Акустика
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Акустика

Акустика (від греч.(грецький) akustikós — слуховий, такий, що слухається), у вузькому сенсі слова — учення про звуці, тобто про пружні коливання і хвилі в газах, рідинах і твердих тілах, чутних людським вухом (частоти таких коливань знаходяться в діапазоні 16 гц— 20 кгц ) ; в широкому сенсі — галузь фізики, що досліджує пружні коливання і хвилі від найнижчих частот (умовно від 0 гц ) до гранично високих частот 10 12 —10 13 гц, їх взаємодії з речовиною і вживання цих коливань (хвиль).

загрузка...

  Історичний нарис. А. — одна з самих древніх областей знання, що зародилася з потреби дати пояснення явищам слуху і мови і особливо музичним звукам і інструментам. Ще старогрецький математик і філософ Піфагор (6 ст до н.е.(наша ера)) виявив зв'язок між висотою тону і довжиною струни або труби; Арістотель (4 ст до н.е.(наша ера)) розумів, що звучне тіло викликає стискування і розрідження повітря, і пояснював ехо-камеру віддзеркаленням звуку від перешкод.

  Період середньовіччя мало що дав розвитку А.; її прогрес стає помітним, починаючи з епохи Відродження. Італійський вчений Леонардо да Вінчі (15—16 вв.(століття)) досліджував віддзеркалення звуку, сформулював принцип незалежності поширення звукових хвиль від різних джерел.

  Історію розвитку А., як фізичної науки, можна розбити на 3 періоди. Перший період — від початку 17 ст до початку 18 ст — характеризується дослідженнями системи музичних тонів, їх джерел (струни, труби), швидкості поширення звуку. Г. Галілей виявив, що звучне тіло випробовує коливання і що висота звуку залежить від частоти цих коливань, а інтенсивність звуку — від їх амплітуди. Французький вчений М. Мерсенн, слідуючи Галілею, вже міг визначити число коливань звучної струни; він вперше виміряв швидкість звуку в повітрі. Р. Гук (Англія) встановлює на досвіді пропорційність між деформацією тіла і пов'язаною з нею напругою — основний закон теорії пружності і А., а Х. Гюйгенс (Голландія) — важливий принцип хвилевого руху, названий його ім'ям (див. Хвилі ) .

  Другий період охоплює два століття — від створення основ механіки І. Ньютоном (кінець 17 ст) і до початку 20 ст У цей період А. розвивається як розділ механіки. Створюється загальна теорія механічних коливань, випромінювання і поширення звукових (пружних) хвиль в середовищі, розробляються методи виміру характеристик звуку ( звукового тиску в середовищі, імпульсу, енергії і потоку енергії звукових хвиль, швидкості поширення звуку). Діапазон звукових хвиль розширюється і охоплює як область інфразвуку (до 16 гц ) , так і ультразвука (понад 20 кгц ) . З'ясовується фізична суть тембру звуку (його «забарвлення»).

  З робіт Ньютона починається розквіт класичної фізики. Механіка, гідродинаміка і теорія пружності, теорія хвиль, акустика і оптика розвиваються в тісному зв'язку один з одним. Члени Петербурзької Академії наук Л. Ейлер і Д. Бернуллі і французькі учені Ж. Д''Аламбер і Ж. Лагранж розробляють теорію коливань струн, стрижнів і пластинок, пояснюють походження обертонів . Німецький учений Е. Хладні (кінець 18 — почало 19 вв.(століття)) експериментально досліджує форми звукових коливань, що здійснюються різними звучними тілами — мембранами, пластинами, дзвонами. Т. Юнг (Англія) і О. Френель (Франція) розвивають уявлення Гюйгенса про поширення хвиль, створюють теорію інтерференції і дифракції хвиль. Х. Доплер (Австрія) встановлює закон зміни частоти хвилі при русі джерела звуку відносно спостерігача. Величезне значення не лише для А., але і для фізики в цілому мало створення методів розкладання складного коливального процесу на прості складові — аналізу коливань — і синтезу складних коливань з простих. Математичний метод розкладання процесів, що періодично повторюються, на прості гармонійні складові був знайдений французьким ученим Же. Фур'є. Експериментально аналіз звуку — розкладання його в спектр гармонійних коливань за допомогою набору резонаторів — і синтез складного звуку з простих складових здійснив німецький вчений Р. Гельмгольц. Підбором камертонів з резонаторами Гельмгольцу удалося штучно відтворити різні голосні. Він досліджував склад музичних звуків, пояснив тембр звуку характерним для нього набором додаткових тонів (гармонік). На основі своєї теорії резонаторів Гельмгольц дав першу фізичну теорію вуха як слухового апарату. Його дослідження заклали основу фізіологічної акустики і музичної акустики . Весь цей етап розвитку А. підсумований англійським фізиком Релєєм (Дж. Стрет) в його класичній праці «Теорія звуку».

