реферат

МИНОБРНАУКИ РОССИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«ЛЭТИ» ИМ. В.И. УЛЬЯНОВА (ЛЕНИНА)

Кафедра ЭУТ

РЕФЕРАТ по дисциплине «Аудиотехника»

Тема: Акустика музыкальных инструментов

Санкт-Петербург

2025

ЗАДАНИЕ

НА РЕФЕРАТ

Студент Марченко С.А.

Группа 1583

Тема реферата: акустика музыкальных инструментов

Исходные данные:

Литературные источники.

Дата выдачи задания: 08.10.2025

Дата сдачи реферата: 12.11.2025

Дата защиты реферата: 12.11.2025

АННОТАЦИЯ

В настоящей работе рассматриваются физические и акустические основы формирования звука в музыкальных инструментах. Особое внимание уделяется структуре и свойствам колебательных систем и их влияние на звукообразование.

Рассматриваются особенности возбуждения и передачи звука от инструмента окружающей среде.

Рассмотрены свойства, устройства и акустические аппараты (особенности возбуждения колебаний, колебательных систем, усиления и излучения звука)

различных классов музыкальных инструментов: клавишных, щипковых,

смычковых, язычковых, духовых и ударных инструментов.

SUMMARY

This paper examines the physical and acoustic principles of sound generation in musical instruments. Particular attention is paid to the structure and properties of oscillatory systems and their influence on sound production. The characteristics of sound excitation and transmission from an instrument to the surrounding environment are examined.

The paper examines the properties, structures, and acoustic apparatus (specific features of oscillation excitation, oscillatory systems, sound amplification, and emission) of various classes of musical instruments: keyboard, plucked, bowed, reed, wind, and percussion instruments.

3

4

ВВЕДЕНИЕ

Акустика как наука изучает физические свойства звука, его возникновение, распространение и восприятие. Одним из практически значимых направлений акустики является изучение музыкальных инструментов,

представляющих собой сложные акустические системы, в которых взаимодействуют механические колебания, резонансные явления и акустическое излучение. Понимание этих процессов позволяет не только совершенствовать существующие инструменты, но и разрабатывать новые, улучшая их звучание,

тембр и технические характеристики.

В техническом контексте акустика музыкальных инструментов тесно связана с физикой колебаний и материаловедением. Современные методы анализа, такие как спектральный анализ, численное моделирование и экспериментальные исследования, позволяют глубже изучать акустические свойства инструментов и оптимизировать их конструкцию.

5

1.КЛАССИФИКАЦИЯ МУЗЫКАЛЬНЫХ ИНСТРУМЕНТОВ

Вмировой музыке используется ряд различных видов музыкальных инструментов, каждый из которых имеет собственную связанную с развитием конкретной музыкальной культуры историю. Количество их конструкций составляет несколько сотен, причём все придают инструментам свои индивидуальные особенности, определяющие тембровые и игровые возможности.

Тем не менее, самые разнообразные конструкции музыкальных инструментов объединены неотъемлемым наличием элементов, которые обеспечивают образование и распространение звука в окружающей среде и которые положены в основу классификации инструментов:

–струнные (гитары, скрипки, фортепиано);

–язычковые (аккордеоны, губные гармони, фисгармони);

–духовые (флейты, трубы, фаготы, органы);

–перепоночные (барабаны, литавры);

–пластиночные (ксилофоны, маримбы, металлофоны);

–шумовые (угольники, маракасы, кастаньеты).

Струнные инструменты дополнительно разделяют на клавишные

(фортепиано), щипковые (гитары) и смычковые (скрипки). Язычковые – на инструменты с камерами переменного объёма (аккордеоны), с камерами постоянного объёма (фисгармони) и без специальных камер (губные гармони).

Духовые делят на лабиальные (флейты), амбушюрные (трубы) и тростевые

(фаготы). Перепончатые, пластиночные и шумовые инструменты объединяют в группу ударных.

Национальные музыкальные инструменты классифицируют таким же образом, а их акустический аппарат не представляет принципиальных отличий от классических традиционных инструментов.

6

2. АКУСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕМЕНТОВ СТРУННЫХ

ИНСТРУМЕНТОВ

Струнные музыкальные инструменты конструктивно состоят из резонирующего деревянного корпуса (деки) и натянутых струн, колебания которых образуют музыкальный звук. Ввиду объёмности и разнообразности раздела струнных инструментов со сходными конструктивными элементами,

нужно рассмотреть эти элементы отдельно.

