Акустика

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Наука
Акустика
теория звука
Акустическая безэховая камера
Акустическая безэховая камера
Предмет изучения сжимаемые среды
Commons-logo.svg Медиафайлы на Викискладе

Аку́стика (от греч. ἀκούω (аку́о) — слышу) — в узком смысле слова — учение о звуке, то есть о волнах плотности в газах,жидкостях и в твёрдых телах, слышимых человеческим ухом (диапазон от 16 Гц до 20 кГц), а в широком смысле — область физики, изучающая свойства упругих колебаний и волн от низких частот (условно от 0 Гц) до предельно высоких частот 1012 — 1013 Гц, их взаимодействия с веществом и применения полученных знаний для решения широкого круга инженерных проблем. Термином акустика, сейчас также, часто характеризуют систему звуковоспроизводящей аппаратуры.

Одесская опера. Оркестровая яма используется для лучшего направления в зрительный зал звукового потока.

Знание закономерностей генерации акустических волн, их распространение в разных средах, имеют значение практически во всех областях человеческой деятельности. Для общей характеристики роли акустики в современном мире, очень удачным является созданное учёным-акустиком Робертом Линдси (Robert Bruce Lindsay) графическое изображение, известное как «колесо акустики Линдси» (https://acoustics.byu.edu/content/what- acoustics). В нём выделены четыре области человеческой активности, в которых акустические знания имеют важное значение: Наука о жизни, Науки о Земле, искусство, техника. Центральное место в этой диаграмме занимают основополагающие исследования в акустике, которые объединены общим названием — физическая акустика.

История[править | править код]

Содержательный анализ истории формирования акустики, как научной дисциплины, представлены во многих работах разных авторов. Относительно короткое описание истории становления акустики, представлены в работе акустика Р. Б. Линдси[1]. Формирование акустики, как важного раздела современной физики, началось задолго до начала письменной истории. Понимание того, что звук возникает при биение предмета о предмет, и колебаниях различных тел, является одним из древнейших элементов в формировании научной картины мира. Важным этапом в развитии акустики, было возникновение музыки. Некоторые археологические находки указывают на изготовление человеком флейты из кости с боковыми отверстиями, около сорока тысяч лет назад. Считают, что первые научные исследования природы музыкальных звуков, было проведено греческим философом Пифагором в 6 веке до нашей эры. Его исследования связаны с изучением звуков, возникающих при колебании струн. Им была установлена зависимость между длиной струны и высотой тона. Исследование колебаний струн продолжалось в школе Пифагора и, определены количественные соотношения между частотами приятных для слуха звуков, были внесены в обще философские схемы гармонии в мире. Важные наблюдения относительно источников музыкальных звуков, зафиксировано в Китае. Почти за две тысячи лет до нашей эры здесь была изготовлена система источников звука, которые отвечали за разделение октавы на двенадцать интервалов[2]. Первые акустические рекомендации при строительстве жилья, содержались в Ветхом Завете.

Исследование особенностей восприятия музыки слушателями, подтолкнуло поиск ответов на определённые вопросы, касающиеся физики звука. Так, Аристотелю, относится достаточно четкое высказывание относительно процесса распространения звука, как передачи состояния сжатия-растяжения от одной частицы воздуха к другой. Ему принадлежат также содержательные соображения, относительно природы человеческого голоса[3]. Однако, он же высказывал ошибочное утверждение о том, что высокочастотные звуки распространяются быстрее, чем низкочастотные.

Начало нашей эры характеризуется новым пониманием таких акустических явлений, как интерференция, отражение звука, эхо. На основе знания об этих явлениях формировались рекомендации для строительства античных театров, относительно акустических свойств которых сейчас распространено много легенд. В наше время выполнен детальный анализ акустических свойств откопанные археологами 1881 театра в Эпидавре, вмещавший до 15 000 зрителей. Исследования показали, что архитектура театра формировала определённый акустический фильтр, который препятствовал распространению низкочастотных составляющих звука (основные компоненты постороннего шума) и способствовал распространению высокочастотных составляющих[4]. Сейчас среди акустиков, высказывается мнение, что такая акустическая модель была случайной и, следовательно, повторялась при сооружении других театров. Научная основа архитектурной акустики была создана только в начале двадцатого века.

Оценка роли пифагорейцев в разных источниках различается и, порой, базируется на мифах, а не реальных свидетельствах. Формирование современных представлений об особенностях колебательных процессов, началось в работах Галилея. Им выполнен значительный объём исследований по определению связи между физическими и геометрическими параметрами струн и характеристиками звуков, возникающих в случае их колебания. Им обнаружено явление изохронизма (независимости периода колебаний маятника от амплитуды колебаний, хотя он ошибочно считал, что это явление имеет место при любых значениях амплитуд. Он также обнаружил явление резонанса. Конец шестнадцатого и начала семнадцатого столетия знаменует период значительного интереса к вопросам колебания струн. Кроме Галилея исследования проводились и другими исследователями, которые иногда своими публикациями опережали Галилея. Существенные достижения, по определению связи между частотой и высотой тона, было получено французским ученым Ж. Совёром. Он ввёл 1701 термин акустика[5]. Также он использовал термины: узловые точки и гармонические тона.

Как и в отношении других разделов физики, можно сказать, что с обнародованием Ньютоновских «Начал», началась новая эра в развитии акустики. Исследования проводились на основе новых методологических основ по поиску научных результатов и их объяснения.

Большое значение для дальнейшего развития математических методов исследований в акустике, имел спор о струне, в котором приняли участие Бернулли, Д’Аламбер, Леонард Эйлер, Лагранж. Предметом дискуссии было два решения волнового уравнения для струны — решение д’Аламбера в виде бегущих волн, и решения Бернулли, в виде суперпозиции стоячих волн. Эйлер отрицал возможность представить любую функцию в виде ряда тригонометрических функций. Дискуссия частично была связана с тем, что её участники в то время не знали техники вычисления коэффициентов разложения[6]. Обоснование решения Бернулли, было получено лишь Фурье. Дискуссия сыграла значительную роль в развитии методов решения не только задач акустики, а развития математической физики в целом.

