И физика может быть музыкальной…
Кто из нас не любит слушать музыку? Думаю, мало людей ответят на этот вопрос отрицательно. За время своего существования человечество открыло множество самых разных жанров, поэтому каждый точно может найти себе что-то по вкусу. Но и ценителей классических произведений, и любителей хард-рока или рэпа объединяет одно: выбранная музыка одинаково привлекает их всех. В чем же ее секрет? Ответ на этот вопрос попытаемся найти, изучив основы звука.
Это база
Итак, начнем с основных определений. Любая музыка складывается из звуков. А если точнее, мы слышим ее из-за наличия звуковых волн в пространстве. Вспомним физику: звуковая волна — это колебания молекул, вызванные каким-то источником. К примеру, при игре на гитаре мы оттягиваем струну и затем отпускаем. В результате с одной стороны от струны воздух становится сжатым, а с другой — разреженным. Из-за упругости воздуха колебания хорошо распространяются, и возникает звуковая волна. Нужно отметить, что она появляется именно благодаря молекулам, которые передают друг другу возбуждение от источника, и поэтому в вакууме ее не существует.
Снова вспомним физику. Описать звуковую волну можно при помощи двух характеристик: амплитуды и частоты. Первая из них показывает максимальное отклонение волны от положения равновесия. Амплитуда отвечает за громкость звука. Чем сильнее отклонится волна, тем громче будет звук. Частота позволяет понять, сколько колебаний совершает волна за промежуток времени. Она связана с высотой звука. Так, комар, в среднем, машет крыльями 500–600 раз в секунду, то есть с частотой 500–600 герц. Из-за этого звук его жужжания кажется нам довольно высоким. Звук с меньшей частотой будет более низким.
Иллюстратор: Полина Мелинти
Синусоида и гармоники
Основной формой звуковой волны считается синусоида. Но в идеальном виде она в музыке почти не встречается. Авторы и исполнители композиций используют более сложные звуки. Если посмотреть на спектр звукового сигнала какой-нибудь песни, то вместо ровной синусоиды вы, скорее всего, увидите нечто, больше напоминающее, по выражению Павла Воли, «кардиограмму мышки перед смертью». Те шероховатости и шумы, которые видны на верху графика, называются гармониками. Их частота всегда выше основного тона мелодии. Зачем же они нужны? Разве не проще было бы испускать звуковой сигнал идеальной формы? Дело в том, что гармоники делают звук ярче, без них он будет глухим и не таким приятным. Если поближе рассмотреть гармоники, то можно заметить, что они представлены в форме синусоид, только с разной амплитудой и частотой. А это означает, что любой, даже самый сложный звук можно разложить в ряд меньших синусоид.
А что будет, если изменить форму сигнала? Тогда, разумеется, изменится и сам звук. Этим часто пользуются в таких жанрах, как хард-рок и хэви-метал. На вход в усилитель подают звуковой сигнал с амплитудой больше, чем может выдержать выходной каскад. Из-за этого часть звуковой волны обрезается и ее форма становится более угловатой. Такой способ изменения звука называется перегрузом.
Есть такая кривая…
Задумывались ли вы когда-нибудь о том, с какой частотой звучат клавиши фортепиано или струны гитары? А ведь она не случайна. Так, частоты двух соседних нот соотносятся как 2 в степени 1/12 и в целом изменяются с определенной закономерностью. Если изобразить их на графике, то получится плавно возрастающая кривая. При этом наименьшая частота ноты, например, для фортепиано, будет равна примерно 27 герц, а наибольшая — около 4000 герц. Интересно, что, поменяв форму этой кривой, нельзя получить гармоничное звучание. Значения частот на графике и соотношения между ними считаются эталонными и являются частью так называемого равномерно темперированного строя.
Люди стали определять значения частот, идеальных для того, чтобы музыкальные произведения можно было исполнять в разных тональностях без фальши, довольно давно. Еще Пифагор открыл нужные для гармоничного звучания соотношения частот (эти соотношения еще называют интервалами): 1/2, 2/3 и т.д. По легенде, он однажды услышал, как в кузнице удивительно созвучно бьют молотки. Заинтересованный Пифагор попросил продать ему инструменты. Когда же он пришел домой и измерил массы, то обнаружил, что они соотносились как целые числа.
Везде ли одинаковый строй?
В мае этого года появилась новость о том, что японские ученые смогли визуализировать звуковые волны, испускаемые музыкальным треугольником. Они обнаружили несколько интересных особенностей этого инструмента. В частности, было установлено, что в треугольнике возникают стоячие звуковые волны, то есть волны с одинаковыми частотой и амплитудой, которые накладываются друг на друга и вызывают резонанс. Специалисты также пытались найти взаимосвязь между формой инструмента и его звучанием.
Источник: freepik.com
Почему-то сразу вспоминается японская традиционная музыка, которую непривычно слушать неподготовленному европейскому человеку. И дело тут не только в различии культур. В Японии традиционная музыка не вполне подчиняется равномерно темперированному строю. Согласно ему, октава делится на 12 равных интервалов. Это число было найдено с помощью математических вычислений. В островной стране октава содержит всего 5 неодинаковых интервалов. Считается, что такое распределение напоминает ритм человеческого дыхания. В тему можно вспомнить и индийскую музыку, в которой октава делится вообще на 22 промежутка. При создании этой системы музыканты ориентировались на самый маленький интервал, который может различить человек.
Однако несмотря на некоторые различия в строении, национальная музыка разных стран, даже самая экзотическая, все равно звучит гармонично, так как использует одни и те же частоты.
Фото на обложке: freepik.com
