Музыкальная акустика
Применение акустики в музыке

Музыкальная акустика или музыкальная акустика — это междисциплинарная область, которая объединяет знания из физики , [1] [2] [3] психофизики , [4] органологии [5] (классификация инструментов), физиологии , [6] теории музыки , [7] этномузыкологии , [8] обработки сигналов и создания инструментов, [9] среди других дисциплин. Как раздел акустики , она занимается исследованием и описанием физики музыки — как звуки используются для создания музыки. Примерами областей изучения являются функции музыкальных инструментов , человеческий голос (физика речи и пения ), компьютерный анализ мелодии и клиническое использование музыки в музыкальной терапии .

Пионером музыкальной акустики был Герман фон Гельмгольц , немецкий полимат 19 века, который был влиятельным врачом , физиком , физиологом, музыкантом, математиком и философом. Его книга «Ощущения тона как физиологическая основа теории музыки» [7] представляет собой революционный сборник нескольких исследований и подходов, которые предоставили совершенно новую перспективу для теории музыки , музыкального исполнения, музыкальной психологии и физического поведения музыкальных инструментов.

Методы и области изучения

Физические аспекты

Звуковая спектрография инфразвуковой записи 30301
Спектрограмма скрипки, играющей ноту, а затем чистую квинту над ней. Общие обертоны выделены белыми черточками.

Всякий раз, когда одновременно воспроизводятся два разных тона, их звуковые волны взаимодействуют друг с другом — высокие и низкие значения давления воздуха усиливают друг друга, создавая другую звуковую волну. Любая повторяющаяся звуковая волна, которая не является синусоидальной волной, может быть смоделирована множеством различных синусоидальных волн соответствующих частот и амплитуд ( частотный спектр ). У людей слуховой аппарат (состоящий из ушей и мозга ) обычно может изолировать эти тона и слышать их отчетливо. Когда одновременно воспроизводятся два или более тона, изменение давления воздуха в ухе «содержит» высоты каждого из них, а ухо и/или мозг изолируют и декодируют их в отдельные тона.

Когда исходные источники звука идеально периодические, нота состоит из нескольких связанных синусоидальных волн (которые математически складываются друг с другом), называемых основной и гармониками , парциалами или обертонами . Звуки имеют спектры гармонических частот . Самая низкая присутствующая частота является основной и является частотой, на которой вибрирует вся волна. Обертоны вибрируют быстрее основной, но должны вибрировать с целыми кратными основной частоты, чтобы общая волна была точно такой же в каждом цикле. Реальные инструменты близки к периодическим, но частоты обертонов немного несовершенны, поэтому форма волны немного меняется со временем. [ необходима цитата ]

Субъективные аспекты

Изменения давления воздуха на барабанную перепонку и последующая физическая и неврологическая обработка и интерпретация приводят к субъективному опыту, называемому звуком . Большинство звуков, которые люди распознают как музыкальные, определяются периодическими или регулярными колебаниями, а не непериодическими; то есть музыкальные звуки обычно имеют определенную высоту тона . Передача этих изменений по воздуху осуществляется посредством звуковой волны . В очень простом случае звук синусоиды , который считается самой базовой моделью звуковой волны, заставляет давление воздуха увеличиваться и уменьшаться регулярным образом и воспринимается как очень чистый тон. Чистые тоны можно получить с помощью камертонов или свиста . Скорость, с которой колеблется давление воздуха, — это частота тона, которая измеряется в колебаниях в секунду и называется герц . Частота является основным фактором, определяющим воспринимаемую высоту тона . Частота музыкальных инструментов может меняться с высотой из-за изменений давления воздуха.

