Garmoniya-nauk

1.

Физика и музыка
Гармония наук
Индивидуальный проект · Николаев Кирилл

2.

Что объединяет науку и
искусство?
На первый взгляд физика и музыка — противоположности: строгая
наука и чистое искусство. Однако цель этого проекта — доказать
их фундаментальную взаимосвязь.
Физика
Музыка
Объективные законы
Художественные образы,
природы, математика волн,
эмоции, эстетика созвучий
измеримые параметры
Единство
Каждый звук рождается и воспринимается по строгим
физическим законам

3.

Звук как физическое явление
Что такое звук?
Звук — механическая продольная волна,
распространяющаяся в упругой среде в виде
чередующихся областей сжатия и
разрежения. Источником всегда служит
колеблющееся тело.
В вакууме звук распространяться не
может — нужна материальная среда.
Скорость в воздухе
Скорость в воде
Скорость в стали
~343 м/с
~1480 м/с
5000–6000 м/с

4.

Физика музыкальных параметров
Каждому субъективному музыкальному понятию соответствует точный физический параметр волнового процесса.
Высота звука
Громкость
Тембр
Частота колебаний в Герцах.
Амплитуда колебаний в децибелах.
Спектральный состав волны: смесь
Эталонная нота «Ля» первой октавы
Определяет силу звукового
основного тона и кратных
— 440 Гц. Чем выше частота — тем
давления волны на барабанную
обертонов. Именно их соотношение
выше воспринимаемый тон.
перепонку.
отличает гитару от флейты.

5.

Принципы работы музыкальных инструментов
Физика полностью объясняет конструкцию всех музыкальных инструментов — от скрипки до барабана.
Струнные
Духовые
Ударные
Высота тона регулируется
Звук создаёт колеблющийся столб
Колебания упругих мембран или
изменением длины струны и силы
воздуха внутри трубки. Музыкант
жёстких тел. Геометрия задаёт
натяжения (формула Мерсенна).
меняет его длину клапанами,
спектр частот — от ксилофона до
Дека усиливает звук через резонанс.
изменяя частоту стоячей волны.
тарелок.

6.

Гармония, диссонанс и акустический резонанс
Консонанс и интервалы
Гармоничные интервалы возникают при простых соотношениях
частот: октава (2:1), квинта (3:2), кварта (4:3). Сложные соотношения
создают диссонанс — физическую основу музыкального
напряжения.
Акустический резонанс
Резкое возрастание амплитуды при совпадении внешней частоты с
собственной частотой системы. Тонкая струна звучит слабо — полый
корпус гитары резонирует, создавая мощное, глубокое звучание.

7.

Электронная музыка и
технологии
В современную эпоху физика электродинамики и полупроводников
полностью изменила музыку.
Микрофон
Электромагнитная индукция или изменение ёмкости
конденсатора преобразуют звук в электрический ток
Обработка
Цифровая дискретизация и квантование аналогового сигнала
позволяют сохранять и обрабатывать аудио
Динамик
Сила Ампера превращает ток обратно в акустическую волну —
обратный процесс микрофону

8.

Биофизика человеческого слуха
Человеческое ухо — сложнейший физический прибор, воспринимающий частоты от 20 до 20 000 Гц. Восприятие звука — цепочка точных
физических трансформаций.
Барабанная
перепонка
Звуковая волна
вызывает
вибрацию
Слуховые
косточки
Усиление
давления 20–25×
как рычаг
Улитка и
базилярная
мембрана
Резонанс по
частотам →
электрические
импульсы
Волокна базилярной мембраны в улитке резонируют на разные частоты — это физический механизм, позволяющий мозгу различать высоту
тона и тембр.

9.

Музыкальная физика в повседневной жизни
Акустика помещений
Реверберация — постепенное затухание
звука за счёт многократных отражений от
стен. Время реверберации определяет
«живость» зала: от 0,5 с в студии до 2+ с в
соборе.
От залов до наушников
Знание физики звука позволяет инженерам
проектировать концертные залы, создавать
системы шумоподавления и разрабатывать
алгоритмы сжатия аудио (MP3, AAC).
Концертные залы
Наушники
Расчёт реверберации и отражений
Активное шумоподавление

10.

Заключение: Единство мира
Музыка не противоречит физике — она целиком на ней базируется.
За каждым художественным образом и прекрасным созвучием
стоят строгие, объективные и гармоничные законы природы.
Ключевой вывод
Гипотеза доказана
Понимание физики углубляет
Физика и музыка — не
восприятие музыки и
противоположности, а единая
открывает путь к новым
система описания звуковой
технологиям
реальности
Готов к вопросам
Проект охватывает природу звука, инструменты, акустику,
электронику и биофизику слуха