человек коснется чужого уха. Их даже можно передавать от человека к человеку, если группа людей находится в физическом контакте.

Иногда наука создает что-то, о чем даже Джеймс Бонд мог только мечтать. Ученые из Массачусетского технологического института, и Adobe разработали алгоритм, который может считывать пассивные звуки от неодушевленных объектов на видео. Их алгоритм анализирует незаметные колебания, которые звуковые волны создают на поверхностях, и делает их слышимыми. В ходе одного эксперимента удалось считать внятную речь с пакета картофельных чипсов, лежащих на расстоянии 4,5 метра за звуконепроницаемым стеклом.

Для достижения наилучших результатов алгоритм требует, чтобы число кадров в секунду на видео было выше частоты аудиосигнала, для чего необходима высокоскоростная камера. Но, на худой конец, можно взять и обычную цифровую камеру, чтобы определить, к примеру, число собеседников в комнате и их пол - возможно, даже их личности. Новая технология обладает очевидными применениями в судебно-медицинской экспертизе, правоохранительных органах и шпионских войнах. Обладая такой технологией, можно узнать, что происходит за окном, просто достав цифровую камеру.

Акустическая маскировка

Ученые сделали устройство, которое может прятать объекты от звука. Оно похоже на странную дырявую пирамиду, но ее форма отражает траекторию звука так, будто бы он отражается от плоской поверхности. Если вы разместите эту акустическую маскировку на объекте на плоской поверхности, он будет неуязвим для звука вне зависимости от того, под каким углом вы будете звук направлять.

Хотя, возможно, эта накидка и не предотвратит прослушивание разговора, она может пригодиться в местах, где объект нужно спрятать от акустических волн, например, концертный зал. С другой стороны, военные уже положили глаз на эту маскировочную пирамиду, поскольку у нее есть потенциал прятать объекты от сонара, например. Поскольку под водой звук путешествует почти так же, как по воздуху, акустическая маскировка может сделать подводные лодки невидимыми к обнаружению.

Притягивающий луч

Долгие годы ученые пытались воплотить в жизнь технологии из «Звездного пути», в том числе и тяговый луч, с помощью которого можно захватывать и притягивать те или иные вещи. В то время как весьма много исследований фокусируется на оптическом луче, который использует тепло для передвижения объектов, эта технология ограничена размером объектов в несколько миллиметров. Ультразвуковые тяговые лучи, однако, доказали, что могут двигать большие объектов - до 1 сантиметра шириной. Возможно, это все еще мало, но у нового луча сила в миллиарды раз превосходит старые наработки.

Сосредоточив два ультразвуковых луча на цели, объект можно подтолкнуть по направлению к источнику луча, рассеивая волны в противоположном направлении (объект будет словно подпрыгивать на волнах). Хотя ученым пока не удалось создать лучший вид волны для своей техники, они продолжают работу. В будущем эту технологию можно будет использовать непосредственно для управления объектами и жидкостями в теле человека. Для медицины она может оказаться незаменимой. К сожалению, в космическом вакууме звук не распространяется, поэтому едва ли технология будет применима для управления космическими кораблями.

Тактильные голограммы

Наука также работает над другим творением «Звездного пути» - голодеком. Хотя в технологии голограммы нет ничего нового, на данный момент нам доступны не такие хитроумные ее проявления, как показывают фантастические фильмы. Правда, важнейшей чертой, отделяющей фантастические голограммы от реальных, остаются тактильные ощущения. Оставались, если быть точным. Инженеры из Университета Бристоля разработали так называемую технологию UltraHaptics, которая в состоянии передавать тактильные ощущения.

Изначально технология разрабатывалась для оказания силы на вашу кожу, чтобы облегчить жестовое управление определенными устройствами. Механик с грязными руками, например, мог бы пролистать руководство по эксплуатации. Технология должна была придать сенсорным экранам ощущение физической страницы.

Поскольку эта технология использует звук для производства вибраций, которые воспроизводят ощущение прикосновения, уровень чувствительности можно изменять. 4-герцевые вибрации похожи на тяжелые капли дождя, а 125-герцевые напоминают прикосновения к пене. Единственным недостатком на данный момент остается то, что эти частоты могут быть услышаны собаками, но дизайнеры говорят, что это поправимо.

Сейчас же они дорабатывают свое устройство для производства виртуальных форм вроде сфер и пирамид. Правда, это не совсем виртуальные формы. В основе их работы лежат сенсоры, которые следуют за вашей рукой и соответственно образуют звуковые волны. В настоящее время этим объектам не хватает детализации и некоторой точности, но дизайнеры говорят, что однажды технология будет совместима с видимой голограммой, а человеческий мозг будет в состоянии сложить их в одну картинку.

По материалам listverse.com

Февраль 18, 2016

Мир домашних развлечений довольно разнообразен и может включать в себя: просмотр кино на хорошей домашней кинотеатральной системе; увлекательный и захватывающий игровой процесс или прослушивание музыкальных композиций. Как правило, каждый находит что-то своё в этой области, или сочетает всё сразу. Но какими бы не были цели человека по организации своего досуга и в какую бы крайность не ударялись - все эти звенья прочно связаны одним простым и понятным словом - "звук". Действительно, во всех перечисленных случаях нас будет вести за ручку звуковое сопровождение. Но вопрос этот не так прост и тривиален, особенно в тех случаях, когда появляется желание добиться качественного звучания в помещении или любых других условиях. Для этого не всегда обязательно покупать дорогостоящие hi-fi или hi-end компоненты (хотя будет весьма кстати), а бывает достаточным хорошее знание физической теории, которая способна устранить большинство проблем, возникающих у всех, кто задался целью получить озвучку высокого качества.

Далее будет рассмотрена теория звука и акустики с точки зрения физики. В данном случае я постараюсь сделать это максимально доступно для понимания любого человека, который, возможно, далёк от знания физических законов или формул, но тем не менее страстно грезит воплощением мечты создания совершенной акустической системы. Я не берусь утверждать, что для достижения хороших результатов в этой области в домашних условиях (или в автомобиле, например) необходимо знать эти теории досканально, однако понимание основ позволит избежать множество глупых и абсурдных ошибок, а так же позволит достичь максимального эффекта звучания от системы любого уровня.