Диапазоны высоты тона музыкальных инструментов

:Eighth octave CMiddle C:Eighth octave CMiddle Cgongstruck idiophonetubular bellsstruck idiophonecrotalesglockenspielvibraphonecelestametallophonesxylophonemarimbaxylophonesidiophonestimpanimembranophonespiccolo trumpettrumpetcornetbass trumpettrumpetswagner tubawagner tubaflugelhornalto hornbaritone hornFrench hornhorn (instrument)cimbassotypes of trombonetypes of trombonesoprano trombonealto trombonetenor trombonebass trombonecontrabass trombonetromboneseuphoniumbass tubacontrabass tubasubcontrabass tubatubabrass instrumentsOrgan (music)garklein recordersopranino recordersoprano recorderalto recordertenor recorderbass recordergreat bass recordercontrabass recordersub-great bass recordersub-contrabass recorderRecorder (musical instrument)fipplepiccoloconcert flutealto flutebass flutecontra-alto flutecontrabass flutesubcontrabass flutedouble contrabass flutehyperbass flutewestern concert flute familyside-blown fluteflutesharmonicaharmonicaaccordionharmoniumfree reedsopranissimo saxophonesopranino saxophonesoprano saxophonealto saxophonetenor saxophonebaritone saxophonebass saxophonecontrabass saxophonesubcontrabass saxophonesaxophone familysopranino clarinetsoprano clarinetalto clarinetbass clarinetcontra-alto clarinetcontrabass clarinetoctocontra-alto clarinetoctocontrabass clarinetclarinet familysingle reedoboeoboe d'amorecor anglaisheckelphoneoboesbassooncontrabassoonbassoonsexposeddouble reedwoodwind instrumentsaerophonescymbalumhammered dulcimerpianozitherukulele5-string banjomandolinguitarbaritone guitarbass guitarharpsichordharpPlucked string instrumentviolinviolacellodouble bassoctobassviolin familyBowed string instrumentchordophonessopranomezzo-sopranoaltotenorbaritonebass (voice type)Vocal range

* Эта диаграмма отображает только диапазон до C 0 , хотя некоторые духовые органы, такие как Boardwalk Hall Auditorium Organ , простираются до C −1 (на октаву ниже C 0 ). Кроме того, основная частота субконтрабасовой тубы — B ♭ −1 .


Гармоники, обертоны и обертоны

Шкала гармоник

Основная частота — это частота, на которой вибрирует вся волна. Обертоны — это другие синусоидальные компоненты, присутствующие на частотах выше основной. Все частотные компоненты, составляющие общую форму волны, включая основную и обертоны, называются парциальными . Вместе они образуют гармонический ряд .

Обертоны, которые являются совершенными целыми кратными основного тона, называются гармониками . Когда обертон близок к гармоническому, но не точен, его иногда называют гармоническим частичным, хотя их часто называют просто гармониками. Иногда создаются обертоны, которые и близко не близки к гармоническому, и их просто называют частичными или негармоническими обертонами.

Основная частота считается первой гармоникой и первой парциальной. Нумерация парциалов и гармоник обычно одинакова; вторая парциальная частота — вторая гармоника и т. д. Но если есть негармонические парциалы, нумерация больше не совпадает. Обертоны нумеруются по мере их появления над основной частотой. Поэтому, строго говоря, первый обертон — это вторая парциальная частота (и обычно вторая гармоника). Поскольку это может привести к путанице, только гармоники обычно обозначаются по их номерам, а обертоны и парциалы описываются по их отношениям к этим гармоникам.

Гармоники и нелинейности

Симметричная и асимметричная форма волны. Красная (верхняя) волна содержит только основные и нечетные гармоники; зеленая (нижняя) волна содержит основные и четные гармоники.

Когда периодическая волна состоит из фундаментальной и только нечетных гармоник ( f , 3  f , 5  f , 7  f , ...), суммированная волна является полуволново- симметричной ; она может быть инвертирована и сдвинута по фазе и быть точно такой же. Если волна имеет какие-либо четные гармоники ( 2  f , 4  f , 6  f , ...), она асимметрична ; верхняя половина построенной волновой формы не является зеркальным отображением нижней.

