Департамент образования и науки

Ханты-Мансийского автономного округа - Югры

Б Ю Д Ж Е Т Н О Е У Ч Р Е Ж Д Е Н И Е

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ХАНТЫ-МАНСИЙСКОГО АВТОНОМНОГО ОКРУГА - ЮГРЫ

«Ю Г О Р С К И Й П О Л И Т Е Х Н И Ч Е С К И Й К О Л Л Е Д Ж»

(БУ «ЮГОРСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ»)

ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ

Специальность:  44.02.02      Преподавание в начальных классах

Учебная дисциплина: Физика

ЭНЕРГИЯ МУЗЫКИ

Автор

Штир Маргарита Владимировна                курс                1        гр.        НК-24-1        

Руководитель

Инна Николаевна Кулаева

К защите                                                        Защита принята с оценкой

_______________________

«____» ____________20___ г.                        «____» ____________20___ г.

Подпись________________                                Подпись_________________

г. Югорск, 2025

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

 Музыка всегда была и будет неотъемлемой частью нашей жизни. Сегодня многие учащиеся не мыслят свою жизнь без музыкального сопровождения и так как ведущей деятельностью современного подростка является учебная, выявление музыки, благотворно влияющей на работоспособность, поможет оптимизировать познавательный процесс и, в частности, образовательный.

Цель: рассчет  энергии некоторых  музыкальных  жанров, которые  слушают  подростки.

 Задачи:

1. Выяснить, что такое  музыка с точки  зрения  физики.
2. Проанализировать музыкальные жанры популярные среди подростков, сравнить  их  звуковые  характеристики.
3. Экспериментально проверить влияние музыки на способность подростков запоминать.
4. Выяснить  от  каких  характеристик  зависит  энергия  музыки  и  как  ее  найти.
5. Сделать  выводы.

Объект исследования: энергия  музыки (звука).

Предмет исследования: влияние музыки на  способность  человека запоминать.

Гипотеза: музыка, которую  слушают  во  время  занятий  студенты,  плохо  влияет  на  способность  запоминать.

         Литературы, описывающей  влияние  музыки  на  человека, много.  Источников, которые  помогли бы  найти, как  рассчитать  энергию  музыки, нет. Музыка  слишком  многогранна.  Ее  свойства можно  описать словами, но не математическим  языком, поэтому  в  своей  работе  я  использовала  понятие «звук» и «звуковая волна».

1: Звук как  физический  объект

1.1Физическая сущность звука

        С точки зрения физики звук – это механические упругие волны, распространяющиеся в жидкостях, газах и твердых телах, которые образуются в результате колебаний и изменения атмосферы, а также объектов вокруг нас. Даже при разговоре вы слышите своего собеседника потому, что он воздействует на окружающий воздух. Также, когда вы играете на музыкальном инструменте, ударяете ли вы по барабану или вздергиваете струну, вы производите колебания некоторой частоты, которые в окружающем воздухе производят звуковые волны.  [1]

В зависимости от частоты звуковых колебаний, громкости, ритма и гармонии, звук может воздействовать на организм человека как положительно, так и отрицательно. Верно подобранные звуковые колебания могут активизировать резервы человека. С помощью звука сердечный ритм, пульс, дыхание, пищеварение, могут быть скоординированы.  Колебания звуковой волны обозначают в Герцах.

Под 1 Гц понимают одно исполнение процесса биения за одну секунду, другими словами – одно колебание в секунду. Почти с такой же частотой в спокойном состоянии бьётся человеческое сердце (примечательно, что Herz в переводе с немецкого означает «сердце»).

Звук разделяется на 3 вида, такие как:

1. Инфра (0Гц-20Гц)
2. Слышимый или акустический (20Гц-20кГц)
3. Ультра (20кГц-1ГГц)

Причиной звука является вибрация тел, хоть она зачастую не заметна нашему глазу.