  На рубежі 19 і 20 вв.(століття) важливі роботи по А. були виконані російським фізиком Н. А. Умовим, який ввів поняття щільності потоку енергії для пружних хвиль. Американський учений У. Себін заклав основи архітектурної акустики . Російський фізик П. Н. Лебедев (разом з Н. П. Неклепаєвим) виділив з різкого звуку електричної іскри ультразвукові хвилі з частотами до декількох сотів кгц і досліджував їх поглинання в повітрі.

  До початку 20 ст інтерес к А. слабшає; А. вважають теоретично і експериментально завершеною галуззю науки, в якій залишилися невирішеними лише завдання приватного характеру.

  Третій, сучасний період в історії А., що починається в 20-х рр. 20 ст, зв'язаний, перш за все, з розвитком електроакустики і створенням радіотехніки і радіомовлення. Перед А. встав новий круг проблем — перетворення звукових сигналів в електромагнітних і назад, їх посилення і неспотворене відтворення. В той же час радіотехніка і електроакустика відкрили небачені раніше можливості розвитку А. Електроакустіка з'явилася ще в останній чверті 19 ст У 1876 був винайдений телефон (Белл, США), в 1877 — фонограф (Едісон, США). У 1901 був розроблений магнітний запис звуку, застосований потім в магнітофоні і звуковому кіно. На початку 20 ст електромеханічні перетворювачі звуку були застосовані в гучномовцях, а в 20-х рр. стали основою всієї сучасної акустичної апаратура.

  Електронна лампа дала можливість посилення надзвичайно слабких акустичних сигналів, перетворених в електричних. Були розроблені методи радіоакустичних вимірів, аналізу і відтворення звуку. Ці нові можливості революціонізували А., перетворивши її із завершеної області механіки, що вважалася, в самостійний розділ сучасної фізики і техніки.

  Розвиток А. у 1-ій половині 20 ст отримало потужний імпульс у зв'язку із запитами військової техніки. Завдання визначення положення і швидкості літака (звукова локація в повітрі), підводного човна (гидролокация), визначення місця, часу і характеру вибуху, глушення шумів літака — всі ці проблеми вимагали глибшого вивчення механізму освіти і поглинання звуку, поширення звукових (зокрема, ультразвукових) хвиль в складних умовах. Проблеми генерації звуку стали предметом обширних досліджень в е р б зв'язки з розвитком загальної теорії коливань, що охоплює воєдино механічні, електричні і електромеханічні коливальні процеси. У 20-х і 30-х рр. багато робіт було присвячено теорії автоколивань — коливань системи, пов'язаної з постійним джерелом енергії, що самоподдержівающихся; великий вклад до розробки цієї теорії внесла радянська школа фізиків, Л. І. Мандельштамом, що очолювалася, і Н. Д. Папалекси. Особливий інтерес викликало питання про поширення звукових хвиль великої інтенсивності (наприклад, вибухових хвиль); роботи російських фізиків А. А. Ейхенвальда і Н. Н. Андрєєва в цій області внесли значний вклад до нелінійну акустику, предметом дослідження якої є потужні звукові поля. М. Лайтхилл (Англія, 1952) дав загальну теорію аеродинамічної генерації звуку, що вивчає виникнення звуку в рухомому середовищу за рахунок нестійкості потоку газу. Н. Н. Андрєєв і І. Г. Русаков (1934), Д. І. Блохинцев (1947) розробили основи акустики рухомих середовищ .