Определённым итогом развития акустики в ХVIII веке, можно считать появление первой монографии по акустике[7], автором которой был выдающийся экспериментатор Хладни. Первое издание этой книги касается 1802 года. Многие из представленных в ней наблюдений, нашли научное объяснение значительно позже. Сама книга выглядит несколько специфично. В ней нет ни одной формулы, без которых в дальнейшем в акустике, уже невозможно обойтись. Использование математического моделирования на основе точно определённых физических понятий, стало мощным средством получения новых знаний в акустике благодаря трудам Эйлера, Лагранжа, д’Аламбера и Д. Бернулли. Итогом процесса более быстрое развитие акустических исследований в XIX веке, и вышедшая в печать (1877—1878 гг.) двухтомное издание Теория звука лорда Рэлея. Этот произведение существует в русскоязычном переводе и является важным источником знаний для изучения акустики.

Активная исследовательская деятельность многих ученых в XIX и XX веках сформировала современную акустику, как науку, охватывающую широкий спектр явлений, связанных с созданием, распространением волн и взаимодействием их со средой.. Акустика разделилась на отдельные научные и инженерные дисциплины. Исторические исследования тоже стали сосредотачиваться на отдельных дисциплинах. Подробный исторический анализ, часто порождает издания большого объёма. Так, анализ истории развития российской гидроакустики[8] занял более тысячи страниц. Краткий анализ исторических фактов в развитии современной акустики по разным направлениям, содержится в акустической энциклопедии[9].

Определение скорости звука[править | править код]

Представление о конечной величине скорости звука на основе наблюдения за явлением эха и задержки появления звука после выстрела из пушки, сформировалось достаточно давно. История определения величины скорости звука в воздухе оказалась достаточно длинной. Относительно определения пионера в измерении скорости звука, в литературе есть определённые разногласия. Называются фамилии Гассенди и Мерсенна. Оба исследователя анализировали выстрел пушки, фиксируя интервал времени после набата во время выстрела и время прихода звука. По данным Гассенди скорость составляла 478 м/c. Морен получил несколько более точную оценку — 450 м/c. Сравнение наблюдений за выстрелами пушки и ружья давали возможность Гассенди сделать вывод о независимости скорости звука от частоты. Серия тщательно организованных опытов по измерению скорости звука, была проведена во Флорентийской академии опыта (Академия дель Чименто) до 1660 года. Измеренная по звуку от пушки на расстоянии в одну милю скорость звука равна 1077 (1 метр равен 3,07843 Парижских футов). Полученная оценка скорости 350 м/c, оставалась эталоном для экспериментаторов больше века[10]. Следует отметить, что такие измерения не учитывали изменение состояния атмосферы (температуру, давление, влажность, скорость ветра). Изучение влияния этих факторов началось лишь в XIX веке.

События с установлением величины скорости звука, начали развиваться интенсивно после того, как И. Ньютон в своих «Началах» (1687 г.), привел теоретически полученное значение скорости звука. Это стимулировало большое количество дополнительных экспериментов. Интрига заключалась в том, что приведённая Ньютоном величина была меньше экспериментальных данных на 20 %. В последующих изданиях своих «Начал», Ньютон конструировал сложные модели воздуха, безуспешно пытаясь устранить разницу. Оценивая ситуацию Лагранж пессимистично заметил, что верное определение скорости звука не под силу тогдашней науке. После нескольких попыток получить корректную оценку скорости звука, свою неудачу 1759 признал Л. Эйлер. Много сопутствующих деталей относительно истории определения скорости звука приведены в статье-исследовании[10]. В заголовок статьи вынесено имя Лапласа, который в 1827 году выяснил причину разногласий и установил корректное теоретическое значение скорости звука. Причина разногласий заключалась в том, что Ньютон считал процесс распространения звука изотермическим (температура частиц воздуха остаётся неизменной при распространении звуковой волны). Однако в действительности это не так. По подсчётам, приведённым в[11] для разговорных звуков, изменение температуры частиц воздуха, составляет миллионную долю градуса Цельсия. Но именно такие изменения обусловливают указанное выше расхождение между значениями скорости звука. Дальнейшие этапы оценки скорости звука, можно найти в работе[12].

Основные математические модели акустики[править | править код]

Построение математических моделей для исследования волновых и колебательных процессов в газах, жидкостях и твёрдых деформированных телах, осуществляется по общепринятой в физике схеме. На первом этапе формируется модель среды, в которой планируется изучать акустические процессы. Формируется система параметров, изображающие состояние этой модельной среды. В терминах этих параметров, записываются законы сохранения (количества движения, момента количества движения, энергии и другие). Эти соотношения являются важной составляющей математической модели процесса. Однако, в таких соотношениях количество неизвестных превышает количество уравнений (формируется незамкнутая система). Чтобы получить замкнутую систему, надо ввести дополнительные соотношения, задавая физические свойства среды в виде определённых связей между параметрами, изображающие состояние системы. Это может быть, например, соотношение между плотностью и давлением, которое используется при моделировании жидкости или газа как идеальной сжимаемой жидкости. Часто акустическую среду можно моделировать как сплошную. Для такого случая все детали процесса математического моделирования, обсуждаются в специальной литературе[13].

Большое количество задач акустики, удаётся решить используя модель идеальной сжимаемой жидкости. В этом случае, изменение состояния среды, в которой распространяется возмущение, описывается тремя физическими величинами — давлением , вектором скорости частиц среды — и функцией , которая характеризует изменение плотности среды при прохождении волны. Здесь  — это начальная плотность невозмущённой среды. Второй физической характеристикой среды является объёмный модуль упругости . После введения этой величины, можно записать уравнение состояния для идеальной жидкости в виде . Это простейшее уравнение, связывающее значение давления и изменения плотности среды. Более сложные зависимости рассмотрены в разделе нелинейная акустика.

