Как из физики получается музыка=)

Периодическим называется повторяющееся движение, у которого каждый цикл в точности воспроизводит любой другой цикл. Продолжительность одного цикла называется периодом.

Если тело способно колебаться без принуждения периодических внешних сил (например, если толкнуть маятник дальше он будет раскачиваться сам по себе) такие колебания называются свободными. Если же нет, (например, дверь которую открывают и закрывают) такие колебания называются вынужденными.

Все тела или совокупности тел, которые сами по себе способны совершать периодическое движение или колебания, называются колебательными системами.

Осциллограмма есть ни что иное как график движения – график зависимости пути от временит (точнее сказать: не пути, а отклонения от положения равновесия).

Колебание, какое совершает при равномерном движении точки по окружности проекция этой точки на какую-нибудь прямую линию называется простым или гармоническим и является частным видом периодического колебания. Т.к. кривая, изображающая гармоническое колебание есть синусоида, его также называют синусоидальным.

Число циклов гармонического колебания, совершаемых за 1 секунду называется частотой и измеряется в герцах (Гц). Говоря, что колебание имеет частоту мы, тем самым утверждаем, что это гармоническое колебание.

Про колебания одинаковой частоты, но смещенные по времени, говорят, что они сдвинуты по фазе. Смещение по времени выражается в долях периода, а разность фаз в угловых единицах (градусах или радианах. Здесь один период равен 360 градусам.).

Если колебания происходя без смещения (в одинаковой фазе) их называют синфазными. При запаздывании одного колебания на пол периода говорят, что колебания происходят в противофазе.

Незатухающие свободные колебания, которые происходили бы в колебательной системе в отсутствии трения называются собственными колебаниями системы.

Совпадение периода свободных колебаний системы с периодом внешней силы, действующей на эту систему называется резонансом. Амплитуда вынужденного колебания достигает наибольшего значения при резонансе.

У негармонического периодического колебания нет определенной частоты, т.к., согласно теореме Фурье, такое периодическое колебание представляет собой набор гармонических колебаний, и, следовательно, характеризуется не одной частотой, а набором частот, кратных наиболее низкой (основной) частоте, т.е. основной частоты v=1/T и ее обертонов 2v, 3v и т.д. Данные гармонические колебания складываются по правилам сложения движений и в итоге получается суммарное негармоническое колебание. Т.о. различие формы периодического колебания зависит от количества входящих в него гармоник, их амплитуд и фаз. На рисунке показано, как гармонические колебания, обозначенные пунктирными линиями складываются в негармоническое (сплошная линия).

В ряде случаях (например, звуковых колебаний) фазы гармоник не играют роли в физическом явлении и важны только их амплитуды и фазы. Набор этих частот и амплитуд называется (гармоническим) спектром колебания.

Человеческое ухо способно воспринимать колебания в диапазоне от 16Гц до 20кГц. Т.о. звук обуславливается механическими колебаниями в упругих средах и телах, которые лежат в диапазоне от 16Гц до 20кГц.

Колебания с указанными частотами называются звуковыми или акустическими, с частотами выше указанного диапазона — инфразвуковыми, а выше — ультразвуковыми.

Звук, который мы слышим, когда источник совершает гармоническое колебание называется музыкальным тоном или коротко тоном.

Громкость тона определяется амплитудой колебаний. Высот тона определяется частотой колебаний.

Для нашего уха существенны только частоты и амплитуды тонов, входящих в состав звука, т.е. тембр звука (его характеристика, позволяющая нам различать разные звуки, например отличать звук рояля от звука гитары) определяется его гармоническим спектром.

Если звук представляет собой ноту (периодическое колебание), но не является тоном (гармоническим колебанием), то это означает, что он состоит из суммы тонов: наиболее низкого(основного) и обертонов. Т.о. акустический резонанс возникаем каждый раз, когда совпадают частоты каких-либо гармоник звуков.

Музыкальный звук (ноту) мы слышим когда колебание периодическое. Если заставить звучать несколько нот, мы можем услышать приятный уху звук (консонанс) или наоборот — неприятный (диссонанс). Оказывается, консонируют, периоды которых находятся в отношении небольших целых числе. Например, консонанс получается при отношении периодов 2:3 (квинта), 3:4 (кварта), 4:5(большая терция). Если же периоды относятся как большие числа, например 19:23 получается диссонанс.

Если уйти еще дальше от периодичности колебаний, например ударив по многим клавишам рояля сразу, звук получится шумоподобным. Для шумов характерна сильная непериодичность формы колебаний. Либо это длительное колебание, но очень неправильное, сложное по форме (шипение, скрип), либо отдельные выбросы (щелчки, стуки). Во всех случаях, шумовые колебания состоят из огромного количества гармонических колебаний с разными частотами.

Немного о записи звука. Современная звукозапись появилась в результате усовершенствования фонографа, изобретенного Эдисоном. Устройство его было таким: колебания воздуха заставляли колебаться мембрану и прикрепленную к ней иглу. Игла при этом чертила на покрытом воском вращающемся цилиндре борозду переменной глубины. Профиль дна этой борозды в сущности есть осциллограмма колебаний иглы. Поставив иглу на исходную точку борозды и вновь вращая покрытый воском цилиндр, мы получим следующее: неровное дно борозды вызовет колебания иглы и мембраны. От мембраны колебания передадутся воздуху и мы услышим воспроизведенные звуки.

По сути, процесс звукозаписи есть превращение колебаний воздуха в иные колебания, а затем обратное превращение. Задача заключается в том, чтобы как можно меньше исказить спектр колебаний, сохранив таким образом тембр первичного звука. Для звукового восприятия неважно что именно заставляет воздух колебаться, важно чтобы до уха доходили колебания с одним и тем же спектром.

Источник: Элементарный учебник физики под редакцией Г.С. Лансберга