  Перші успіхи в гідроакустиці були досягнуті французьким фізиком П. Ланжевеном (1916), що застосував ультразвукові хвилі для виміру глибини морить і виявлення підводних човнів. Явище наддалекого поширення звуку вибуху в морі в підводних звукових каналах було відкрито незалежно американськими ученими (М. Івінгом і Д. Ворцелем, 1944) і радянськими ученими (Л. М. Бреховських, Л. Д. Розенбергом, 1946). Проблемам звукопоглинання і звукорассеянія, які придбали особливу актуальність у зв'язку з розвитком архітектурною і будівельної акустики, були присвячені дослідження С. Н. Ржевкина, Р. Д. Малюжінца і В. Ст Фурдуєва. Велика увага була приділена вивченню акустичних шумів і методам їх усунення.

  Вивчення впливу структури середовища на поширення звуку у свою чергу створило можливість вживання звукових хвиль для зондування середовища, зокрема атмосфери; це привело до розвитку атмосферної акустики .

  В останніх два десятиліття надзвичайно велике значення придбали дослідження ультразвука, особливо високих частот і великих інтенсивностей, вивчення структури і властивостей речовини, що стало засобом. Ще в 20-х рр. радянський учений С. Я. Соколов застосував ультразвук для дефектоскопії металів. У Германії Х. О. Кнезер (1933) виявив явище сильного поглинання і дисперсії ультразвука в багатоатомних газах. Пізніше дисперсія і аномальне поглинання ультразвука були виявлені також і в рідинах. Загальна теорія цих явищ, т.з. релаксаційна теорія, була дана Л. І. Мандельштамом і М. А. Леонтовічем (1937). Ультразвукові коливання високої частоти викликають також перебудову структури рідин, дисоціацію молекул і багато інших ефектів. На стику А. і оптики Мандельштам (1918, 1926) і Л. Бріллюен (Франція, 1922) створили теорію розсіяння світла на ультразвукових хвилях в рідинах і твердих тілах (см. Мандельштама — Бріллюена явище ) . Це явище виявилося важливим для вивчення молекулярної структури речовини.

  Круг питань, пов'язаних з впливом молекулярної структури речовини на поширення ультразвука, називають молекулярною акустикою, яка вивчає поглинання і дисперсію ультразвука, в багатоатомних газах, рідинах і твердих тілах. Ультразвук виявився не лише засобом дослідження, але і потужним знаряддям дії на речовину.

  Важливе значення придбали дослідження гіперзвуку (частоти 1 Ггц і вище). Інтенсивно досліджуються взаємодії гіперзвукових хвиль з електронами в металах і напівпровідниках.

  Глибокі перетворення сталися і в старих розділах А. В середині 20 ст починається швидкий розвиток психофізіологічної акустики, викликаний необхідністю розробки методів неспотвореної передачі і відтворення безлічі звукових сигналів, — мови і музики — по обмеженому числу каналів зв'язку. Ці питання А. входять в круг проблем загальної теорії інформації і зв'язку (див. Інформації теорія . Кібернетика ) . Досліджувалися механізми утворення різних звуків мови, характер їх звукового спектру, основні показники якості мови, що сприймається на слух. Створені прилади видимої мови, що дають видимі зображення різних звуків (див. також Звукового поля візуалізація ) . Розробляються методи кодування мови (стислої передачі її основних елементів) і її розшифровки (синтезу), розвернулися дослідження механізмів слухового сприйняття, відчуття гучності, визначення напряму приходу звуку (угорський учений Д. Бекеші). У цій області А. зімкнулася з фізіологією органів чуття і біофізикою.

  Таким чином, сучасна А. за своїм змістом і значенню далеко переступила ті кордони, в яких вона розвивалася до 20 ст

  Основні розділи А . Сучасну А. підрозділяють на загальну, прикладну і психофізіологічну.

  Загальна А. займається теоретичним і експериментальним вивченням закономірностей випромінювання, поширення і прийому пружних коливань і хвиль в різних середовищах і системах; умовно її можна розділити на теорію звуку, фізичну А. і нелінійну А. Теорія звуку користується загальними методами, розробленими в теорії коливань і хвиль. Для коливань і хвиль малої амплітуди приймається принцип незалежності коливань і хвиль ( суперпозиції принцип ) , на основі якого визначають звукове поле в різних областях простору і його зміна в часі.

