Akustyka muzyczna - Musical acoustics

Akustyka muzyczna lub akustyka muzyczna to dziedzina multidyscyplinarna, która łączy między innymi wiedzę z fizyki , psychofizyki , organologii (klasyfikacja instrumentów), fizjologii , teorii muzyki , etnomuzykologii , przetwarzania sygnałów i budowy instrumentów. Jako gałąź akustyki zajmuje się badaniem i opisywaniem fizyki muzyki – tego, w jaki sposób dźwięki są wykorzystywane do tworzenia muzyki. Przykładami kierunków studiów są funkcja instrumentów muzycznych , głos ludzki (fizyka mowy i śpiewu ), komputerowa analiza melodii oraz kliniczne zastosowanie muzyki w muzykoterapii .

Pionierem akustyki muzycznej był Hermann von Helmholtz , niemiecki erudyta XIX wieku, który był wpływowym lekarzem , fizykiem , fizjologiem, muzykiem, matematykiem i filozofem. Jego książka On the Sensations of Tone as a Physiological Basis for the Theory of Music jest rewolucyjnym kompendium kilku badań i podejść, które zapewniły zupełnie nową perspektywę teorii muzyki , wykonawstwa muzycznego, psychologii muzyki i fizycznego zachowania instrumentów muzycznych.

Metody i kierunki studiów

Aspekty fizyczne

Spektrogram skrzypiec grających nutę, a nad nią kwintę czystą. Wspólne części są wyróżnione białymi kreskami.

Za każdym razem, gdy odtwarzane są dwie różne wysokości dźwięków w tym samym czasie, ich fale dźwiękowe oddziałują ze sobą – wzloty i dołki ciśnienia powietrza wzmacniają się nawzajem, tworząc inną falę dźwiękową. Każda powtarzająca się fala dźwiękowa, która nie jest falą sinusoidalną, może być modelowana przez wiele różnych fal sinusoidalnych o odpowiednich częstotliwościach i amplitudach ( widmo częstotliwości ). W ludziach słuchu aparaty (składa się z uszu i mózgu ) może zwykle wyizolować te dźwięki i słychać je wyraźnie. Kiedy dwa lub więcej tonów jest odtwarzanych jednocześnie, zmiana ciśnienia powietrza w uchu „zawiera” tony każdego z nich, a ucho i/lub mózg izolują je i dekodują na odrębne tony.

Kiedy oryginalne źródła dźwięku są idealnie okresowe, nuta składa się z kilku powiązanych ze sobą fal sinusoidalnych (które matematycznie się do siebie dodają) zwanych podstawowymi i harmonicznymi , częściowymi lub alikwotowymi . Dźwięki mają widma częstotliwości harmonicznych . Najniższa obecna częstotliwość jest podstawową i jest częstotliwością, z jaką wibruje cała fala. Alikwoty wibrują szybciej niż fala podstawowa, ale muszą wibrować z całkowitą wielokrotnością częstotliwości podstawowej, aby całkowita fala była dokładnie taka sama w każdym cyklu. Rzeczywiste instrumenty są bliskie okresowości, ale częstotliwości alikwotów są nieco niedoskonałe, więc kształt fali zmienia się nieznacznie w czasie.

Aspekty subiektywne

Wahania ciśnienia powietrza na bębenek uszny , a następnie fizyczne i neurologiczne przetwarzanie i interpretacja powodują subiektywne doświadczenie zwane dźwiękiem . Większość dźwięków, które ludzie rozpoznają jako muzyczne, jest zdominowana przez wibracje okresowe lub regularne, a nie nieokresowe; oznacza to, że dźwięki muzyczne mają zazwyczaj określoną wysokość . Przenoszenie tych zmian przez powietrze odbywa się za pomocą fali dźwiękowej . W bardzo prostym przypadku dźwięk fali sinusoidalnej , który jest uważany za najbardziej podstawowy model kształtu fali dźwiękowej, powoduje regularny wzrost i spadek ciśnienia powietrza i jest słyszalny jako bardzo czysty ton. Czyste tony można uzyskać za pomocą kamertonów lub gwizdów . Szybkość, z jaką oscyluje ciśnienie powietrza, to częstotliwość tonu mierzona w oscylacjach na sekundę, zwana hercami . Częstotliwość jest głównym wyznacznikiem postrzeganej wysokości dźwięku . Częstotliwość instrumentów muzycznych może zmieniać się wraz z wysokością ze względu na zmiany ciśnienia powietrza.

