CC BY
112
Scientific journal PHYSICAL AND MATHEMATICAL EDUCATION
Has been issued since 2013.
Науковий журнал Ф1ЗИКО-МАТЕМАТИЧНА ОСВ1ТА
Видаеться з 2013.
http://fmo-journal.fizmatsspu.sumy.ua/
Воронин О.С. Суб'ектиен та o6'eKmueHi характеристики звуку (методична розробка лекцИ) // Ф'!зико-математична освта: науковий журнал. - 2017. - Випуск 2(12). - С. 42-50.
Voronkin O.S. Subjective And Objective Characteristics Of Sound (methodical development of the lecture) // Physical and Mathematical Education : scientific journal. - 2017. - Issue 2(12). - Р. 42-50.
УДК 534
О.С. Воронкш
КЗ «Северодонецьке обласне музичне училище ¡м. С.С. Прокоф'ева», УкраУна
alex.voronkin@gmail.com
СУБ'СКТИВН! ТА ОБ'СКТИВН! ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗВУКУ (методична розробка лекцп)
Анота^я. Стаття розкривае матер>али в'дкрито'У лекци на тему «Характеристики звуку», тдготовлено'У та прочитаноУ в Комунальному закладi «Северодонецьке обласне музичне училище ¡м. С. С. Прокоф'ева» у межах навчальноУ дисциплiни «Фiзика». Розглядаються об'ективш (Ытенсивнкть, частота, амплiтудно-частотний спектр) i суб'ективш (гучнiсть, висота, тембр) характеристики звуку, досл'джуеться зв'язок мiж ними. Спрощено розкриваються фiзичнi особливостi будови слухового аналiзатора людини та механзму сприйняття звуку людиною. Показано доцiльнiсть використання сукупностi апаратних i програмних засобiв пд час вивчення зазначеноУ теми. Акцентовано увагу на застосуваннi методу комп'ютерного моделювання акустичних явищ i процесв з метою покращення фаховоУ пiдготовки студент'в вищих навчальних закладiв культури i мистецтв I-II рiвнiв акредитацУ Робиться висновок, що посилення мiждисциплiнарних зв'язюв фiзики, математики, бiологiУ та музичного мистецтва дозволяе студентам розвивати умЫня виокремлювати головне у навчальному матерiалi, порiвнювати, узагальнювати, робити висновки, розвивати спостережливсть, лог'нне мислення, пам'ять та увагу.
Ключовi слова: органiзацiя навчання фiзики, мiжпредметнi зв'язки, комп'ютерне моделювання.
Постановка проблеми. Новий Закон УкраТни «Про ocBiTy» передбачае три piBHi повноТ загальноТ середньоТ осв^и: початкова осв^а (тривал^ь чотири роки); базова середня осв^а (тривал^ь п'ять ромв); профтьна середня осв^а (тривал^ь три роки). Плануеться, що у рамках профтьноТ освп"и старшокласник буде обирати один з двох спрямувань: академiчне навчання (i3 поглибленим вивченням окремих предмелв з орiентацiею на продовження навчання в ушверсител) або професшне навчання (поряд з отриманням повноТ загальноТ середньоТ осв^и забезпечуватиме отримання першоТ професи). Разом з тим багато дидамчв i науковщв залишаються впевненими, що фiзика, незалежно вщ вибору спрямованосл, «повинна залишатися обов'язковим предметом» [1]. Насамперед тому, що фiзика е найбшьш систематизованою природничою наукою, на досягненнях якоТ значною мiрою базуеться сучасна картина св^у [2].
Сьогодш особливоТ уваги потребуе проблема подготовки фахiвцiв музичного профшю у вищих навчальних закладах (ВНЗ), в яких фiзика вивчаеться за програмою пщготовки молодших спецiалiстiв на основi базовоТ загальноТ середньоТ освп"и для ВНЗ 1-11 рiвнiв акредитаци. У багатьох з цих закладiв ця дисциплша не вивчаеться студентами з особливою зацтавлешстю й штересом. На базовi проблеми, притаманш вiтчизнянiй системi фiзичноТ освiти, ми неодноразово звертали увагу у публтащях [3-5]. Це i брак фiзичного й демонстрацiйного устаткування, це й падшня престижностi фiзичноТ науки, це й необхщшсть адаптування курсiв з урахуванням вимог особиспсно зорiентованого навчання тощо. Разом з тим специфiчним завданням викладача фiзики стае формування штересу до фiзичноТ науки, фiзичного експерименту, створення дружньоТ спiвтворчостi. «Ттьки тодi студенти мають можливiсть вщчути емоцiйне задоволення вiд опанування нового матерiалу. У цьому сенсi можна казати й про розвиваюче значення курсу фiзики - студенти мають вчитися знаходити причини явищ, пояснювати Тх, що вимагае бтьшоТ
ISSN 2413-158X (online) ISSN 2413-1571 (print)
розумовоТ дiяльностi нiж запам'ятовування визначень, постулалв, законiв i математичних формул» [6]. Акцент змщуеться з формування сукупност знань на формування шновацшного стилю мислення.