Общая теория звука и музыкальная терминология

Что же такое звук ? Это ощущение, которое воспринимает слуховой орган "ухо" (само по себе явление существует и без участия «уха» в процессе, но так проще для понимания), возникающее при возбуждении барабанной перепонки звуковой волной. Ухо в данном случае выступает в роли "приёмника" звуковых волн различной частоты.
Звуковая волна же представляет собой по сути последовательный ряд уплотнений и разряжений среды (чаще всего воздушной среды в обычных условиях) различной частоты. Природа звуковых волн колебательная, вызываемая и производимая вибрацией любых тел. Возникновение и распространение классической звуковой волны возможно в трёх упругих средах: газообразных, жидких и твёрдых. При возникновении звуковой волны в одном из этих типов пространства неизбежно возникают некоторые изменения в самой среде, например, изменение плотности или давления воздуха, перемещение частиц воздушных масс и т.д.

Поскольку звуковая волна имеет колебательную природу, то у неё имеется такая характеристика, как частота. Частота измеряется в герцах (в честь немецкого физика Генриха Рудольфа Герца), и обозначает количество колебаний за период времени, равный одной секунде. Т.е. например, частота 20 Гц обозначает цикл в 20 колебаний за одну секунду. От частоты звука зависит и субъективное понятие его высоты. Чем больше звуковых колебаний совершается за секунду, тем «выше» кажется звучание. У звуковой волны так же имеется ещё одна важнейшая характеристика, имеющая название - длина волны. Длиной волны принято считать расстояние, которое проходит звук определённой частоты за период, равный одной секунде. Для примера, длина волны самого низкого звука в слышимом диапазоне для человека частотой 20 Гц составляет 16,5 метров, а длина волны самого высокого звука 20000 Гц составляет 1,7 сантиметра.

Человеческое ухо устроено таким образом, что способно воспринимать волны только в ограниченном диапазоне, примерно 20 Гц - 20000 Гц (зависит от особенностей конкретного человека, кто-то способен слышать чуть больше, кто-то меньше). Таким образом, это не означает, что звуков ниже или выше этих частот не существует, просто человеческим ухом они не воспринимаются, выходя за границу слышимого диапазона. Звук выше слышимого диапазона называется ультразвуком , звук ниже слышимого диапазона называется инфразвуком . Некоторые животные способны воспринимать ультра и инфра звуки, некоторые даже используют этот диапазон для ориентирования в пространстве (летучие мыши, дельфины). В случае, если звук проходит через среду, которая напрямую не соприкасается с органом слуха человека, то такой звук может быть не слышим или сильно ослабленным в последствии.

В музыкальной терминологии звука существуют такие важные обозначения, как октава, тон и обертон звука. Октава означает интервал, в котором соотношение частот между звуками составляет 1 к 2. Октава обычно очень хорошо различима на слух, в то время как звуки в пределах этого интервала могут быть очень похожими друг на друга. Октавой также можно назвать звук, который делает вдвое больше колебаний, чем другой звук, в одинаковый временной период. Например, частота 800 Гц, есть ни что иное, как более высокая октава 400 Гц, а частота 400 Гц в свою очередь является следующей октавой звука частотой 200 Гц. Октава в свою очередь состоит из тонов и обертонов. Переменные колебания в гармонической звуковой волне одной частоты воспринимаются человеческим ухом как музыкальный тон . Колебания высокой частоты можно интерпретировать как звуки высокого тона, колебания низкой частоты – как звуки низкого тона. Человеческое ухо способно чётко отличать звуки с разницей в один тон (в диапазоне до 4000 Гц). Несмотря на это, в музыке используется крайне малое число тонов. Объясняется это из соображений принципа гармонической созвучности, всё основано на принципе октав.

Рассмотрим теорию музыкальных тонов на примере струны, натянутой определённым образом. Такая струна, в зависимости от силы натяжения, будет иметь "настройку" на какую-то одну конкретную частоту. При воздействии на эту струну чем-либо с одной определённой силой, что вызовет её колебания, стабильно будет наблюдаться какой-то один определенный тон звука, мы услышим искомую частоту настройки. Этот звук называется основным тоном. За основной тон в музыкальной сфере официально принята частота ноты "ля" первой октавы, равная 440 Гц. Однако, большинство музыкальных инструментов никогда не воспроизводят одни чистые основные тона, их неизбежно сопровождают призвуки, именуемые обертонами . Тут уместно вспомнить важное определение музыкальной акустики, понятие тембра звука. Тембр - это особенность музыкальных звуков, которые придают музыкальным инструментам и голосам их неповторимую узнаваемую специфику звучания, даже если сравнивать звуки одинаковой высоты и громкости. Тембр каждого музыкального инструмента зависит от распределения звуковой энергии по обертонам в момент появления звука.

Обертоны формируют специфическую окраску основного тона, по которой мы легко можем определить и узнать конкретный инструмент, а так же чётко отличить его звучание от другого инструмента. Обертоны бывают двух типов: гармонические и негармонические. Гармонические обертоны по определению кратны частоте основного тона. Напротив, если обертоны не кратны и заметно отклоняются от величин, то они называются негармоническими . В музыке практически исключается оперирование некратными обертонами, поэтому термин сводится к понятию "обертон", подразумевая под собой гармонический. У некоторых инструментов, например фортепиано, основной тон даже не успевает сформироваться, за короткий промежуток происходит нарастание звуковой энергии обертонов, а затем так же стремительно происходит спад. Многие инструменты создают так называемый эффект "переходного тона", когда энергия определённых обертонов максимальна в определённый момент времени, обычно в самом начале, но потом резко меняется и переходит к другим обертонам. Частотный диапазон каждого инструмента можно рассмотреть отдельно и он обычно ограничивается частотами основных тонов, который способен воспроизводить данный конкретный инструмент.

В теории звука также присутствует такое понятие как ШУМ. Шум - это любой звук, которой создаётся совокупностью несогласованных между собой источников. Всем хорошо знаком шум листвы деревьев, колышимой ветром и т.д.

От чего зависит громкость звука? Очевидно, что подобное явление напрямую зависит от количества энергии, переносимой звуковой волной. Для определения количественных показателей громкости, существует понятие - интенсивность звука. Интенсивность звука определяется как поток энергии, прошедший через какую-то площадь пространства (например, см2) за единицу времени (например, за секунду). При обычном разговоре интенсивность составляет примерно 9 или 10 Вт/см2. Человеческое ухо способно воспринимать звуки достаточно широкого диапазона чувствительности, при этом восприимчивость частот неоднородна в пределах звукового спектра. Так наилучшим образом воспринимается диапазон частот 1000 Гц - 4000 Гц, который наиболее широко охватывает человеческую речь.