Значение характеристики зависит от характера процесса деформации. Поэтому в физике различают модули упругости для адиабатического и изотермического процессов. Для воздуха адиабатический модуль 1,4 раза больше, чем изотермический. Подробно, процедура получения основного уравнения акустики идеальной жидкости, приведена в[14]. Это уравнение называется волновым уравнением и часто записывается в одной из двух форм, или относительно функции потенциала скорости или относительно функции давления . В инвариантной форме это уравнение имеет вид

Здесь  — дифференциальный оператор, известный как оператор Лапласа. Если известно выражение для функции потенциала величины скорости частиц среды и давления вычисляются по формулам . Во многих случаях, для решения прикладных задач, используют модель идеальной неоднородной жидкости, когда невозмущённая плотность и модуль объёмной упругости, считаются функциями координат. Именно такую модель нужно использовать для изучения акустических явлений в океане; пространственное изменение указанных параметров играет важную роль при формировании звуковых полей.

При описании волновых процессов в твёрдых деформированных телах, часто используется модель идеального упругого тела. В таких телах при распространении возмущений, возникают не только деформации растяжения-сжатия, как в идеальной жидкости, но и деформации изменения формы. Тогда говорят, что в упругом теле могут распространяться продольные и поперечные волны. Такое название связано с тем, что в случае плоской волны, для волн первого типа, вектор скорости частиц среды, параллелен направлению распространения волны, а для второго — перпендикулярен. Скорости распространения этих двух типов волн существенно различаются.

Физические свойства идеально упругого тела определяются тремя величинами: плотностью , модулем упругости (модулем Юнга) и коэффициентом Пуассона . Часто вместо модуля упругости и коэффициента Пуассона используют две другие величины — коэффициенты Ляме , связанные с модулем упругости и коэффициентом Пуассона соотношениями и .

Напряжённое состояние упругого тела характеризует тензором напряжений. Деформации элементарного объёма, описывают тензором деформаций. Уравнения состояния идеально упругого тела, задаются законом Гука, который устанавливается связь между компонентами тензоров напряжений и деформаций. С учётом этого закона, записываются соотношение второго закона Ньютона для элементарного объёма упругого тела. С использованием дифференциальных операторов градиента, ротора и дивергенции это соотношение принимает вид

Особенно важную роль, в создании источников звука в гидроакустических приборах, устройствах неразрушающего контроля, разного рода акустических сенсорах, в ультразвуковой технике, играют материалы, которые проявляют пьезоэффект. С их помощью создаются устройства, преобразующие электрические колебания в механические (обратный пьезоэффект), либо генерирующие электрические заряды посредством механических деформаций. Эти материалы часто работают в таких условиях, которые могут рассматриваться как идеально упругие. Однако уравнения состояния таких материалов, связывают механические напряжения с деформациями и характеристиками электрических полей и имеют достаточно сложный вид. Кроме того, в таких материалах, механические свойства зависят от направления деформации (анизотропии), что также усложняет форму соотношений в уравнениях состояния. Полное описание уравнений состояния и примеры решения задач динамического деформирования элементов конструкций из таких материалов, приведены в[15].

Физическая акустика[править | править код]

физическая акустика — это часть акустики, рассматривающая взаимодействие акустических волн с твёрдыми, жидкими и газообразными средами на макро- и микроуровнях. В рамках физической акустики выделяются два вида задач. По формулировке соответствующих математических моделей и целей исследования звуковых полей, их можно разделить на прямые и обратные задачи. В прямых задачах считают известными свойства вещества, в котором распространяются звуковые возмущения. Вопрос ставится об изучении влияния свойств среды (упругого тела, газа, жидкости, кристаллической решётки) на свойства волн. В задачах обратных, целью исследования является поиск информации о внутренних свойствах среды, в которой распространяется звук, по свойствам звука, которые удаётся наблюдать.

Основные разделы акустики[править | править код]

На «колесе акустики» Линдси приведены 10 основных направлений научной и инженерной деятельности в акустике. Это «колесо» было создано в 1964 году. Акустика, как раздел физики, находится в постоянном развитии. С тех пор в ней сформировались новые направления, в рамках которых интенсивно ведутся фундаментальные и прикладные исследования, результаты которых, являются основой для создания действительно революционных технологий. В этом разделе приведём краткие характеристики основных направлений, определяющих лицо современной акустики.

Физиологическая и психологическая акустика[править | править код]

В процессе восприятия звука человеком, можно выделить три этапа. Прежде всего, энергия звукового сигнала достигающая головы, должна быть трансформирована в энергию механических колебаний элементов внутреннего уха. Затем, механические колебания должны быть преобразованы в нервные импульсы, которые уже можно передавать в мозг. И наконец, переданный в мозг сигнал, анализируется центральной нервной системой для оценки полученной информации. Процессы, происходящие на первых двух этапах, определяются физиологическими (анатомическими) особенностями слуховой системы человека и изучаются в рамках физиологической акустики. Особенности восприятия и анализа нервных импульсов мозга, является предметом исследований в рамках психологической акустики, или психоакустике. Для человека также важна проблема генерации сложных звуков языка и пения. Понимание особенностей генерации таких звуков определяются строением речевого аппарата. Поэтому физиологическую акустику определяют как раздел акустики, объединяющий исследования особенностей восприятия и воспроизведения звуков культурно-слуховым аппаратом человека. Итоги исследований дают важную информацию, как для медиков, в случае анализа дефектов слуха, так и для инженеров для создания технических средств и условий комфортного восприятия звуков человеком. В раздел физиологической акустики, относят данные о предельных уровнях интенсивности волновых возмущений и их частотный диапазон, при которых у человека возникают слуховые ощущения.