Аналiз актуальних дослщжень. Теоретичнi та методичнi засади навчання фiзики у ВНЗ та розвиток системи професшноТ пiдготовки викладача фiзики знайшли вiдображення у науково-методичних розвщках I. Богданова, С. Величка, Г. Бушка, А. Касперського, О. Коновала, I. Сальник, О. Сергеева, В. Серпенка, Т. Скубiя, Н. СосницькоТ, Б. Суся, М. Шута та ш.; проблеми формування та розвитку фiзичноТ освiти на засадах особистiсно-орiентованого та дiяльнiсного пiдходiв у своТх працях висвiтлювали К. Баханов, Ю. Галатюк, I. Зязюн, О. 1ваницький, О. Пiнчук, Г. Селевко, М. Степаненко, В. Шарко та ш.
Враховуючи те, що акустичнi питання в^грають значну роль у шдготовц студентiв, якi навчаються за спещальшстю 025 «Музичне мистецтво», розгляд спорщнених тем на заняттi з фiзики сприятиме розвитку у майбутнiх фахiвцiв iнтегрованого (мiждисциплiнарного) бачення свiту.
Мета статт полягае у розкриттi методичних аспеклв розробки та проведення лекци «Характеристики звуку» з курсу <^зика» для студенев ВНЗ культури i мистецтв, що навчаються за спещальшстю «Музичне мистецтво».
Виклад основного матерюлу. На початку заняття доцiльно нагадати, що джерелом звуку е будь-яке тто, яке знаходиться у пружному середовищi й коливаеться зi звуковою частотою. Чим бшьша площа його поверхш, тим кращими е випромшювальш властивостi. Звук може поширюватися у виглядi поздовжнiх i поперечних хвиль. У газоподiбних i рiдких середовищах виникають тiльки поздовжнi хвилi, в твердих ттах, крiм поздовжнiх, виникають також i поперечнi хвилi.
Для опису фiзичних параметрiв звуку кнують два пiдходи, мiж якими кнуе певний зв'язок. Перший пiдхiд засновано на дослщженш так званих об'ективних характеристик за допомогою фiзичних приладiв. Другий пiдхiд базуеться на сприйнятт звуку слуховим апаратом людини - вухом (суб'ективш характеристики).
Суб'ективш характеристики - це параметри звукового вщчуття, яке виникае у людини iз впливом звукових хвиль (гучшсть звуку, висота тону, тембр).
Гучшсть звуку. Гучнстю називають суб'ективну ямсть, що визначае силу слухового вщчуття, яке викликаеться звуком у слухача. Гучшсть головним чином залежить вщ такоТ характеристики хвилi як ТТ амплiтуда: чим бiльшою (меншою) е амплiтуда коливань, тим звук - голосшше (тихше). Також на сприйняття гучностi звуку людиною впливае його частотний склад, локалiзацiя в просторi, тривалiсть дм та iншi фактори. Звук буде тим голосшше, чим бтьше пружшсть середовища поширення. Наприклад, на високих горах, де пов^ря бiльш розрщжене, гучнiсть звуку вiд одного i того ж джерела буде меншою, шж у пiднiжжя гори.
В акустик для кшьмсно'Т оцiнки гучност застосовують метод суб'ективного порiвняння вимiрюваного звуку з еталоном, в якост якого застосовуеться синусоТдальний тон частотою 1 кГц. У процес порiвняння рiвень еталонного тону змiнюють доти, поки еталонний i вимiрюваний звуки не сприйматимуться людиною рiвногучними.
Висота звуку. Звуковi коливання, що вщбуваються за гармонiчним законом, сприймаються людиною як певний музичний (синусоТдальний) тон. Коливання високоТ (низькоТ) частоти сприймаються як звуки високого (низького) тону. Термш «висота» доцтьно застосовувати до характеристики синусоТдального тону, проте в музичнш практицi широко використовуеться термш «висота ноти». Так як звучання леТ або шшоТ ноти в загальному випадку складаеться iз суми тошв, то пiд висотою ноти розум^ть висоту найнижчого тону, який випромшюе нота.
Тембр. Звуки, з якими ми зус^чаемося в реальному житл, майже нiколи не бувають «чистими» (монохроматичними). 1х можна збудити тшьки за спецiальних умов. Звуковi коливання, якi не вiдповiдають гармошчному закону, сприймаються людиною як складний звук, що мае тембр. Реальш звуки е суперпози^ею пружних хвиль рiзноТ частоти. Джерело звуку разом з основним коливанням випромшюе хвилi з частотами в 2, 3, 4, 5, ... разiв бтьшими основноТ частоти. За прийнятою у музи^ термiнологiею цi коливання називаються, вщповщно, основним тоном i обертонами (1-м, 2-м, 3-м, 4-м тощо). У фiзицi використовуеться шша термшолопя: основний тон називають 1-ю гармошкою, а обертони - вищими гармошками - 2-ю, 3-ю, 4-ю, 5-ю. Перша гармошка визначае висоту звуку, вищi гармошки додають звуку специфiчне забарвлення - тембр. Тембр - це суб'ективна оцшка спектрального складу звуку.
