《音乐中的数学.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《音乐中的数学.ppt（31页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、音乐中的数学,初等教育学院赵世恩,1 音律的确定,1.1 乐音体系 一些基本概念：乐音体系：在音乐中有固定音高的音的总和。音列：乐音体系中的音，按照音高次序排列起来。音级：乐音体系中的各个音。音级中有基本音级和变化音级。,C,D,E,F,G,A,B,C,D,E,F,G,A,B,七个基本音级用字母C，D，E，F，G，A，B来标记，叫做音名。七个音名在唱歌时依次用do,re,mi,fa,sol,la,si来发音，叫做唱名。两音之间的音高的相互关系叫音程。七个基本音级在音列中循环重复，第一音级与第八音级的音名相同，但音高不同，构成八度关系，C到G为五度关系。,1.2 古希腊音律的确定 在西方，从毕达
2、哥拉斯时代开始，人们就认为：对音乐的研究本质上是数学的。音乐就它的基础来说，是数学的；就它的出现来说，是直觉的。莱布尼兹,音乐必须有美的音调，美的音调必然是和谐的。希腊人发现，最和谐的音调是由1:2:3:4确定的。1，2，3，4，这四个最小的数是音乐中最美的数。奥古斯丁 看了毕达哥拉斯的生律法，就清楚了！,振动,声波,声音,声音,音高,响度,音色,乐音是由弦的振动引起的，例如管风琴、小号、长笛等。描述乐音的一个最基本的量是音高。什么是音高？音高由频率决定！伽利略和梅森,频率：物体在单位时间震动的次数。单位时间去为秒，物体1秒钟振动多少次，就是多少赫兹，例如100Hz等。18 世纪初英国数学家泰
3、勒（Taylor，1685-1731）获得弦振动频率f的计算公式：f=1/m(T/p)1/2其中m表示弦的长度、T表示弦的张紧程度，p表示弦的密度！毕达哥拉斯连续用2:3找到了各个音！,假定一根空弦发出的音是do，则二分之一长度的弦发出高八度的 do；8/9 长度的弦发出 re，64/81 长度的弦发出 mi，3/4 长度的弦发出 fa，2/3 长度的弦发出 so，16/27 长度的弦发出 la，128/243 长度的弦发出 si 等等类推。例如高八度的 so 应由 2/3 长度的弦的一半就是 1/3 长度的弦发出。五度相生法,K=2-m(3/2)n,如果以一个音阶作为主音，按照1:2:3:4
4、，1:2得到2:3得到3:4得到 由于它们的比最为简单，所以听起来也很悦耳！,知道了 do,re,mi,fa,so,la,si 的数字关系之后，新的问题是为什么要用具有这些频率的音来构成音阶？实际上首先更应回答的问题是为什么要用 7 个音来构成音阶？这可是一个千古之谜，由于无法从逝去的历史进行考证，古今中外便有各种各样的推断、臆测，例如西方文化的一种说法基于“7”这个数字的神秘色彩，认为运行于天穹的 7 大行星（这是在只知道有 7 个行星的年代）发出不同的声音组成音阶。我们将从数学上揭开谜底。,频率过高或过低的声音人耳不能感知或感觉不舒服，音乐中常使用的频率范围大约是 164000 赫兹，而人
5、声及器乐中最富于表现力的频率范围大约是 601000 赫兹。我们用不同的音组合成曲调，当然要考虑这些音放在一起是不是很和谐，前面已谈到八度音是在听觉和谐效果上关系最密切的音，但是仅用八度音不能构成动听的曲调至少它们太少了，例如在音乐频率范围内 c1 与 c1 的八度音只有如下的 8 个：C2（16.35赫兹）、C1（32.7赫兹）、C（65.4赫兹）、c（130.8赫兹）、c1（261.6赫兹）、c2（523.2赫兹）、c3（1046.4赫兹）、c4（2092.8赫兹），对于人声就只有C、c、c1、c2这 4 个音了。,为了产生新的和谐音，回顾一下前面说的一对八度音和谐的理由是近似于共鸣。数学