Возмущения в воздухе определяемые как звук, могут характеризоваться очень широким диапазоном частот и давлений. Однако, далеко не все они воспринимаются человеческим ухом. На рисунке выделена та область частот и давлений, в которой человеческое ухо воспринимает звук. В этой области, также выделено меньшие области частот и давлений, характерные для речевого общения и пения (англ. voice) и музыкальных произведений (англ. music). Построение границ этой области, является результатом усреднения измерения для многих людей. Для каждого конкретного человека, могут наблюдаться отклонения в определении области восприятия звуковых раздражений.

Нижняя граница области, определяет для каждой частоты значение давления в звуковой волне, при котором возникает слуховое ощущение. Эта кривая определяет порог слышимости (англ. listening threshold). Возмущения, параметры которых относятся к области ниже этой кривой, человеческим ухом не слышны. Как видно наиболее чувствительным для средне статистического человека, является область частот около 3000 Гц. Что касается частотного диапазона слышимости, то таким показателем для средне-статистического человека, является полоса от 20 Гц до 20000 Гц (20 кГц). Звуки с более низкой частотой (инфразвук) и с высокой (ультразвук) — не воспринимаются человеческим ухом как звук.

Верхний предел выделенной области определяет, по сути, максимально возможные амплитуды колебаний механической системы человеческого уха, которые она способна превращать в соответствующие нервные импульсы. Высокие значения амплитуд колебаний уже вызывают болевые ощущения и поэтому эта кривая, определяется как болевой порог (англ. pain threshold). Она значительно меньше изменяются с частотой, чем кривая порога слышимости.

Область воспринимаемых человеческим ухом звуков на плоскости давление — частота. Выделены области характерных звуков. Ось справа показывает величину плотности потока энергии в звуковых волнах с соответствующим значением величины давления.

Процесс восприятия звуков человеком не является процессом чисто механической регистрации раздражений слуховой системы. Значительную роль в восприятии звуков, играет центральная нервная система. Две сходные с физической точки зрения последовательности звуков с различными частотными составляющими воспринимаются человеком по-разному, с выделением приятной (консонанс) и неприятной (диссонанс) последовательностями. Огромное значение для восприятия звуков человеком, имеет «акустический» жизненный опыт, предпочтения и уровень культуры. С особенностями обработки в мозгу акустической информации, связан эффект маскировки и расположения источника звука. Особенности восприятия музыкальных тонов и музыкальных произведений, в целом, изучаются в рамках музыкальной психологии. Определённые результаты таких исследований используются в методе музыкотерапии.

Электроакустика[править | править код]

Электроакустика — раздел акустики, который связан с разработкой и созданием различных электрических устройств, которые предназначены для создания, регистрации, восприятия и хранения звуковой информации. Первые электроакустические приборы были созданы в последней четверти XIX века. В 1876 году был создан электромагнитный телефон, а в 1878 году — угольный микрофон. В дальнейшем, с использованием таких физических явлений как электростатическая и электромагнитная индукция, пьезоэффект, магнитострикция, термоэлектрический эффект удалось создать широкую палитру приборов, позволяющих превращать звуковые колебания в электрические и наоборот, сохраняя все характеристики таких колебаний. Создание таких устройств обусловлено не только акустикой слышимого частотного диапазона. Такие устройства имеют широкое использование в гидроакустике, системах неразрушающего контроля, в акустических медицинских приборах, где используется очень широкий диапазон частот[16]. Важным направлением современной электроакустики, является создание акустических миниатюрных устройств в мобильных телефонах, проигрывателях и планшетных компьютерах.

После завершения Второй мировой войны, началось бурное развитие электроакустики благодаря появлению технологии магнитной записи звука. Создание компьютера привело к внедрению цифровых технологий в процессы записи и воспроизведения звуков, особенно музыки. Появился новый вид музыки — компьютерная музыка. Электронная обработка музыкальных сигналов определила появление электронной музыки. Сейчас любители прослушивания музыки в домашних условиях, живут в атмосфере очень распространённой рекламы технических средств воспроизведения звука. Существуют многочисленные предложения Hi-Fi и Hi-End техники, которая должна обеспечивать воспроизведение звука близко к его реальному звучание при записи. Относительно эффективности затрат производителей и покупателей такой аппаратуры, существуют определённые сомнения. Они объективно связаны с тем, что оценку качества звука нельзя провести в отрыве от учёта акустических свойств помещения, в котором происходит прослушивание. Качество звучания зависит даже от положения слушателя в комнате или зале.

Подробнее смотреть Электроакустика

Гидроакустика[править | править код]

Термином гидроакустика определяются все акустические исследования, связанные с изучением особенностей генерации и распространения звуков в различных водоёмах и практическое использование знаний об этих особенностях. Поскольку электромагнитные волны сильно затухают в солёной морской воде, акустические волны являются единственным средством дистанционного зондирования в морях и океанах. Это обстоятельство обусловило интенсивное развитие такого направления, как акустическая океанография[17]. С точки зрения распространения звука, океаническая среда оказалась достаточно сложной. Прежде всего, в ней наблюдается изменение в достаточно широких пределах (пространственных и временных) таких физических параметров, как температура, давление солёность, насыщенность газами. Значительное влияние на формирование звукового фона в океане могут давать живые организмы. Всё это влияет на характеристики звуковых полей. Поэтому важной составляющей гидроакустики есть такая научная дисциплина, как акустика океана[18].

См. также Гидроакустика

Акустика в медицине[править | править код]

Знания из различных разделов акустики, широко используются, как для диагностической цели, так и для организации терапевтических процедур. В этом случае используются звуковые сигналы в широком диапазоне частот. Значительное внимание в медицинской акустике уделяется также изучению воздействия на организм человека звуков и вибраций различной интенсивности.

Ультразвуковое изображение плода в утробе матери.

Архитектурная акустика[править | править код]

Несмотря на то, что история акустики достаточно богата примерами сооружений (особенно культовых храмов), открытых театров, которые славятся великолепными условиями для восприятия звуков человеком, формирования научной дисциплины, которая бы давала обоснованные систематические рекомендации для достижения таких звуковых качеств, произошло лишь в начале XX века. Это направление в акустике определяется как архитектурная акустика.