Источниками звука выступают физические тела, которые колеблются с частотой от 16 до 20000 раз в секунду. Вибрирующее тело может быть твердым (струна), газообразным (воздух, который выдувается духовыми музыкальными инструментами) и жидким (волны в море)

Музыкальный звук — звук, обладающий:

- Определённой высотой (от 16 до 4000 — 4500 Гц);
- Тембром, который определяется присутствием в звуке обертонов и зависит от источника звука. По тембру звуки очень разные;
- Уровнем громкости, который не должен превышать порог болевого ощущения;
- Продолжительностью.

Физическая особенность музыкального звука заключается в том, что звуковое давление в нём является периодической функцией времени. Музыкальные звуки организуются в систему. Базой для построения музыки является звукоряд. Динамические оттенки подчиняются шкале громкостей, не имеющей абсолютных значений. В наиболее употребительной шкале длительностей соседние звуки находятся в отношении 1:2 (восьмые так относятся к четвертям, как четверти к половинам, и т.п.). [2]

Из музыкальных звуков строится вся музыка. Для написания музыкальных звуков используются нотные знаки. Исследованиями музыкального звука занимается музыкальная акустика.

1.2 Влияние звуковых колебаний на состояние человека

         Звуковая волна, как и любая другая продольная волна, приходит единым фронтом, и её действие продолжается некоторый промежуток времени, в течение которого сохраняется изменённое состояние клеток. С рассеиванием звуковой волны клетки тела возвращаются к качественному состоянию, в котором они находились до прихода волны. При этом человек переживает соответствующие эмоции. [1]

Таким образом, звуки музыки вызывают у слушателей вынужденные эмоции. Вопрос заключается в том, какие вынужденные эмоции создаёт та или иная музыка?

Распространение звуков в пространстве происходит достаточно быстро. Распространяющиеся волны чередуются друг с другом с различной частотой. Поэтому звуки, которые мы слышим, занимают разную высоту.

Волны, которые имеют наименьшую частоту колебаний, воспринимаются как низкие, ударные(басовые) звуки. И наоборот, волны, чередующиеся с высокой частотой колебаний, воспринимаются слухом как высокие.

Что касается организма человека, то в настоящее время, в результате скрупулезных опытов доказано, что каждый орган человеческого организма резонирует с определенной частотой колебаний. Приведем резонансы некоторых органов:

20-30 Гц (т.е. 20-30 колебаний в секунду) – резонанс головы

40-100 Гц – резонанс глаз

0.5-13 Гц – резонанс вестибулярного аппарата

4-6 Гц – резонанс сердца

2-3 Гц – резонанс желудка

2-4 Гц – резонанс кишечника

6-8 Гц – резонанс почек

2-5 Гц – резонанс рук

Вибрация звуков создает энергетические поля, заставляющие резонировать каждую клеточку человеческого организма. Тело  «поглощает» энергию, образованную музыкальными звуками (волнами), которая нормализует ритм дыхания, пульс, артериальное давление, температуру, снимает мышечное напряжение. Негармоничная музыка может с помощью электромагнитных волн изменять кровяное давление, частоту сердечных сокращений, ритм и глубину дыхания вплоть до полной его остановки на короткий промежуток времени. [3]

Как и у всего в этом мире, у музыки наблюдаются свои положительные и отрицательные стороны. К плюсам следует отнести: повышение настроения, дополнение к отдыху, нормализация кровяного давления, регуляция уровня сахара в крови, уничтожение тифозной палочки, возбудителей желтухи и вирусов гриппа, ускорение выздоровления, пробуждение телесно-двигательной реакции человека. Если темп 130-140 ударов в минуту, то музыка вводит человека в транс, а значит с помощью музыки можно управлять людьми, которые даже не будут об этом подозревать.

Отрицательные аспекты чаще всего можно наблюдать у направлений «металл», «тяжелый рок»: возбуждает, ожесточает, усиливает агрессию, выделяется кортизол, стресс-гормон, который стирает хранившуюся в мозге информацию.