Zakresy dźwięków instrumentów muzycznych

:Eighth octave C Middle C :Eighth octave C Middle C gong struck idiophone tubular bells struck idiophone crotales glockenspiel vibraphone celesta metallophones xylophone marimba xylophones idiophones timpani membranophones piccolo trumpet trumpet cornet bass trumpet trumpets wagner tuba wagner tuba flugelhorn alto horn baritone horn French horn horn (instrument) cimbasso types of trombone types of trombone soprano trombone alto trombone tenor trombone bass trombone contrabass trombone trombones euphonium bass tuba contrabass tuba subcontrabass tuba tuba brass instruments Organ (music) garklein recorder sopranino recorder soprano recorder alto recorder tenor recorder bass recorder great bass recorder contrabass recorder sub-great bass recorder sub-contrabass recorder Recorder (musical instrument) fipple piccolo concert flute alto flute bass flute contra-alto flute contrabass flute subcontrabass flute double contrabass flute hyperbass flute western concert flute family side-blown flute flutes harmonica harmonica accordion harmonium free reed sopranissimo saxophone sopranino saxophone soprano saxophone alto saxophone tenor saxophone baritone saxophone bass saxophone contrabass saxophone subcontrabass saxophone saxophone family sopranino clarinet soprano clarinet alto clarinet bass clarinet contra-alto clarinet contrabass clarinet octocontra-alto clarinet octocontrabass clarinet clarinet family single reed oboe oboe d'amore cor anglais heckelphone oboes bassoon contrabassoon bassoons exposed double reed woodwind instruments aerophones cymbalum hammered dulcimer piano zither ukulele 5-string banjo mandolin guitar bass guitar harpsichord harp Plucked string instrument violin viola cello double bass octobass violin family Bowed string instrument chordophones soprano mezzo-soprano alto tenor baritone bass (sound) Vocal range

* Ten wykres wyświetla tylko do C 0 , chociaż niektóre organy piszczałkowe, takie jak Boardwalk Hall Auditorium Organ , sięgają do C -1 (jedna oktawa poniżej C 0 ). Również podstawowa częstotliwość tuby subkontrabasowej wynosi B ♭ -1 .


Harmoniczne, partie i alikwoty

Skala harmonicznych

Podstawowym jest to częstotliwość, przy której cały wibruje fali. Nadtony to inne składowe sinusoidalne występujące przy częstotliwościach powyżej podstawowej. Wszystkie składowe częstotliwości, które składają się na całkowity przebieg, w tym tony podstawowe i alikwotowe, nazywane są cząstkami . Razem tworzą szereg harmoniczny .

Alikwoty, które są doskonałymi całkowitymi wielokrotnościami podstawowego, nazywane są harmonicznymi . Kiedy alikwot jest bliski bycia harmonicznym, ale nie jest dokładny, jest czasami nazywany częściowym harmoniczną, chociaż często określa się je po prostu jako harmoniczne. Czasami tworzone są alikwoty, które nie znajdują się w pobliżu harmonicznej i nazywane są po prostu alikwotami częściowymi lub alikwotami nieharmonicznymi.

