Взаимодействие струн и звукоснимателей
Вложение | Размер |
---|---|
ilinkova_vzaimodeystvie_strun_i_zvukosnimateley_.docx | 825.54 КБ |
УДК 534.42
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СТРУН И ЗВУКОСНИМАТЕЛЕЙ
В ЭЛЕКТРОГИТАРЕ
П.А. Ильинкова, ученица 8А класса,
МБОУ «Гимназия №93» Советского района г.Казани
Руководитель: Р.Г.Арсланова, кандидат педагогических наук,
учитель физики высшей кв. категории МБОУ «Гимназия №93»
Введение
С древних времен по настоящее время музыка занимает важное место в жизни человека. Для восприятия различных звуков у людей, как и у других млекопитающих, имеются органы слуха. Что же такое звук? Это физическое явление, представляет собой распространение механических колебаний посредством продольных упругих волн в твёрдой, жидкой или газообразной среде. Как любая волна звук характеризуется амплитудой. Этот параметр определяет громкость звука. Из всего многообразия звуков можно выделить музыкальные звуки. Высота музыкального звука или его основной тон определяется частотой колебаний звуковой волны. Как известно, мелодию музыкального произведения записывают с помощью нот, указывающих последовательность, высоту и длительность звуков. Однако одна и та же мелодия, исполняемая на различных музыкальных инструментах, слышится по-разному. Это связано с тем, что кроме основного тона музыкальный звук имеет так называемые обертоны – колебания с частотой, кратной основному тону. Собственно, именно это (наличие основного тона и кратных ему обертонов) и отличает музыкальный звук от обычного шума. Количество и интенсивность обертонов придают звуку окраску или тембр. Как раз тембр и определяется конструкцией и качеством музыкального инструмента, так как в звукообразовании принимают участие все его элементы.
Актуальность исследования.
Приобщение детей к музыке является очень важным, так как способствует их духовному развитию. Причем наилучшие результаты достигаются когда задействованы различные области музыкальной деятельности, состоящие не только в пассивном прослушивании уже написанных музыкальных произведений, но и собственных активных экспериментах в композиции, вокальном и инструментальном исполнении. Для этого требуются качественно сделанные и настроенные музыкальные инструменты, однако оценка качества изготовления и выполнение настройки доступны только опытным музыкантам с уже развитым слухом, а у детей вызовет затруднение. Использование приборных методов позволит решить эту проблему.
Цель исследования.
Изучить процесс звукообразования для одного типа музыкальных инструментов – электрогитары, поскольку использование приборных методов в данном случае наиболее легко реализуемо. Оценить влияние различных параметров на качество звука. Сформулировать основные подходы для оценки качества звучания.
Методы исследования.
Использованы обычные в радиоэлектронике приборные методы исследования электрических сигналов с применением компьютерных измерительных систем.
Практическая значимость.
Возможность визуального наблюдения сигнала, измерение его параметров, сравнение с эталонными, позволит упростить и сделать объективным процесс оценки качества и настройки электрогитар.
Изучать процесс образования звука наиболее удобно на электроинструментах – классе музыкальных инструментов, возникшем и получившем развитие в ХХ веке. Одним из представителей этого класса является электрогитара, изображенная на рис. 1.
В отличие от классической гитары, у которой звук образуется за счет колебания струн с последующим усилением в резонаторе, колебания металлических струн электрогитары наводят в звукоснимателях электромагнитные колебания, которые затем обрабатываются и усиливаются в специальной аппаратуре.
Рис. 1. Электрогитара
Такой принцип действия электрогитары определяет некоторые особенности ее конструкции. Во-первых, для наведения электромагнитных колебаний требуются не просто металлические, а обязательно обладающие магнитными свойствами струны. Например, применяемые в классических струнных инструментах бронзовые струны не подойдут. Струны электрогитары изготавливают из стали или сплавов, содержащих никель. Во-вторых, для обеспечения тональности как у классической гитары стальные струны необходимо натягивать со значительно большим усилием, чем, например, синтетические. Это требует большой прочности и жесткости грифа и корпуса электрогитары по сравнению с классической. Высокая жесткость электрогитары приводит к тому, что звукообразование определяется только взаимодействием между струнами и звукоснимателями. В-третьих, результатом звукообразования является электрический сигнал, который можно обрабатывать и наблюдать с помощью специальных приборов. Эти особенности и предопределили выбор электрогитары в качестве исследуемого объекта.
Используемое измерительное оборудование
Для исследования электрического сигнала, получаемого с электрогитары, использовался прибор осциллоскоп HS-3, показанный на рис. 2.
Рис. 2. Осциллоскоп HS-3.
Используемый совместно с компьютером HS-3, может работать как осциллограф, вольтметр, самописец, анализатор спектра частот, звуковой генератор. Вход прибора с помощью изготовленного переходника подсоединялся к электрогитаре. Однако обычно электрогитара имеет несколько звукоснимателей различной конструкции (см. рис. 3), и возможность соединять их в нескольких комбинациях.