Тембр залежить вщ числа вищих гармошк i вщношення Тх ампл^уд до амплiтуди основноТ гармошки та, як правило, не залежить вщ фаз вищих гармошк. Продемонструемо це. Синтезуемо звук, використовуючи гучномовець i чотири генератори синусоТдальних коливань iз параметрами вказаними на рис. 1,а. Придамо початковш фазi третього коливання прир^ +^/2 (900). З осцилограми на рис. 1,б бачимо, що форма сумарного сигналу змшилася, разом з тим слухачi сприймають ^ звуковi коливання як звук одного тембру. Дшсно, слух не реагуе на змшу фазових стввщношень мiж гармонiчними складовими складного сигналу в широкому дiапазонi iнтенсивностi звуку, незважаючи на те, що змшюеться форма сигналу. Саме тому в шдсилювачах звукових частот фазовi спотворення не нормують.
Рис. 1. Суперпози^я звукових хвиль
У рiзних музичних шструменлв при звучанш одшеТ й лет самот ноти вiдноснi амплп"уди вищих гармошк виявляються рiзними, що формуе рiзний тембр. Однак спосiб звуковидобування також впливае на забарвлення звуку. Так, видобуваючи звук на смичкових струнних шструментах щипком (цей прийом гри отримав назву пщикато) ми отримаемо зовам шший тембр, шж при виконанш твору смичком.
Зi змiною форми рота людина надае перевагу одшм гармонiкам над шшими. Завдяки цьому ми навчилися вимовляти рiзнi звуки (рис. 2). Гортань i порожнина рота людини е своерщними природними резонаторами. Голосовi зв'язки, на зразок струн, випромшюють звуки шд дiею потокiв повiтря, що йде з легешв. Цi звуки дуже слабм, але, проходячи через резонатори, вони пщсилюються i набувають тембр, за яким нам легко вшзнати голос знайомоТ людини.
Об'ективнi характеристики - це параметри звуковоТ хвилi, якi задае джерело звуку, а саме -штенсившсть, частота i акустичний спектр.
1нтенсивнсть (сила) звуку (I) - фiзична величина, що дорiвнюе середнiй енергп (Weep), яку переносить звукова хвиля за одиницю часу (t) через одиничну поверхню (S), перпендикулярну до напряму ТТ' поширення: I = Одиниця вимiру в С1 - ^ lнтенсивнiсть звуку прямо пропорцшна квадрату амплiтуди
St м2
звукового тиску i обернено пропорцшна акустичному опору.
3i збiльшенням вщсташ вiд джерела звуку до слухача, сила звуку послаблюеться. Рiвень поглинання енерги при поширеннi звуковоТ' хвилi в рiдинах i газах залежить як вщ властивостей середовища (в'язшсть, внутрiшня теплопровiднiсть), так i вщ частоти.
Людина починае чути, починаючи з порогу чутностi (або слухового порогу). Однак чутливiсть людського вуха залежить вщ частоти звукових коливань, тому рiвень порогу чутностi для рiзних частот рiзний. Порiг чутност на частотi 1 кГц вщповщае силi звуку I0 = 10-12 Щ, що еквiвалентно звуковому тиску
м2
2 • 10-5 —. 3i збiльшенням iнтенсивностi досягаеться умова нормально'' чутносп. 1з подальшим зростанням
м2
штенсивносп звуку подразнення органу слуху стае болючим.
Частота звукових коливань. 1нтервали в музи^. Нагадаемо, що лшшна частота як фiзична величина дорiвнюе кiлькостi повних коливань за одиницю часу. Вухо людини здатне сприймати як звук мехашчш коливання тм, що вщбуваються з частотою вщ 20 до 20000 Гц.
Сучасний музичний (рiвномiрно темперований) стрш, що е основним в европейськш музицi з XIX ст., дтить кожну октаву на 12 частин, як називаються твтонами. Кожна дванадцята частина октави представляеться вщношенням 1. Округленi частоти першо'Т гармонiки для нот вщ контроктави до четверто'Т октави наведено на рис. 3.
б
а
I Конгроктава
Рис. 3. Частоти першо¡' гармонiки для нот вiд контроктави до четвертой октави, Гц
Математично можемо обчислити частоти для всього звукоряду, користуючись формулою:
/ш = /о • 2'/12,
де ^ — еталонна частота (Гц), а i — ктьмсть пiвтонiв в iнтервалi вiд потрiбного звуку до еталону
Наприклад, в якост еталону вiзьмемо частоту першоТ гармонiки ноти «ля» першоТ октави (440 Гц). Обчислимо частоту першоТ гармошки ноти «соль», що розташована на 2 швтони нижче вщ еталону «ля», тобто £ = —2:
2
f(—2) = 440 • « 391,99 « 392 Гц 1нтервалом у музицi можемо назвати цiле вщношення двох частот. Приклади деяких iнтервалiв зведено у табл. 1.