Częstotliwość podstawowa jest uważana za pierwszą harmoniczną i pierwszą część składową. Numeracja składowych i harmonicznych jest wtedy zwykle taka sama; druga składowa jest drugą harmoniczną itd. Ale jeśli występują składowe nieharmoniczne, numeracja już się nie pokrywa. Alikwoty są numerowane tak, jak pojawiają się nad podstawową. Tak więc, ściśle mówiąc, pierwszym alikwotem jest druga część (i zwykle druga harmoniczna). Ponieważ może to powodować zamieszanie, tylko harmoniczne są zwykle określane przez ich numery, a alikwoty i części składowe są opisywane przez ich relacje z tymi harmonicznymi.

Harmoniczne i nieliniowości

Przebieg symetryczny i asymetryczny. Fala czerwona (górna) zawiera tylko harmoniczne podstawowe i nieparzyste; fala zielona (dolna) zawiera harmoniczne podstawowe i parzyste.

Gdy fala okresowa składa się z podstawowych i tylko nieparzystych harmonicznych (f, 3f, 5f, 7f, ...), fala sumowana jest symetryczna w połowie fali ; może być odwrócony i przesunięty w fazie i być dokładnie taki sam. Jeśli fala ma parzyste harmoniczne (0f, 2f, 4f, 6f, ...), jest asymetryczna; górna połowa nie jest lustrzanym odbiciem dna.

I odwrotnie, system zmieniający kształt fali (poza prostym skalowaniem lub przesuwaniem) tworzy dodatkowe harmoniczne ( zniekształcenia harmoniczne ). Nazywa się to systemem nieliniowym . Jeśli wpływa symetrycznie na falę, wszystkie wytwarzane harmoniczne są dziwne. Jeśli wpływa asymetrycznie na harmoniczne, powstaje co najmniej jedna parzysta harmoniczna (i prawdopodobnie także nieparzyste).

Harmonia

Główny artykuł: Harmonia

Jeśli dwie nuty są grane jednocześnie, ze współczynnikami częstotliwości, które są prostymi ułamkami (np. 2/1, 3/2 lub 5/4), fala złożona jest nadal okresowa, z krótkim okresem – a kombinacja brzmi spółgłoska . Na przykład nuta wibrująca z częstotliwością 200 Hz i nuta wibrująca z częstotliwością 300 Hz ( kwinta doskonała lub stosunek 3/2 powyżej 200 Hz) sumują się, tworząc falę, która powtarza się z częstotliwością 100 Hz: co 1/100 sekundy , fala 300 Hz powtarza się trzy razy, a fala 200 Hz powtarza się dwukrotnie. Zauważ, że całkowita fala powtarza się przy 100 Hz, ale nie ma rzeczywistej składowej sinusoidalnej 100 Hz.

Dodatkowo te dwie nuty mają wiele takich samych podszablonów. Na przykład nuta o częstotliwości podstawowej 200 Hz ma harmoniczne na poziomie: :(200,) 400, 600, 800, 1000, 1200, …

Nuta o częstotliwości podstawowej 300 Hz ma harmoniczne przy: :(300,) 600, 900, 1200, 1500, … Te dwie nuty mają wspólne harmoniczne przy 600 i 1200 Hz, a kolejne zbiegają się w dalszej części serii.

Połączenie fal kompozytowych z krótkimi częstotliwościami podstawowymi i wspólnymi lub blisko spokrewnionymi częściami powoduje wrażenie harmonii. Kiedy dwie częstotliwości są bliskie ułamkowi prostego ułamka, ale nie są dokładne, fala kompozytowa porusza się wystarczająco wolno, aby usłyszeć zniesienie fal jako stałe pulsowanie zamiast tonu. Nazywa się to biciem i jest uważane za nieprzyjemne lub dysonansowe .

Częstotliwość dudnienia jest obliczana jako różnica między częstotliwościami dwóch nut. W powyższym przykładzie |200 Hz - 300 Hz| = 100 Hz. Jako inny przykład, kombinacja 3425 Hz i 3426 Hz biłaby raz na sekundę (|3425 Hz - 3426 Hz| = 1 Hz). Wynika to z teorii modulacji .

