Акустика

АКУСТИКА (от греческого ακουστικ?ς - слуховой), область физики и техники, изучающая упругие (звуковые) колебания и волны в различных средах, их возбуждение и восприятие, распространение, взаимодействие со средой, а также разнообразное применение.

Акустика - одна из самых древних областей знания. Возникла как учение о слышимом звуке, воспринимаемом человеческим ухом. Акустические явления – голоса людей и животных, шумы ветра и моря, гром и тому подобное - относятся к первым естественным процессам, которыми заинтересовались люди. Они начали создавать искусственные источники звука, эмпирически устанавливать особенности его излучения и распространения, которые использовали при изготовлении музыкальных  инструментов и при строительстве общественных зданий (храмов, театров). Так, Пифагор (6 век до нашей эры) обнаружил связь между высотой звука и длиной струны или трубы; Аристотель (4 век до нашей эры) установил, что распространение звука сопровождается сжатием и разрежением воздуха, а эхо обусловлено отражением звука от препятствий. Леонардо да Винчи (15-16 века) исследовал отражение звука, сформулировал независимость распространения звуковых волн от разных источников.

Становление акустики как физической науки началось в 17 веке с изучения системы музыкальных  тонов и их источников, измерения скорости распространения звука (Г. Галилей, М. Мерсенн). В последующие два века акустика развивалась как раздел механики: на базе законов механики Ньютона, закона упругости Гука и принципа Гюйгенса для волнового движения (смотри Гюйгенса - Френеля принцип) была создана теория излучения и распространения акустических волн в среде, разработаны методы измерения, заложены основы анализа и синтеза звука (И. Ньютон, Т. Юнг, П. Лаплас, О. Френель, Л. Эйлер, Д. Бернулли, Г. Гельмгольц). Классический этап развития акустики подытожен Дж. У. Рэлеем в его труде «Теория звука» (1877-78 годы).

К концу 19 - началу 20 веков относится новый этап развития акустики. Он связан с открытием возможности преобразования акустических сигналов в электромагнитные и обратно. Толчком к этому послужили изобретения звукозаписи (Т. А. Эдисон), телефона и микрофона (А. Г. Белл и др.). Новое направление в акустике, связанное на начальной стадии с развитием радиотехники и радиовещания, стимулировало бурное развитие как прикладной, так и фундаментальной акустики, увеличив и преобразовав арсенал используемых в ней экспериментальных средств. Неизмеримо расширилось применение акустических методов в различных областях науки и техники.

Современная акустика - область жизнедеятельности человека, связанная с наукой, техникой и культурой, при этом важное значение имеет звук как основа средств общения людей. Область рассматриваемых в акустике частот шире слухового диапазона - собственно звука (условные границы 16 Гц - 20 кГц): ниже лежит область инфразвука (0 - 20 Гц), выше ультразвука (20 кГц - 109 Гц) и гиперзвука (109 Гц - 1013 Гц), причём в гиперзвуковой области уже могут проявляться квантовые эффекты. Согласно этим диапазонам, подразделяются методы исследований в акустике и изучаемые области (например, волны инфразвуковых частот используются для изучения дальнего распространения звука в океане, ультра- и гиперзвуковых - в дефектоскопии и физике твёрдого тела).

Одна из основных задач акустики - получение с помощью упругих волн информации о свойствах и строении материальной среды и границах раздела сред путём изучения характера распространения волн. К основным относятся также проблемы изучения акустического воздействия на физические, химические и другие процессы в веществе с целью направленного изменения его свойств. Важнейшим остаётся выяснение всех механизмов акустической коммуникации с целью создания для неё оптимальных условий.

Общие закономерности излучения, распространения и приёма звуковых волн изучает теория звука, требующая применения новейших математических методов и вычислительных средств (это направление иногда называют математической акустикой). Наряду с общим волновым подходом для рассмотрения задач распространения звука с малой по сравнению с масштабом препятствий длиной волны (смотри Волновая акустика) в теории используется также представление о звуковых лучах (смотри Геометрическая акустика). Применительно к различным моделям сред, распространения волн и адекватным им методам рассмотрения акустических полей сформировались такие подразделы теории звука, как статистическая акустика, акустика движущихся сред, кристаллоакустика и другие. Важным разделом теоретической акустики является нелинейная акустика, связанная с заметными изменениями свойств среды при прохождении акустических волн. Развитие нелинейной акустики обусловлено, в частности, появлением источников звука большой мощности.

Наиболее тесно связана с другими областями современной физики физическая акустика, занимающаяся изучением особенностей распространения упругих волн в реальном веществе, а также исследованием взаимодействия ультразвуковых и гиперзвуковых волн с веществом и физическими полями, в частности акустоэлектронного, акустооптического, фонон-фононного, фонон-фотонного и других взаимодействий. Подразделами физической акустики являются молекулярная акустика и квантовая акустика. Физическая акустика тесно переплетается со смежными областями науки и техники - электроникой (акустоэлектроника), оптикой (акустооптика, оптоакустика).