Наоборот, система, которая изменяет форму волны (помимо простого масштабирования или сдвига), создает дополнительные гармоники ( гармонические искажения ). Это называется нелинейной системой . Если она влияет на волну симметрично, то все производимые гармоники нечетные. Если она влияет на гармоники асимметрично, то создается по крайней мере одна четная гармоника (и, вероятно, также нечетные гармоники).

Гармония

Если одновременно воспроизводятся две ноты с частотными соотношениями , представляющими собой простые дроби (например, ⁠  2 / 1 ⁠ , ⁠ 3/ 2 ⁠ , или ⁠ 5/ 4 ⁠ ), составная волна все еще периодична, с коротким периодом – и комбинация звучит консонансно . Например, нота, вибрирующая на частоте 200  Гц , и нота, вибрирующая на частоте 300 Гц ( чистая квинта , или ⁠ 3/ 2 ⁠ отношение,выше 200 Гц) складываются вместе, чтобы создать волну, которая повторяется с частотой 100 Гц: Каждый ⁠ 1/ 100 ⁠ секунды, волна 300 Гц повторяется три раза, а волна 200 Гц повторяется дважды. Обратите внимание, что объединенная волна повторяется с частотой 100 Гц, хотя нет фактического синусоидального компонента 100 Гц, вносимого отдельным источником звука.

Кроме того, две ноты акустических инструментов будут иметь обертонные обертоны, которые будут включать много тех, которые разделяют одну и ту же частоту. Например, нота с частотой ее основной гармоники 200  Гц может иметь гармонические обертоны на: 400, 600, 800, 1 000 , 1 200 , 1 400 , 1 600 , 1 800 , ...  Гц . Нота с основной частотой 300 Гц может иметь обертоны на: 600, 900, 1 200 , 1 500 , 1 800 , ...  Гц . Две ноты разделяют гармоники на 600, 1 200 , 1 800 Гц и более, которые совпадают друг с другом, далее в каждой серии.

Хотя механизм человеческого слуха, который это делает, до сих пор не до конца понятен, практические музыкальные наблюдения на протяжении почти 2000 лет [ 10 ] Сочетание составных волн с короткими основными частотами и общими или тесно связанными парциалами вызывает ощущение гармонии: Когда две частоты близки к простой дроби, но не точны, составная волна циклически повторяется достаточно медленно, чтобы услышать погашение волн как устойчивую пульсацию вместо тона. Это называется биением и считается неприятным или диссонансным .

Частота биений рассчитывается как разница между частотами двух нот. Когда две ноты близки по высоте, они бьются достаточно медленно, чтобы человек мог измерить разницу частот на слух с помощью секундомера ; синхронизация биений — это то, как настраивались фортепиано, арфы и клавесины на сложные темперации до появления доступных измерителей настройки .

  • Для приведенного выше примера | 200 Гц − 300 Гц |  = 100 Гц.
  • В качестве другого примера из теории модуляции : комбинация 3 425 Гц  и 3 426 Гц  будет биться один раз в секунду, так как | 3 425 Гц − 3 426 Гц |  = 1 Гц.    

Разница между консонансом и диссонансом четко не определена, но чем выше частота биений, тем более вероятно, что интервал будет диссонансным. Гельмгольц предположил, что максимальный диссонанс возникнет между двумя чистыми тонами, когда частота биений составляет примерно 35 Гц. [11]

Весы

Материал музыкальной композиции обычно берется из набора тонов, известных как гамма . Поскольку большинство людей не могут адекватно определить абсолютные частоты, идентичность гаммы заключается в соотношениях частот между ее тонами (известными как интервалы ).

