Акустика: Физика механических волн и звук.

Введение

Акустика – это раздел физики, изучающий механические волны в газах, жидкостях и твердых телах, включая такие явления, как вибрация, звук, ультразвук и инфразвук. Ученый, работающий в области акустики, называется акустиком, а специалист, занимающийся акустической технологией, – инженером-акустиком. Акустика находит применение практически во всех сферах современного общества, наиболее заметно – в индустрии звукозаписи и шумоподавления. Слух – одно из важнейших средств выживания для животных, а речь – одна из ключевых особенностей развития и культуры человека. Поэтому наука об акустике охватывает множество аспектов человеческой деятельности – музыку, медицину, архитектуру, промышленное производство, военное дело и многое другое. Подобным образом, животные, такие как певчие птицы и лягушки, используют звук и слух как важный элемент брачных ритуалов или для обозначения своей территории. Искусство, ремесло, наука и техника взаимно стимулируют развитие, как и во многих других областях знаний. "Колесо акустики" Роберта Брюса Линдси представляет собой общепризнанный обзор различных областей акустики.

Этимология

Слово "акустический" происходит от греческого слова ἀκουστικός (akoustikos), означающего "относящийся к слуху или предназначенный для слуха, готовый воспринимать звук", а оно – от ἀκουστός (akoustos), "услышанный, слышимый", которое, в свою очередь, происходит от глагола ἀκούω (akouo), "я слышу". Латинский синоним – "соник", после чего термин "соника" некоторое время использовался как синоним акустики, а затем стал отдельной областью акустики. Аристотель (384–322 до н.э.) понимал, что звук состоит из сжатий и разрежений воздуха, который "налетает и ударяет в ближайший воздух", – весьма точное описание природы волнового движения. В трактате "О слышимом", обычно приписываемом Стратону Лампсакскому, утверждается, что высота звука связана с частотой колебаний воздуха и скоростью звука. Около 20 г. до н.э. римский архитектор и инженер Витрувий написал труд об акустических свойствах театров, включая обсуждение интерференции, эха и реверберации – начало архитектурной акустики. В книге V своего труда "Десять книг об архитектуре" (De architectura) Витрувий описывает звук как волну, подобную водной, расширенную до трех измерений, которая, встречая препятствия, отступает и разрушает последующие волны. Он описывал возвышающиеся ряды сидений в древних театрах как предназначенные для предотвращения ухудшения звука и рекомендовал размещать в театрах бронзовые сосуды подходящего размера, чтобы они резонировали с четвертой, пятой и так далее, вплоть до двойной октавы, усиливая более приятные, гармоничные ноты. В период расцвета исламской цивилизации Абу Райхан аль-Бируни (973–1048) предположительно высказал идею о том, что скорость звука значительно меньше скорости света. Физическое понимание акустических процессов быстро развивалось во время и после научной революции. В основном Галилео Галилей (1564–1642), а также независимо от него Марен Мерсенн (1588–1648) открыли полные законы колебаний струн (завершив то, что начали Пифагор и пифагорейцы за 2000 лет до этого). Галилей писал: "Волны возникают в результате колебаний звукового тела, которые распространяются по воздуху, доставляя барабанной перепонке уха стимул, который мозг интерпретирует как звук", – замечательное утверждение, указывающее на истоки физиологической и психологической акустики. Экспериментальные измерения скорости звука в воздухе успешно проводились в период с 1630 по 1680 год рядом исследователей, в частности Мерсенном. Тем временем Ньютон (1642–1727) вывел формулу для скорости волны в твердых телах, являющуюся краеугольным камнем физической акустики ("Математические начала натуральной философии", 1687).

The word "acoustic" is derived from the Greek word ἀκουστικός (akoustikos), meaning "of or for hearing, ready to hear" and that from ἀκουστός (akoustos), "heard, audible", which in turn derives from the verb ἀκούω(akouo), "I hear". The Latin synonym is "sonic", after which the term sonics used to be a synonym for acoustics and later a branch of acoustics. Aristotle (384–322 BC) understood that sound consisted of compressions and rarefactions of air which "falls upon and strikes the air which is next to it ", a very good expression of the nature of wave motion. On Things Heard, generally ascribed to Strato of Lampsacus, states that the pitch is related to the frequency of vibrations of the air and to the speed of sound. In about 20 BC, the Roman architect and engineer Vitruvius wrote a treatise on the acoustic properties of theaters including discussion of interference, echoes, and reverberation—the beginnings of architectural acoustics. In Book V of his De architectura (The Ten Books of Architecture) Vitruvius describes sound as a wave comparable to a water wave extended to three dimensions, which, when interrupted by obstructions, would flow back and break up following waves. He described the ascending seats in ancient theaters as designed to prevent this deterioration of sound and also recommended bronze vessels of appropriate sizes be placed in theaters to resonate with the fourth, fifth and so on, up to the double octave, in order to resonate with the more desirable, harmonious notes. During the Islamic golden age, Abū Rayhān al Bīrūnī (973 1048) is believed to have postulated that the speed of sound was much slower than the speed of light. The physical understanding of acoustical processes advanced rapidly during and after the Scientific Revolution. Mainly Galileo Galilei (1564–1642) but also Marin Mersenne (1588–1648), independently, discovered the complete laws of vibrating strings (completing what Pythagoras and Pythagoreans had started 2000 years earlier). Galileo wrote "Waves are produced by the vibrations of a sonorous body, which spread through the air, bringing to the tympanum of the ear a stimulus which the mind interprets as sound", a remarkable statement that points to the beginnings of physiological and psychological acoustics. Experimental measurements of the speed of sound in air were carried out successfully between 1630 and 1680 by a number of investigators, prominently Mersenne. Meanwhile, Newton (1642–1727) derived the relationship for wave velocity in solids, a cornerstone of physical acoustics (Principia, 1687).

Эпоха Просвещения и далее

Существенный прогресс в акустике, основанный на более прочных математических и физических концепциях, был достигнут в восемнадцатом веке Эйлером (1707–1783), Лагранжем (1736–1813) и Д’Алембером (1717–1783). В эту эпоху физика континуума, или теория поля, начала приобретать четкую математическую структуру. Волновое уравнение появилось в различных контекстах, в том числе при распространении звука в воздухе. В девятнадцатом веке ключевыми фигурами в математической акустике были Гельмгольц в Германии, систематизировавший область физиологической акустики, и лорд Рэлей в Англии, объединивший предыдущие знания со своими обширными собственными исследованиями в монументальном труде «Теория звука» (1877). Также в XIX веке Уитстоун, Ом и Генри разработали аналогию между электричеством и акустикой. В двадцатом веке наблюдался бурный рост технологических применений накопленных к тому времени научных знаний. Первым таким применением стала новаторская работа Сабина в области архитектурной акустики, за которой последовало множество других. Подводная акустика использовалась для обнаружения подводных лодок в Первой мировой войне. Звукозапись и телефон сыграли важную роль в глобальной трансформации общества. Измерение и анализ звука достигли новых уровней точности и усовершенствования благодаря использованию электроники и вычислительной техники. Ультразвуковой диапазон частот открыл совершенно новые возможности применения в медицине и промышленности. Были изобретены и внедрены новые типы преобразователей (генераторов и приемников акустической энергии).