Распространение акустических волн в естественных средах - атмосфере, водах Мирового океана, земной коре — и связанные с этим явления изучаются в атмосферной акустике, гидроакустике, акустике океана, геоакустике. Акустические волны служат для зондирования этих сред. Особую важность имеет гидроакустика, поскольку звук - единственный из всех видов излучения, распространяющийся на значительные расстояния в водной среде. С гидроакустикой связана важная и широко развитая прикладная область - гидролокация.

Электроакустика изучает процессы преобразования акустических сигналов в электрические и обратно. На её основе возникла обширная прикладная область - звукотехника, занимающаяся разработкой аппаратуры для передачи, записи, воспроизведения акустических волн слышимого диапазона. Электроакустика связана со всеми остальными областями акустики, так как на её принципах базируется аппаратура для самых разных видов акустических измерений. Электроакустика занимается и фундаментальными исследованиями электромеханических и электроакустических преобразований в веществе, тесно смыкаясь здесь с физической акустикой.

Прикладные области акустики - архитектурная акустика и строительная акустика — изучают распространение звука в общественных помещениях (залах, аудиториях) и способствуют созданию оптимальных условий восприятия речи и музыки, а также обеспечению звукоизоляции жилых и производственных помещений. Современные принципы строительства и применение новых строительных материалов усложняют задачи и стимулируют развитие этих прикладных наук. Новые методы и средства измерений используются и в исследованиях по музыкальной акустике, где в арсенал известных музыкальных  инструментов вошли и новые - электромузыкальные.

Особое место в акустике занимает изучение шума акустического - важного фактора воздействия окружающей среды на человека. При этом звуки природного происхождения (шум горной реки, дождя, шелест леса и тому подобное) оказывают благоприятное воздействие, а интенсивные шумы индустриального происхождения (транспорта, машин и механизмов, производящих громкие звуки) могут негативно влиять на здоровье людей, приводя к потере слуха и различным заболеваниям. При современном уровне индустриализации шум становится одной из составляющих экологического загрязнения. В задачи акустики входит разработка научных методов и технических средств для выявления источников шума и снижения его уровня как устранением (по возможности) самих источников, так и путём создания средств защиты от него. Разрабатываются международные нормы допустимых шумов машин и механизмов, причём с течением времени они становятся всё более жёсткими.

Отдельное направление акустики связано с исследованиями и различными применениями ультразвука - в физическом эксперименте, гидроакустике, промышленности, на транспорте, в медицине и другом. Ультразвуковые устройства используют в акустическом контроле, ультразвуковой диагностике, микроскопии акустической, звуковидении, гидролокации. С помощью ультразвука можно осуществлять отжиг деталей, сварку пластмасс, сверление отверстий в хрупких материалах, изменять скорость и характер химических процессов и другое.

Биоакустика занимается вопросами распространения акустических волн в живых тканях, воздействием этих волн на биологические объекты и биоткани, изучением механизмов звукообразования, восприятия акустических волн животными. Исследованиями органов и процессов звуковосприятия и звукоизлучения у человека занимаются физиологическая акустика и психологическая акустика. Проблемы речеобразования, передачи и восприятия речи рассматриваются в речевой акустике. Результаты этих исследований используются в звукотехнике, архитектурной акустике, при разработке систем передачи речи, в теории информации и связи, в музыке, физиологии, медицине и других.

Наряду с этими традиционными областями исследований в современной акустике появляются новые направления и разделы. Так, интерес к взаимодействию акустических полей с аэродинамическими и тепловыми потоками и к генерации звука в этих потоках обусловил интенсивное развитие аэроакустики и термоакустики. С середины 20 века изучение термоакустических колебаний приобрело практическую направленность в связи с необходимостью выяснения процессов в камерах сгорания ракетных двигателей. Практическую значимость представляют и процессы термоакустического и обратного акустотермического преобразований, в частности, в связи с возможностью создания акустических холодильников. Во 2-й половине 20 века возникла радиационная акустика, которая развивается на стыке акустики, ядерной физики, физики высоких энергий и элементарных частиц.

Новые аспекты рассмотрения экспериментальных фактов возникают и в акустике океана, что позволяет использовать некоторые наблюдаемые явления для оценок и прогнозирования глобальных процессов (например, потепления климата Земли).

Лит.: Стретт Дж. В. (лорд Рэлей). Теория звука: В 2 т. 2-е изд. М., 1955; Михайлов И. Г., Соловьев В.А., Сырников Ю.П. Основы молекулярной акустики. М., 1964; Физическая акустика: В 7 т. / Под редактор У. Мэзона и Р. Терстона. М., 1966-1974; Физика и техника мощного ультразвука: В 3 кн. / Под редактор Л. Д. Розенберга. М., 1967-1970; Исакович М. А. Общая акустика. М., 1973; Эльпинер И. Е. Биофизика ультразвука. М., 1973; Руденко О. В., Солуян С. И. Теоретические основы нелинейной акустики. М., 1975; Скучик Е. Основы акустики: В 2 т. М., 1976; Тэйлор Р. Шум. М., 1978; Бреховских Л.М., Лысанов Ю.П. Теоретические основы акустики океана. Л., 1982; Хаясака Т. Электроакустика. М., 1982.