Диатоническая гамма появляется в письменной форме на протяжении всей истории, состоящая из семи тонов в каждой октаве . В простом интонировании диатоническая гамма может быть легко построена с использованием трех простейших интервалов в пределах октавы, чистой квинты (3/2), чистой кварты (4/3) и большой терции (5/4). Поскольку формы квинты и терции естественным образом присутствуют в обертонном ряду гармонических резонаторов, это очень простой процесс.

В следующей таблице показаны соотношения между частотами всех нот только мажорной гаммы и фиксированной частотой первой ноты гаммы.

СДЭФГАБС
19/85/44/33/25/315/82

Существуют и другие гаммы, доступные только через интонацию, например минорная гамма . Гаммы, которые не придерживаются только интонации, а вместо этого имеют свои интервалы, скорректированные для удовлетворения других потребностей, называются темперациями , из которых наиболее используемой является равномерная темперация . Темперации, хотя они и скрывают акустическую чистоту только интервалов, часто обладают желаемыми свойствами, такими как замкнутый круг квинт .

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Бенаде, Артур Х. (1990). Основы музыкальной акустики. Dover Publications. ISBN 9780486264844.
  2. ^ Флетчер, Невилл Х.; Россинг, Томас (2008-05-23). ​​Физика музыкальных инструментов. Springer Science & Business Media. ISBN 9780387983745.
  3. ^ Кэмпбелл, Мюррей; Грейтед, Клайв (1994-04-28). Руководство музыканта по акустике. OUP Oxford. ISBN 9780191591679.
  4. ^ Редерер, Хуан (2009). Физика и психофизика музыки: Введение (4-е изд.). Нью-Йорк: Springer-Verlag. ISBN 9780387094700.
  5. ^ Энрике, Луис Л. (2002). Мюзикл Acústica (на португальском языке). Фонд Галуста Гюльбенкяна. ISBN 9789723109870.
  6. ^ Уотсон, Лэнхэм, Алан HD, ML (2009). Биология музыкального исполнения и травмы, связанные с исполнением . Кембридж: Scarecrow Press. ISBN 9780810863590.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  7. ^ ab Гельмгольц, Герман Л. Ф.; Эллис, Александр Дж. (1885). Ощущения тона как физиологическая основа теории музыки Германа Л. Ф. Гельмгольца. doi : 10.1017/CBO9780511701801. hdl : 2027/mdp.39015000592603. ISBN 9781108001779. Получено 2019-11-04 . {{cite book}}: |website=проигнорировано ( помощь )
  8. ^ Картоми, Маргарет (1990). О концепциях и классификациях музыкальных инструментов. Чикаго: Издательство Чикагского университета. ISBN 9780226425498.
  9. ^ Хопкин, Барт (1996). Музыкальный инструментальный дизайн: практическая информация по инструментальному дизайну . См. Sharp Press. ISBN 978-1884365089.
  10. ^ Птолемей, Гай Клавдий . Гармоникон археоник[ Гармоники ]. год около  180 г. н.э.
  11. ^ "Грубость". music-cog.ohio-state.edu (конспекты курса). Музыка 829B. Университет штата Огайо .
  • Музыкальная акустика - звуковые файлы, анимации и иллюстрации - Университет Нового Южного Уэльса
  • Коллекция акустики - описания, фотографии и видеоклипы аппаратуры для исследования музыкальной акустики профессора Дейтона Миллера.
  • Технический комитет по музыкальной акустике (TCMU) Акустического общества Америки (ASA)
  • Библиотека исследований музыкальной акустики (MARL)
  • Группа акустики/Курсы акустики и музыкальных технологий - Эдинбургский университет
  • Группа акустических исследований - Открытый университет
  • Группа музыкальной акустики в KTH Speech, Music and Hearing
  • Физика звука клавесина
  • Визуальная музыка
  • Savart Journal — открытый онлайн-журнал о науке и технике струнных музыкальных инструментов.
  • Интерференция и консонанс от Physclips
  • Музыкальный Curso de Acústica (испанский)
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Музыкальная_акустика&oldid=1228158888"