Качество восприятия звука в помещении, в основном, определяется такими факторами как: размер, форма, акустические свойства поверхности, уровень постороннего шума. Причём все эти параметры выбираются в зависимости от того, каков основной источник звука. Известный случай — Театр в Байройте — это специальный музыкальный театр для музыки определённого стиля композитора Р. Вагнера, построенный под его руководством. Сейчас в архитектурной акустике отработаны технологии, обеспечивающие достижение желаемых значений параметров, которые определяют акустическое качество помещения в соответствии с его назначением. В последнее время, из-за широкого распространения домашних кинотеатров, и роста качества акустических систем, доступных широкой общественности, в архитектурной акустике сформировался особый раздел — акустика квартирной комнаты. Анализ особенностей подхода к решению акустических проблем таких помещений, приведены, например, в[19]. Значительный исторический интерес вызывают вопросы акустики древних культовых сооружений времен Киевской Руси. Проведённые оценки акустических характеристик Софийского собора в Киеве и Кирилловской церкви, указывают на использование достижений Византийской культуры при строительстве этих храмов[20].

Музыкальная акустика[править | править код]

Музыкальная акустика является разделом акустики, в котором исследуется широкий круг вопросов музыки, физики музыкальных инструментов и особенности восприятия музыки человеком. В этом последнем аспекте, можно говорить о тесной связи музыкальной и психологической акустики, хотя в данном случае, речь идёт о восприятии человеком особого — музыкального звука. Особенности таких звуков определяются тем, что музыка — это искусство организации вокальных, инструментальных звуков и их комбинации для достижения определённых эстетических и эмоциональных эффектов у слушателя. Постановка такой цели открывает широкие возможности для субъективных оценок музыкальных произведений. Содержание таких оценок определяется культурной атмосферой, в которой воспитывался слушатель, уровнем его индивидуальной культуры и присущие ему, слуховому восприятию. Незначительное количество людей от природы наделяется абсолютным слухом, зато значительное количество людей имеют музыкальный слух, а для некоторых людей для оценки слуха, используют классическое «медведь на ухо наступил».

Музыкальная акустика формирует широкое поле междисциплинарных исследований для специалистов, изучающих проблемы генерации музыкальных звуков, передачи таких звуков от источника к слушателю и восприятия таких звуков слушателем. В исследованиях по музыкальной акустики, участвуют специалисты по различным дисциплинам — физике, психологи, физиологи, отоларингологи, инженеры-электрики, инженеры-механики, архитекторы и музыканты. Особое значение этого раздела акустики заключается в том, что при изучении проблем музыкальной акустики, формируется мост между наукой и искусством[21].

Среди широкого круга проблем, исследуемых в музыкальной акустике, значительное внимание уделяется изучению физических процессов, которые позволяют извлекать нужные звуки различными музыкальными инструментами. Такие исследования объединены в специальном разделе, который называется: физика музыкальных инструментов. Одна из популярных тем этого раздела, например, тема: Почему звучит скрипка?. Ответ на этот вопрос, можно найти в книге[22]. Описание акустических свойств многих музыкальных инструментов доступно в Интернет-издании[23].

В случае описания восприятия звуков слушателем, используют четыре свойства: высота звука, тембр, громкость и длительность. Во время физического анализа звуков, устанавливается связь между этими качественными характеристиками звуков и количественными характеристиками звуков, используемых в акустике: частота, интенсивность, спектр, временной интервал.

Значительный объём информации относительно определённых аспектов музыкальной акустики, приведена на сайте[24]. Здесь приведены тесты для индивидуальной проверки слуха.

Экологическая акустика[править | править код]

Появление этого направления в современной акустике, является примером изменений в этой науке, соответствующие изменениям условий существования человечества. Сам по себе большой интерес к проблемам экологии, то есть проблем взаимодействия человека с окружающей средой, является характерным признаком современности. Исследования по негативному влиянию таких акустических факторов, как шум и вибрации, ведутся в акустике и в медицине достаточно давно. Однако, борьба с негативными последствиями такого влияния, чаще всего, представлялась проблемой отдельных профессиональных групп. Именно понимание того, что проблема существования в «акустически загрязненном» мире становится общечеловеческой, способствовало появлению такого направления в экологии. В 1993 году было создана международная организация, Всемирный форум акустической экологии (англ. World Forum for Acoustic Ecology который своей целью определил изучение научных, социальных и культурных аспектов влияния природной и созданной человеком звуковой среды. С 2000 года регулярно издается Журнал акустической экологии (англ. The Journal of Acoustic Ecology[25].

Биоакустика[править | править код]

Кроме человека много других живых существ используют звуки для общения и оценки состояния окружающей среды. Изучением особенностей создания звуков живыми существами, восприятие ими звуков, характерных особенностей использованных звуков, занимаются в таком разделе акустики, как биоакустика. Первые предположения об использовании звуковых сигналов в системе ориентации летучих мышей, высказывались ещё 1770 году. Однако, инструментальное подтверждение использования ими ультразвука, было сделано только в 1938 году. В начале пятидесятых годов XX века, началось изучение звуков издаваемых дельфинами. Эти исследования указали на использование ими звуков в диапазоне частот, выше сотни килогерц[26]. Наблюдение за живым миром, позволяет сделать определённые обобщения, например, можно сказать, что малые по размеру существа, используют высокочастотные звуки, а крупные — низкочастотные. Однако есть и исключения — довольно крупные морские животные — дельфины пользуются высокочастотным ультразвуком. В целом свойства используемого звука определяются механизмом его создания. И эти разные механизмы изучаются в биологической акустике[9].

