Проект по физике на тему: " Гитара и физика".

МУНИЦИПАЛЬНОЕ КАЗЁННОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  ЗАРЕЧНАЯ СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА

_____________________________________________________________________________________

155421, Ивановская область, Заволжский район, с. Заречный, ул. Фабричная, 18,

телефон: 84933324118, e-mail: zarech_shcool@bk.ru

                                                    Проект  по физике

                               Тема: «Гитара и физика».

                                                                                                          Выполнила:                                                            

                                                                     ученица 8 класса: Аношина Амина.

                                                                        Руководитель:

                                                                        Зайцева Ольга Николаевна,

                                                                                        учитель физики

                                                                               МКОУ Заречная СОШ.

                                                        2024г.

                                       Содержание

Введение…………………………………………………………………3

Устройство электрогитары……………………………………………. .4

Информация о звукоснимателях. .……………………………………. .8

Акустический резонанс...………………………………………………11

Практическая  часть ……………………………………………………13

Заключение...……………………………………………………………15

Список литературы……………………………………………………..16

ВВЕДЕНИЕ

         Гитара – струнный  щипковый  музыкальный  инструмент, один из самых распространенных в мире. Применяется  во многих музыкальных стилях и направлениях  музыки и является основным инструментом в таких музыкальных  жанрах, как  блюз, кантри, рок-музыка, иногда джаз  и др.

С момента появления и в процессе развития появилось много  классификаций  гитар, но в рамках  физики все они делятся на акустические и электрические.

Но как они работают, откуда берется  звук и как они устроены? Об этом и будет проект.

Актуальность  этой работы обусловлена изучением образования  звука в электрогитаре и как она устроена, так как это очень популярный  инструмент и немало людей было бы не прочь разобраться в его устройстве.

Проблема: как устроена  электрогитара и как она работает.

Цель: изучить устройство электрогитары, попробовать изготовить звукосниматель.

Устройство электрогитары

 Электрогитара по сути своей не является акустическим инструментом, в отличие от обычной гитары, которая имеет резонаторную камеру (деку с розеткой), которая формирует и «усиливает» звук, образующийся в результате колебания струн.

Электрогитара это струнный щипковый электрический музыкальный инструмент, разновидность гитары, имеющая электромагнитные звукосниматели, преобразующие колебания металлических струн в колебания электрического тока. А также данная разновидность гитар имеет разные формы корпуса.

         Электрогитара состоит из следующих элементов:

Колок — деталь конструкции, служащая для натяжения струн.

Гриф — длинная узкая пластинка, которую прикрепляют к шейке гитары и над которой натягивают струны.

Корпус (дека) — лицевая сторона электрогитары, над которой натягивают струны с помощью струнодержателя, колков и пр.

Звукосниматель (датчик) — устройство, преобразующее колебания струны в электрический ток.

Струнодержатель — деталь, служащая для закрепления нижних концов струн.

Струны — источник звука электрогитары, их звучание зависит от амплитуды, формы и частоты колебаний, совершаемых гитаристом.

Сердцем каждой электрогитары является магнитный звукосниматель, улавливающий колебание струн и преобразующий их в электрический сигнал, который попав в гитарный усилитель, и образует тот самый звук, который мы слушаем уже много лет.

Для воспроизведения звука электрогитара электронным образом улавливает колебания струн и направляет сигнал на усилитель и динамик. Само восприятие происходит в магнитном датчике, установленном под струнами на корпусе гитары.

Усилители и дисторшн.

Подавляющее большинство электрогитар полностью пассивные. То есть, они сами по себе не потребляют энергии, и вам не нужно подключать их к источнику питания. (У некоторых электрогитар на борту есть «активная» электроника, питаемая от встроенной батареи.) Вибрация струн создает сигнал в катушке звукоснимателя. Этот базовый сигнал без усиления выходит из гитары в усилитель.

Работа усилителя состоит в том, чтобы принять сигнал гитары и сделать его слышимым, усилив его достаточно, чтобы раскачать динамик. Удивительная вещь об усилителе для электрогитары заключается в том, что на самом деле он является частью инструмента.

Роль усилителя для электрогитары полностью отличается от роли усилителя в стереосистеме. Усилитель в стерео должен быть прозрачным — его задача — воспроизводить и усиливать звук с минимальными искажениями. С электрогитарным усилителем музыканты часто ищут искажения (дисторшн), а также вариант «чистого» звука. Искажение возникает, когда сигнал в схеме усилителя является слишком мощным для этой схемы. Дисторшн на самом деле довольно давно стал частью желаемого звука, и многие усилители сконструированы таким образом, чтобы гитаристы могли контролировать уровень искажения.