1.3 Как  рассчитать  энергию  звука (голоса, музыки)

             Для расчёта энергии звука, в том числе голоса и музыки, можно использовать формулу: E = I * A * T, где E — энергия звука (джоули), I — интенсивность звука (Вт/м²), A — площадь (м²) и T — время (секунды).

             Чтобы рассчитать звуковую энергию, нужно умножить интенсивность звука на площадь, затем снова умножить на время. Площадь  помещения  играет  важную  роль. Например, большие  залы  не  рассчитаны  на  обычный  человеческий голос  и  чем  дальше  ты  находишься, тем  хуже слышно.

             Для расчёта энергии голоса можно учитывать, что мощность обычного разговорного голоса обычно составляет около 10 мквт. При усилении голоса мощность звука возрастает до сотен мквт, а у певцов доходит даже до сотен тысяч мквт. [4]

             Интенсивность звука (I) рассчитывается как отношение мощности звуковой волны (P) к площади (A).

Формула для расчёта: I = P / A, где P — мощность звука, A — площадь. В системе СИ интенсивность звука измеряют в ваттах на квадратный метр (Вт/м²). 

             Если  подставить  формулу  интенсивности звука  в  формулу  энергии,  то  получится  формула  энергии, которую  часто  используют  в физике:  Е=Р*Т.  

По  данной  формуле  можно  рассчитать  энергию  песни – нужно  мощность умножить  на  время ее  звучания.

2: Влияние мощности звукового сигнала на  подростков

Современные  подростки  часто  используют  наушники  для  прослушивания  музыки  и  часто- во время  занятий. Определим  как  влияет  мощность  звукового  сигнала (точнее жанра музыки) на  восприятие  учебного  материала (способность  запоминать). Для  этого  выясним:

1. Что  слушают  современные  подростки?
2. Определим примерные  мощности  данных  музыкальных произведений.
3. Выясним, как  влияет  мощность  звукового  сигнала (точнее жанра музыки) на  восприятие  учебного  материала (способность  запоминать).

1. Опыт применения музыки в познавательном процессе учащихся

    Основной методикой сбора информации в исследовательской работе была специально составленная анкета, которую  предложили студентам (опрос проводился среди 50 человек). Участники заполняли анкету согласно предложенной инструкции, выделяя варианты ответов.

По  результатам опроса на данный момент самыми  популярными жанрами музыки являются:

• Рок (50%)
• Реп (25%)
• Поп (15%)
• Классическая музыка (10%)

Данные жанры мы будем подробно рассматривать и использовать в дальнейших опросах и экспериментах.

2.2 Выявление наиболее подходящих жанров для учебных занятий

После  опроса  провели  эксперимент.
Предложили студентам в течение 10 минут учить текст под различные жанры музыки и попросили их  следить за тем как изменяется их способность запоминать в зависимости от выбранного жанра музыки.

Для благоприятной умственной работы участники отдали предпочтение классической  музыке и поп, но  в 80%  случаев  отметили, что  музыка  мешает  запоминанию  и  лучше  ее  отключить. Как заявили сами участники: было просто невозможно заниматься умственной деятельностью под реп и рок. Они часто отвлекались, было сложно концентрировать свое внимание, настроение заниматься своим делом дальше пропадало.

При  этом  также  отметили, что музыка  поможет  в  физической  работе.

Все просто! Из теории, музыка которая имеет ритмический рисунок до 130 ударов в минуту (такой ритмический рисунок как раз наблюдается у поп-музыки) способствует вхождению человека в транс, таким образом он начинает лучше концентрироваться на поставленной задаче. Данные жанры музыки создают своими звуковыми вибрациями энергетические поля, которые в свою очередь благоприятно воздействуют на организм человека: поднимается настроение, нормализуется давление и дыхание, что способствует хорошей и эффективной работе мозга. [4 ]

Рэп и рок же больше подходят для занятия физическим трудом, так как имеют ритмический рисунок 140 и более ударов в минуту. Такой быстрый ритм музыки оказывает сильное воздействие на организм человека: кровообращение начинает ускоряться, из-за высокой частоты колебаний звуковых волн тело начинает сильно резонировать, задается нужное настроение для занятия спортом и иным физическим видом деятельности.