Таблиця 1
Приклади музичних iнmервалiв з в'1дпов'1дним в'дношенням частот
Назва музичного ¡нтервалу
В1дношення частот
Приклад
музичного ¡нтервалу
в'1дпов'1дного в1дношення частот
Прима
1
- = 1,00 1
261,5 261,5
= 1,00
Октава
(подвоення частоти)
2
- = 2,00 1
523,0 261,5
= 2,00
Квшта
3
- = 1,50 2
392,0 261,5
1,50
Кварта
4
1,33
3
349,0 261,5
1,33
Велика терщя
5
- = 1,25
4_
Фт
329,5 261,5
1,26
Мала терщя
6
5 = 1,20
р^И
311,0 261,5
1,19
Мала секста
= 1,60
415,0 261,5
1,59
Велика секста
5
- « 1,66 3
440,0 261,5
1,68
1снують рiзнi аргументування доцiльностi рiвномiрно-темперованого строю. Слщ звернути увагу студентiв на наступне. Якщо б кожна октава дтилася значно бiльшим числом частин, шж 12, то звучання декiлькох сусщшх нот викликало б биття.
Биття - явище, що виникае при накладанш двох перiодичних коливань, наприклад, гармошчних, близьких за частотою. Амплп"уда коливань при цьому перiодично збтьшуеться чи зменшуеться у часi з частотою, рiвною рiзницi частот двох вихщних коливань. Це вiдбуваеться внаслщок того, що рiзниця фаз таких коливань з часом змшюеться, через що фази перюдично збiгаються (коливання пщсилюють одне одне) або стають протилежними (коливання взаемно ослаблюються).
Для простоти розрахунку вiзьмемо два гармошчних коливання з близькими частотами / i / + Д/, однаковими амплiтудами А1 = А2 = А = 1. Приймемо, що початковi фази цих коливань = = 0. Тод^ застосовуючи тригонометричну формулу для суми синуав, отримаемо + ЖтО^ + Д<^)£ =
= 2.Д(со5тсД/£:) • 5т2л:/£:. Це результуюче коливання вiдбуватиметься з частотою /, амплiтуда якого буде
змшюватися за законом Аб = 2A(cosnAft). На рис. 4 наведена осцилограма биття, отриманого при накладанш двох гармонiчних коливань однаковоТ ампл^уди зi звуковими частотами 100 Гц i 104 Гц (Д/ = 104-100 = 4 Гц).
В музичнш практик явище биття використовуеться переважно при настроюваннi музичних шструменлв, а iнколи для створення специфiчного вiдтiнку звука у роялях, акордеонах i баянах (так званого звучання «з розливом»).
Поняття акустичного спектру. Ампл^удно-частотний спектр звуку - графт залежност вгдносно'| енерги звукових коливань вщ частоти. В залежностi вщ структури спектра коливань середовища можемо виокремити як музичш звуки, так i шуми.
Музичш звуки, як правило, мають лiнiйчатий спектр з кратними частотами (по ос частот у виглядГ вертикальних лГнГй зображають амплiтуди гармонiчних коливань, що входять до складу дослщжуваного звучання).
Шум - це сукупшсть аперiодичних звушв рГзноУ iнтенсивностi й частоти (наприклад шелест листя). Шуми подтяються на стацюнарш та нестацiонарнi. За характером спектра шуми бувають широкосмуговими та вузькосмуговими. За часовими характеристиками - постшними i непостшними (коливнГ, переривчасп, ГмпульснГ). Шуму вiдповiдае суцГльний спектр, тобто набiр частот неперервно заповнюе деякий iнтервал.
На рис. 5 наведено порГвняльш спектри звучання ноти «ля» першоУ октави, отриманi за допомогою синтезатора Medeli M311 при рГзних режимах його роботи. Електричний сигнал з виходу phones подавався
на лшшний вхщ звуковоУ карти комп'ютера та оброблявся програмним спектраналiзатором Soundcard Scope.
а б в
Рис. 5. Спектри звучання ноти «ля» першоi октави, отриман синтезатором у режим'1: а - Grand piano (рояль), б -Overdriven Guitar (електрогтара), в - Synth pad (глухий в'бруючий синтезований звук)
Бачимо, що чим багатшим е тембр звуку, тим складшший спектр. Ще бтьш складним е спектр акорду. На рис. 6 показано спектр одночасного звучання двох нот. На графту ч^ко вирiзняються 2 основы лшп -першi гармошки, що вщповщають частотам 440 Гц (нота «ля» першоТ октави) i 567 Гц (нота «ре» другоТ
октави).