Аэроакустика[править | править код]

Аэроакустика это раздел акустики, в котором изучают механизмы возникновения и свойства звуков, создаваемых потоком воздуха, или возмущениями в воздухе, порождёнными движением различных объектов в нём. Поток воздуха способен вызвать звук в том случае, когда в нём образуются и взаимодействуют определённого вида возмущения (турбулентные или вихревые образования), способные обеспечить передачу кинетической энергии потока в энергию звуковой волны. Процесс такой передачи достаточно сложный, поскольку движение частиц среды в потоке и в волны — это два принципиально разных движения. В первом случае, имееся перенос массы, то есть частицы существенно смещаются в пространстве. В случае распространения волны, происходит только перенос состояния — частицы среды осуществляют лишь колебания вблизи положения устойчивого равновесия.

Ультразвук[править | править код]

Ультразвук определяют как звуковые волны в газах, жидкостях и твёрдых телах, спектр которых содержит составляющие с частотами выше 20 кГц. Выделение исследований звуковых волн такого диапазона частот в отдельный раздел акустики обусловлено, прежде всего, чрезвычайно широким использованием ультразвука для решения технологических задач.

Нелинейная акустика[править | править код]

Для описания основных математических моделей акустики идеальной сжимаемой жидкости, было представлено линейное уравнение (1). Для получения этого уравнения, сделаны два принципиальных предположения. Первое из них, кинематическое предположение базировалось на наблюдениях, указывающих на малость скоростей движения точек среды, по сравнению со скоростью звука (акустическое число Маха). Это действительно так, поскольку даже для интенсивностей звука, соответствующие болевому порогу слуховой системы человека, число Mаха очень мало по сравнению с единицей (). Тогда в уравнениях движения, можно пренебречь определёнными малыми слагаемыми.

Второе сделанное предположение было связано с линейностью уравнения состояния

Для многих случаев такое предположение оказалось допустимым и в рамках линейной модели, получено решение огромного количества задач акустики. Однако, экспериментальные исследования показали, что при определённых условиях, наблюдаются расхождения между экспериментальными данными и результатами расчётов. Часто эти разногласия можно устранить, когда уравнение состояния идеальной жидкости принять в виде

Здесь введено обозначение, которые традиционно используются в литературе по нелинейной акустики, а соотношение между и определяют степень нелинейности акустической среды. В качестве примера можно указать, что для двухатомных газов , а для дистиллированной воды . Значение этого соотношения важно для обработки результатов ультразвукового зондирования человеческих органов. Эти значения для различных веществ и тканей человеческих органов можно найти в[27].

Вследствие нелинейности, в волновых движениях проявляются такие эффекты, как акустическая левитация, радиационное давление, акустические течения. С использованием нелинейных эффектов, создаются параметрические антенны и приёмники в гидроакустике. Во время ультразвукового обследования внутренних органов, учёт нелинейности, даёт возможность повысить уровень контрастности акустических изображений. Проявлением эффекта нелинейности, будут явления формирования волн цунами и разрушения волн при приближении к берегу. С деталями математического описания нелинейных эффектов можно познакомиться в[14].

Геоакустика[править | править код]

Геоакустика — раздел акустики, связанный с изучением свойств инфразвуковых, звуковых и ультразвуковых волн в земной коре, гидросфере и атмосфере. Этот раздел акустики является составляющей такой общей дисциплины в науках о земле, как геофизика. Поскольку акустика атмосферы и акустика океана выделились в отдельные подразделы, термином Геоакустика определяют только область, связанную с изучением волн в земной коре. Источником таких звуков могут быть, как природные явления (землетрясения, оползни, извержения вулканов, падения метеоритов и так далее), так и специальные вибрационные устройства и разного рода взрывы. В обоих случаях определение характеристик упругих волн в земной коре, вызывает большой интерес. Волны, создаваемые землетрясениями, несут важную информацию о строении земной коры и деформационных процессах, в ней происходящие на недоступных для непосредственного наблюдения глубинах. Именно это обстоятельство, позволила в свое время эффективно фиксировать факты проведения подземных ядерных взрывов[28].

Другие разделы акустики[править | править код]

  • Геометрическая акустика — раздел акустики, предметом изучения которого являются законы распространения звука. В основе лежит представление о том, что звуковые лучи — это линии, касательные к которым совпадают с направлением распространения энергии акустических колебаний.
  • Строительная акустика — защита от шума зданий, промышленных предприятий (расчёт конструкций и сооружений, выбор материалов и т. д.).
  • Акустика транспорта — анализ шумов, разработка методов и средств звукопоглощения и звукоизоляции в различных видах транспорта (самолётах, поездах, автомобилях и др.)
  • Ультразвуковая акустика — теория ультразвука, создание ультразвуковой аппаратуры, в том числе ультразвуковых преобразователей для промышленного применения в гидроакустике, измерительной технике и др.
  • Квантовая акустика (акустоэлектроника) — теория гиперзвука, создание фильтров на поверхностных акустических волнах
  • Акустика речи — теория и синтез речи, выделение речи на фоне шумов, автоматическое распознавание речи и т. д.
  • Цифровая акустика — связана с созданием микропроцессорной (аудиопроцессорной) и компьютерной техники.

Интересными направлениями исследования в акустике на макроскопическом уровне являются

  • распространение звука в движущихся средах
  • рассеяние звука на неоднородностях среды и распространение звука в неупорядоченных средах
  • характер макроскопических течений в поле звуковой волны
  • поведение вещества в поле сильной ультразвуковой волны, кавитационные явления

На микроскопическом уровне упругое колебание среды описывается фононами — коллективными колебаниями атомов или ионов. В металлах и полупроводниках такие колебания ионов приводят и к колебаниям электронной жидкости, то есть, на макроскопическом уровне, звук может порождать электрический ток. Подраздел акустики, изучающий такие явления и возможности их использования, называется акустоэлектроникой.

Другое близкое по духу направление исследования — акустооптика, то есть изучение взаимодействия звуковых и световых волн в среде, в частности, дифракция света на ультразвуке.