Проводка электрогитары

Гитарная проводка относится к электрическим компонентам и их соединениям внутри электрогитары (и, соответственно, других электрических инструментов, таких как бас-гитара или мандолина). Чаще всего она состоит из звукоснимателей, потенциометров для регулировки громкости и тона, переключателя для выбора между различными звукоснимателями (если у инструмента их несколько) и выходного разъема. Для определенных функций могут быть дополнительные элементы управления.

Звукосниматели преобразуют механическую энергию вибрирующей струны в электрический сигнал, позволяя усиливать, обрабатывать и воспроизводить его. Звукосниматели сильно различаются по конструкции, размеру, типам используемых материалов, а также различным электрическим свойствам, но обычно делятся на две категории – с одной катушкой и с двумя катушками (также известные как хамбакеры).

         Потенциометры (часто сокращенно "pots") можно использовать для управления различными функциями внутри электрогитары. Чаще всего они функционируют как регуляторы тона и громкости, но также могут совмещать два звукоснимателя вместе, ослаблять одну катушку хамбакера и так далее

Потенциометры различаются по их электрическим характеристикам, из которых наиболее важны для электрогитары следующие:

1.                 Значение – сопротивление между двумя внешними выступами. Электрическое сопротивление объекта является мерой его противодействия протеканию электрического тока.

Его обратная величина равна электрическая проводимость, измеряющая легкость прохождения электрического тока. Электрическое сопротивление имеет некоторые концептуальные параллели с механическим трением.

2.                 Конусность – отношение хода стеклоочистителя к сопротивлению между стеклоочистителем и внешними выступами. 

Логарифмические настройки (также известные как «логарифмические» или «звуковые» настройки) обычно используются для регулировки громкости, поскольку реакция человеческого уха на звуковое давление примерно логарифмическая, тогда как регуляторы тона могут использовать как логарифмические, так и линейные настройки, в зависимости от личных предпочтений и схемы подключения. Реверсивные звуковые регуляторы иногда используются для регулировки громкости на левосторонних гитарах, но это не получило широкого распространения из-за относительной редкости таких регуляторов.

Конденсаторы (часто называемые "колпачками") имеют несколько применений в электрогитарах, наиболее распространенное из которых - в регуляторе тона, где в сочетании с потенциометром образуется фильтр нижних частот, замыкающий все частоты выше регулируемой частоты среза на землю. Другим распространенным применением является небольшой конденсатор, подключенный параллельно регулятору громкости, чтобы предотвратить потерю более высоких частот при уменьшении громкости. Этот конденсатор широко известен как "колпачок для отвода высоких частот" и иногда сопровождается последовательным или параллельным резистором, чтобы ограничить количество удерживаемых высоких частот и согласовать его с конусом емкости.

Так зачем электрогитаре нужно электричество?

В электрогитаре батарейка часто используется для питания активной электроники, такой как активные звукосниматели или предусилители. Эти устройства требуют электрической энергии для работы и не могут быть питаемыми только через гитарный кабель.

Активные звукосниматели обычно имеют встроенные усилители, которые улучшают сигнал и обеспечивают больше выходного уровня.

Активная электроника

Хотя все описанные выше модификации были пассивными (т. е. не требовали внешнего источника питания), активная электроника значительно увеличивает количество возможных вариантов подключения. Они могут варьироваться от простых  предусилителей, которые обеспечивают увеличение громкости и буферизуют сигнал инструмента  (чтобы предотвратить потерю более высоких частот при более длинных проводах кабеля), до многополосных эквалайзеров и многого другого. 

Предприимчивые гитаристы даже встраивали в гитары целые процессоры эффектов, такие как Korg Kaoss Pad.[1]

Информация о звукоснимателях

Звукосниматель представляет собой электромеханический преобразователь. Он фиксирует вибрации струн и преобразует их в электрический сигнал, который может быть усилен.

         В сердце звукоснимателя располагается магнит, который создает вокруг себя поле. Когда в магнитное поле попадает металлический объект (например - гитарная струна), он намагничивается. Вибрируя, струна вызывает движение магнитного поля. Это  приводит к возникновению магнитного тока в катушках, которые окружают магнит.