0.009т O.OOS-E 0,007-4 0.006-Е 0.005^ 0.004т 0.003 т
■II IHI
0.001т oil 0 200 40 lili 600 il 00 ¡¡¡¡¡lülüüüüí 1000 1200 1400 1600 18 ■■■■■■■■■ ——1 00 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600 Frequency [Hz]
Рис. 6. Спектр звучання акорду (режим Grand piano)
Голосш звуки людського мовлення так само е коливаннями, близькими до перюдичних, i Miamb KpiM основного тону вищi гармонiки (рис. 7,а, рис. 7,б). При Тх вимовлянш максимальну амплiтуду можуть мати
кшька гармошк, якi називають формантами. Приголосн ж звуки представляють собою коливання, далек bïa пеpiодичних. Спектр цих звумв досить складний (рис. 7,в).
а б в
Рис. 7. Спектри звуюв мовлення у програмi Audacity 2.1.0: а - голосний звук «а» (жiночий голос), б - голосний звук «а» (чоловiчий голос), в - приголосний звук «с» (чоловiчий голос)
Акустичн спектри у музиц aнaлiзують з метою редагування звукозапиав i пошуку дефеклв запису. Алгоритми спектрального aнaлiзу покладено в основу багатьох програмних додатмв. Так, сервк Shazam, призначений для мобiльних пристроУ'в i комп'ютеpiв, обладнаних мiкpофоном, за фрагментом захопленого аудюсигналу здiйснюe онлайн пошук шформацп про музичний твip. Сеpвiс використовуе базу даних музичних композицш, яка на сьогоднiшнiй день охоплюе понад 11 мiльйонiв аудютремв. Shazam вiдпpaвляe спектр захоплених частот звуку на сервер i за певними точками спектру щентифтуе той чи шший твip.
Фiзичнi особливост будови слухового аналiзатора. Вухо людини - це складний вестибулярно-слуховий орган, який виконуе двi функцп: сприймае звуковi сигнали i вщповщае за положення тiлa в пpостоpi i здaтнiсть утримувати piвновaгу. Вухо складаеться з трьох вщд^в - зовшшнього, середнього та внутpiшнього. Кожен з вщд^в мае власну будову. Ми зупинимося лише на тих аспектах, що пов'язан з фiзичними (переважно резонансними) явищами та пояснюють здaтнiсть сприймати звуковi коливання у дiaпaзонi частот вiд 20 до 20000 Гц.
Зовшшне вухо складаеться iз вушноУ мушлi, зовнiшнього слухового проходу та барабанноУ перетинки.
ФункцГя вушноУ раковини - вловлювати звуки. Складки людськоУ вушноУ раковини вносять в сумарне звукове коливання, що поширюеться через слуховий прохГд, невелим чaстотнi спотворення. Обробка цих спотворень головним мозком й дозволяе pеaлiзовувaти горизонтальну та вертикальну локaлiзaцiю джерела звуку.
Слуховий прохщ мае довжину бшя 21-27 мм, дiaметp - 6-8 мм. Слуховий прохщ виконуе функцГю проведення звукових коливань до барабанноУ перетинки. У нaближеннi його можемо вважати трубочкою, закритою з внутршньоУ сторони барабанноУ перетинкою. Тому вш вiдiгpaе ще роль резонатора, що мае власну частоту коливань (при t навколишнього середовища 200C) вГд 3170 до 4080 Гц.
Основною частиною середнього вуха е барабанна порожнина - невеликий прослр об'емом близько 1 см3, що знаходиться в област скроневоУ кiстки. Тиск повпряного простору в поpожнинi середнього вуха доpiвнюе атмосферному. Це створюе необхщш умови для нормальних коливань барабанноУ перетинки. Зpiвнювaнню тиску сприяе спецГальне утворення, що з'еднуе порожнину середнього вуха з носоглоткою -так звана евстахГева (або слухова) труба. Пщ дiею звукових хвиль барабанна перетинка (площа УУ поверхн складае S=70-80 мм2) коливаеться i передае ц коливання на слуховi кiсточки середнього вуха (молоточок, ковадло, стремшце), що дiють як вaжелi та розгойдують перетинку овального втна внутpiшнього вуха. Оскiльки площа цГеУ перетинки у 20-22 рази менша за барабанну, то aмплiтудa коливань зростае тут у вiдповiдну кшьмсть paзiв - вiдбувaеться пiдсилення сигналу.
Внутршне вухо через свою складну форму називають лaбipинтом. До його складу входять три основн1 вщдти: переддвер'я, пiвколовi канали та завитка. За допомогою овального втна внутршне вухо з'еднуеться iз сеpеднiм. Коливаючись вперед-назад iз певною частотою, овальне втно внутpiшнього вуха спричиняе у присшковому кaнaлi вiдповiдний рух бюлопчноУ piдини, що поширюеться вiд основи до веpхiвки завитки [7]. Коливання цГеУ piдини подразнюють pозтaшовaнi в завитц рецептори - елaстичнi волокна, загальне число яких досягае 24000. У основи завитки вони коротк (0,04 мм), тонк й сильно натягнул, а у вершини довг (до 0,5 мм), бiльш товст й менш нaтягнутi. Внaслiдок явища резонансу виникають вГбрацп волокон певноУ довжини й товщини. 1хнi коливання й формують неpвовi iмпульси.