Поскольку звуки столь сильно различаются по интенсивности, удобнее рассматривать её как логарифмическую величину и измерять в децибелах (в честь шотландского учёного Александра Грэма Белла). Нижний порог слуховой чувствительности человеческого уха составляет 0 Дб, верхний 120 Дб, он же ещё называется "болевой порог". Верхняя граница чувствительности так же воспринимается человеческим ухом не одинаково, а зависит от конкретной частоты. Звуки низких частот должны обладать гораздо бОльшей интенсивностью, чем высокие, чтобы вызвать болевой порог. Например, болевой порог на низкой частоте 31,5 Гц наступает при уровне силы звука 135 дБ, когда на частоте 2000 Гц ощущение боли появится при уже при 112 дБ. Имеется также понятие звукового давления, которое фактически расширяет привычное объяснение распространение звуковой волны в воздухе. Звуковое давление - это переменное избыточное давление, возникающее в упругой среде в результате прохождения через неё звуковой волны.

Волновая природа звука

Чтобы лучше понять систему возникновения звуковой волны, представим классический динамик, находящийся в трубе, наполненной воздухом. Если динамик совершит резкое движение вперёд, то воздух, находящийся в непосредственной близости диффузора на мгновение сжимается. После этого воздух расширится, толкая тем самым сжатую воздушную область вдоль по трубе.
Вот это волновое движение и будет впоследствии звуком, когда достигнет слухового органа и "возбудит" барабанную перепонку. При возникновении звуковой волны в газе создаётся избыточное давление, избыточная плотность и происходит перемещение частиц с постоянной скоростью. Про звуковые волны важно помнить то обстоятельство, что вещество не перемещается вместе со звуковой волной, а возникает лишь временное возмущение воздушных масс.

Если представить поршень, подвешенный в свободном пространстве на пружине и совершающий повторяющиеся движения "вперёд-назад", то такие колебания будут называться гармоническими или синусоидальными (если представить волну в виде графика, то получим в этом случае чистейшую синусойду с повторяющимися спадами и подъёмами). Если представить динамик в трубе (как и в примере, описанном выше), совершающий гармонические колебания, то в момент движения динамика "вперёд" получается известный уже эффект сжатия воздуха, а при движении динамика "назад" обратный эффект разряжения. В этом случае по трубе будет распространяться волна чередующихся сжатий и разрежений. Расстояние вдоль трубы между соседними максимумами или минимумами (фазами) будет называться длиной волны . Если частицы колеблются параллельно направлению распространения волны, то волна называется продольной . Если же они колеблются перпендикулярно направлению распространения, то волна называется поперечной . Обычно звуковые волны в газах и жидкостях – продольные, в твердых же телах возможно возникновение волн обоих типов. Поперечные волны в твердых телах возникают благодаря сопротивлению к изменению формы. Основная разница между этими двумя типами волн заключается в том, что поперечная волна обладает свойством поляризации (колебания происходят в определенной плоскости), а продольная – нет.

Скорость звука

Скорость звука напрямую зависит от характеристик среды, в которой он распространяется. Она определяется (зависима) двумя свойствами среды: упругостью и плотностью материала. Скорость звука в твёрдых телах соответственно напрямую зависит от типа материала и его свойств. Скорость в газовых средах зависит только от одного типа деформации среды: сжатие-разрежение. Изменение давления в звуковой волне происходит без теплообмена с окружающими частицами и носит название адиабатическое.
Скорость звука в газе зависит в основном от температуры - возрастает при повышении температуры и падает при понижении. Так же скорость звука в газообразной среде зависит от размеров и массы самих молекул газа, - чем масса и размер частиц меньше, тем "проводимость" волны больше и больше соответственно скорость.

В жидкой и твёрдой средах принцип распространения и скорость звука аналогичны тому, как волна распространяется в воздухе: путём сжатия-разряжения. Но в данных средах, помимо той же зависимости от температуры, достаточно важное значение имеет плотность среды и её состав/структура. Чем меньше плотность вещества, тем скорость звука выше и наоборот. Зависимость же от состава среды сложнее и определяется в каждом конкретном случае с учётом расположения и взаимодействия молекул/атомов.

Скорость звука в воздухе при t, °C 20: 343 м/с
Скорость звука в дистиллированной воде при t, °C 20: 1481 м/с
Скорость звука в стали при t, °C 20: 5000 м/с

Стоячие волны и интерференция

Когда динамик создаёт звуковые волны в ограниченном пространстве неизбежно возникает эффект отражения волн от границ. В результате этого чаще всего возникает эффект интерференции - когда две или более звуковых волн накладываются друг на друга. Особыми случаями явления интерференции являются образование: 1) Биений волн или 2) Стоячих волн. Биения волн - это случай, когда происходит сложение волн с близкими частотами и амплитудой. Картина возникновения биений: когда две похожие по частоте волны накладываются друг на друга. В какой-то момент времени при таком наложении, амплитудные пики могут совпадать "по фазе", а также могут совпадать и спады по "противофазе". Именно так и характеризуются биения звука. Важно помнить, что в отличие от стоячих волн, фазовые совпадения пиков происходят не постоянно, а через какие-то временные промежутки. На слух такая картина биений различается достаточно чётко, и слышится как периодическое нарастание и убывание громкости соответственно. Механизм возникновения этого эффекта предельно прост: в момент совпадения пиков громкость нарастает, в момент совпадения спадов громкость уменьшается.

Стоячие волны возникают в случае наложения двух волн одинаковой амлитуды, фазы и частоты, когда при "встрече" таких волн одна движется в прямом, а другая – в обратном направлении. В участке пространства (где образовалась стоячая волна) возникает картина наложения двух частотных амплитуд, с чередованием максимумов (т.н. пучностей) и минимумов (т.н. узлов). При возникновении этого явления крайне важное значение имеет частота, фаза и коэффициент затухания волны в месте отражения. В отличие от бегущих волн, в стоячей волне отсутствует перенос энергии вследствие того, что образующие эту волну прямая и обратная волны переносят энергию в равных количествах и в прямом и в противоположном направлениях. Для наглядного понимания возникновения стоячей волны, представим пример из домашней акустики. Допустим, у нас есть напольные акустические системы в некотором ограниченном пространстве (комнате). Заставив их играть какую-нибудь композицию с большим количеством баса, попробуем изменить местоположение слушателя в помещении. Таким образом слушатель, попав в зону минимума (вычитания) стоячей волны ощутит эффект того, что баса стало очень мало, а если слушатель попадает в зону максимума (сложения) частот, то получается обратный эффект существенного увеличения басовой области. При этом эффект наблюдается во всех октавах базовой частоты. Например, если базовая частота составляет 440 Гц, то явление "сложения" или "вычитания" будет наблюдаться также на частотах 880 Гц, 1760 Гц, 3520 Гц и т.д.