2.1. Древесина дек

Дека струнных музыкальных инструментов обеспечивает оптимальные условия передачи энергии колеблющейся струны окружающему воздушному пространству. Её качество материала и конструктивные параметры оказывают значительное влияние на тембр звука инструмента.

Качество материала деки определяется его способностью передавать энергию колеблющейся струны воздушному пространству (излучательной способностью) и потерями энергии в нём на внутреннее трение. Многолетний опыт использования струнных музыкальных инструментов показывает, что наиболее подходящим материалов для дек является древесина.

Тратящаяся внешней силой мощность на поддержание колебаний деревянной доски может быть представлена выражением

коэффициент внутреннего трения (сопротивления) материала; 2 – коэффициент трения (сопротивления) излучения; q – коэффициент упругости материала; m –

масса доски; – круговая частота воздействующей силы.

7

Излучаемая мощность:

КПД излучающей древесины (доля полученной колебательной энергии,

расходуемая на излучение):

причём на практике 1 2, а КПД лучшей древесины не превышает нескольких процентов.

Внутренние потери энергии в древесине однозначно связаны с логарифмическим декрементом и частотой ( 0 = √ /) её собственных

где A1 – амплитуда первого отсчитываемого колебания; A2 – амплитуда следующего колебания. Видно, что потери колебательной энергии в доске будут тем меньше, чем меньше коэффициент трения r2 и чем больше коэффициент упругости материала q и масса доски m.

Излучательную способность древесины принято характеризировать акустической постоянной, с ростом которой улучшаются акустические качества древесины:

где = 2 – модуль упругости (Юнга); с – скорость звука в древесине; –

плотность древесины.

8

Наиболее подходящими материалами для дек, таким образом, являются ель, сосна, пихта кавказская и кедр сибирский (таблица 1). Применение лиственных пород древесины, в силу их более низких акустических констант,

весьма ограничено. Также при выборе породы дечной (или резонансной)

древесины учитывают не только её акустические показатели, но и наличие возможных дефектов, естественных запахов и др. Наибольшие преимущества имеются у ели: при высокой акустической постоянной у неё сравнительно мало пороков и достаточная толщина стволов.

Таблица 1 – Характеристики древесины (влажность древесины около 10%)

Предназначенные для изготовления дек доски проходят тщательный отбор, отбраковка производится при наличии сучков, косослоя (наклона волокон и слоёв), несоответствии требуемым размерам ширины годичных слоёв (0,5...5

мм). Большое влияние на качество древесины оказывает наличие косослоя,

полученного в результате неправильной распиловки: с ростом угла наклона достаточно быстро падает акустическая постоянная, до 30% от изначальной величины при угле 40°.

9

2.2. Струны

Струна – источник звуковых колебаний струнных музыкальных инструментов. Она представляет собой относительно тонкую гибкую нить с равномерно распределённой линейной плотностью, сильно натянутую между двумя опорами. Качество струн определяется их акустическими, физико-

механическими и игровыми параметрами, связанными между собой и зависящими от исходных материалов, конструкции и технологии изготовления.

Под акустическими параметрами струн понимают частоту колебаний,

спектральный состав, характер звучания и негармоничность обертонов, для оценки которых применяют некоторые допущения: полагают, что струна не имеет жёсткости, плотность струны равномерна по всей длине, а возбуждённые колебания имеют относительно малую амплитуду в одной плоскости. Тогда уравнение колебания закреплённой на концах струны в среде без трения можно представить в виде

где a – отклонение струны от положения равновесия в данный момент времени;

F – сила натяжения струны; – плотность материала струны; s – площадь сечения струны; ∆ – текущая координата рабочей части струны. Решение дифференциального уравнения имеет вид

где h – максимальное отклонение струны в точке возбуждения, находящейся на расстоянии ∆0 от конца рабочей части струны; n – порядковый номер гармоники; 0 – круговая частота собственных колебаний струны (для первой гармоники 0 = 20). Из решения следует, что струна колеблется по сложному закону, а сами колебания складываются из бесконечного ряда гармоник,

убывающих по амплитуде обратно пропорционально квадратам номеров гармоник (рисунок 1). Амплитуды гармоник пропорциональны начальному

отклонению h. В зависимости от места возбуждения струны из колебательного

10