Акустика в Украине[править | править код]

Первые исследования, связанные с изучением закономерностей распространения волновых возмущений, выполнено в Украине профессором Новороссийского университета (Одесса) Николаем Алексеевичем Умовым. В его исследованиях значительное место занимала работа по определению количественных оценок величины энергии, переносимой волновым движением. В 1874 году он защитил докторскую диссертацию на тему «Уравнения движения энергии в телах»[29]. Им было выведено выражение для векторной характеристики потока энергии. Аналогичное выражение для электромагнитных волн было предложено Дж. Г. Пойнтингом (John Henry Poynting) на десять лет позже. Сейчас в англоязычной литературе для вектора потока энергии в волновом движении используют название «Вектор Пойнтинга». В русско- и украиноязычной литературе используется термин «Вектор Умова — Пойнтинга».

В этом же Новороссийском университете вёл исследовательскую работу известный физик Леонид Исаакович Мандельштам. После окончания Одесской гимназии он продолжил обучение в Германии. В 1914 году вернулся в Одессу и был приглашен приват-доцентом в университет. В 1918 году стал профессором построенного Одесского политехнического института. С 1922 года работал в различных научных и образовательных учреждениях СССР. Л. И. Мандельштам был многогранным учёным и выдающимся педагогом. Его книга[30] до сих пор является важным источником знаний для студентов-физиков.

Значительное влияние на развитие исследований по акустике в Одесском политехническом институте, имела деятельность профессора Андрея Васильевича Кортнева. Его работа в институте началась с 1948 года и была связана с исследованиями различных аспектов взаимодействия мощного ультразвука с отдельными объектами. В дальнейшем в университете сформировался коллектив исследователей, выполнявших значительный объём исследований по заказу военно-морского флота, направленный на создание средств настройки и контроля гидроакустических станций. Значительное влияние на координацию и развитие акустических исследований в Украине оказал межведомственный сборник Акустика и ультразвуковая техника, редактором которого был А. В. Кортнев. Им была создана научная школа акустиков в Одессе, которая плодотворно работает и сейчас.

Начало исследований по акустике в Киеве связано с именем выдающегося учёного Л. Д. Розенберга. Свою исследовательскую деятельность он начал в лаборатории на Киевской киностудии в 1930 году. Его первая работа касалась проблем архитектурной акустики связанной с записью и воспроизведением звуков при наличии реверберации. Его заслугой является организация коллектива акустиков в Киеве и создания кафедры акустики в Киевском институте киноинженеров в 1936 году. Киевский период его деятельности длился недолго — в 1938 году он возглавил научный коллектив, который должен был обеспечить решение акустических проблем при строительстве уникального сооружения — «Дворца Советов» в Москве. И хотя проект не был реализован, работа над ним способствовала развитию многих научно-технических дисциплин, в том числе и архитектурной акустики. После отъезда Л. Д. Розенберга в Москву созданный им коллектив в течение 40 лет возглавлял профессор М. И. Карновский. Коллектив плодотворно работал и продолжает работать сейчас как кафедра акустики Национального технического университета (КПИ). Значительной заслугой Л. Д. Розенберга является редактирование русскоязычного издания Физической акустики — первого из большой серии, которая была основана на английском языке в издательстве Academic Press.

Выдающийся вклад в становление исследований по акустике внесли работы учёного А. А. Харкевича, который с 1944 по 1952 годы работал в Украине, сначала во Львовской политехнике, а затем в Институте физики НАН Украины. Он также читал лекции на кафедре акустики Киевского политехнического института. Именно в это время им была написана классическая работа «Анализ и спектры», которая много раз переиздавалась. В 2009 году вышло пятое издание книги в серии книг с красноречивым названием «Классика инженерной мысли»[31].

Для решения широкого круга задач прикладной гидроакустики в 1956 году в Киеве был создан научно-технический центр «Киевский научно-исследовательский институт гидроприборов»[32]. Для обеспечения центра квалифицированными специалистами в Киевском политехническом институте была организована подготовка гидроакустиков на кафедре акустики под руководством профессора М. И. Карновского. За годы деятельности в Институте гидроприборов вместе с рядом промышленных предприятий была создана широкая гамма акустической техники для военно-морского флота СССР и Украины.

Сейчас исследования в различных направлениях акустики проводятся во многих академических институтах и университетах Украины. На основе таких исследований решаются важные прикладные проблемы, включая разработками медицинских приборов, технологий неразрушающего контроля, анализа свойств новых материалов, оценки несущей способности ответственных строительных конструкций, обеспечения уютных условий в средствах транспорта.

Примечания[править | править код]