Вимiрювання рiвня гучностi в децибелах. Якщо штенсившсть звуку збiльшувaти у геометричнш прогреси, то вiдчуття гучностi людиною буде змiнювaтися в арифметичнш прогреси [8]. Цей закон отримав назву логарифмГчного закону Вебера-Фехнера. Вш справедливий не тГльки для людського сприйняття гучностГ звуку, а й штенсивносп свiтлa, сили мехaнiчного навантаження тощо [9].
Децибел (дБ) - одиниця вимipювaння рГвня гучностГ й шдсилення потужностГ сигналу, значення якоУ доpiвнюе однГй десятГй бела. 1 Бел (Б) - одиниця рГвня штенсивносп, яка вГдповГдае змГнГ штенсивносп у
10 разiв. Рiвень гучност в децибелах Щ обчислюеться за формулою Ь = 10 • де ^ - десятковий
логарифм, к 112 - штенсившсть звуку вщповщно до i пiсля його змши.
У багатьох розрахункових задачах в якост к доцiльно брати штенсившсть звуку на порогу чутност (10-12 ^ при 1 кГц). Тодi закон Вебера-Фехнера формулюють наступним чином: рiвень гучностi звуку
м2
прямопропорцшний десятковому логарифму вiдношення модуля штенсивносп даного звуку до iнтенсивностi цього звуку на порозi чутностi.
Однак гучшсть не можна охарактеризувати лише змшою сили звуку, так як на сприйняття гучностi людиною (суб'ективно) впливае частотний склад звукового сигналу. Тому значення гучносл (в децибелах) доцтьно корелювати iз чутливiстю людського слуху на рiзних частотах (для цього використовують таблиц або спещальний графiк - кривi рiвних гучностей). Вiдкориговану таким чином одиницю гучносл називають фоном.
Висновки. Матерiали даноТ статт пiдготовано на основi вщкритоТ лекци, прочитаноТ нами для студентiв КЗ «Северодонецьке обласне музичне училище iм. С. С. Прокоф'ева» (27 березня 2017 року, м. Северодонецьк), i вщкритоТ навчальноТ студи (рис. 8), проведеноТ в МДЦ «Артек» у рамках Фестивалю осв^и «Академмiстечко Артек» (25-26 кв^ня 2017 року, Пуща-Водиця, м. КиТв).
Рис. 8. Вiдкрита навчальна студiя (Фестиваль освiти «Академмiстечко Артек», 25-26 квiтня 2017 р.)
ПерелГк апаратних i програмних засобГв, що використовувалися шд час цих заходГв подано у табл. 2. ПрезентацГя лекци доступна за адресою https://www.slideshare.net/AlexVoronkin/ss-73803208.
Таблиця2
Апаратн та програмн засоби, використовуван nid час Bidnpumux навчальних студй
№ 3aci6 Призначення
1. Св^лодюдний проектор ПроекцГя вщеозображення з виходу комп'ютера на екран
2. Акустична система Пщсилення й вГдтворення звуку
3. Мтрофон Перетворення звукових коливань (звукГв мовлення) на коливання сили електричного струму
4. Одноголосний аналоговий синтезатор «ФАЭМИ» ДемонстрацГя за допомогою осцилографа залежност гучностГ звуку вГд амплГтуди сили звуку та висоти тону вГд частоти коливань, демонстрацГя синтезу звуку
5. Цифровий синтезатор Medeli M311 та робоча станщя Korg KROSS ВГдтворення тембрГв рГзних музичних шструментГв, Ух аналГз
6. Демонстрацiйний комплекс «Вступ до фiзики звуку» ДемонстрацГя явища биття, консонансу та дисонансу, моделювання складних звукГв i дослГдження Ух тембрГв
7. Два однакових камертони, настроених на частоту 440 Гц, тягарець ДемонстрацГя явища биття
8. Подвшний маятник ДемонстрацГя запису биття тском
9. Soundcard Scope (ver. 1.41) ГенерацГя синусоУдального тону рГзноУ частоти, дослГдження амплГтудних i часових параметрГв електричного сигналу, отриманих Гз входу звуковоУ карти, спектральний аналГз музичних звукГв
10. Генератор НЧ «Авангард» ГенерацГя звукових коливань (синусоУдальний, прямокутний, трикутний симетричний, пилоподГбний сигнали)
11. Cool Edit (ver. 2.1) Запис голосних i приголосних звукГв, дослГдження Ух осцилограм
12. Audacity (ver. 2.1.0) Спектральний аналГз звукГв мовлення з використанням перетворення Фур'е
13. Shazam Виявлення особливостей роботи програми при розшзнаванш музичних творГв
Виходячи з того, що без вивчення фiзики складно розвивати там сторони мислення, як узагальнене розумшня дiйсностi, виявлення закономiрних зв'язкiв, зв'язшв з професiйною дiяльнiстю, важливим нашим завданням було формування мiждисциплiнарного штересу до даноУ теми. Тому тд час заняття ми намагалися створювати такi ситуаци, щоб студенти на основi аналiзу спостережень, демонстрацiй вчилися самостшно робити висновки i узагальнення, вщповщати на цiкавi запитання, розв'язувати задачк Приклади задач, якi дозволили активiзувати пiзнавальний iнтерес студентiв наводимо нижче.