Явление резонанса

У большинства твёрдых тел имеется собственная частота резонанса. Понять этот эффект достаточно просто на примере обычной трубы, открытой только с одного конца. Представим ситуацию, что с другого конца трубы подсоединяется динамик, который может играть какую-то одну постоянную частоту, её также впоследствии можно менять. Так вот, у трубы имеется собственная частота резонанса, говоря простым языком - это частота, на которой труба "резонирует" или издаёт свой собственный звук. Если частота динамика (в результате регулировки) совпадёт с частотой резонанса трубы, то возникнет эффект увеличения громкости в несколько раз. Это происходит потому, что громкоговоритель возбуждает колебания воздушного столба в трубе со значительной амплитудой до тех пор, пока не найдётся та самая «резонансная частота» и произойдёт эффект сложения. Возникшее явление можно описать следующим образом: труба в этом примере "помогает" динамику, резонируя на конкретной частоте, их усилия складываются и "выливаются" в слышимый громкий эффект. На примере музыкальных инструментов легко прослеживается это явление, поскольку в конструкции большинства присутствуют элементы, называемые резонаторами. Нетрудно догадаться, что служит цели усилить определённую частоту или музыкальный тон. Для примера: корпус гитары с резонатором ввиде отверстия, сопрягаемого с объёмом; Конструкция трубки у флейты (и все трубы вообще); Циллиндрическая форма корпуса барабана, который сам по себе является резонатором определённой частоты.

Частотный спектр звука и АЧХ

Поскольку на практике практически не встречаются волны одной частоты, то возникает необходимость разложения всего звукового спектра слышимого диапазона на обертоны или гармоники. Для этих целей существуют графики, которые отображают зависимость относительной энергии звуковых колебаний от частоты. Такой график называется графиком частотного спектра звука. Частотный спектр звука бывает двух типов: дискретный и непрерывный. Дискретный график спектра отображает частоты по отдельности, разделённые пустыми промежутками. В непрерывном спектре присутствуют сразу все звуковые частоты.
В случае с музыкой или акустикой чаще всего используется обычный график Амплитудно-Частотой Характеристики (сокращённо "АЧХ"). На таком графике представлена зависимость амплитуды звуковых колебаний от частоты на протяжении всего спектра частот (20 Гц - 20 кГц). Глядя на такой график легко понять, например, сильные или слабые стороны конкретного динамика или акустической системы в целом, наиболее сильные участки энергетической отдачи, частотные спады и подъёмы, затухания, а так же проследить крутизну спада.

Распространение звуковых волн, фаза и противофаза

Процесс распространения звуковых волн происходит во всех направлениях от источника. Простейший пример для понимания этого явления: камешек, брошенный в воду.
От места, куда упал камень, начинают расходиться волны по поверхности воды во всех направлениях. Однако, представим ситуацию с использованием динамика в неком объёме, допустим закрытом ящике, который подключён к усилителю и воспроизводит какой-то музыкальный сигнал. Несложно заметить (особенно при условии, если подать мощный НЧ сигнал, например бас-бочку), что динамик совершает стремительное движение "вперёд", а потом такое же стремительное движение "назад". Остаётся понять, что когда динамик совершает движение вперёд, он излучает звуковую волну, которую мы слышим впоследствии. А вот что происходит, когда динамик совершает движение назад? А происходит парадоксально тоже самое, динамик совершает тот же звук, только распространяется он в нашем примере всецело в пределах объёма ящика, не выходя за его пределы (ящик закрыт). В целом, на приведённом выше примере можно наблюдать достаточно много интересных физических явлений, наиболее значимым из которых является понятие фазы.

Звуковая волна, которую динамик, находясь в объёме, излучает в направлении слушателя - находится "в фазе". Обратная же волна, которая уходит в объём ящика, будет соответственно противофазной. Остаётся только понять, что подразумевают эти понятия? Фаза сигнала – это уровень звукового давления в текущий момент времени в какой-то точке пространства. Фазу проще всего понять на примере воспроизведения музыкального материала обычной напольной стерео-парой домашних акустических систем. Представим, что две такие напольные колонки установлены в неком помещении и играют. Обе акустические системы в этом случае воспроизводят синхронный сигнал переменного звукового давления, притом звуковое давление одной колонки складывается со звуковым давлением другой колонки. Происходит подобный эффект за счёт синхронности воспроизведения сигнала левой и правой АС соответственно, другими словами, пики и спады волн, излучаемых левыми и правыми динамиками совпадают.

А теперь представим, что давления звука по-прежнему меняются одинаковым образом (не претерпели изменений), но только теперь противоположно друг другу. Подобное может произойти, если подключить одну акустическую систему из двух в обратной полярности ("+" кабель от усилителя к "-" клемме акустической системе, и "-" кабель от усилителя к "+" клемме акустической системы). В этом случае противоположный по направлению сигнал вызовет разницу давлений, которую можно представить в виде чисел следующим образом: левая акустическая система будет создавать давление "1 Па", а правая акустическая система будет создавать давление "минус 1 Па". В результате, суммарная громкость звука в точке размещения слушателя будет равна нулю. Это явление называется противофазой. Если рассматривать пример более детально для понимания, то получается, что два динамика, играющие "в фазе" - создают одинаковые области уплотнения и разряжения воздуха, чем фактически помогают друг другу. В случае же с идеализированной противофазой, область уплотнения воздушного пространства, созданная одним динамиком, будет сопровождаться областью разряжения воздушного пространства, созданной вторым динамиком. Выглядит это примерно, как явление взаимного синхронного гашения волн. Правда, на практике падения громкости до нуля не происходит, и мы услышим сильно искажённый и ослабленный звук.

Самым доступным образом можно описать это явление так: два сигнала с одинаковыми колебаниями (частотой), но сдвинутые по времени. Ввиду этого, удобнее представить эти явления смещения на примере обычных круглых стрелочных часов. Представим, что на стене висит несколько одинаковых круглых часов. Когда секундные стрелки этих часов бегут синхронно, на одних часах 30 секунд и на других 30, то это пример сигнала, который находится в фазе. Если же секундные стрелки бегут со смещением, но скорость по-прежнему одинакова, например, на одних часах 30 секунд, а на других 24 секунды, то это и есть классический пример смещения (сдвига) по фазе. Таким же образом фаза измеряется в градусах, в пределах виртуальной окружности. В этом случае, при смещении сигналов относительно друг друга на 180 градусов (половина периода), и получается классическая противофаза. Нередко на практике возникают незначительные смещения по фазе, которые так же можно определить в градусах и успешно устранить.