2.3 Распределение мощности в спектрах музыкальных сигналов

Отследим  мощность  разных  жанров.

Перед данной работой ставились следующие цели:

• исследовать спектры реальных музыкальных сигналов;
• определить зависимость мощности попадающей на ВЧ динамик, подключенный к усилителю через фильтр от порядка фильтра для разных музыкальных произведений (ведь для каждой песни эта величина своя, не так ли?). ВЧ динамик берется для исследований потому, что он представляет собой «слабое звено» акустической системы — он расчитан на меньшую мощность, чем НЧ динамик, и куда легче сгорит при «передозировке» мощности. Эти же методы применимы и к остальным динамикам системы;
• определить зависимость мощности попадающей на ВЧ динамик, подключенный к усилителю через фильтр от частоты среза этого фильтра;
• найти метод оценки распределения мощностей между динамиками многополосной акустической системы;
• и другое.

Все, что здесь представлено, получено путем «компьютерного эксперимента». Тем не менее, результаты достоверны, так как для работы использовались программы, а в качестве звукового материала — реальные музыкальные записи (обязательно аудио, не mp3 — вероятность аудиозаписи, полученной конвертированием из этого формата специально проверялась). [5]

2.3.1 Исследование спектров сигнала

Для исследования спектров были выбраны 8 композиций различных жанров (рок, диско, легкая музыка 60-х, современное диджейское «тыц-тыц»). Треки  исследованы в программе Adobe Audition. Выбор песен основывался на разнообразии жанров и «персональных особенностях» — например у группы Supermax много низких; а «тыц-тыц»  выбирали по максимальному содержанию высоких частот . Хорошо видно, что кривой DIN распределения энергии спектра наиболее соответствует Paul Anka с песней Diana (по характеру звучания, манере исполнения и репертуару он близкок с группой Platers). У остальных спектры ближе к розовому шуму, да и то, низкие и высокие зачастую оказываются «приподнятыми». Например, после фильтра с частотой среза fс = 3,5 кГц у группы Supermax спад АЧХ начинается на частотах ниже 1 кГц, а выше АЧХ практически горизонтальна. То есть, диапазон частот, который приходится на динамик получается гораздо шире, чем предполагалось (реально от 1 кГц до 20 кГц, а не от 3,5 кГц).

          Теперь посчитаем, что там делается в спектрах, приведенных выше. С помощью Adobe Audition определяем статистические параметры исходных сигналов (в звуковых файлах). И параметры тех же сигналов, но после фильтрации. Вот результаты:

Примечания:

• Средняя  мощность рассчитывается по всей песне целиком
• Максимальная  мощность вычисляется в окне длительностью 50 мсек (т.е.это кратковременная пиковая мощность)
• Пиковое значение — вообще одноразовый отсчет — максимальное значение из всей песни
• Процент считается, как отношение амплитуды после прохождения фильтра, к исходной.

Вообще-то пик — это такая штука, что на нее можно не обращать внимания. Это очень кратковременный, следовательно высокочастотный всплеск. Поэтому применения фильтра мало влияет на пиковую мощность.

Ну что можно сказать? Разброс +/- 50% от среднего значения даже на такой маленькой выборке говорит по крайней мере о двух вещах:

1. Музыка очень сильно различается не только по своему эмоциональному воздействию, но и по своим «техническим характеристикам».
2. Все расчеты могут выполняться только для некоторых среднестатистических значений. При этом надо иметь ввиду, что всегда найдется песня, у которой спектр сильно отличается от среднего. На этот «крайний» случай обязательно будем предусматривать хороший запас при расчетах. В дальнейшем, я попробую оценить этот запас поточнее.