- 1нтенсившсть звуку склала 10-10 Вт/м2. Обчислiть рiвень звуку L (в децибелах).
- На сктьки децибел збтьшиться рiвень L, якщо iнтенсивнiсть звуку зросла в: а) 100 разiв, б) 10 000 разiв?
- В аудитори знаходяться три музичних iнструмента, рiвнi яких L1=60, L2=60 i L3=85 децибел. Чому дорiвнюe рiвень звуку 1_загальний в аудитори, якщо вс три iнструменти звучатимуть одночасно?
- На сктьки децибел зменшиться рiвень гучностi в концертному залi, де спочатку звучали 2 однакових музичних шструмента ^вень кожного 60 децибел), а полм лише один?
- Звук iз частотою 1 кГц мае рiвень L=50 децибел. Користуючись iзофонами визначить рiвнi гучностi рiвногучних з ним звукiв з частотами 50 Гц, 300 Гц, 3 кГц, 5 кГц.
Вважаемо, що представлена нами розробка лекцп представляе методичний штерес i буде корисна викладачам ВНЗ культури i мистецтв I-II рiвнiв акредитаци при тдготовщ до занять за темами «Звуковi хвилi та Ух характеристики», «Характеристики звуку», «Музикальш звуки i шуми. Гучшсть i висота звуку» та ш. Представленi результати також можуть використовуватися педагогiчними працiвниками загальноосвiтнiх, позашктьних, професiйно-технiчних навчальних закладiв при розробц бiнарних занять.
Список використаних джерел
1. Олшник Р. В. Про деяк особливостi навчання фiзики в класах гумаштарного профiлю [Електронний ресурс] / Р. В. Олшник, О. М. Куракова // Збiрник наукових праць фiзико-математичного факультету Слов'янського державного педагопчного ушверситету. - 2012. - Вип. 2. - С. 203-207. - Режим доступу : http://www.slavdpu.dn.ua/fizmatzbirnyk/2012/203-207.pdf. - Назва з екрана.
2. Суховiрська Л. П. Формування уявлень еволюцшно-синергетичноУ картини св^у в учшв середшх навчальних закладiв у процес вивчення фiзики [Електронний ресурс] / Л. П. Суховiрськa, М. I. Садовий // Вкник Чернiгiвського нацюнального педaгогiчного унiверситету iменi Т. Г. Шевченка. - 2012. - Вип. 99. -Режим доступу : http://www.nbuv.gov.ua/portal/Soc_Gum/Vchdpu/ped/2012_99/Sykhov.pdf. - Назва з екрана.
3. Воронкш О. С. Проблеми навчання фiзико-мaтемaтичних дисциплш у вишах культури i мистецтв / О. С. Воронкш // Актуальш аспекти математичноУ пщготовки в сучасних ВНЗ: погляд студенлв i молодих вчених : мaтерiaли ВсеукраУнськоУ науково-практичноУ конференци студенлв i молодих вчених (Хaркiв, 14-15 квггня 2015 року). - Х. : ХНАДУ, 2016. - С. 125-128.
4. Воронкш О. С. Проблеми формування природничо-науковоУ картини свп"у тд час навчання ФГзики / О. С. Воронкш // Актуальш питання бюлопчноУ ф!зики та хм : мaтерiaли IX мiжнaр. наук.-техн. конф. (Севастополь, 22-26 квгт. 2013 р.). - Севастополь : СевНТУ, 2013. - С. 214-216.
5. Воронкш О. С. Презентащя досвщу роботи секци «Експериментальна фГзи^» Комунального закладу «Луганська обласна мала aкaдемiя наук учшвськоУ молодь>: позaшкiльнa шдготовка обдарованоУ молодГ до науково-дослщницькоУ роботи / О. С. Воронкш // Мaтерiaли VI МТжнародного фестивалю педагопчних iнновaцiй (Черкаси, 19-20 вересня 2014 р.). - Черкаси : ЧОПОПП, 2014. - С. 136-139.
6. Воронкш О.С. Особливост оргашзаци особиспсно зорiентовaного навчання фГзики у вищих мистецьких навчальних закладах I-II р!вшв акредитацп / О. С. Воронкш // Фiзико-мaтемaтичнa освiтa. - 2016. -Вип. 4(10). - С. 21-24.
7. Вухо [Електронний ресурс] // Мaтерiaл з ВЫпедп. - Режим доступу : https://uk.wikipedia.org/wiki/Вухо. -Назва з екрана.
8. Федорова В. Н. Медицинская и биологическая физика. Курс лекций с задачами : учеб. пособие / В. Н. Федорова, Е. В. Фаустов. - М. : ГЭОТАР-Медиа, 2008. - 592 с.
9. Закон Вебера - Фехнера [Електронний ресурс] // Мaтерiaл з Вштедм'. - Режим доступу : https://uk.wikipedia.org/wiki/Зaкон_Веберa_—_Фехнерa. - Назва з екрана.