  На поширення, генерацію і прийом пружних хвиль робить вплив величезне число чинників, пов'язаних з властивостями і станом середовища. Розглядом цього займається фізична А. До її завдань відносяться, зокрема, вивчення залежності швидкості і поглинання пружних хвиль від температури і в'язкості середовища і ін. чинників.

  До важливих питань фізичної А. відносяться також взаємодія елементарних звукових хвиль ( фононів ) з електронами і фотонами. Ці взаємодії стають особливо істотними на дуже високих ультразвукових і гіперзвукових частотах при низьких температурах. В області таких частот і температур починають виявлятися квантові ефекти. Цей розділ фізики А. інколи називають квантовими А. Нелінейная А. вивчає інтенсивні звукові процеси, коли принцип суперпозиції не виконується і звукова хвиля при поширенні змінює властивості середовища. Цей розділ А., дуже складний в теоретичному відношенні, швидко розвивається (як і теорія нелінійних хвилевих процесів в оптиці і електродинаміці).

  Прикладна А. — надзвичайно обширна область, до якої відноситься раніше всього електроакустика. Сюди ж відносяться акустичні виміри виміри величин звукового тиску, інтенсивності звуку, спектру частот звукового сигналу і так далі Архітектурна і будівельна А. займається завданнями здобуття хорошої чутності мови і музики в закритих приміщеннях і зниженням рівнів шуму, а також розробкою звукоізолюючих і звукопоглинальних матеріалів. Прикладна А. вивчає також шуми і вібрації і розробляє способи боротьби з ними. Вивченням поширення звуку в океані і явищами, що виникають при цьому: рефракцією звуку, реверберацією при віддзеркаленні звукового сигналу від поверхні морить і його дна, розсіянням звуку на неоднородностях і так далі займаються гідроакустика і гидролокация.

  Атмосферна А. досліджує особливості поширення звуку в атмосфері, обумовлені неоднорідністю її структури, і є частиною метеорології . Геоакустика вивчає вживання звуку в інженерній геофізиці і геології.

  Величезне прикладне значення як в техніці фізичного експерименту, так і в промисловості, на транспорті, в медицині і ін. мають ультразвук і гіперзвук. Наприклад, у вимірювальній техніці — ультразвукові лінії затримки, вимір стисливості рідин, модулів пружності твердих тіл і т. д.; в промисловому контролі — дефектоскопія металів і сплавів, контроль протікання хімічних реакцій і т. д.; технологічні вживання — ультразвукове свердління, очищення і обробка поверхонь, коагуляція аерозолів і ін.

  Психофізіологічна А. займається вивченням звукоізлучающих і звукопрінімающих органів людини і тварин, проблемами речеобразованія, передачі і сприйняття мови. Результати використовуються в електроакустиці, архітектурній А., системах передачі мови, теорії інформації і зв'язку у музиці, медицині, біофізиці і тому подібне До її розділів відносяться: мова, слух, психологічна А., біологічна А.

  Питаннями А. у СРСР займаються: у Москві — Акустичний інститут АН(Академія наук) СРСР, Науково-дослідний інститут будівельної фізики, Науково-дослідний кинофотоїнстітут, інститут звукозапису; у Ленінграді — інститут радіоприйому і акустики; ряд галузевих інститутів, а також велике число лабораторій і кафедр в університетах і вузах країни.

  Наукові проблеми А. освітлюють в різних фізичних журналах, а також в спеціальних акустичних журналах: «Акустичний журнал» (М., з 1955), «Acustica» (Stuttgart, з 1951), «Journal of the Acoustical society of America» (N. Y., з 1929) і ін.

  Літ.: Стрет Дж. Ст (лорд Релей) Теорія звуку, пер.(переведення) з англ.(англійський), 2 видавництва, М., 1955; Ськучик Е., Основи акустики, пер.(переведення) з йому.(німецький), т. 1 — 2, М., 1958 — 59; Красильников Ст А., Звукові і ультразвукові хвилі в повітрі, воді і твердих тілах, 3 видавництва, М., 1960.

  Ст А. Красильников.