Волны бывают плоские и сферические. Плоский волновой фронт распространяется только в одном направлении и редко встречается на практике. Сферический волновой фронт представляет собой волны простого типа, которые исходят из одной точки и распространяется во всех направлениях. Звуковые волны обладают свойством дифракции , т.е. способностью огибать препятствия и объекты. Степень огибания зависит от отношения длины звуковой волны к размерам препятствия или отверстия. Дифракция возникает и в случае, когда на пути звука оказывается какое-либо препятствие. В этом случае возможны два варианта развития событий: 1) Если размеры препятствия намного больше длины волны, то звук отражается или поглощается (в зависимости от степени поглощения материала, толщины препятствия и т.д.), а позади препятствия формируется зона "акустической тени". 2) Если же размеры препятствия сравнимы с длиной волны или даже меньше её, тогда звук дифрагирует в какой-то мере во всех направлениях. Если звуковая волна при движении в одной среде попадает на границу раздела с другой средой (например воздушная среда с твёрдой средой), то может возникнуть три варианта развития событий: 1) волна отразится от поверхности раздела 2) волна может пройти в другую среду без изменения направления 3) волна может пройти в другую среду с изменением направления на границе, это называется "преломление волны".

Отношением избыточного давления звуковой волны к колебательной объёмной скорости называется волновое сопротивление. Говоря простыми словами, волновым сопротивлением среды можно назвать способность поглощать звуковые волны или "сопротивляться" им. Коэффициенты отражения и прохождения напрямую зависят от соотношения волновых сопротивлений двух сред. Волновое сопротивление в газовой среде гораздо ниже, чем в воде или твёрдых телах. Поэтому если звуковая волна в воздухе падает на твердый объект или на поверхность глубокой воды, то звук либо отражается от поверхности, либо поглощается в значительной мере. Зависит это от толщины поверхности (воды или твёрдого тела), на которую падает искомая звуковая волна. При низкой толщине твёрдой или жидкой среды, звуковые волны практически полностью "проходят", и наоборот, при большой толщине среды волны чаще отражается. В случае отражения звуковых волн, происходит этот процесс по хорошо известному физическому закону: "Угол падения равен углу отражения". В этом случае, когда волна из среды с меньшей плотностью попадает на границу со средой большей плотности - происходит явление рефракции . Оно заключается в изгибе (преломлении) звуковой волны после "встречи" с препятствием, и обязательно сопровождается изменением скорости. Рефракция зависит также от температуры среды, в которой происходит отражение.

В процессе распространения звуковых волн в пространстве неизбежно происходит снижение их интенсивности, можно сказать затухание волн и ослабление звука. На практике столкнуться с подобным эффектом достаточно просто: например, если два человека встанут в поле на некотором близком расстоянии (метр и ближе) и начнут что-то говорить друг другу. Если впоследствии увеличивать расстояние между людьми (если они начнут отдаляться друг от друга), тот же самый уровень разговорной громкости будет становиться всё менее и менее слышимым. Подобный пример наглядно демонстрирует явление снижения интенсивности звуковых волн. Почему это происходит? Причиной тому различные процессы теплообмена, молекулярного взаимодействия и внутреннего трения звуковых волн. Наиболее часто на практике происходит превращение звуковой энергии в тепловую. Подобные процессы неизбежно возникают в любой из 3-ёх сред распространения звука и их можно охарактеризовать как поглощение звуковых волн .

Интенсивность и степень поглощения звуковых волн зависит от многих факторов, таких как: давление и температура среды. Также поглощение зависит от конкретной частоты звука. При распространении звуковой волны в жидкостях или газах возникает эффект трения между разными частицами, которое называется вязкостью. В результате этого трения на молекулярном уровне и происходит процесс превращения волны из звуковой в тепловую. Другими словами, чем выше теплопроводность среды, тем меньше степень поглощения волн. Поглощение звука в газовых средах зависит ещё и от давления (атмосферное давление меняется с повышением высоты относительно уровня моря). Что касательно зависимости степени поглощения от частоты звука, то принимая во внимание вышеназванные зависимости вязкости и теплопроводности, поглощение звука тем выше, чем выше его частота. Для примера, при нормальной температуре и давлении, в воздухе поглощение волны частотой 5000 Гц составляет 3 Дб/км, а поглощение волны частотой 50000 Гц составит уже 300 Дб/м.

В твёрдых средах сохраняются все вышеназванные зависимости (теплопроводность и вязкость), однако к этому добавляется ещё несколько условий. Они связаны с молекулярной структурой твёрдых материалов, которая может быть разной, со своими неоднородностями. В зависимости от этого внутреннего твёрдого молекулярного строения, поглощение звуковых волн в данном случае может быть различным, и зависит от типа конкретного материала. При прохождении звука через твёрдое тело, волна претерпевает ряд преобразований и искажений, что чаще всего приводит к рассеиванию и поглощению звуковой энергии. На молекулярном уровне может возникнуть эффект дислокаций, когда звуковая волна вызывает смещение атомных плоскостей, которые затем возвращаются в исходное положение. Либо же, движение дислокаций приводит к столкновению с перпендикулярными им дислокациями или дефектами кристаллического строения, что вызывает их торможение и как следствие некоторое поглощение звуковой волны. Однако, звуковая волна может и резонировать с данными дефектами, что приведет к искажению исходной волны. Энергия звуковой волны в момент взаимодействия с элементами молекулярной структуры материала рассеивается в результате процессов внутреннего трения.

В я постараюсь разобрать особенности слухового восприятия человека и некоторые тонкости и особенности распространения звука.

Звук представляет собой звуковые волны, которые вызывают колебания мельчайших частиц воздуха, других газов, а также жидких и твердых сред. Звук может возникать только там, где есть вещество, не важно, в каком агреатном состоянии оно находится. В условиях вакуума, где отсутствует какая-либо среда, звук не распространяется, потому что там отсутствуют частицы, которые и выступают распространителями звуковых волн. Например, в космосе. Звук может модифицироваться, видоизменяться, превращаясь в иные формы энергии. Так, звук, преобразованный в радиоволны или в электрическую энергию, можно передавать на расстояния и записывать на информационные носители.

Звуковая волна

Движения предметов и тел практически всегда становятся причиной колебаний окружающей среды. Не важно, вода это или воздух. В процессе этого частицы среды, которой передаются колебания тела, также начинают колебаться. Возникают звуковые волны. Причем движения осуществляются в направлениях вперед и назад, поступательно сменяя друг друга. Поэтому звуковая волна является продольной. Никогда в ней не возникает поперечного движения вверх и вниз.