Индукция позволяет «поймать» и усилить вибрацию струны. Преобразованные в электрический сигнал вибрации затем можно изменять, добиваясь нужного звучания. (Индукция магнитного поля — физическая величина, которая определяет воздействие магнитного поля на проводники, находящиеся в этом поле).

Для работы активным звукоснимателям достаточно 9-вольтовой батарейки, но некоторым инструментам требуется двойное питание.

По типу преобразовываемой энергии звукосниматели делятся на пьезоэлектрические и электромагнитные.

Пьезо-звукосниматели

Пьезоэлектрические звукосниматели при более сложной физике преобразования механической энергии непосредственно в электрическую, являются простыми и прогнозируемыми устройствами.

Пьезозвукосниматель — это пьезокристалл с обкладками из проводника, поэтому его свойства полностью заранее определены физическими свойствами этого кристалла(такие кристаллы обладают способностью генерировать электрический заряд при воздействии механического давления). Пьезодатчики используют для озвучивания акустических гитар, поскольку они, как и микрофон, преобразуют в той или иной степени в электрический сигнал все колебания системы «корпус-струны». Кроме того, пьезодатчики работают со струнами абсолютно любого типа.

Пьезозвукосниматели бывают в основном двух типов:

1)                в виде стержня, который кладется под порожек и снимает в первую очередь колебания струн;

2)                в виде кружочков разного размера (площади), которые прикрепляются к корпусу гитары и снимают в первую очередь колебания деки.

Разумное сочетание правильно установленных пьезодатчиков даст очень правдоподобный акустический звук с минимумом шумов.

Электромагнитные звукосниматели

Электромагнитный звукосниматель, по существу, представляет собой магнит с катушкой индуктивности.

Струны, обычно, изготавливают из ферримагнитных материалов, обычно из металлического сердечника со стальной или никелевой обмоткой.

Звукосниматель приобретает свои магнитные свойства благодаря магниту, закрепленному у основания датчика, либо благодаря нескольким магнитным сердечникам. Сердечники – это такие металлические цилиндры, которые выступают из звукоснимателя под каждой струной. Сердечники обмотаны проволокой (обычно медной). Такая конструкция представляет собой катушку индуктивности.

Такой набор из нескольких сердечников, обмотанных медной проволокой называют катушкой звукоснимателя.

При колебании струн в постоянном магнитном поле, в катушке индуктивности, как известно из школьного курса физики, возникает электродвижущая сила (ЭДС). Это явления открыл Фарадей, а само явление стали называть электромагнитной индукцией.

В общем, именно так в звукоснимателе возникает электрический сигнал, который потом, проходя цепь примочек и усилитель, попадает нам в уши и слышится, как звук гитары.

В зависимости от типа проволоки, используемой для обмотки (ее толщины и материала), очень сильно может разниться звук датчика. Производители обычно не приводят информацию о том, какую проволоку они применяют в своих звукоснимателях, чтобы защитить свою формулу звука.  Однако известно, что чем больше витков в катушке, тем выше выход и басистей тон.

Как вы могли заметить, если играть ближе к бриджу гитары (даже не подключенной), то звук будет тише и выше, нежели при игре около грифа. При изготовлении первых звукоснимателей этот факт не был учтен, и бриджевый датчик звучал высоко и тихо, а нековый звукосниматель – громко и басисто. Со временем, люди стали осознавать этот факт, что если добавить витков к бриждевому датчику, то он будет звучат более громко и басовито, и если сделать меньше витков у некового датчика, то он станет звучать тише и выше. Таким вот образом можно добиться отличного баланса между звукоснимателями.

Обычно бриджевый звукосниматель звучит более высоко, чем нековый, но не всегда.

Как  выяснилось  звукосниматели  связаны с колебаниями струны, а точнее они влияют на их звук. А струны в свою очередь работают и производят звук благодаря акустическому  резонансу. Об этом явлении тоже предлагаю узнать подробнее.[2]

Акустический  резонанс

Акустический резонанс - это явление, при котором акустическая система усиливает звуковые волны, частота которых соответствует одной из ее собственных частот вибрации (ее резонансным частотам).