References
1. Oliinyk R. V. Pro deiaki osoblyvosti navchannia fizyky v klasakh humanitarnoho profiliu [Elektronnyi resurs] / R. V. Oliinyk, O. M. Kurakova // Zbirnyk naukovykh prats fizyko-matematychnoho fakultetu Slovianskoho derzhavnoho pedahohichnoho universytetu. - 2012. - Vyp. 2. - S. 203-207. - Rezhym dostupu : http://www.slavdpu.dn.ua/fizmatzbirnyk/2012/203-207.pdf. - Nazva z ekrana.
2. Sukhovirska L. P. Formuvannia uiavlen evoliutsiino-synerhetychnoi kartyny svitu v uchniv serednikh navchalnykh zakladiv u protsesi vyvchennia fizyky [Elektronnyi resurs] / L. P. Sukhovirska, M. I. Sadovyi // Visnyk
Chernihivskoho natsionalnoho pedahohichnoho universytetu imeni T. H. Shevchenka. - 2012. - Vyp. 99. -Rezhym dostupu : http://www.nbuv.gov.ua/portal/Soc_Gum/Vchdpu/ped/2012_99/Sykhov.pdf. - Nazva z ekrana.
3. Voronkin O. S. Problemy navchannia fizyko-matematychnykh dystsyplin u vyshakh kultury i mystetstv / O. S. Voronkin // Aktualni aspekty matematychnoi pidhotovky v suchasnykh VNZ: pohliad studentiv i molodykh vchenykh : materialy Vseukrainskoi naukovo-praktychnoi konferentsii studentiv i molodykh vchenykh (Kharkiv, 14-15 kvitnia 2015 roku). - Kh. : KhNADU, 2016. - S. 125-128.
4. Voronkin O. S. Problemy formuvannia pryrodnycho-naukovoi kartyny svitu pid chas navchannia fizyky / O. S. Voronkin // Aktualni pytannia biolohichnoi fizyky ta khimii : materialy IX mizhnar. nauk.-tekhn. konf. (Sevastopol, 22-26 kvit. 2013 r.). - Sevastopol : SevNTU, 2013. - S. 214-216.
5. Voronkin O. S. Prezentatsiia dosvidu roboty sektsii «Eksperymentalna fizyka» Komunalnoho zakladu «Luhanska oblasna mala akademiia nauk uchnivskoi molodi»: pozashkilna pidhotovka obdarovanoi molodi do naukovo-doslidnytskoi roboty / O. S. Voronkin // Materialy VI Mizhnarodnoho festyvaliu pedahohichnykh innovatsii (Cherkasy, 19-20 veresnia 2014 r.). - Cherkasy : ChOPOPP, 2014. - S. 136-139.
6. Voronkin O.S. Osoblyvosti orhanizatsii osobystisno zoriientovanoho navchannia fizyky u vyshchykh mystetskykh navchalnykh zakladakh I-II rivniv akredytatsii / O. S. Voronkin // Fizyko-matematychna osvita. - 2016. -Vyp. 4(10). - S. 21-24.
7. Vukho [Elektronnyi resurs] // Material z Vikipedii. - Rezhym dostupu : https://uk.wikipedia.org/wiki/Vukho. -Nazva z ekrana.
8. Fedorova V. N. Medicinskaja i biologicheskaja fizika. Kurs lekcij s zadachami : ucheb. posobie / V. N. Fedorova, E. V. Faustov. - M. : GJeOTAR-Media, 2008. - 592 s.
9. Zakon Vebera - Fekhnera [Elektronnyi resurs] // Material z Vikipedii. - Rezhym dostupu : https://uk.wikipedia.org/wiki/Zakon_Vebera_-_Fekhnera. - Nazva z ekrana.
SUBJECTIVE AND OBJECTIVE CHARACTERISTICS OF SOUND (METHODICAL DEVELOPMENT OF THE LECTURE) O. S. Voronkin
Prokofiev Severodonetsk regional music school, Ukraine Abstract. The article reveals the materials open lecture on the theme "Characteristics of sound", was delivered in public institutions "Severodonetsk regional music school. Prokofiev "in the framework of the discipline" Physics ". Consider objective (intensity, frequency, amplitude-frequency spectrum) and subjective (volume, pitch, timbre) of the sound characteristics, examines the relationship between them. Simplistically reveal the physical features of the structure of the auditory analyzer of man and of the mechanism of sound perception by the person. The expediency of use of a set of hardware and software in the study of this topic. The attention is focused on the application of computer modelling of acoustic phenomena and processes in order to improve the professional training of students of higher educational institutions of culture and arts I-II levels of accreditation. It is concluded that strengthening interdisciplinary connections in physics, mathematics, biology and music allows students to develop the ability to allocate the main thing in the training material, to compare, to generalize, to draw conclusions, develop observation, logical thinking, memory and attention.
Keywords: organization of teaching physics, intersubject connections, computer modelling.