Różnica między konsonansem a dysonansem nie jest jasno określona, ​​ale im wyższa częstotliwość dudnienia, tym bardziej prawdopodobne jest, że interwał jest dysonansowy. Helmholtz zasugerował, że maksymalny dysonans powstaje między dwoma czystymi tonami, gdy tempo dudnienia wynosi z grubsza 35 Hz. [1]

Waga

Główny artykuł: Skala muzyczna

Materiał kompozycji muzycznej jest zwykle pobierany ze zbioru tonów zwanego skalą . Ponieważ większość ludzi nie może odpowiednio określić częstotliwości bezwzględnych , tożsamość skali leży w stosunkach częstotliwości między jej tonami (tzw. interwały ).

Główny artykuł: Tylko intonacja

Skala diatoniczna pojawia się w piśmie na przestrzeni dziejów, składająca się z siedmiu tonów w każdej oktawie . W samej intonacji skala diatoniczna może być łatwo skonstruowana przy użyciu trzech najprostszych interwałów w obrębie oktawy: kwinty czystej (3/2), kwarty czystej (4/3) i tercji wielkiej (5/4). Ponieważ formy kwinty i tercji są naturalnie obecne w serii alikwotowych rezonatorów harmonicznych, jest to bardzo prosty proces.

Poniższa tabela pokazuje stosunki między częstotliwościami wszystkich nut tylko durowej gamy i stałą częstotliwością pierwszej nuty skali.

C D mi F g A b C
1 9/8 5/4 4/3 3/2 5/3 15/8 2

Istnieją inne skale dostępne tylko poprzez intonację, na przykład gama molowa . Skale, które nie trzymają się tylko intonacji, a zamiast tego mają swoje interwały dostosowane do innych potrzeb, nazywane są temperamentami , z których najczęściej używany jest temperament równy . Temperamenty, choć zaciemniają akustyczną czystość tylko interwałów, często mają pożądane właściwości, takie jak zamknięty krąg kwintowy .

Zobacz też

Bibliografia

  1. ^ Benade, Arthur H. (1990). Podstawy akustyki muzycznej . Publikacje Dovera. Numer ISBN 9780486264844.
  2. ^ Fletcher, Neville H.; Rossing, Thomas (23.05.2008). Fizyka instrumentów muzycznych . Springer Media o nauce i biznesie. Numer ISBN 9780387983745.
  3. ^ Campbell, Murray; Wielce, Clive (1994.04.28). Przewodnik muzyka po akustyce . OUP Oksford. Numer ISBN 9780191591679.
  4. ^ Roederer Juan (2009). Fizyka i psychofizyka muzyki: Wprowadzenie (4 wyd.). Nowy Jork: Springer-Verlag. Numer ISBN 9780387094700.
  5. ^ Henrique, Luis L. (2002). Musical Acústica (w języku portugalskim). Fundação Calouste Gulbenkian. Numer ISBN 9789723109870.
  6. ^ Watson, Lanham, Alan HD, ML (2009). Biologia wykonawstwa muzycznego i urazy związane z występem . Cambridge: Scarecrow Press. Numer ISBN 9780810863590.
  7. ^ B Helmholtza Hermann LF; Ellis Aleksander J. (1885). „O odczuciach tonu jako fizjologicznej podstawie teorii muzyki Hermanna LF Helmholtza” . Cambridge Rdzeń . Pobrano 04.11.2019 .
  8. ^ Kartomi Margareth (1990). O pojęciach i klasyfikacjach instrumentów muzycznych . Chicago: University of Chicago Press. Numer ISBN 9780226425498.
  9. ^ Hopkin, Bart (1996). Projektowanie instrumentów muzycznych: praktyczne informacje dotyczące projektowania instrumentów . Zobacz Ostre Prasowanie. Numer ISBN 978-1884365089.

Zewnętrzne linki