Термин "акустический резонанс" иногда используется, чтобы сузить механический резонанс (механический резонанс – это резонанс, вызванный механическим воздействием, например раскачивание качелей, под действием ветра)  до частотного диапазона человеческого слуха, но поскольку акустика определяется в общих чертах относительно колебательных волн в веществе (например в воздухе),  акустический резонанс может возникать на частотах за пределами диапазона человеческого слуха  (человек способен слышать звук в пределах от 16 Гц до 20 кГц). [3]

Акустический резонанс является важным фактором для производителей инструментов, поскольку в большинстве акустических инструментов используются резонаторы, такие как струны и корпус скрипки, длина трубки в флейте и форма мембраны барабана. Акустический резонанс также важен для слуха. Например, резонанс жесткого структурного элемента, называемого базилярной мембраной, внутри улитки внутреннего уха позволяет волосковым клеткам на мембране улавливать звук. (У млекопитающих мембрана имеет сужающиеся резонансы по всей длине, так что высокие частоты сосредоточены на одном конце, а низкие - на другом).

Условия возникновения резонанса:

1) Наличие источника звуковых колебаний.

2) Наличие резонирующей системы (резонатора).

3) Совпадение частоты звука с собственной резонансной частотой системы.

При выполнении этих условий происходит эффективная передача энергии от звуковой волны к акустической системе и усиление колебаний

Проявления акустического резонанса

Акустический резонанс имеет несколько характерных проявлений:

1) Резкое усиление звука на резонансных частотах объекта.

         2) Фильтрация не резонансных частот звукового сигнала.

         3) Возможность разрушения хрупких объектов звуковыми колебаниям.

Явление резонанса лежит в основе работы многих музыкальных инструментов, позволяя усиливать и обогащать звук. Кроме того, конструкция концертных залов рассчитывается с учетом акустического резонанса.

В физике акустический резонанс рассматривается как частный случай явления механического резонанса. При этом акцент делается на акустическом диапазоне частот.

         Акустический резонанс - это комплексное мультидисциплинарное явление природы со множеством удивительных проявлений и широким спектром применения на практике. Исследования в данной области обещают множество открытий в будущем.

А в нашем случае на этом явлении работает, как и акустическая гитара, так и электрогитара. [4]

Практическая часть

Изготовление звукоснимателя в домашних условиях.

Здесь рассматривается вариант самого  простого звукоснимателя, который можно сделать дома.

          Для  этого нам понадобится:

1.                 Пьезодиск, который можно приобрести в магазине, достать его из музыкальной открытки или игрушки, так же в старых электронных часах, которые воспроизводят звук

2.                 Кабель с джеками для того  чтобы в дальнейшем подключить его к компьютеру или усилителю.

Приступим к изготовлению:

1)                Для начала нужно оголить кабель, где будет  находиться два контакта, с боку и в центре, тот, что в центре тоже нужно оголить.

Дальше центральный контакт припаиваем  к центру, а крайний контакт  припаивается к «ободку» пьезодиска.

В принципе звукосниматель готов. Осталось присоединить его к гитаре

при помощи изоленты. Крепится он к деке (основанию гитары) между третьей и четвертой струной, той стороной, которой прикреплен  пьезодиск.

И вот рабочий звукосниматель готов. [5]

          Примерно так должен выглядеть самодельный звукосниматель.             

                    Что получилось в итоге.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При работе над проектом «Гитара и физика, устройство электрогитары» были изучены все поставленные задачи:

1)    Я изучила устройство электрогитары и ее работу.

2)    Подробнее разобрала, что такое звукосниматели.

3)    Узнала о таком явлении, как акустический резонанс.

4)                Нашла способ изготовления звукоснимателей в домашних  условиях.

Итог работы  над теоретической частью: обратившись к источникам, в которых освещалась изучаемая тема, узнала об устройстве электрогитар, работе звукоснимателей и акустическом резонансе.

Итог работы над практической частью: изготовила простой звукосниматель в домашних условиях.

Этот проект был актуален тем, что гитара довольно популярный инструмент, звучание которого можно часто услышать на просторах  интернета, в учреждениях дополнительного образования и культурно-досугового типа. Было интересно узнать, как устроена электрогитара. И как сделать звукосниматель для классической гитары в домашних условиях.

Список литературы.

Электронные ресурсы.

1. https://en.wikipedia.org/wiki/Guitar_wiring

2.http://jablog.ru/blog/workshop/2310.html?ysclid=lshxxblucv524970082

3.https://en.wikipedia.org/wiki/Acoustic_resonance

4.https://fb.ru/article/548968/2023-akusticheskiy-rezonans---opredelenie-osobennosti-i-primeryi?ysclid=lskobaigh2816837065

5.https://youtu.be/qWqW-7wSQT0?si=h1tyT0Iej8bGh9uJ

Скачано с www.znanio.ru