6、理论告诉我们：每个音都可分解为由一次谐波与一系列整数倍频率谐波的叠加。仍然假定 c 的频率是 1，那么它分解为频率为 1，2，4，8，的谐波的叠加，高八度的 c 音的频率是 2，它分解为频率为 2，4，8，16，的谐波的叠加，这两列谐波的频率几乎相同，这是一对八度音近似于共鸣的数学解释。,由此可推出一个原理：两音的频率比若是简单的整数关系则两音具有和谐的关系，因为每个音都可分解为由一次谐波与一系列整数倍谐波的叠加，两音的频率比愈是简单的整数关系意味着对应的两个谐波列含有相同频率的谐波愈多。,次于 21 的简单整数比是 32。试一试，一根空弦发出的音（假定是表 1 的 C，且作为 do）与 2/
7、3 长度的弦发出的音无论先后奏出或同时奏出其效果都很和谐。可以推想当古人发现这一现象时一定非常兴奋，事实上我们比古人更有理由兴奋，因为我们明白了其中的数学道理。接下来，奏出 3/2 长度弦发出的音也是和谐的。它的频率是 C 频率的 2/3，已经低于 C 音的频率，为了便于在八度内考察，用它的高八度音即频率是 C 的 4/3 的音代替。很显然我们已经得到了表 1 中的 G（so）与 F（fa）。问题是我们并不能这样一直做下去，否则得到的将是无数多音而不是 7 个音！,如果从 C 开始依次用频率比 32 制出新的音，在某一次新的音恰好是 C 的高若干个八度音，那么再往后就不会产生新的音了。很可惜，
8、数学可以证明这是不可能的，因为没有自然数m、n会使下式成立：(3/2)m=2n,此时，理性思维的自然发展是可不可以成立近似等式？经过计算有(3/2)5=7.594 23=8，因此认为与 1 之比是 3/2 即高三个八度关系算作是同一音，而(3/2)6 与(3/2)1 之比也是 23 即高三个八度关系等等也算作是同一音。在“八度相同”的意义上说，总共只有 5 个音，他们的频率是：1,(3/2),(3/2)2,(3/2)3,(3/2)4折合到八度之内就是：1,9/8,81/64,3/2,27/16对照表 1 知道这 5 个音是 C（do）、D（re）、E（mi）、G（so）、A（la），这是所谓五
9、声音阶，它在世界各民族的音乐文化中用得不是很广，中国古代名曲春江花月夜、梅花三弄等绝大部分名曲都是五声音阶。,根据(3/2)7=17.09 24=16，总共应由 7 个音组成音阶，我们在 上一节 的基础上用 32 的频率比上行一次、下行一次得到由 7 个音组成的音列，其频率是(2/3),1,(3/2),(3/2)2,(3/2)3,(3/2)4,(3/2)5折合到八度之内就是：1,9/8,81/64,4/3,3/2,27/16,243/128 得到常见的五度律七声音阶大调式如表一。考察一下音阶中相邻两音的频率之比，通过计算知道只有两种情况：do-re、re-mi、fa-so、so-la、la-s
10、i 频率之比是 98，称为全音关系；mi-fa、si-do 频率之比是 256243，称为半音关系。,以 21与32的频率比关系产生和谐音的法则称为五度律。在中国，五度律最早的文字记载见于典籍管子的地员篇，由于管子的成书时间跨度很大，学术界一般认为五度律产生于公元前 7 世纪至公元前 3 世纪。西方学者认为是公元前 6 世纪古希腊的毕达哥拉斯学派最早提出了五度律。根据近似等式(3/2)12=129.7 27=128 并仿照以上方法又可制出五度律十二声音阶如下：,1.3 古代中国对音律的贡献 8000至10000年以前，我们便有了五孔、六孔、七孔和八孔的骨笛，推翻了我国在先秦之前只有无声音阶的观
11、点。三分损益法等同于五度相生法,管子 地员篇中就有宫，商，角，徵，羽的记载，吕氏春秋 音律篇音律的计算从五律增加到了十二律。,1.4 十二平均律,2 简谐振动与傅立叶分析,2.1 简谐振动,音叉的每一次振动，在各个方向都会产生压缩和舒张，这就是声波！而声波传到耳朵里就形成了声音。简谐振动，物体在相等的时间间隔里重复自己的运动。例如：单摆的振动、弹簧的振动等。,2.2 弹簧的振动 考虑一个被压缩或倍拉长的弹簧，取平衡位置为坐标原点,由胡克定律，作用力F的大小与弹簧的压缩或伸长量x成正比：F=-kxK叫做劲度系数，是弹簧劲度的度量；弹簧越硬，k越大。再设物体的质量是m，则这个系统的特点是：物体在坐标原点周期性的来回摆动！,如果令x=x(t)是水平位置关于时间t的函数，那么，这个函数关系是什么呢？,
