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音樂中的物理學(xué)
物理學(xué)，是研究物質(zhì)最一般的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的學(xué)科。以下是小編為大家收集的音樂中的物理學(xué)，僅供參考，希望能夠幫助到大家。
音樂中的物理學(xué)
一． 物理意義上的音樂聲
人們一般把機(jī)械波按其頻率分為不同的波。一般來說，振動(dòng)頻率在20Hz以下的叫做“次聲”。如地震前兆的大地震動(dòng)，海洋，大氣里傳播的氣流震動(dòng)，原子彈爆炸都有可能有次聲波。
振動(dòng)頻率在20到20000Hz之間的聲波叫做“可聽波”，即人耳可以聽到的聲音。當(dāng)然，對于每個(gè)人來說，可聽的范圍會有一些不懂，一般來說，年輕人的聽覺范圍比老年人要廣一些。
振動(dòng)頻率大于20000Hz的稱作超聲波。
在可聽聲里，人的唱歌聲大概從60Hz（男低音）到2500Hz（女高音）。鋼琴的最低音是27.5Hz最高是4086Hz。除了特大的管風(fēng)琴之外，幾乎所有的傳統(tǒng)樂器的發(fā)聲頻率都在這個(gè)區(qū)間之間。在可聽聲里，又分為樂音和噪音。凡是其振動(dòng)波形是周期性的，在頻譜上是分列的，聽起來是有一定的音調(diào)的，就叫做“樂音”。反之，凡是其振動(dòng)的波形不是呈周期性，在頻譜上是連續(xù)的，聽起來是沒有一定音調(diào)的，則稱作“噪聲”。
每一個(gè)樂音，即周期性的振動(dòng)都可以分解為許多不同頻率，不同相位，不同振幅的簡諧振動(dòng)的疊加，這叫做“富式分析”。簡單的簡諧振動(dòng)即正弦振動(dòng)或余弦振動(dòng)產(chǎn)生的聲波叫做“純音”。實(shí)際的樂音如歌聲和樂器聲都不是簡單的純音，而是許多純音的疊加。在這些簡諧振動(dòng)中頻率最低的叫“基頻”，頻率是基頻的整數(shù)倍的叫作“諧波”，頻率不是基頻的整數(shù)倍的叫作“分音”�；l，諧波，分音組成了實(shí)際的樂音。
我們所聽到的音樂中，除了一部分是樂音以外，還包括一部分物理意義上是噪音的部分，如鑼，鼓等沒有固定音調(diào)的打擊樂器，水聲，風(fēng)聲等效果聲等，當(dāng)然也是音樂聲的一部分。
很久以前的科學(xué)家就做過這樣的一個(gè)實(shí)驗(yàn)，把一個(gè)樂音中的20000Hz至50000Hz的高次諧波“切掉”，與原來的相比，二者聽起來是有明顯的區(qū)別的。這個(gè)實(shí)驗(yàn)說明了部分高次諧波對音樂的改變（尤其是音色）是有作用的。因此，也應(yīng)納入到音樂聲中。
所以，我們可以得出結(jié)論：從物理上來講，音樂聲應(yīng)由三部分組成，即樂音，
音樂中使用的“噪聲（單純物理意義上的）”和對音色有影響的諧波中存在的一部分超聲。
二． 音樂的四要素
作為聲波的一種的音樂確實(shí)是客觀物理量。但是音樂終究是一種藝術(shù)，是一種人們美的
享受 。一首歌曲或者音樂作品，都是要通過有主觀的人的創(chuàng)作或者表演，所以，表示音樂的主觀量和客觀量是既有區(qū)別也是有聯(lián)系的。
聲學(xué)的奠基人之一，德國物理學(xué)家亥姆霍茲就曾經(jīng)提過，音量，響度和音色是音樂的三個(gè)主觀量，在許多地方也一直沿用至今。當(dāng)然，其內(nèi)涵也是在不斷發(fā)展的。音有一定的高低，人們常說有高音，低音之分，所以音調(diào)是一個(gè)主觀量。一般來說，發(fā)聲體的振動(dòng)頻率越高，人們聽起來音調(diào)也越高。
音樂上用音名表示音調(diào)，即C D E F G A B以及升降號來表示，如果表示不同的八度還有小字一組即c1-b1，小字二組即c2-b2等等，中國的黃鐘，大呂，應(yīng)鐘等也是音名（同時(shí)也是律名）。
頻率與音調(diào)比不是嚴(yán)格按比例對應(yīng)的。一般認(rèn)為，頻率每增高2倍，音調(diào)聽起來高一個(gè)八度。這僅僅是在中段頻是這樣。在高音部分，聽感偏低，即頻率增加2倍，聽起來不到高八度而顯得偏低。相反的，低音段則聽感偏高，頻率增加相同的倍數(shù)聽起來音調(diào)偏高。
樂音聽起來有一定的強(qiáng)弱，即音的響度。這是樂音的第二個(gè)主觀量。音的能量越高，聲強(qiáng)越大，聽起來響度也就越大。但是兩者同樣也不是按比例一一對應(yīng)的。例如，對于低音，同樣的聲強(qiáng)，聽起來響度比較低，而在某個(gè)頻率處，如3000Hz處，同樣的響度聲強(qiáng)最小，即這個(gè)地方的聽覺最靈敏。