  1. R. Bruce Lindsey The Story of Acoustics. // The Journal of the Acoustical Socity of America, vol.39, issue 4, 1966, p.629-644
  2. D. R. Raichel The Science and Applications of Acoustics. — Springer, 2006, 660 p. — ISBN 0-387-30089-9
  3. Лосев А. Ф. История античной эстетики. Т.4. Аристотель и поздняя классика — М.: Искусство, 1975. — 672 с.
  4. Philip Ball Why the Greeks could hear plays from the back row // Nature, 23 March 2007, doi 10.138/news070319-16
  5. Храмов Ю. А. Савер Жозеф (Sauver Joseph) // Физики. Биографический справочник. Изд. 2-ое, Испр. и дополн. — М.: Наука,1983. — 400 с.
  6. Юшкевич А. П. История математики в 3-х томах. Том 3. Математика ХVIII столетия. — М.: Наука,1972. — С. 314—315.
  7. Chladni E. Die Akustik. Leipzig 1802, französische Übersetzung: Traite d’ acoustique, Paris 1809 und in: Neue Beiträge zur Akustik, Leipzig 1817
  8. O. F. Godin, D. R. Palmer History of Russian Underwater Acoustics. World Scientific,2008. — 1247 p. — ISBN 981-256-825-5
  9. 1 2 Tomas D. Rossing (ed.) Springer Handbook of Acoustics. — Springer,2007. — 1182 p. ISBN 0-387-30425-0
  10. 1 2 B.S.Finn Laplace and the Speed of Sound //ISIS, vol.55, No 1, 1964, pp.7-19.
  11. Исакович М. А. Общая акустика. — М.: Наука, 1973. — 496 с.
  12. Меркулов В. В мире звуков. Как добывается истина. // Наука и жизнь, 2007, № 5, С.104-107.
  13. Р. Темам, А. Миранвиль Математическое моделирование в механике сплошных сред. 2-е издание (електронное). — М.: БИНОМ.Лаборатория знаний, 2014. — 320 с. — ISBN 978-5-9963-2312-8
  14. 1 2 Грінченко В. Т., Вовк І. В., Маципура В. Т. Основи акустики. — К.: Наукова думка, 2007. — 640 с. — ISBN 978-966-00-0622-5
  15. В. Т. Гринченко, А. Ф. Улитко, Н. А. Шульга Электроупругость. —Киев: Наукова думка,1989.—280 с. ISBN 5-12-000378-8
  16. Римский—Корсаков А. В. Электроакустика. — М.: Связь, 1973. — 272 с.
  17. H. Medwin, C. S. Clay Fundamental of Acoustical Oceanography. Academic Press, 1990. — 718 p. — ISBN 0-12-487570-X
  18. Акустика океанической среды / Под ред. Л. М. Бреховских. — М.: Наука, 1989. — 222 с.
  19. Dr.Sound [Акустическая философия музыкальной комнаты.|http://doctor-sound.com.ua/?page=read&id=169]
  20. І. В. Вовк, В. Т. Грінченко, А. П. Макаренков, Л. М. Осипчук, М. П. Трохименко Акустика храмів Київської Русі//Акустичний вісник,1998, т.1, № 1. —с.4-9
  21. M.J. Crocker (Ed.)Encyclopedia of Acoustics, vol. 4, part XIV. — John Willey & Son,1997. — ISBN 0-471-18007-6
  22. Асламазов Л. Г., Варламов А. А. Удивительная физика. — М.: Добросвет,2002. — 236 с. — ISBN 5-7913-0044-1
  23. D.R. Lapp The Physics of Music and Musical Instruments|http://kellerphysics.com/acoustics/Lapp.pdf]
  24. [Music acoustics — sound files, animations and illustrations http://newt.phys.unsw.edu.au/music/] — University of New South Wales
  25. K.Wrightson An Introduction to Acoustic Ecology. // The Journal of Acoustic Ecology, 2000, vol.1, No 1, p.10-13.
  26. Whitlow W. I. Au History of Dolphin Biosonar Research//Acoustics Today, 2015, vol.11,Issue 4,p. 10-17 p.
  27. Beyer, R.T, 2008. The Parameter B/A. In Nonlinear Acoustics (eds. Hamilton, M. F., Blackstock, D. T.)
  28. Махонин Е. И. Украинская сейсмическая станция PS-45 на страже мира Архивировано 25 січень 2016.
  29. Умов Н. А. Уравнения движения энергии в телах. — Одесса: Типогр. Ульриха и Шульце, 1874. — 56 с.[http://nn.mi.ras.ru/?bi=171 (недоступная ссылка)
  30. Л. И. Мандельштам, Лекции по теории колебаний. --Москва: Наука, 1972.--470 с.
  31. А. А. Харкевич Анализ и спектры, Изд. 5-е. —Москва: Книжный дом «ЛИБРОКОМ»,2009.—240с. ISBN 978-5-397-00256-1
  32. офіційний сайт (недоступная ссылка). Дата обращения: 5 січня 2016. Архивировано 9 січня 2016.

Литература[править | править код]

  • Алдошина И., Приттс Р. Музыкальная акустика. Учебник. — СПб.: Композитор, 2006. — 720 с. ISBN 5-7379-0298-6
  • Маньковский В. С. Акустика студий и залов для звуковоспроизведения. — М.: Искусство, 1966. — 376 с.
  • Аннотация // Лепендин Л. Ф. Акустика. — 1978. — 448 с.
  • Радзишевский, Александр Юрьевич. Основы аналогового и цифрового звука. — Вильямс, 2006. — ISBN 5-8459-1002-1.
  • Дж. В. Стрэтт (Лорд Рэлей) Теория звука. пер. с англ. в 2-х томах. М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1940. — т. 1 — 500 с., т. 2 — 476 с.
  • Акустика для звукорежиссёров : [Учеб. пособие] / Анатолий Ананьев. — К. : Феникс, 2012. — 251 с. : Ил., Табл.
  • акустика залов : Учеб. пособие. для студ. направления 1201- «Архитектура» высш. учеб. заведений / Е. В. Витвицкая. — А. : Астропринт, 2002 .. — 144 с .: ил .. — Библиогр .: с. 138—141. — ISBN 966-549-722-7
  • Акустика и теория ультразвука : Тексты курса лекций / Г. В. Протопопов ; МВССО УССР. Одес. политехнический. ин-т. — Одесса, 1972.
  • Акустика текстур горных пород : Учеб. пособие / Г. Т. Продайвода. — К. : БГЛ «Горизонты», 2004 .. — 143 с .: рис., Табл. .
  • акустическая техника : Учеб. пособие. : Собр. произведений : В 15 т. / [М-во образования и науки Украины, Нац. техн. ун-т Украины "Киев. политехнический. ин-т ", Каф. акустики и акустоэлектроники]; под общ. ред. Дидковский В. С. — К. : Немцев, 2000-. — (Библиотека акустика. Акустическая техника).
  • Вступление в механики и акустики : Пер. с нем. / Р. В. Поль; пер. с нем. языка И. В. Радченко под ред. Б. Н. Финкельштейна. — Харьков; Киев : ДНТВУ, 1933. — 266 с.
  • Гидродинамика и акустика = Hydrodynamics and acoustics : Наук. журн. / Ин-т гидромеханики НАН Украины. — Киев, 2018-.
  • Грінченко В. Т., Вовк І. В., Маципура В. Т. Основи акустики. — К.: Наукова думка, 2007. — 640 с.