Рис. 3. Система звукоснимателей исследуемой электрогитары
В исследуемой электрогитаре применялись два звукоснимателя типа "сингл" и один звукосниматель типа "хамбакер".
Основой электромагнитных звукоснимателей является индукционная катушка. Одна – в звукоснимателях типа "сингл", и две, включенные встречно, в звукоснимателях "хамбакер". Схема таких звукоснимателей показана на рис. 4.
Рис. 4. Схема звукоснимателей исследуемой электрогитары
Встречное включение катушек звукоснимателя типа "хамбакер" способствует снижению шумов, но ослабляет полезный сигнал. Звукосниматель типа "сингл" выдает неискаженный сигнал, поэтому для исследования использовался именно этот тип звукоснимателя. Система звукоснимателей исследуемой электрогитары позволяла включать только первый "сингл", только второй "сингл" или оба вместе. Схема подключения звукоснимателей определялась исходя из следующих соображений:
Как отмечалось выше, звукообразование в электрогитаре происходит только за счет взаимодействия струны и звукоснимателя, остальные элементы конструкции можно считать абсолютно жесткими и не участвующими в звукообразовании. Тогда наличие обертонов обуславливается сложной картиной колебаний струны, показанной на рис. 5.
Рис. 5. Формы колебаний струны
Колебание струны по первой форме на рис. 5. обеспечивает основной тон звучания, вторая, третья и т.д. формы колебаний обеспечивают соответственно первый, второй и т.д. обертоны. Причем видно, что наибольшие амплитуды наблюдаются на расстоянии от мест закрепления струны. Поэтому для повышения чувствительности использовался звукосниматель "сингл" первый, расположенный ближе к грифу гитары.
Исследование сигналов
На рис. 6. показан сигнал, полученный прибором HS-3 в режиме "осциллограф" при колебании шестой струны.
Рис. 6. Осциллограмма колебания шестой струны
По оси ординат располагается амплитуда сигнала в вольтах, по оси абсцисс – реальное время. Видно, что колебания струны имеют сложный характер. Можно заметить правильную синусоиду максимальной амплитуды, соответствующую основному тону, и колебания меньшей амплитуды различных частот, соответствующие обертонам, т.е. все формы колебаний происходят одновременно. Сигнал, такой сложной формы трудно анализировать в режиме "осциллограф", удобнее с помощью специальной программы построить его частотный спектр. На рис. 7. показан частотный спектр колебаний шестой струны, полученный прибором HS-3 в режиме "анализатор спектра".
Рис. 7. Частотный спектр колебания шестой струны
Здесь по оси ординат также располагается амплитуда сигнала в вольтах, а по оси абсцисс – частота сигнала в герцах. Видно, что спектр сигнала содержит ярко выраженные пики, соответствующие основному тону и обертонам. С помощью встроенного алгоритма было рассчитано общее гармоническое искажение, результат показан в маленьком окне на рис. 7. Найдена частота основного тона 85,94 Гц и амплитуды найденных десяти обертонов, причем амплитуды убывают с ростом частоты. Такой сигнал однозначно соответствует музыкальному звуку.
Подобный анализ спектра был сделан и для остальных струн с пятой по первую. Его результаты показаны на рис. 8.
Рис. 8. Анализ сигналов всех струн электрогитары
Можно заметить, что сигнал третьей струны нарушает закономерность, присущую музыкальному звуку: здесь первый обертон имеет большую амплитуду, чем основной тон. Для выяснения причин подобного отклонения были сняты сигналы от различных наборов струн. Получено, что такое отклонение возникает у старых, неравномерно вытянутых струн, что показано на рис. 9 и 10.
Рис. 9. Частотный спектр колебания новой струны
Рис. 10. Частотный спектр колебания изношенной струны
Видно, что у старой струны характер сигнала нарушается: основной тон перекрывается обертонами, причем обертоны начинают сливаться, образуя на высоких частотах шум.
Заключение
Подводя итог, можно сделать следующие выводы:
1. Использование приборных методов исследования сигналов, получаемых со звукоснимателя, позволяет производить оценку качества звука.
2. Сигнал следует снимать со звукоснимателя типа "сингл", расположенного ближе к середине струны.
3. Анализ сигнала наиболее удобно производить в режиме "анализатор спектра".
4. Оценку качества наиболее удобно производить путем сравнения получаемого сигнала с эталонным.
Таким образом, найден объективный способ проверки качества струн, позволяющий производить их отбраковку до того как дефекты звучания станут заметны на слух.
Литература:
1. Детлаф А. Яворский Б. М. Курс физики: Учеб. пособие для втузов. - М.: Высш. шк., 1989. – 608 с.: ил.
2. Хрестоматия радиолюбителя. Изд. 4-е, переработ. и доп., М.-Л., издательство «Энергия», 1966. 360 стр. с илл. (массовая радиобиблиотека.) Вып. 602.
Электронные источники
Для чего нужна астрономия?
Фокус-покус! Раз, два,три!
Украшаем стену пушистыми кисточками и помпончиками
Без сердца что поймём?
Рисуем ветку берёзы сухой пастелью