Характеристики звуковых волн

Как и любое физическое явление, они имеют свои величины, при помощи которых можно описать свойства. Основные характеристики звуковой волны - это ее частота и амплитуда. Первая величина показывает, какое количество волн образуется за секунду. Вторая определяет силу волны. Низкочастотные звуки имеют низкие показатели частоты, и наоборот. Частота звука измеряется в Герцах, и если она превышает 20 000 Гц, то возникает ультразвук. Примеров низкочастотных и высокочастотных звуков в природе и окружающем человека мире достаточно. Щебетание соловья, раскаты грома, грохот горной реки и другие - это все разные звуковые частоты. Значение амплитуды волны напрямую зависит от того, насколько звук громок. Громкость же, в свою очередь, уменьшается по мере удаления от источника звука. Соответственно, и амплитуда тем меньше, чем дальше от эпицентра находится волна. Другими словами, амплитуда звуковой волны уменьшается при удалении от источника звука.

Скорость звука

Этот показатель звуковой волны находится в прямой зависимости от характера среды, в которой она распространяется. Значимую роль здесь играют и влажность, и температура воздуха. В средних погодных условиях скорость звука составляет приблизительно 340 метров в секунду. В физике существует такое понятие, как сверхзвуковая скорость, которая всегда по значению больше, чем скорость звука. С такой скоростью распространяются звуковые волны при движении самолета. Самолет движется со сверхзвуковой скоростью и даже обгоняет звуковые волны, создаваемые им. Вследствие давления, постепенно увеличивающегося позади самолета, образуется ударная звуковая волна. Интересна и мало кому известна единица измерения такой скорости. Называется она Мах. 1 Мах равен скорости звука. Если волна движется со скоростью 2 Маха, значит, она распространяется в два раза быстрее, чем скорость звука.

Шумы

В повседневной жизни человека присутствуют постоянные шумы. Измеряется уровень шума в децибелах. Движение автомобилей, ветер, шелест листвы, переплетение голосов людей и другие звуковые шумы являются нашими спутниками ежедневно. Но к таким шумам слуховой анализатор человека имеет возможность привыкать. Однако существуют и такие явления, с которыми даже приспособительные способности человеческого уха не могут справиться. Например, шум, превышающий 120 дБ, способен вызвать ощущение боли. Самое громкое животное - синий кит. Когда он издает звуки, его можно услышать на расстоянии более 800 километров.

Эхо

Как возникает эхо? Здесь все очень просто. Звуковая волна имеет способность отражаться от разных поверхностей: от воды, от скалы, от стен в пустом помещении. Эта волна возвращается к нам, поэтому мы слышим вторичный звук. Он не такой четкий, как первоначальный, поскольку некоторая энергия звуковой волны рассеивается при движении до преграды.

Эхолокация

Отражение звука используется в различных практических целях. Например, эхолокация. Она основана на том, что с помощью ультразвуковых волн можно определить расстояние до объекта, от которого эти волны отражаются. Расчеты осуществляются при измерении времени, за которое ульразвук доберется до места и вернется обратно. Способностью к эхолокации обладают многие животные. Например, летучие мыши, дельфины используют ее для поиска пищи. Другое применение эхолокация нашла в медицине. При исследованиях с помощью ультразвука образуется картинка внутренних органов человека. В основе такого метода находится то, что ультразвук, попадая в отличную от воздуха среду, возвращается обратно, формируя таким образом изображение.

Звуковые волны в музыке

Почему музыкальные инструменты издают те или иные звуки? Гитарные переборы, наигрыши пианино, низкие тона барабанов и труб, очаровывающий тонкий голосок флейты. Все эти и многие другие звуки возникают по причине колебаний воздуха или, другими словами, из-за появления звуковых волн. Но почему звучание музыкальных инструментов настолько разнообразное? Оказывается, это зависит от некоторых факторов. Первое - это форма инструмента, второе - материал, из которого он изготовлен.

Рассмотрим это на примере струнных инструментов. Они становятся источником звука, когда на струны воздействуют касанием. Вследствие этого они начинают производить колебания и посылать в окружающую среду разные звуки. Низкий звук какого-либо струнного инструмента обусловлен большей толщиной и длиной струны, а также слабостью ее натяжения. И наоборот, чем сильнее натянута струна, чем она тоньше и короче, тем более высокий звук получается в результате игры.

Действие микрофона

Оно основано на преобразовании энергии звуковой волны в электрическую. В прямой зависимости при этом находятся сила тока и характер звука. Внутри любого микрофона расположена тонкая пластина, выполненная из металла. При воздействии звуком она начинает совершать колебательные движения. Спираль, с которой соединена пластинка, также вибрирует, в результате чего возникает электрический ток. Почему он появляется? Это связано с тем, что в микрофоне также встроены магниты. При колебаниях спирали между его полюсами и образуется электрический ток, который идет по спирали и далее - на звуковую колонку (громкоговоритель) или к технике для записи на информационный носитель (на кассету, диск, компьютер). Кстати, аналогичное строение имеет микрофон в телефоне. Но как действуют микрофоны на стационарном и мобильном телефоне? Начальная фаза одинакова для них - звук человеческого голоса передает свои колебания на пластинку микрофона, далее все по описанному выше сценарию: спираль, которая при движении замыкает два полюса, создается ток. А что дальше? Со стационарным телефоном все более-менее понятно - как и в микрофоне, звук, преобразованный в электрический ток, бежит по проводам. А как же обстоит дело с сотовым телефоном или, например, с рацией? В этих случаях звук превращается в энергию радиоволн и попадает на спутник. Вот и все.

Явление резонанса

Иногда создаются такие условия, когда амплитуда колебаний физического тела резко возрастает. Это происходит вследствие сближения значений частоты вынужденных колебаний и собственной частоты колебаний предмета (тела). Резонанс может приносить как пользу, так и вред. Например, чтобы вызволить машину из ямки, ее заводят и толкают взад-вперед для того, чтобы вызвать резонанс и придать автомобилю инерцию. Но бывали и случаи негативного последствия резонанса. К примеру, в Петербурге приблизительно сто лет назад рухнул мост под синхронно шагающими солдатами.

ГБОУНОШ № 000

Колпинского района

Санкт-Петербурга

Творческий проект по музыке

Тема: Создание музыкального инструмента

«Шум дождя» в русских традициях

Ещё один инструмент, пользующийся популярностью у ценителей экзотики, – джембе, западноафриканский барабан в форме кубка с открытым низом и широким верхом, обтянутым мембраной из козьей кожи. Считается, что джембе обладает тремя духами: дерева, животного и мастера. Вообще, с точки зрения физики, основа музыкального инструмента – резонатор (столб воздуха, струна, колебательный контур или что-то другое, способное запасать энергию в виде колебаний). Так инструмент может передавать самые разнообразные тончайшие вибрации, в том числе и эмоциональные. Именно поэтому говорят, что в инструменте живёт душа дерева (природы), мастера и музыканта. Запасённую положительную энергию инструмент при звучании способен отдавать окружающему миру. Сейчас джембе – один из самых популярных необычных сувениров, использующихся при оформлении интерьера в этническом стиле.