至于音色，那就更是一種主觀量了。從傳統(tǒng)上來講，決定音色的主要是頻譜的組成，即基頻，諧波和分音的數(shù)目，長短，相對強(qiáng)弱。所以也常常根據(jù)頻譜來
模仿各種音色。但是實(shí)踐證明，音的起始和結(jié)尾是的瞬態(tài)情況，即“音頭”和“音尾”，也同音色有很大的關(guān)系。例如，如果你把音頭截掉，你就很難分辨出長笛和小提琴的聲音。另外，音色也與聽者距離聲源的距離有關(guān)，因?yàn)橐粋�(gè)音的各種成分隨距離的衰減不同。
此外，時(shí)值，即振動(dòng)延續(xù)的時(shí)間，顯然對樂音也是有影響的。
綜上，可以把音樂歸結(jié)為四要素：音調(diào)，響度，音色和時(shí)值。
三． 生律方法與頻率的關(guān)系
把兩個(gè)相差八度音程的音順序排列，就成為了音階。常見的音階有三種，在一個(gè)八度之內(nèi)有五個(gè)音的就叫五聲音階，有七個(gè)音的就叫七聲音階，把一個(gè)八度音程分為十二個(gè)音階，就是半音階。
從一個(gè)音出發(fā)，如何“生”出音階的各個(gè)音，有不同的生律方法，不同的生律方法也就是不同的律制。用不同的律制構(gòu)成的音階，都是有嚴(yán)格的數(shù)學(xué)方法的。從物理的角度看，最常用的三種律制就是“十二平均律”，“五度相生律”和“純律”。
當(dāng)前的鋼琴和所有的鍵盤樂器使用的都是“十二平均律”，就是把一對八度音，即頻率比為1:2的兩個(gè)音之間按頻率等比分為十二個(gè)“半音”。由計(jì)算可以得出：后一個(gè)音是前一個(gè)的=1.05946倍，由a1=440.00Hz出發(fā)，有c1=261.63Hz。十二平均律是我國明代科學(xué)家朱載堉首先發(fā)明的，比西歐的早了幾十年。
十二平均律有許多的優(yōu)點(diǎn)，但是一般來說十二平均律沒有純律或者五度相生律那樣“純“。如果從一個(gè)調(diào)式主音開始，不斷地用三倍頻（上生五度）或者倍頻（下生五度）得出的音律就叫“五度相生律”；如果采用三倍頻和五倍頻生律，就成為了純律，通過簡單地計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，純音之間有最小的整數(shù)比關(guān)系。因此，人們聽起來覺得純律最“純凈”，“和諧”。
音調(diào)和頻率
音調(diào)是指聲音的高低，頻率是指聲音的震動(dòng)次數(shù)。高音調(diào)的聲音具有高頻率，而低音調(diào)的聲音具有低頻率。樂器中的聲音產(chǎn)生的頻率取決于許多因素，如樂器的形狀和大小，以及樂器中震動(dòng)的空氣柱的長度。
聲音的原理
聲音是一種壓力波：當(dāng)演奏樂器、拍打一扇門或者敲擊桌面時(shí)，他們的振動(dòng)會引起介質(zhì)——空氣分子有節(jié)奏的振動(dòng)，使周圍的空氣產(chǎn)生疏密變化，形成疏密相間的縱波，這就產(chǎn)生了聲波，這種現(xiàn)象會一直延續(xù)到振動(dòng)消失為止。
聲音作為波的一種，頻率和振幅就成了描述波的重要屬性，頻率的大小與我們通常所說的音高對應(yīng)，而振幅影響聲音的大小。聲音可以被分解為不同頻率不同強(qiáng)度正弦波的疊加。這種變換（或分解）的過程，稱為傅里葉變換(Fourier Transform)。
因此，一般的聲音總是包含一定的頻率范圍。人耳可以聽到的聲音的頻率范圍在20到2萬赫茲之間。高于這個(gè)范圍的波動(dòng)稱為超聲波，而低于這一范圍的稱為次聲波。狗和蝙蝠等動(dòng)物可以聽得到高達(dá)16萬赫茲的聲音。鯨和大象則可以產(chǎn)生頻率在15到35赫茲范圍內(nèi)的聲音。
聲音的傳播用量子力學(xué)解釋便是原子的運(yùn)動(dòng)，形成了聲波。但這與波粒子等名詞沒有聯(lián)系。
樂器的共振
共振是指在某個(gè)頻率下物體自身的震動(dòng)強(qiáng)度最大。樂器中的聲音產(chǎn)生的共振取決于樂器的結(jié)構(gòu)和材料。例如，木制吉他的共振頻率通常在100至200赫茲之間。
聲波的傳播
聲波是一種機(jī)械波，需要介質(zhì)傳播。聲波在空氣中的傳播速度約為每秒343米。聲波的傳播速度取決于介質(zhì)的密度和彈性模量。
應(yīng)用物理學(xué)原理
在音樂制作和音樂工程中，物理學(xué)原理發(fā)揮著重要的作用。例如，通過改變樂器的形狀和大小，可以改變產(chǎn)生的頻率和音調(diào)。通過調(diào)整揚(yáng)聲器和混響的位置和角度，可以控制音樂的聲場和共鳴。
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