Спектры  разных  произведений  наложили  друг на  друга:

Из этого рисунка можно сделать вывод: Спектры разных музыкальных произведений различаются между собой очень сильно. Особенно в области высоких и низких частот, где различия достигают 30 дБ и более.     [6]

2.3.2 Определение относительных мощностей сигнала в частотных диапазонах

К этим пяти жанровым файлам добавили предыдущий сборный файл (он состоит из других песен), который теперь так и называется «Микс». Итого 6 жанров.

Средняя мощность:

и максимальная мощность:

Видно, что средние мощности различаются в 1,5-2 раза. Пиковые — еще сильнее.

         Теперь рассматриваем исходные музыкальные файлы по-отдельности, не объединяя их в один общий файл, и для каждого из них строим упомянутую выше зависимость. Для экономии времени, сравниваем  не все файлы, а по 3-5 каждого жанра. Принималась в расчет только средняя мощность, но и при этом результаты сильно различаются не только от жанра к жанру, но и внутри каждого из них:

       Последний («Обобщенный») график собирает все зависимости «до кучи», позволяя воочию увидеть жуткий разброд, царящий в спектрах.

Интересно, что сумма относительных мощностей динамиков составляет 78 + 75 + 30 = 183%. Это означает, что суммарная мощность головок громкоговорителей больше мощности усилителя почти в два раза!

Нельзя  включать звук на полную громкость!  У  разных жанров разная мощность и увеличение  громкости приводит  к  негативным  последствиям для  организма  человека,  влияет  не  только  на  слух, но и на восприятие  человека реальности.  Самой  большой  мощностью (и энергией)  обладает  рок  и реп, самой низкой – классическая музыка, музыка 60-80 годов.

Даже низкий уровень мощности мешает концентрации внимания во время умственной работы. Музыка, пусть даже совсем тихая, снижает внимание. Когда звук становится громче, организм производит много гормонов стресса. Действие шума оказывает общее утомления, может привести к глухоте. Оказывая действие на кору головного мозга, шум вызывает раздражающее действие, ускоряет процесс утомления, ослабляет внимание и замедляет процесс запоминания информации. [7]

 Заключение

Музыка оказывает глубокое и многостороннее влияние на организм человека. Она воздействует практически на все функции в теле, а также на эмоции, желания, чувства. 

Считается, рассчитать  энергию  музыки  невозможно, что  музыка  слишком  многогранна,  и  описать  ее красоту с  помощью математического языка  невозможно.  Поэтому использовала  формулу  для  расчета  энергии  звука, которая  зависит от  мощности звука.

По  своей  работе  могу  сделать  следующие  выводы:

• Подростки сейчас  часто  слушают  музыку и зачастую во время занятий.
• Чаще  всего  слушают  рок, рэп.  Эти  жанры  популярной  музыки  обладают  большой  мощностью  и, следовательно, энергией, что  было  доказано  исследованием.
• Из опроса 50 студентов было выяснено, что даже низкий уровень мощности мешает концентрации внимания во время умственной работы. Музыка, пусть даже совсем тихая, снижает внимание.  А  если   звук становится громче, то  организм производит много гормонов стресса. Действие шума оказывает общее утомление, оказывая действие на кору головного мозга, шум вызывает раздражающее действие, ускоряет процесс утомления, ослабляет внимание и замедляет процесс запоминания информации.

Поэтому  наушники, которые  используют  студенты, прослушивание  музыки  во  время  пар, не  дает  возможность  запоминать, учиться.

Гипотеза подтвердилась.

Список источников

1.Биология. Человек. Учебник для 8 класса - Сонин Н.И., Сапин М.Р.

2.А.В. Перышкин, Е.М. Гутник. Физика 9 класс. Изд-во «Дрофа». 2000.

3. В.А. Касьянов. Физика 10 класс. Изд-во «Дрофа». 2002.

4. Физика в школе. Научно-методический журнал. № 7, 2005, стр. 74.

5. Энциклопедия юного физика. Просвещение. 1985.

6. http://www.beatles.ru/books/articles.asp?article_id=569

7.http://toe.moy.su/index/0-13