У японцев широко распространено музыкальное приспособление суйкинкуцу («пещера водяного кото»). Оно устанавливается обычно рядом с рукомойником в садах, где проходит традиционное чаепитие. Когда гости моют руки, из-под земли возникают мелодичные звуки, которые доставляют наслаждение и успокаивают, настраивая на философский лад. Секрет – в зарытом в землю и наполненном разными камешками перевёрнутом кувшине: приспособление так тонко настроено, что резонанс от попадающей на днище воды напоминает звон колокольчиков.

Ну и, конечно, нельзя не вспомнить ставшие уже привычными для нас оригинальные сувениры – музыкальные подвески (ветерок, музыка ветра), появившиеся в роли ударных музыкальных инструментов. Это связка мелких предметов, создающих перезвон при дуновении ветра. При их изготовлении используются твёрдые звонкие материалы: стекло, пластик, дерево, металл, камешки, ракушки. Звук также зависит от длины и ширины элементов. В фэн-шуй (в переводе «ветер-вода») есть целая система подбора нужного звучания для подвески. Ветерок – не только эффектный элемент декора, но и эффективное антистрессовое средство.

Современному человеку трудно оставаться в гармонии с природой, поэтому не иссякает его интерес к этнической древности. Размещение в современном интерьере эзотерических музыкальных инструментов – это возможность создать звуковые вибрации, благотворно влияющие на душу и тело, успокаивающие, подавляющие агрессию, проясняющие разум (древние не просто так считали, что звук трещотки прогоняет злых духов – он избавляет человека от злых мыслей).

Происхождение музыкального инструмента «Шум дождя» в различных литературных и Интернет-источниках трактуется по разному. Наиболее часто авторы упоминают Перу и Чили.

Палка дождя, дождевая палка, дождевая флейта, посох дождя, дерево дождя, рейнстик - всё это его названия. Нам его оставили на память древние ацтеки, с его помощью они пытались вызывать дождь в засушливую пору.

Изначально берется ствол длинного кактуса, предварительно высушенного на солнце. Иглы кактуса втыкались в ствол по спирали, а семена засыпались во внутрь. Пересыпающийся внутри ствола наполнитель издает шуршащее звучание, напоминающее шум дождя, поэтому инструмент в давние времена использовали индейцы в шаманских ритуалах.

В последствии дерево дождя продавали в Америке как сувенир, но все же звучание инструмента привлекло внимание музыкантов, и инструмент стали использовать в музыке этнического и фольклорного характера.

Играя на дереве дождя, исполнители используют несколько основных приемов игры. Чаще всего дерево дождя медленно переворачивается в вертикальной плоскости. Наполнитель при этом перемещается сквозь перегородки и издает звук похожий на шум дождя. Меняя угол наклона инструмента и скорость вращения, можно менять характер звучания, можно дерево дождя вращать только вокруг оси, можно просто встряхивать, как шейкер, и создавать ритм мелодии.

2. ЧАСТЬ

Прошли века, но технология, по которой изготавливается дерево дождя, не изменилась, правда для изготовления инструмента в ход пошли разнообразные материалы. Теперь встречается корпус, изготовленный из дерева, пластика, картона. В качестве перегородок также используют подходящие иглообразные предметы такие, как зубочистки или гвозди. В качестве наполнителя подходят не только семена кактуса, но и зерна, бисер, камешки и другие мелкие предметы, что значительно разнообразило звучание инструмента. Каждое дерево дождя звучит индивидуально, поскольку звучание находится в зависимости: какова длина корпуса, его диаметр, частота перегородок и крутизна спирали, по которой они размещены, каков объём сыпучего наполнителя и его материал.

Я живу в России, и для моего музыкального инструмента не подойдет технология изготовления из кактуса или бамбука. Также, я считаю, что украшать такой инструмент нужно символами и знаками русского происхождения. Например, очень интересной мезенской росписью, которая символична и несет в себе зашифрованный смысл о природных явлениях и мироустройстве. Вот, что мне удалось узнать:

Мезенская роспись - одна из наиболее древних русских художественных промыслов. Ею народные художники украшали большинство предметов быта, которые сопровождали человека от рождения и до глубокой старости, принося в жизнь радость и красоту. Она занимала большое место в оформлении фасадов и интерьеров изб. Как и большинство других народных промыслов, свое название эта роспись получила от местности, в которой зародилась. Река Мезень находится в Архангельской области , между двумя самыми крупными реками Северной Европы, Северной Двиной и Печорой, на границе тайги и тундры.

https://pandia.ru/text/78/108/images/image006_8.jpg" alt="Мезенская роспись. Символика узора. Элементы орнамента" width="263" height="500">

Земля. Прямая линия может означать и небесную, и земную твердь, но пусть вас не смущает эта двузначность. По расположению в композиции (верх - низ) вы всегда сможете правильно определить их значение. Во многих мифах о создании мира первый человек был сотворен из праха земного, грязи, глины. Материнство и защита, символ плодородия и хлеба насущного - вот что такое земля для человека. Графически земля часто изображается квадратом.

Вода. Не менее интересно небесное оформление. Небесные воды хранятся в нависших облаках или проливаются на землю косыми дождями, причем дожди могут быть с ветром, с градом. Орнаменты в косой полосе более всего отражают такие картины природных явлений.

Волнистые линии водной стихии во множестве присутствуют в мезенских орнаментах. Они непременно сопровождают все прямые линии орнаментов, а также являются постоянными атрибутами водоплавающих птиц.

Ветер, воздух. Многочисленные короткие штрихи во множестве разбросанные в мезенской росписи по орнаментам или рядом с главными персонажами - скорее всего означают воздух, ветер - один из первоэлементов природы. Поэтический образ ожившего духа, чье воздействие можно увидеть и услышать, но который сам остается невидимым. Ветер, воздух и дыхание тесно связаны в мистическом символизме. Бытие начинается с Духа Божия. Он как ветер носился над бездной прежде сотворения мира.

Кроме духовного аспекта этого символа, конкретные ветры часто трактуются как неистовые и непредсказуемые силы. Считалось, что демоны летают на яростных ветрах, несущих зло и болезни. Как и любая другая стихия, ветер может нести разрушение, но он также необходим людям как могучая творческая сила. Недаром мезенские мастера любят изображать обузданные стихии. Штрихи ветра у них часто “нанизаны” на скрещенные прямые линии, что очень походит на ветряную мельницу (“Пойманный ветер”, - говорят дети).

Огонь. Божественная энергия, очищение, откровение, преображение, вдохновение, честолюбие, искушение, страсть, - сильный и активный элемент, символизирующий как созидательные, так и разрушительные силы. Древние считали огонь живым существом, которое питается, растет, умирает, а затем вновь рождается - признаки, позволяющие предположить, что огонь - земное воплощение солнца, поэтому он во многом разделил солнечную символику. В изобразительном плане все, что стремится к кругу, напоминает нам солнце, огонь. Как полагает академик Б. Рыбаков, мотив спирали возник в мифологии земледельческих племен как символическое движение солнечного светила по небесному своду. В мезенской росписи спирали разбросаны повсюду: они заключены в рамки многочисленных орнаментов и в изобилии вьются вокруг небесных коней и оленей.

Спираль сама по себе несет и другие символические значения. Спиральные формы встречаются в природе очень часто, начиная от галактик и до водоворотов и смерчей, от раковин моллюсков и до рисунков на человеческих пальцах. В искусстве спираль - один из самых распространенных декоративных узоров. Многозначность символов в спиральных узорах велика, а применение их скорее непроизвольное, чем осознанное. Сжатая спиральная пружина - символ скрытой силы, клубок энергии. Спираль, сочетающая в себе форму круга и импульс движения, также является символом времени, циклических ритмов сезонов года. Двойные спирали символизируют равновесие противоположностей, гармонию (как даосский знак “инь-ян”). Противоположные силы, наглядно присутствующие в водоворотах, смерчах и языках пламени, напоминают о восходящей, нисходящей или вращающейся энергии (“коловорот”), которая управляет Космосом. Восходящая спираль - мужской знак, нисходящая - женский, что делает двойную спираль еще и символом плодовитости и деторождения.

Интересны и красивы древние знаки плодородия - символы изобилия.

Где их только не помещали, и везде они были к месту! Если жиковину (накладку на замочную скважину) такой формы повесить на двери амбара - это значит пожелать, чтобы он был полон добра. Если изобразить знак изобилия на дне ложки, значит, пожелать чтобы голода никогда не было. Если на подоле свадебных рубах - пожелать молодым большой полной семьи. Знак плодородия можно встретить на древних культовых статуэтках, изображающих молодых беременных женщин, который помещался там, где находится ребенок у будущей матери. Почти все мезенские орнаменты так или иначе связаны с темой плодородия, изобилия. Во множестве и разнообразии изображены в них распаханные поля, семена, корни, цветки, плоды. Орнамент может строиться в два ряда и тогда элементы в нем располагаются в шахматном порядке. Важным символом был ромб, наделенный множеством значений. Чаще всего ромб являлся символом плодородия, возрождения жизни, а цепочка из ромбов означала родовое древо жизни. На одной из мезенских прялок удалось рассмотреть полу стертое изображение именно такого уникального древа.

Практическая часть

Начало формы

Изготовление музыкального инструмента « Шум дождя»

disc"> высохший ствол борщевика с полым стволом длиной не менее 50 см и диаметром от 3 см. зубочистки крупы (греча, горох, пшено) плотная бумага тесьма или толстые нитки ножницы, кисти гуашь мебельный лак

План работы:

1. На некотором расстоянии от края ствола проткните его стенку зубочисткой.

2. Воткните зубочистку до упора в противоположную стенку, на небольшом расстоянии и чуть ниже воткните следующую. Они должны располагаться по спирали вдоль столба.

3. Срезаем ножницами выступающие концы зубочисток.

4. Спираль должна пройти вдоль всего столба: тогда внутри него образуется преграда, наподобие винтовой лестницы.

5. Закройте один из концов плотной бумагой и закрепите ее тесьмой или нитками.

6. Засыпьте в ствол немного крупы и, закрыв рукой не заклеенный конец, проверьте, какой получается звук. Мелкие зерна (пшено) дадут сплошной звук. Крупные (греча, горох) - более отрывистый.

7. Когда подберете звук, закройте второй конец плотной бумагой.

8. Окрасьте ствол борщевика красной гуашью, дайте высохнуть.

9. Нанесите символичные узоры дождя и солнца из мезенской росписи черной гуашью.

10. Покройте получившееся изделие мебельным прозрачным лаком, дайте высохнуть.

11. Музыкальный инструмент «Шум дождя» готов, наслаждайтесь.

Тезаурус

Ацте́ки (асте́ки ) (самоназв. mēxihcah ) - индейская народность в центральной Мексике. Численность свыше 1,5 млн. человек. Цивилизация ацтеков (XIV-XVI века) обладала богатой мифологией и культурным наследием. Столицей империи ацтеков был город Теночтитлан, расположенный на озере Тескоко (Тешкоко) (исп. Texcoco ), там, где сейчас располагается город Мехико.

Шама́н - согласно религиозным верованиям, человек, наделённый особыми способностями общаться с духами и сверхъестественными силами, входя в экстатическое состояние, а также излечивать болезни.

Транс (от фр. transir - оцепенеть) - ряд изменённых состояний сознания (ИСС), а также функциональное состояние психики, связывающее и опосредующее сознательное и бессознательное психическое функционирование человека, в котором, согласно некоторым когнитивистки-ориентированным трактовкам, изменяется степень сознательного участия в обработке информации .

Транс (англ. trance ) - это стиль электронной танцевальной музыки, который развился в 1990-е годы. Отличительными чертами стиля являются: темп от 128 до 145 ударов в минуту, наличие повторяющихся мелодий, фраз и музыкальных форм.

Вероятно, стиль произошел от слияния техно, хауса, и эмбиента. Транс получил такое название из-за повторяющегося, плавно изменяющегося баса и ритмичных мелодий, которые погружают слушателя в трансоподобное состояние. Так как большей частью транс исполняется в клубах, его можно считать формой клубной музыки. Однако, транс слишком разносторонний, разнообразный стиль музыки. Он может быть также не электронным, то есть исполненным исключительно настоящими, реальными инструментами, в реальном времени.

Мама находила для меня информацию в этих книгах.

 Введение в этническую психологию: - Санкт-Петербург, ЛКИ, 2010 г.- 160 с.

 История отечественной и мировой психологической мысли. Ценить прошлое, любить настоящее, верить в будущее: Редакторы, - Москва, Институт психологии РАН, 2010 г.- 784 с.

 Основы этнической психологии: - Москва, Речь, 2003 г.- 464 с.

 Популярная этнопсихология: -Кузничная - Москва, Харвест, 2004 г.- 384 с.